无人机在桥梁检测中的应用研究

刘威，丁霄霄，宗誉

1上海市交通发展研究中心， 2上海交通规划设计研究院有限公司， 3上海市嘉定区公路管理所

0 引 言

析现有无人机桥梁检测技术的优劣势，为桥梁的安全防范保障工作提供科学支撑。

提升公路桥梁的安全性、耐久性、可靠性是桥梁建设养护工作的重要内容。为防患于未然，采用有效手段对桥梁的安全状况进行检测和评估十分必要。我国现行的桥梁检测手段主要仍为传统方式。随着科技的发展，越来越多的公路管理机构和养护作业单位开始利用新技术、新设备来实现桥梁检测工作的降本增效。在此背景下，无人机桥梁检测技术作为一种桥梁检测辅助方案，开始受到广泛关注。有必要通过工程实例，验证无人机作为补充桥梁检测工具的有效性，分

1 传统的桥梁检测方式

1.1 桥梁检测作业分类

桥梁检测主要是对桥梁外观和结构性能进行检查评定，对桥梁结构性能的检查一般需要通过一系列的力学试验完成，而对其外观的检查主要依靠肉眼或者辅助工具（如桥检车、望远镜等）[1-2]。

桥梁检测作业主要分为日常巡查、经常检查、定期检查和专项检查。日常巡查采用乘车目测，对桥面及以上部分的构件缺损及桥梁结构异常变位情况进行判定，以定性判定为主。经常检查采用抵近目测结合辅助工具对桥梁目测所及的各个构件进行检查并对损伤进行定性判定。定期检查是确定桥梁技术状况的全面检查。专项检查指在特定情况下（如桥梁因洪水冲刷、物体撞击、自然灾害造成损坏、桥梁技术状况达到四类、五类标准的情况）对桥梁技术状况进行鉴定。不同类型桥梁检测作业的检查内容如表1所示。

表1 不同桥梁检测作业的检查内容

1.2 桥梁检测相关设备

桥梁检测一般以目视为主，仪器为辅。常规的桥梁检测设备有望远镜、桥检车、登高车、梁下检修桁车、桥塔检修吊台等，是目前绝大多数桥梁养护单位的工作模式。其中，桥检车、登高车主要用于辅助工作人员抵近检查部位，对于桥梁病害的定量观测还需借助专业手段如裂缝卡片、裂缝测宽仪（光学、电子、机械）等。随着技术的发展，桥梁的检测方法和手段也逐步智能化，其中应用相对较多的有无人机、缆索机器人和水下机器人等。

1.3 桥梁检测手段发展方向

桥梁检测作业存在难全面、难及时、任务重、风险大、成本高等工作难点。针对以上工作难点，传统桥梁检测方式的优势主要表现在：人工识别灵活性强、前期投入低。不足之处则表现在：易受桥梁结构及地理环境影响、风险成本高、效率低等。因此，未来的桥梁检测手段需重点关注以下方面的需求：

①提升检测效率。首先，传统桥检方式还无法满足对悬索桥等特殊结构桥梁或者大跨、高墩桥梁的桥梁底板、高塔柱、斜拉钢索、塔顶结构等部位的高效检测[1、3]。受地形所限，对高净空桥梁、涉水桥梁的日常检查，对桥梁支座、桥底情况的全面观测等存在难度；其次，受检测频率及效果的限制，传统手段通常难以形成常态化高频度的检测机制，对轻微但累积性显著的损伤，容易存在侦测不及时的问题，不利于风险预防预控；最后，传统手段往往以人工为工作主体，培训成本高，且经验、能力、积极性和责任感存在个体差异。

②提高安全系数。提高安全系数。桥梁结构复杂、病害多样，检测过程需要人员贴近桥梁的各个检测部分进行观测，往往对人身安全造成威胁，有必要利用机器的机动性实现检查盲区的全覆盖，特别是对桥墩、桥座、桥腹等危险场所的检测，避免动用大型机械设备，同时降低操作人员的安全风险。

③降低检测成本。一方面，桥梁检测作业任务重，通常需要投入较高的人力成本，且传统桥梁检测方式通常需要借助多种辅助措施以抵近检查部位，整体检测费用较高。另一方面，利用传统方式开展桥梁检测作业，通常需要封闭桥梁中断交通，对周边单位和通行者带来较大的影响和不便。

④提升数据分析效率。目前桥梁相关检测数据的存储与应用效率不高。一是桥梁基本信息以图纸档案的形式保存，构件等技术状况以文字记录为主，调阅不便且缺乏直观性；二是病害类型、位置、程度等统计分析工作依赖手工完成，受限于人员的技术水平；三是桥梁历史信息如病害的发展历程、维修记录等情况分布于不同的技术文件中，整合程度低，不利于养护工作的总体统筹。

2 无人机桥检国内外应用现状与研究重点

2.1 应用方向

无人机桥检技术的应用方向主要有辅助桥梁表观病害检测、桥梁事故原因调查、桥梁施工调查、竣工验收等。

①辅助桥梁表观病害检测。辅助桥梁表观病害检测是目前无人机桥检技术的主要发展方向。如，2017年7月，福建省南平市公路局利用无人机及时发现了金溪大桥存在的拱肋裂缝、加固钢板锈蚀、混凝土剥落、弦杆贯穿性断裂等病害，从而根据无人机拍摄的高清图片，迅速组织相关单位进行商讨，及时确定了加固方案，完成了危桥处置。

②辅助桥梁事故原因调查[4]。如，2018年1月，美国混凝土学会应哥伦比亚国家基建局邀请，对发生主塔坍塌事故的Chirajara大桥（哥伦比亚在建斜拉桥）进行无人机桥检，辅助调查事故原因。

③辅助桥梁施工调查、竣工验收。国内外已有不少利用无人机辅助桥梁施工调查、竣工验收的案例。2017年5月17日，中铁八局桥梁公司借助无人机开展韶新高速公路项目施工调查，利用无人机航拍技术对沿线调查组人员无法到达区域的临时用地、拌合站选址等多处地形地貌进行了详细勘测，为项目顺利开工创造了有利条件。

2.2 研究重点

目前对无人机桥梁检测的研究集中在技术研究和应用研究两方面。技术研究主要解决无人机在桥下的信号缺失问题、病害数据自动识别问题、安全性问题等；应用领域则更加关注无人机桥梁检测技术的实效性，特别是检测效果与桥梁检测规范的匹配问题。

①技术研究

一是GPS信号缺失问题。主要研究如何解决无人机由于桥体钢结构引起的磁屏蔽问题、桥板面遮挡引起的GPS信号缺失等问题[1]。

二是自动病害识别。重点研究无人机桥梁视觉检测技术：在分析桥梁结构表面图像特征的基础上，结合图像增强、图像分割、噪声消除等数字图像处理技术，提出相应的算法，实现桥梁病害的自动分类与自动标记、表面裂缝宽度与钢板锈蚀率等结构安全程度量化指标的定量分析[1、5]。

三是无人机安全性问题。主要研究如何解决无人机在进行特殊桥梁特定部位的检测时，无法进行有效的航线规划、规划精度无法达到桥梁检测需求、撞机风险大等问题。

②应用研究

一是无人机桥梁检测技术有效性评估。主要结合无人机桥梁检测技术的特点及桥梁检测的规范要求，分析出无人机桥梁检测技术的适用方向，并结合实际工程案例进行验证。如2016年，美国特拉华河湾管理局利用无人机对特拉华纪念桥进行检查，将获得的锚锭、混凝土桥墩、钢丝绳以及桥梁上层结构的动态视频和静态画面数据与传统检测方式所获得数据进行对比，以评估无人机桥检的有效性。

二是专业无人机桥检系统研发。研究内容为：选用稳定的无人机系统，结合桥梁检测的特殊性，进行针对性的研发改进，使无人机检测平台适用于桥梁的专业性检测[6]。如针对跨海大桥水下部分桥体损伤检测的难点，开发海空两用的无人机桥检系统。

3 无人机桥梁检测工程应用实例

3.1 应用实例概况

惠平路蕴藻浜大桥修建于2014年，设计荷载为公路-I级。该桥主桥为钢箱梁斜拉桥，两端引桥为预应力混凝土连续梁桥。下部结构为轻型桥台，桩柱式桥墩。2018年该桥全桥总体技术状况评定为2类，见图1。

图1 惠平路蕴藻浜大桥主桥照片

无人机桥梁检测系统主要由无人机、任务荷载系统、数据传输系统、移动端控制系统及地面站系统等组成[2]。实验选用的无人机机型为大疆M200，机载摄像头为大疆Z30。无人机桥梁检测内容主要包括检查斜拉索螺栓有无松动或缺失、钢结构涂层是否缺陷、锈蚀、焊缝开裂、路面是否有裂缝、坑槽、车辙、修补等。

3.2 无人机桥梁检测作业

①桥梁外观检测

无人机桥检作业包括巡检任务规划、无人机自动作业、图片建模、病害识别、数据交互、定期复查等环节。巡检航线规划如图2所示。

图2 巡检航线规划

根据桥梁不同部位的航线，需设置不同的拍照方式，控制照片重叠率在90%以上。不同部位的无人机拍摄方式设置见表2。将规划好的飞行任务上传至无人机，手动解锁后无人机将按规划路径自动执行巡检任务（图3），巡检过程可在地面端实时查看。当电池电量较低时无人机将自动返航，更换电池后可从断点处续航。四旋翼无人机平均续航约20至30分钟，本次桥梁检测共8条路径，总耗时约2小时，共更换6次电池，采集有效照片约1 000张。

图3 无人机按巡检航线自动作业

表2 无人机拍摄方式设置

②桥梁病害图像识别

计算机自动识别桥梁所存在的病害，利用云端智能技术对裂缝、锈蚀、破损等病害进行初筛（图4），并在图片和模型上进行标识，其精确度可达毫米级，对于部分识别结果存疑的图片，由专家进行人工标记。无人机桥梁检测结果如表3所示。

图4 锈蚀识别示例图

③桥梁建模

无人机飞行任务结束，将图片上传至云端服务器后进行参数设置，包括对应传感器尺寸，重建精度及文件大小限制等，随后由计算机自动进行多视角三维重建[7]，并将所有图片与模型关联，桥体关键部位建模效果见图5，桥梁整体建模效果如图6所示。

3.3 检测结果处理与分析

对照地图数据、实地测量数据与模型测量数据，无人机桥梁检测桥体测量整体精度达到了厘米级，针对表面裂缝精确到了毫米级，验证了无人机应用于桥梁表观病害采集具有可行性，见表4、表5。

4 无人机在桥梁检测中的优劣势

4.1 无人机在桥梁检测中的应用优势

与传统手段相比，无人机桥检技术的优势主要体现在以下几点：

①效率高、整体性好。无人机可以到达传统人力检测较难触及的部位，可对关键细节部分进行重复采样，且效率高，检测耗时远远低于人工检测。

②灵活性高。无人机的检测方案灵活可变，在后台即可修改，且有多种方案备选，可根据现场实际情况进行针对性调整。

③成本低。无人机桥检无需投入大量人力、物力成本，一个飞行团队即可完成整座桥梁的病害图片采集，且通过无人机进行病害初筛，可大大减少精检的费用。

表3 惠平路蕴藻浜大桥无人机桥梁检测结果

图5 桥体关键部位局部模型

图6 桥梁建模效果

表4 地图与模型测量对照表

表5 实地与模型测量对照表

④安全性高。无人机代替人力进行桥墩、桥座、桥腹等危险场所的检测，大大降低了操作人员的安全风险[8]。

⑤影响小。无人机具备定点悬停观测、实时传输画面的功能，利用无人机开展桥梁经常性检查时无需封闭道路[3、8]，基本不影响正常交通。

4.2 无人机在桥梁检测中的实际应用问题

目前，无人机在桥梁检测中存在的实际应用问题如下：

①受环境条件制约。利用常规配置的无人机开展桥梁检测作业，其效果受环境因素（气候、温湿度、风速、电磁环境、物理环境）的影响较大。

②受无人机配置条件影响大。不同配置的无人机其稳定性、带载能力、续航能力、抗风等级、场地适应性能力差别较大。为达到较好的检测效果，一般需要根据待检桥梁的类型及检测内容等具体需求，开发针对性的无人机平台。如检测大型桥梁时，需要选用具有较强续航能力的无人机；检测过宽的大桥时，无人机GPS信号缺失的问题突出，则需要为无人机配备桥下飞行定位GPS、红外测距、视觉识别、雷达避阻等技术手段；在进行特殊桥梁特定部位的检测时，为满足检测需求，需要选用可实现较高航线规划精度、具备防撞能力的无人机。

③对人员专业素养要求高[8]。由于桥梁检测作业的专业度较高，一定程度上要求无人机操作人员具有一定的桥梁专业素养，具备识别桥梁病害的能力。无人机需要专业人员操控，而无人机操作人员的专业门槛较高，一定程度上限制了无人机桥检技术的推广应用，未来需要相关行业开发出更先进、更易操控、人机交互程度更高的地面站控制软件，以满足安全、易用、实用、便携的使用诉求。

④病害数据处理能力有待提升[1、8]。无人机在桥梁检测中的作用主要体现在桥梁病害数据采集方面，适用于桥梁的普查工作。目前自动病害识别技术还未完全成熟，未能实现对视频图像数据的实时动态分析，识别精度也有待提升[9-10]。无人机桥检过程中如遇关键病害，仍需人工进一步核实判定。以桥梁裂缝为例，《公路桥涵养护规范》(JTG H11—2004) 规定对于0.2mm以上裂缝必须进行养护处理，但当前无人机桥检技术仍无法满足裂缝宽度的量化识别要求。

5 结 语

综上，随着无人飞行器控制技术、避障系统、GPS导航技术等各相关技术的日趋成熟，目前无人机技术在桥梁表观病害采集方面已具备可行性，而在病害自动识别方面，现有的技术仅能做到判断病害的有无，其对病害的识别精度与实用化程度的要求还相距甚远。基于此，目前无人机应用于桥梁日常巡查及经常性检查工作中时，其功能定位为：以无人机检测系统为主，其他工具为辅，便于一线养护工作人员快速、高效、安全、全面地开展工作；应用于桥梁定期检测及特殊检测工作中时，其功能定位为：提供快速、高效的前期检测服务，快速排查、辨别明显病害，为后续开展针对性的专业检测设备精检工作指明目标，降低检测成本。