微型无人机在公路桥梁养护检测工程中的应用

李茂壮 辛卫平

（烟台市莱山公路建设养护中心，山东 烟台 264000）

引言：公路桥梁养护检测工程与其他环节存在很大的差异，检测过程需要同时对桥梁的高墩、台与桥梁结构进行检测，为保证检测质量，相关单位通常采用专业桥梁检测车，抑或是远程照相的方式进行排查，但检测车的使用对桥梁通行能力影响很大，而远距离照相则存在死角以及图像信息失真的可能性，这就导致桥梁养护检测环节难以快速进行。为解决这一难题，行业工作者开始使用加装高分辨光学相机以及红外热像仪的无人机对桥梁进行养护检测，近距离完成对道路桥梁各项数据图像的收集，而这些信息在经过处理分析后，可帮助相关团队有效完成桥梁的养护检测。

一、公路桥梁养护检测工程

（一）我国桥梁工程发展现状

随着我国经济腾飞，道路桥梁建设事业发展极为迅猛，尤其是近十年，我国更是建成世界最庞大的高速公路网，工程技术水平更是上升至全新层次，各类复杂的技术问题得到有效解决，桥梁设计结构也更为科学，工程建设标准一升再升，这也同样意味着我国公路桥梁建设领域已进入到顶尖行列。桥梁工程向更宏观的方向发展，地质环境等因素对桥梁工程发展的限制越来越小，工程规模不断扩大，这也意味着工程自身的维护费用也在不断提升。此外，我国很多公路桥梁已运行数十年，这些桥梁更是需要进行全面的改造与养护，进而消除结构层面存在的安全隐患，提高使用寿命。

（二）公路桥梁养护检测工程发展现状

我国公路桥梁领域长期存在“重建设，轻养护”的问题，这就导致行业内部对于公路桥梁养护检测的研究起步很晚，虽然相关部门已经出台各项规定与政策，并开始着手针对公路桥梁养护工程实施系统研究，各项技术手段也得到一定程度的完善与成长，公路桥梁整体使用情况得到好转。在我国公路桥梁养护检测体系下，已初步建立数据录入管理机制，工作人员可在系统内部进行查询与评价，机制内部涵盖的功能项已超过一百项。但我国在公路桥梁养护检测领域依旧与国际顶尖水平存在一定差距，即便体系内部各项功能服务已十分丰富，但功能内涵层面依旧不够成熟，且桥梁检测系统在运行层面也经常出现问题，数据分析不够精准，信息资源在桥梁养护检测系统内部没有得到充分利用，数据自身可靠性也很差。以当前行业研究现状角度分析，我国公路桥梁养护检测系统依旧十分落后，服务体系内部依旧存在诸多需要改进的节点，无论是技术应用还是系统管理，都需要做出进一步突破与创新改进。

（三）公路桥梁养护过程在管理层面亟须解决的问题

诚然，我国公路桥梁建设以及其配套的养护体系都得到长久发展，但体现在管理层面的问题依旧十分突出，而这些问题对我国公路桥梁领域发展的限制力也在快速放大，如果不能得到妥善解决，桥梁工程领域的可持续发展潜力将受到巨大干扰。

其一，制度管理层面，公路桥梁养护检测人员队伍依旧不够成熟，人员队伍内部管理人员众多，不同人员之间的岗位划分却不够明确，直接导致实际工作效率难以得到提升，工作质量下滑，甚至部分地区依旧存在形式主义与官僚主义，这对我国桥梁工程发展十分不利。

其二，我国公路桥梁建设发展多发展自上世纪六七十年代，后期为适应时代经济发展需求，开始逐步实施管理体制改革，但管理工作依旧未能改革过程中彻底解决各项问题，部分不负责任的管理单位直接将管理维护经营权转让给私营企业，私营企业在公路桥梁管理领域缺少足够的经验，管理过程漏洞频频，这也同样加大道路桥梁养护工作的整体难度。

其三，公路桥梁养护单位在资源配置层面不够充足，其主要体现在人力资源与检测维护设备层面，很多工作者缺少足够的理论知识与实践素养，对于公路桥梁养护工作的各项要点认知不明，养护过程经常出现违规作业，人员专业性很差。此外，相关部门在采购桥梁养护设备过程中，对于设备的实际性能不够重视，采购人员只考虑设备价格，而这些价格低廉的设备在实际运用中问题频发。

其四，公路桥梁养护工作对于制度规范依赖性较高，但行业内部尚未建立起桥梁养护质量与个人责任之间的关联机制，很多从业工作者存在懈怠心理，对于养护环节不够重视，甚至让养护环节流于形式。

二、公路桥梁养护检测工程中微型无人机检测装置构成

（一）微型无人机系统组装

近些年，随着科学技术的快速发展，微型无人机在设备搭载能力层面得到前所未有的提升，这也让众多先进设备得到更为充分的运用。微型无人机在公路桥梁养护检测工程应用时，需针对所要搭载设备的不同，选择合适的机架、无刷电机、电调、飞控系统、螺旋桨与遥控器。通常情况下，工作人员选择四旋翼无人机，这种无人机在平衡性以及灵活性层面有着难以比拟的优势，可在多种复杂环境中有效使用，且机身整体重量较轻，方便携带，可对桥梁任意结构的各项图像信息进行拍摄，工作适应性很强，抗风能力强。

（二）微型无人机检测装置中的摄像单元

公路桥梁养护检测工程中，摄像装置是决定最终检测工作水准的关键要素，因此，工程团队与检测实施人员需要对无人机的摄像装置进行选择。现如今，操作人员通常需要将高分辨率摄像机与微型无人机组合，这样可以保证拍摄图像的精准度，如日本的SONY4K摄像相机。公路桥梁养护检测工程中，操作人员需选择合适的起飞位置，并提前设定好拍摄飞行路线，利用微型无人机上的摄像机对桥梁各个结构的图像信息进行采集，使用过程中，为确保拍采集信息的精准性，操作人员应随时调整飞行姿态，让无人机与桥梁之间保持合适的距离。桥梁养护检测工程中的无人机与承担普通拍摄任务的无人机不同，云台设置层面存在一定的特殊性，承担桥梁检测任务的无人机云台一般设置在无人机上方，而承担普通航拍任务的无人机云台需设置在无人机的下方。

三、微型无人机的应用领域

（一）微型无人机的主要应用领域

微型无人机的重点在于微型层面，尺寸与常规无人机相比有着很大优势。通常情况下，微型无人机只有成人手掌大小，甚至部分特殊用途的微型无人机只有拇指大小。微型无人机的应用十分广泛，最早出现于20 世纪末期的军事领域。现如今，微型无人机的技术模式已取得卓越进步，无人机所搭配的设备也更为先进，可在特殊环境下，快速完成检测、侦查、监听、监视等诸多任务。此外，微型无人机搭配先进的飞控系统平台与GPS 系统，可以在多种复杂环境下快速完成对目标信息的获取与分析，可根据操作人员的各项指令，完成常规条件下无法完成的信息收集任务。

（二）微型无人机的其他应用领域

微型无人机的应用领域十分广泛，而在民用层面，微型无人机可用于搜索灾难幸存者、监测有毒气体以及化学污染的扩散装、民航拍摄以及娱乐拍摄等等。在科研领域，操作人员同样将其应用在地质勘察、植物物种识别、科研取样以及土地测绘等等，而不同的应用功能需求也更具针对性。

四、公路桥梁养护检测工程中微型无人机数据传输系统构成

（一）无线通信数据传输系统

公路桥梁养护检测工程中，微型无人机需一边拍摄一边将获取到的图像数据传送至飞控中心，而无人机为实现这一目标，通常会利用无线通信模块与地面控制站建立联系，在实现无人机远程控制的前提下，快速完成数据信息的获取与整理分析。无人机无线通信模块通常被分为两种：其一，2.4GHz 频段与433MHz 频段的无线数据传输；其二，利用现有的通信网络，如CDMA，GSM 等公用网信息平台的无线数据传输。实际应用中，工作人员通常会选用2.4GHz 频段完成无线通信系统建设，这一频段可保证地面站与无人机之间的距离在数公里内拥有良好的通信质量。

（二）无线通信图像数据传输

公路桥梁养护检测工程中，微型无人机图像数据可分为模拟图像与数字图像两种。通常情况下，无人机摄像系统实施传输的是模拟图像数据，云台扫描拾取图像信号，并完成频带压缩与信道处理，进而形成图像通带信号并传送至地面站。在此条件下，地面站可完成对摄像机以及红外热成像仪的控制，了解扫描过程，并为数字图像与热成像的摄取提供数据层面的稳定服务。模拟图像数据对于后期检测数据分析环节意义不大。因此，这些数据通常不会做保存，而是单纯应用在无人机控制层面。数字图像传输利用计算机视觉，可对桥梁蜂窝、麻面、裂缝等病害进行精准识别，但这一领域的相关技术研究才刚刚起步，且数字图像无法实现实时传输，只能将数据信息保存在云台，而操作人员在完成室外摄像工作后，需利用特定的程序，对保存后的数据信息进行再次处理与检测。图像数据分析过程应结合公路桥梁养护管理部门提供的相关资料，并对原始数字图像进行降噪、增强处理，进而找到图像特征，提高对桥梁不同结构检测的科学性。

五、微型无人机在桥梁养护检测工程中的应用场景

养护检测工作者利用微型无人机对桥梁进行全面检测，而四旋翼无人机可在空中任意位置悬停，在摄像系统的帮助下，对指定结构位置进行拍摄，进而完成桥梁结构图像数据的采集。此外，无人机搭载的摄像机可对桥梁地面、节点板等关键构件的图像进行采集，红外热成像仪可对桥梁斜拉索与主塔等构件进行热成像。微型无人机搭载摄像系统进行飞行检测，桥梁养护检测可实现多元化与精细化，这种简便、高效的工作平台，也随着计算机技术的快速发展而不断优化，桥梁病害问题被发现的可能性大幅提升，而这一过程不仅可以提升公路桥梁养护的管理水平，亦可为行业领域发展提供更为丰富的技术支持。

（一）桥面结构的检查

公路桥梁桥面检查环节，其重点在于检查沥青桥面是否存在横纵向裂缝、坑槽、车辙、拥包以及沉陷等问题。在此过程中，微型无人机可借助三轴电子陀螺仪、三轴加速度计、精密电子罗盘等传感器，精准完成对桥面系的图像采集，并保证成像的精准度与可靠性。操作人员可预先设计数据采集飞行路线，实现无人机自主飞行自主采集。

（二）桥梁上部解耦股的检查

桥梁上部结构主要由梁板等构件组成，其病害主要表现为裂缝、蜂窝、麻面、孔洞、混凝土剥落、缝隙夹层等等。针对这一结构检测工作的具体要求，微型无人机可借助激光测距仪，有效控制梁板结构与图像采集设备之间的距离，并完成等距等比采集图像，对存在问题的区域做出重点标准，识别精度甚至可达亚毫米级别，而这对于后续养护修复方案制定极为有利。

结束语

综上所述，微型无人机在公路桥梁养护检测工作环节应用前景极为广阔，其在应用过程可摆脱传统养护检测手段在空间层面的限制，可对桥梁任意结构进行摄像，并可保证获取到的图像数据足够精准，消除传统检测手段在图像数据获取层面失真的问题，全面改善桥梁养护检测环节的质量与水平，进而为公路桥梁养护管理提供科学支持，不断提升桥梁结构的稳定性与使用寿命。因此，微型无人机与公路桥梁养护检测工作的结合，为我国公路桥梁事业可持续健康发展奠定良好的技术基础，更是为领域内部各项技术手段创新创造良好的前提条件。