无人机在桥梁检测中的应用研究

孙钦刚

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

如何提高桥梁的安全性、耐久性和可靠性，是桥梁施工和维护的重点。为了防止事故的发生，必须采取行之有效的措施检测和评价桥梁的安全性。目前，国内对桥梁进行检测大多还停留在传统方法上。随着科学技术的不断进步，采用新技术、新设备，降低桥梁检验成本、提高桥梁检验质量，已成为许多桥梁运营及维护单位追求的目标。正是在此背景下，无人机桥梁检测技术逐渐引起了人们的重视。本文以实际案例为基础，对无人机在桥梁检测中的应用进行检验，并针对目前无人机在桥梁检测中的优势和不足进行深入剖析，为桥梁的安全防护工作提供科学依据。

1 传统桥梁检测方式概述

1.1 桥梁检测作业分类

桥梁检测主要是对桥梁的构造和外观进行评价。在检测桥梁的性能时，往往需要借助望远镜、真桥检车等仪器设备。桥梁检测作业可分为日常巡检、经常巡检、定期检测和专项检测。

其一，在进行日常巡检时，通常是采用目测的方法，查看桥梁有无构件或部件损伤，判断桥梁结构是否有异常变化。

其二，经常巡检过程要的是“事实描述”,也就是只描述眼睛看到的是什么,不做过多追究。一般来讲，经常巡检的破损情况主要包含正常、一般异常和严重异常三种。针对一般异常状况需要给予及时监测，以此来为后续检测做准备，对于严重异常的情况需要针对性地采取措施，而在巡检之后无法确定具体破损原因的，需要进行定期检测或者专项检测。

其三，在进行定期检测时，需要严格按照规定要求来对建筑结构采用的技术进行全方位检测。定期检测是为养护计划的制订提供依据，因此在进行定期检测时，需要适当的辅助工具设备,对发现的病害做“定量描述”,同时还要判断病害的进一步发展趋势。如,结构裂缝,长多少?宽多少?深多少?是否会继续发展?再比如,桥墩倾斜,倾斜程度多大?是否会继续倾斜?还要留存必要的影像记录。

其四，专项检测，在进行专项检测时，需要结合日常巡检、经常巡检和定期检查的具体结果来针对缺损与病害检测，借助专项检测能够全面掌握破损病害的详细信息，能够为后续措施的实施提供依据。

1.2 传统桥梁检测相关设备

目前对桥梁的检测主要采用目测和手工操作的方式，多数桥梁检测单位会辅助使用望远镜、梁下维修桁车、登高车、桥塔维修吊台等常见的桥梁检测设备。随着桥梁检测技术的发展，检测方法及设备也在不断丰富和增加，并逐步向智能化发展，新型检测设备主要有缆索机器人、水下机器人、无人机等。

1.3 桥梁检测手段发展方向

在桥梁检测工作中，存在着任务重、风险大、成本高等一系列难点。传统人工检测方法易受桥型和地理条件的影响，风险成本高、效率低。为此，今后的桥梁检测方法需要着重解决如下问题。

1.3.1 提升检测效率

传统桥梁检测方式主要是以人力为主，检测效率受个人的经验、能力、积极性、责任感及检测平台的移动速度等因素的影响，不能有效实现对悬索桥和大跨度高墩桥等特殊结构桥梁的桥面底板、高耸塔柱、斜拉索和塔顶结构的检测。由于地形条件的限制，对于高净空桥梁和涉水桥梁的日常检测，以及对桥梁支座和桥下情况的全方位观察都有一定的困难。由于受到监测手段和监测频次的制约，传统检测方法很难建立起常规、高频次的监测机制，对于虽小但累积效应明显的损害，往往不能做到及时检测，不利于风险防控。

1.3.2 提高安全系数

桥梁结构复杂，病害多样，在进行检测时，需要检测人员靠近桥梁各检测部位进行观察，往往需要进行高空作业，存在一定的安全风险，因此，可充分发挥无人机等机械设备的灵活性，完全覆盖检测盲区，对桥墩、桥腹、索塔等人工检测存在较高风险的部位进行检测，可提高检测工作的安全系数。

1.3.3 降低检测成本

传统的检测方法往往需要采用辅助手段才能接近被测点，耗时、耗力，且需要配备较多检测设备，综合检测成本较高。

1.3.4 提升数据分析保存效率

当前，桥梁的检测数据在分析与保存上存在着较大的不足。首先，在当下的桥梁检测过程中主要依靠人工对病害种类、部位和程度等进行数据统计和分析，这样的数据分析效率低，且受到工作人员技术水平的限制使得当下的桥梁检测数据分析保存效率无法得到突破。其次，当下主要以图档和书面记录的方式保存桥梁的基础数据、构件病害和其他技术数据，这样的保存方式查阅起来很麻烦，且没有直观感觉。最后，由于桥梁的历史资料，例如病害的演变过程、维修记录等，分散在各个技术档案中，且完整性较差，从而影响了维修工作的整体协调。

2 无人机桥梁检测特征

2.1 无人机桥梁检测系统构成

将无人机用于桥梁的检测，需要建立一套完善的无人机桥梁检测系统，将无人机、任务载荷系统、地面站系统、数据传输系统等有机地组合起来，才能更好地发挥其检测功能。从无人机结构分析，目前可用于桥梁检测的民用无人机可分为旋翼无人机、扑翼无人机和固定翼无人机。旋翼无人机是一种利用螺旋桨高速旋转进行驱动的飞机，其构造简单，可垂直起降，可在较复杂的环境中工作，所以多采用旋翼无人机进行桥梁检测。

2.2 无人机桥梁检测技术优势

与传统的桥梁检测方法比较，无人机可以挂载检测装置，并在空中进行检测，其技术优势更加明显。利用其强大的机动能力，可以方便快捷地检测常规检测方法无法检测的区域，从而弥补了常规检测方法存在的缺陷和盲区。从便捷性上分析，无人机结构比较简单，体积小，重量轻，便于携带和维修。相对于传统的检测仪器，无人机的造价要便宜很多，而且在检测过程中不需要封锁道路，也不会对交通造成干扰。从安全性上分析，检测人员只需遥控无人机对桥梁进行检测，从而降低了安全风险。在进行日常巡检、经常巡检时，无人机可以有效地提高维护人员的巡查工作效率。

2.3 无人机桥梁检测技术流程

以美国的无人机桥梁检测技术为例，将无人机桥梁检测工作分为五个阶段，即桥梁信息分析、场地风险评估、无人机前期准备、无人机检测和损伤识别。韩国交管局将无人机的检测工作分为三个阶段，即测前准备阶段、检测阶段和测后数据处理阶段。在测前准备阶段，主要是制订检测计划，对桥梁的基础资料进行初步的了解；在检测阶段，由相应的技术人员操纵无人机前往所设定的检测地点，进行具体的影像采集；在测后数据处理阶段，主要是对图像数据进行分析和评价，从而判断桥梁状态和损伤程度。两国对无人机桥梁检测技术流程进行了不同的阶段划分，不过检测的过程和内容却是大同小异[1]。

3 无人机在桥梁检测中的优劣势分析

3.1 优势分析

相对于传统的检测方法而言，无人机在桥梁检测中具有如下优点。

3.1.1 效率高

借助无人机能够很轻松地到达人工无法达到的位置，能够针对桥梁的具体细节位置进行反复采样，且能够有效缩短桥梁检测的时间，检测效率较高。

3.1.2 灵活性强

借助无人机进行桥梁检测的方案较为灵活，一般都会配备多个预备方案，同时还会根据现场的实际状况进行方案调整，检测人员能够通过后台针对检测方案进行及时修正[2]。

3.1.3 成本低

借助无人机展开桥梁检测不需要投入大量的人力与物力成本，只需要检测人员掌握无人机操作技术，即可实现对桥梁病害状况的检测，能够有效控制设备消耗费用。

3.1.4 安全性强

借助无人机能够有效代替人力在桥座、桥墩以及桥腹等相对危险位置的检测工作，控制人工操作产生的风险。

3.2 劣势分析

3.2.1 容易受环境因素影响

无人机在对桥梁进行检测时，由于大风、电磁等环境因素的干扰，会导致其飞行稳定性降低，从而降低检测结果的精度[3]。

3.2.2 受无人机配置条件影响较大

无人机的配置不同，其负载、续航、防风及稳定性能的差别比较大，直接影响桥梁检测的结果。所以为了达到良好的检测效果，在制订检测方案时，通常会考虑桥梁类型和环境因素，进而选择合适的无人机。例如，在对大型桥梁进行检测时，续航能力强的无人机为首选；如果被检测桥面过宽，应当考虑无人机是否会出现信号弱的问题，适当为无人机增加雷达避阻、红外测距等技术装置。

3.2.3 对操作人员要求较高

无人机操作人员必须具有一定的专业素质，才能对桥梁病害进行有效识别，而且无人机的操作有一定的难度，所以对操作人员的要求较高，从而制约了无人机桥梁检测技术的普及。

4 无人机桥梁检测硬件设备要求

与其他应用领域的无人机相比，桥梁检测无人机受桥梁结构的影响，需要在没有GPS 的条件下飞行，并携带高精度摄像机以获取桥梁损伤信息。利用无人机对桥梁进行检测时，所需的硬件主要有以下五种。

4.1 飞行器主体

飞行器主体即无人机机身、机翼、尾翼、舵面等基本结构。由于桥梁的构造十分复杂，在获取影像资料时，一般使用的是具有高稳定性的旋翼无人机[4]。

4.2 桥下定位系统

桥面上的钢筋构造会对无人机产生磁场干扰，从而影响无人机的GPS 定位，进而导致无人机的飞行稳定性受到很大影响。为此，需要在桥梁的钢筋构造等复杂检测环境中，为无人机配备超声波、视觉定位和惯性导航等技术装置，使其能够接收遥控信号，实现无人操作。

4.3 上置云台

在桥梁的检测过程中，为了实现对病害处的稳定拍摄，需要在无人机上配置三轴稳定云台。

4.4 变焦相机

在桥梁病害中，裂纹是难以观察到的，在无人机上安装变焦相机，能够在相应的距离上用光学变焦镜头拍摄到清晰的图像，便于后续软件的处理和分析。

4.5 图像传输系统

在对大型桥梁进行检测时，为确保数据的安全性和准确性，需要对无人机进行实时数据采集，并采用稳定的图像传输技术，以确保桥梁检测工作的高效开展。

5 桥梁检测技术发展展望

相对于传统的桥梁检测方法，无人机可以有效地解决检测效率、成本等方面的不足，并可以适应各种复杂的工作条件，从而减小检测的难度。然而，目前在桥梁检测中，多采用无人机作为空域信息收集平台，如何识别、管理、跟踪获取的信息，并最大限度地发挥无人机检测的优势，仍是迫切需要解决的问题。本文认为，结合目前行业发展需求，无人机桥梁检测技术将有如下的发展趋势。

5.1 实景3D 以及BIM 结合应用

借助3D 视角以及BIM 模型展示桥梁数据，根据展示数据实施桥梁检测，能够有效提升桥梁检测整体效率[5]。

5.2 桥梁检测朝智能化发展

在科技进步的大背景下，桥梁检测将向着智能化的方向发展，而无人机将会逐步替代人工操作，并进一步智能化，从而最大程度地减少操作风险，提升检测效率。

5.3 自动化水平提升

无人机对桥梁病害数据进行采集的方式会逐步朝着自动化的方向发展，并与多种定位技术相结合。根据事先设计好的飞行路线，无人机可以自主地完成采集工作，从而减少人工操作的难度。

6 结语

总而言之，利用无人机进行桥梁检测，可以精确地识别桥梁缺陷，大幅度降低检测成本，有效提升检测效率。随着科技水平的不断提高，无人机检测技术将逐步替代传统的桥梁检测方法，并朝着自动化和智能化的方向发展。