车载移动式桥梁上部结构质量检测视频图像采集装置的设计研究

李月玲

（云南云路工程监理咨询有限公司，云南 昆明 650100）

0 引言

“十三五”“十四五”期间，公路建设作为交通基础建设的一个重要板块，近几年大批高等级公路，特别是高速公路逐步开工建设。

云南省属于山区省份，地形、地势、地质均十分复杂，在建设高等级公路中，桥隧比重大，桥梁质量检测任务重。因此，在公路桥梁检测中，通过不断分析并总结桥梁检测装置、方法等，改进和克服当前桥梁检测装置的不足，研究提出高效、可靠、实用的桥梁新型装置，具有十分重要的现实意义。

1 现有检测装置及其存在的问题

目前公路桥梁上部结构质量检测时，通常采用的方法是检测人员通过桥梁质量检测车的检测架对桥梁上部结构的各部件进行检测。通过多年桥梁检测发现现行检测装置存在以下不足：

第一，缺少完整的视频图像[1]记录，在检测过程中，对混凝土外观质量只能通过检测人员视觉检测，缺少相关视频图像资料，不能客观反映受检桥梁上部混凝土外观整体质量。

第二，检测现场适应能力差，工作效率低，受客观条件限制多。

第三，高处作业风险高，安全保障性差。检测人员发生意外事故伤害的风险高，如易遭受雷击、高空坠落、机械撞击、野蜂蚂蚁攻击等。

第四，节能减排效果差，消耗资源多。

2 新装置适用范围

新装置为一种桥梁上部结构质量检测视频图像采集装置[2]，属桥梁检测设备技术领域，其应用领域主要针对以下四类桥梁：一是在建桥梁或者即将通车桥梁；二是遭受过自然灾害（地震、洪水、泥石流）或交通事故（车辆、船只冲撞等）的桥梁；三是一些需要长期监控的特殊桥梁，特别是一些桩基基础承载力下降或是河道冲刷严重的桥梁；四是已通车需养护检测的公路桥梁。

3 新装置结构

为克服现有桥梁上部结构质量检测装置所存在的缺点，现提供一种全新的桥梁上部结构质量检测视频图像采集装置设计方案。该装置由兼有办公室功能的运输车（12）、通过将能旋转360°的底座转盘（8）置于兼有办公室功能的运输车（12）上的视频图像采集部件组成，如图1 所示。

图1 桥梁检测新装置结构示意图

其中：第一，兼有办公室功能的运输车（12）车身下部的前、后轮之间设有轮式距离编码器（13），车身上置有电力供应系统（11）。第二，视频图像采集部件由能旋转360°底座转盘（8）、置于其上的钢制检测架底座（7）、置于钢制检测架底座（7）一端的可拆分的水平转动接头（5）、置于钢制检测架底座（7）上的垂直转动接头（6）、固定端能水平转动的钢制连接架（4）、置于能水平转动的钢制连接架（4）上的能伸缩的纵向垂直检测杆（2）、置于能伸缩的纵向垂直检测杆（2）上的水平转动接头（3）、通过水平转动接头（3）与能伸缩的纵向垂直检测杆（2）连接的能伸缩的横向水平检测杆（1）构成。其中，横向水平检测杆（1）一端的下面装有可移动摄像头（10）。

4 新装置的工作原理

4.1 检测前装置的展开与现场调试

检查可移动摄像头（10）和轮式距离编码器（13）是否工作正常，启动电力供应系统（11），把该设备开到受检桥梁的护栏边，将能旋转360°底座转盘（8）旋转90°，把垂直转动接头（6）转到靠近护栏一侧，垂直转动接头（6）旋转180°。把能够伸缩横向水平检测杆（1）、能够伸缩纵向垂直检测杆（2）、水平转动接头（3）和固定端能水平转动的钢制连接架（4）转到护栏外侧，伸出缩纵向垂直检测杆（2）；把能够伸缩横向水平检测杆（1）和水平转动接头（3）放到超过梁板底面的位置；把水平转动接头（3）向桥下水平转动90°，把能够伸缩横向水平检测杆（1）放入桥下，伸出横向水平检测杆（1）；再将其伸到桥梁另一侧最边上的梁板下方，开动临时办公室及运输车（12）把横向水平检测杆（1）紧靠一端的盖梁或桥台。

4.2 检测视频图像数据采集与特殊情况处理

调整可移动摄像头（10），把各个横向摄像头分别对准每片梁板的底面、左侧面和右侧面，把各个纵向摄像头分别对准正前方或正后方（主要拍摄盖梁、横隔板和支座），开启拍摄功能，轮式距离编码器（13）与地面接触数据调零，低速开动临时办公室及运输车（12），把横向水平检测杆（1）从一端的盖梁移动到另一端的盖梁，用摄像头（10）记录桥下各个构件的外观质量情况，并形成视频图像资料，用轮式距离编码器（13）记录视频图像资料对应的位置。

采集过程中所遇到的特殊情况包括装置通过盖梁和装置通过装有灯杆护栏两种情况。在该装置通过盖梁时，要先收回横向水平检测杆（1）至最短位置，把水平转动接头（3）向桥外侧水平转动90°，再把横向水平检测杆（1）移动到桥外侧位置，低速开动临时办公室及运输车（12），把横向水平检测杆（1）的最顶端移动到超过所要通过盖梁的另一个侧面的位置，把水平转动接头（3）向桥下水平转动90°，把能够伸缩横向水平检测杆（1）放入桥下，伸出横向水平检测杆（1），再将其伸到桥梁另一侧最外侧的梁板下方，开动临时办公室及运输车（12）使横向水平检测杆（1）紧靠一端的盖梁或桥台。装置通过装有灯杆护栏处理，当灯杆靠近固定端能水平转动的钢制连接架（4）时，打开最前端的第一个可拆分的水平转动接头（5）让灯杆通过，当灯杆通过后，重新连接此最前端第一个水平转动接头（5），按此操作方法，将第二个、第三个水平转动接头进行“打开→关闭”的循环操作，使该装置顺利通过护栏安装有灯杆的桥面。

4.3 检测装置的收缩与归位

现场检测完成后，先收回横向水平检测杆（1）至最短位置，把水平转动接头（3）向桥外侧水平转动90°，再将横向水平检测杆（1）移动到桥外侧位置，然后收缩纵向垂直检测杆（2）移动到最短位置，反向垂直转动接头（6）旋转180°，然后将能够伸缩横向水平检测杆（1）、能够伸缩纵向垂直检测杆（2）、水平转动接头（3）和固定端能水平转动的钢制连接架（4）放回到钢制检测架底座（7）上面，把能旋转360°底座转盘（8）反向旋转90°，把垂直转动接头（6）转到兼有办公室功能的运输车（12）后面，收回轮式距离编码器（13）（不与地面接触），关闭电力供应系统（11），最后开动兼有办公室功能的运输车（12），把装置运出检测现场。

4.4 数据的分析与保存

在检测过程中通过安装的监视器发现桥梁上部各个构件所存在的外观质量问题，形成视频图像资料传输给内业资料组进行处理，统计出缺陷的类型、面积、数量等相关数据，再交给现场作业工作组对缺陷进行详细系统的专项检测。所采集的视频图像资料能够作为桥梁交工、竣工、养护和专项检测的原始资料进行长期系统保存。

5 装置应用及其优点

5.1 装置应用

5.1.1 装置设计阶段

2019 年初，云南云路工程监理咨询有限公司及合作单位结合多年现场检测工作实践经验，成立装置研究小组，着手装置的设计研究，期间咨询并采纳行业专家意见，形成装置初步设计图。在此基础上，充分结合生产厂家意见，又进一步进行修改完成，数次邀请公路行业、仪器生产行业、仪器鉴定部门等专家进行研讨，最终形成装置生产设计图。

5.1.2 装置试用与验证阶段

当前，已生产出该装置实体样本，研究小组正在结合现行检测标准及规范对桥梁上部结构按梁板、盖梁、橡胶支座、支座垫石、防撞挡块、拉杆等进行分类，按检测规程、标准及规范，对各项指标进行对比检测，验证其检测偏差、方差、精度的可靠性。具体对比原理为：

采用同一构建及部位，使用现有检测设备和方法，由同一资深检测师及其助手，按事前拟定的检测指标进行数据检测采集，得出对比检测基础数据；然后，用新装置，在同样检测环境、同一检测构建及部位、同一检测参数指标、同一检测人员等条件下，进行新的数据采集，对比前后数据的偏差性、误差性、精度性，经对多构建、多次采集的数据进行对比分析，检测指标的误差和精度均能满足现行标准要求。

在检测精度满足标准和规范的前提下，对检测装置设计进行进一步优化和改善。研究表明，该装置在检测时间、操作安全、影像图片采集、数据后台同步整理方面，有突出的优点。

5.1.3 装置推广阶段

在检测精度满足标准和规范的前提下，目前在云南孟绿高速公路和弥玉高速公路桥梁上部结构质量检测中，继续开展检测验证，制订仪器制造、出厂、维护、鉴定的参数指标，起草拟定检测装置使用手册、操作规程等使用技术指南，各项工作完成后，下一步将按相关规定申请有关部门进行鉴定、验收、备案，准备在行业中申请推广应用。

5.2 装置优点

结合应用验证，通过分析与总结，与现有设备相比较，该装置体现出以下明显的几个优点：

第一，能对桥梁上部混凝土及支座外观质量进行全面的视频图像记录。该装置能通过安装在纵向检测杆上的摄像头，检测梁板、盖梁、支座等上部构件各个角度的外观质量情况，整个检测过程会进行完整的视频图像记录，记录下的视频图像可作为桥梁质量检测的原始数据长期保存。同时，对检测中发现的质量缺陷，能够通过轮式距离编码器在桥面上留下标记点，再通过留下的缺陷标记点配合桥梁检测车对发现的缺陷进行详细检测，生成视频质量图片[3]和数据，为桥梁修复决策提供坚实、可靠的数据支撑。

第二，检测现场适应能力强，工作效率高。将上下桥检架检测改为摄像头视频检测，大大减轻检测车的整体重量，有利于在大横坡桥面检测装置的行驶平衡。设计了可拆分的水平转动接头，能通过水平转动接头的开合通过侧面安装有路灯灯杆的桥梁。同时，该装置因无须人员上下检测架，所以在通过桥梁特殊结构时，检测速度更快，工作效率更高[4]。

第三，安全性能高。将上下桥检架检测改为摄像头视频检测，在结构上降低了检测架顶高，减小了雷击概率，同时因检测人员不需上下桥检架检测，所以不会发生高空坠落、机械撞击及毒虫攻击等意外事故。在通车路段检测时，因检测效率高，能缩短检测人员及设备暴露在危险环境中的时间，从而降低行驶车辆撞击的概率。

第四，具有操作简单、成本低、节能减排效果好的显著特点。该装置在设计时减轻整车重量，能在运行时减少能源消耗，节能效果明显。检测人员数量明显减少，可减少到3 人（1 人负责检测车行驶，1 人负责检测杆运行，1 人负责检测采集）；装置生产成本较现行检测装置大幅度降低。

第五，数据采集、整理分析实现一体化，具有工作效率高、检测精度可靠等优点。在数据采集中，能够通过网络同步把数据上传给办公室内的数据分析组，这样的流水化作业，能大大提高桥梁检测的工作效率，缩短现场检测时间。另外，从数据采集到数据整理分析，可以减少人员报数、记录等失误，降低人员手工计算误差，对检测精度具有明显的可靠性。

第六，所采集数据为运营管养阶段桥梁维修加固决策提供原始视频图片数据支撑。建设过程及竣（交）工阶段所采集的数据经过分析整理，并将整理的原始图片、检测数据及数据整理分析结果拷贝在后台大数据硬盘上，并按所需要保存期限进行分类保存，在后期桥梁运营管养阶段中，为桥梁维修加固决策、加固设计提供调阅做参考，提供最原始数据支撑。

6 结语

与当前桥梁检测装置相比，该检测装置具有高分辨率图像采集、环境适应能力强、检测效率高、安全保障性强、操作简单、数据长时间保存可靠等优点，在常规桥梁上部结构质量检测中具有普遍适用性，是一种高效、可靠、实用新型检测装置，在桥梁工程上部结构质量检测工作中具有广泛的应用空间，下一步将结合日常检测工作的开展，不断改进和更新桥梁检测装置，使桥梁工程建设、管养等质量检测技术迈向新的台阶。