中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，中國基礎(chǔ)設(shè)施和交通路網(wǎng)建設(shè)不斷擴(kuò)大和完善，橋梁逐漸成為現(xiàn)代交通不可或缺的重要組成部分，對于人們的生產(chǎn)和生活發(fā)揮著越來越重要的作用。據(jù)交通運輸部統(tǒng)計，“十三五”期間中國建成鐵路橋梁14039座、總里程8864.1公里；截至2022年底，中國公路橋梁數(shù)量已達(dá)96.11萬座，位居世界首位。我國已從名副其實的交通大國闊步邁向交通強(qiáng)國。
在復(fù)雜惡劣的外界環(huán)境及載荷的長期作用下，大型基礎(chǔ)設(shè)施不可避免出現(xiàn)損傷積累，特別是橋墩的損傷會給整個橋梁的完整性和安全性造成嚴(yán)重影響，若不能及時發(fā)現(xiàn)其病害并進(jìn)行干預(yù)，很有可能會引發(fā)橋梁的坍塌事故。通過對橋墩的病害檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)橋墩的缺陷和損傷，并采取修復(fù)或加固措施，延長橋梁的使用壽命，降低維護(hù)成本，提高橋梁的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時能夠?qū)蚨盏慕Y(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評估，為橋墩的維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。
橋墩表觀病害檢測方法主要包括人工檢查法、無人機(jī)巡檢法與爬壁機(jī)器人檢測法。人工檢查法是通過檢測車的吊籃或桁架裝置將檢測人員及設(shè)備送到橋墩附近進(jìn)行觀測，此方法會耗費大量人力物力，存在檢測精度低、效率低下等缺點。而無人機(jī)巡檢法在進(jìn)行橋墩表面病害檢測時因受到拍攝距離的限制，存在無法平穩(wěn)懸停與續(xù)航的問題?，F(xiàn)有的爬壁機(jī)器人在病害檢測過程中仍然需要人工進(jìn)行機(jī)器人的運動控制或路徑規(guī)劃，無法保證其運動精度。在橋墩表觀病害智能無損檢測中，目前尚無穩(wěn)定、高效的病害檢測系統(tǒng)，嚴(yán)重制約著橋墩病害檢測技術(shù)的進(jìn)步。因此，急需研發(fā)新型橋墩病害檢測系統(tǒng)，改進(jìn)和解決目前橋墩病害檢測的不足。在傳統(tǒng)機(jī)器人動力學(xué)的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合多足協(xié)同控制算法與機(jī)器視覺，構(gòu)建了墩柱結(jié)構(gòu)環(huán)形可重構(gòu)攀爬作業(yè)檢測機(jī)器人，提出了基于環(huán)形視覺掃描的橋墩全域病害圖像獲取新技術(shù)，研發(fā)了相關(guān)樣機(jī)與產(chǎn)品，有效推動了我國橋墩病害檢測技術(shù)的進(jìn)步。
墩柱結(jié)構(gòu)表觀病害檢測機(jī)器人新技術(shù)
機(jī)器視覺是使計算機(jī)系統(tǒng)能夠模擬和理解人類視覺系統(tǒng)的學(xué)科。它結(jié)合了計算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識別和人工智能等多個領(lǐng)域，旨在開發(fā)算法和技術(shù)，使計算機(jī)能夠感知、分析及理解圖像或視頻數(shù)據(jù)。
基于以上原理，長安大學(xué)的一支研發(fā)團(tuán)隊研發(fā)了一種墩柱結(jié)構(gòu)環(huán)形視覺掃描攀爬作業(yè)檢測機(jī)器人系統(tǒng)（以下簡稱墩柱攀爬檢測機(jī)器人），設(shè)計了可重構(gòu)環(huán)形框架機(jī)器人，并根據(jù)其特點，開發(fā)出多足協(xié)同運動控制平臺，保障環(huán)形框架機(jī)器人的平穩(wěn)爬升，最后搭載多模式病害圖像獲取系統(tǒng)，實現(xiàn)了對橋墩病害的非接觸、全域、高效檢測。
墩柱攀爬檢測機(jī)器人系統(tǒng)主要由環(huán)形框架機(jī)器人本體、多足機(jī)器人控制系統(tǒng)、多模式病害圖像獲取系統(tǒng)、信息交互系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。環(huán)形框架機(jī)器人本體包含可重構(gòu)環(huán)狀架體以及多個爬行機(jī)構(gòu)，它是病害圖像獲取系統(tǒng)的載體，是整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)支撐；多足機(jī)器人控制系統(tǒng)通過多足協(xié)同控制算法，為每個爬行機(jī)構(gòu)分配速度，保證機(jī)器人能夠平穩(wěn)爬升；多模式病害圖像獲取系統(tǒng)為多通道圖像采集單元、環(huán)帶面陣相機(jī)掃描單元及環(huán)帶線陣CCD掃描單元，可實現(xiàn)對病害圖像的高清獲??；信息交互系統(tǒng)包含系統(tǒng)工作模式及相關(guān)工作參數(shù)的設(shè)置，實現(xiàn)整個檢測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制；圖像處理與病害識別系統(tǒng)包含對病害圖像的校正，病害的識別與量化，完成整個橋墩表觀病害的數(shù)字化建檔。
圖1 環(huán)形視覺掃描攀爬作業(yè)檢測機(jī)器人系統(tǒng)總體框圖
墩柱攀爬檢測機(jī)器人系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點：
1.便捷性好。環(huán)形框架機(jī)器人采取分體式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，保證機(jī)器人拆卸與運輸時的便捷性。
2.適應(yīng)能力強(qiáng)?？梢詫崿F(xiàn)對直徑1.2m-1.5m、柱體上下直徑變換≤70mm范圍內(nèi)所有墩柱結(jié)構(gòu)的檢測。
3.檢測效率高。以10m橋墩為例,進(jìn)行一次無盲區(qū)檢測,時間不超過40分鐘,且系統(tǒng)具備自動化作業(yè)能力。
4.檢測精度高?？蓪崿F(xiàn)0.1mm精度級別的病害檢測。
5.定位誤差小。位置定位誤差垂直方向不超過±5cm，水平方向不超過±5mm。
6.通訊能力強(qiáng)。機(jī)器人與地面上位機(jī)之間的通訊距離≥500m。
7.病害識別速度快。網(wǎng)絡(luò)模型識別病害速度快，可達(dá)20張/ s。
基于機(jī)器人動力學(xué)與機(jī)器視覺的墩柱攀爬檢測機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)、檢測精度高。系統(tǒng)可以兼容大多數(shù)墩柱結(jié)構(gòu)的檢測,包括直徑并不統(tǒng)一的墩柱結(jié)構(gòu)。在圖像采集系統(tǒng)安裝了補(bǔ)光燈板,在采集圖像時會自動開啟,不受光線的限制,可實現(xiàn)全天候、惡劣天氣下的橋梁病害的檢測。采集的圖像通過SD卡保存至工控機(jī)內(nèi),當(dāng)檢測結(jié)束后可拆卸下來,便于后期的圖像處理與分析。
工程應(yīng)用
墩柱攀爬檢測機(jī)器人
性能測試
為驗證作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性，在西安市浐灞區(qū)廣運橋進(jìn)行了墩柱攀爬檢測機(jī)器人性能測試，包括機(jī)器人的爬升平穩(wěn)性測試、爬升高度的精準(zhǔn)性及爬升速度測試。驅(qū)動環(huán)形框架機(jī)器人運動，通過計算各個從電機(jī)相對于主電機(jī)的高度偏差來測試機(jī)器人的爬升平穩(wěn)性。通過比較環(huán)形框架機(jī)器人的目標(biāo)爬升高度與實際爬升高度來測試爬升高度的精準(zhǔn)性?，F(xiàn)場組裝如圖2所示，機(jī)器人性能測試實驗如圖3所示。
圖2 現(xiàn)場組裝
圖3 機(jī)器人性能測試實驗
測試結(jié)果表明，機(jī)器人爬升過程中，各個從電機(jī)相對于主電機(jī)的高度誤差均在±5cm內(nèi)，沒有出現(xiàn)傾斜程度過大的情況，且運動控制平臺會對機(jī)器人運行姿態(tài)進(jìn)行實時糾正，實現(xiàn)了機(jī)器人的平穩(wěn)爬升。環(huán)形框架機(jī)器人實際爬升高度有時略小于期望爬升高度,但誤差最大僅為3cm，爬升10m高的橋墩進(jìn)行全域圖像采集的總時間不超過40分鐘。實驗表明視覺掃描檢測機(jī)器人爬升過程穩(wěn)定，爬升速度快，測試精度高，極大地高了橋梁檢測的工作效率。
病害圖像采集及病害
識別測試
壽春淮河特大橋位于安徽省淮南市,全長11.84公里,其中主橋長440米,最大跨度200米,是目前安徽省內(nèi)跨度最大的矮塔斜拉橋。壽春淮河特大橋部分墩柱出現(xiàn)大幅度表觀病害，使用視覺掃描檢測機(jī)器人進(jìn)行了病害圖像采集測試與裂縫普查檢測，在軟件端實現(xiàn)對被檢測橋墩的實時圖像顯示與存儲。病害檢測上位機(jī)軟件界面如圖4所示。
圖4 上位機(jī)軟件界面
測試結(jié)果表明，攀爬機(jī)器人系統(tǒng)能將采集到的圖像按位置信息保存在工控機(jī)中。針對龐大的橋墩表觀病害圖像，通過構(gòu)建墩柱結(jié)構(gòu)表觀病害數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)病害識別模型。經(jīng)過訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)模型可以精準(zhǔn)地識別橋墩圖像中的病害，并輔以圖像處理算法進(jìn)行病害的精準(zhǔn)量化，并在軟件端實現(xiàn)了被檢測橋梁病害的在線識別與數(shù)字化建檔。圖5為橋墩病害識別系統(tǒng)軟件端，圖6為橋墩病害識別結(jié)果。
圖5 橋墩病害識別系統(tǒng)軟件界面
圖6 橋墩病害識別結(jié)果
測試結(jié)果表明，基于深度學(xué)習(xí)與圖像處理的病害智能識別與量化系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)、快速地識別出橋墩表觀病害與數(shù)字化建檔。
綜上所述，墩柱攀爬檢測機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋墩表觀病害圖像的全域采集，基于深度學(xué)習(xí)與圖像處理的病害智能識別與量化系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)、快速地識別出橋墩表觀病害與數(shù)字化建檔。墩柱結(jié)構(gòu)環(huán)形視覺掃描攀爬作業(yè)檢測機(jī)器人系統(tǒng)為未來大型基礎(chǔ)設(shè)施的信息化提供了基礎(chǔ)，對提高墩柱結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)效率，保障墩柱結(jié)構(gòu)的安全具有重要意義。
產(chǎn)品優(yōu)勢
基于機(jī)器人動力學(xué)與機(jī)器視覺的墩柱攀爬檢測機(jī)器人系統(tǒng),實現(xiàn)了墩柱結(jié)構(gòu)表觀圖像全域采集,為墩柱結(jié)構(gòu)表觀病害實時動態(tài)檢測提供一種新的手段。該技術(shù)具有穩(wěn)定性好、實時性高、精度高等優(yōu)點，安裝方便、成本低等特點。
建立在深度學(xué)習(xí)與圖像處理基礎(chǔ)上的病害智能識別與量化系統(tǒng)，實現(xiàn)了病害圖像識別和分析，并進(jìn)行數(shù)字化建檔。該技術(shù)具有病害識別速度快、病害精度高等特點，為未來橋墩數(shù)字孿生模型的構(gòu)建及病害全生命周期演化追溯的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。
目前，墩柱結(jié)構(gòu)環(huán)形視覺掃描攀爬作業(yè)檢測機(jī)器人系統(tǒng)已在國內(nèi)大型橋梁工程的病害檢測和周期性養(yǎng)護(hù)中推廣應(yīng)用，其優(yōu)良的病害檢測效果與性能指標(biāo)得到應(yīng)用單位的高度認(rèn)可，具有廣闊的工程應(yīng)用前景和技術(shù)推廣價值。
本文刊載 / 《大橋養(yǎng)護(hù)與運營》雜志
2023年 第3期 總第23期
作者 / 王會峰 趙煜 杜浩
作者單位 / 長安大學(xué)
