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高铁桥隧设备检查中无人机的具体应用

2020-07-07 812 上传者：管理员

摘要：本文分析了现阶段我国高铁桥隧设备检查方法的诸多不足和局限，简明阐述了无人机工作原理，提出了采用无人机进行桥隧设备检查的方案，探讨了无人机在高铁桥隧设备检查中的应用可行性，与传统高铁桥隧设备检查方法相比，具有经济性、高效性、全面性和安全性等特点。

关键词：
无人机
桥隧设备检查
铁路运输
高铁
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目前我国已开通运营的高速铁路桥隧占线路长度的比例总体上在70%左右（既有普通铁路为8.5%左右），桥隧比例较大。在综合考虑设备检查周期、检查方式、检查条件（天窗内、天窗外）、检查人数的合理配置以及高速铁路路桥设备特点等基础上，经工作量和工时初步测算（检查工区一般按10人配置），规定路桥检查工区管辖营业线路长度100 km左右，即人均管辖营业线路长度10 km，人均管辖桥隧长度约7km左右0。受制于地形地质条件、交通环境复杂、检查项目较多等因素影响，传统的检查方法效率并不能满足现代高铁桥隧设备养护要求。

传统的桥隧设备检查方法主要有望远镜观察、远程视频监控、人工检查、添乘检查等。依靠肉眼或者辅助工具（如远程视频、望远镜等）来检测桥隧设备主要构件是否出现裂缝、开裂破损、露筋锈蚀、支座脱空等病害。表1列举了上述各种方法的优、缺点。

表1 传统桥隧设备检查方法对比

对于特殊结构桥梁（如斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥等）或者大跨高墩桥梁来说，传统的检查方法局限性较大。如检查高桥墩支座及梁体病害时，需人工攀爬作业，效率低、难度大、危险系数高，而运用无人机技术将会在很大程度上解决这一难题。图1为人工检查高桥墩支座及梁体病害实拍场景。

图1 人工检查高桥墩支座及梁体病害

1、无人机相关背景

1.1 无人机发展应用情况

自20世纪30年代国外首次采用无线电操纵的模型飞机作为靶机以后，无人机的发展十分迅速。我国无人机的研究始于50年代后期，1959年已基本摸索出安-2和伊尔-28两种飞机的自动起降规律，60年代中后期投入无人机研制，形成了“长空”1靶机、无侦5高空照相侦察机和D4小型遥控飞机等系列。

目前，无人机的应用领域不断扩大：不仅可以在军事上用于侦察、通信、反潜、电子对抗和对地攻击，也可以在民用上用于航拍摄影、电力巡检、新闻报道、保护野生动物、环境监测、大地测量、资源勘查及人工降雨等多个领域。随着航拍技术、遥感技术的不断发展，无人机将打破传统桥隧设备检查方法自身的局限性，在桥隧设备检查领域得到长远的发展应用。

1.2 无人机检查系统及工作原理

无人机检查系统主要由无人机、数据传输系统、任务荷载系统、地面站系统、其他设备等组成（见图2）。

图2 无人机检查系统组成

图2中数据传输系统用于系统控制信号、检查数据的传输。地面站系统则用于实时监控无人机飞行、检查拍摄情况，以便及时纠正飞行轨迹和发现设备明显病害。其他设备除了常规的维修保养工具外，还包含检查结果分析处理系统。需注意的是：用于设备检查的无人机与常规航拍无人机的三轴增稳云台、高清摄像机位置不同，前者位于飞行器上方，后者位于飞行器下方。无人机检查系统组成及工作原理示意如图3所示。

图3 无人机工作原理

1.3 无人机检查优势

无人机能够定点悬停观测，实时传输画面，且能自控飞行，与传统桥隧设备检查方法相比，具有以下优势。

1）成本低。无人机涉及的所用的GNSS导航、数码影像、无线电遥控等技术均为比较成熟的技术，且已在各领域大规模应用，可以直接到达检查部位，无需其它辅助措施,从而节省费用。

2）精度高。多轴飞行器可以搭载高分辨率摄像机对各种设备病害进行细致拍摄，能随时操控拍摄位置，可进行多次，反复检查。目前裂缝识别精度能达到亚毫米级，即使0.1 mm的缝隙也可以被识别出来。

3）效率和安全系数高。如湖北省交通运输厅利用无人机对“世界第一高桥”——四渡河悬索桥索塔单面进行检查，只需要不到15 min的时间，提高了作业效率。无人机无需搭架或者吊篮配合人员检查，极大地提高了作业的安全性。大疆经纬M210无人机配备的前视传感器可感知前方30 m范围内障碍物，顶部红外感知系统可探测上方5 m内的物体，有效避免碰撞，降低了无人机碰撞坠落风险。

2、无人机在桥隧设备检查中的应用

结合中国铁路上海局集团有限公司宁波工务段（以下简称宁波工务段）实践，简要阐述无人机在桥隧设备检查中的应用方法及效果，印证其经济性、高效性、全面性和安全性等特点

2.1 裂缝及高桥墩检查

通过高清摄像头拍摄检查对应裂缝，经过图片分析后，对于裂缝长度、宽度可进行集中标注，可以针对索搭、桥塔、桥腹、支座、隧道拱顶等特殊部位进行有效分析，评估裂缝病害程度更加直观、清晰。如杭深线既有桥墩受自然风化等因素影响，墩身混凝土保护层出现不同程度脱落、钢筋锈蚀、混凝土爆裂等病害。仅宁波工务段负责养护维修的螺洋、湖头、西桐、潘郎4座特大桥已有63处桥墩存在严重劣化现象，而对于水中墩及高度较大的桥墩状态尚未完全掌握。利用无人机检查后对上述大桥及桥墩诸如混凝土蜂窝麻面、露筋、剥落掉块等病害有了全面、精准掌握，为及时整治病害提供了可靠依据。图4为宁波工务段运用无人机对杭深线四渡河大桥索塔混凝土质量检查实拍照片。

图4 四渡河大桥索塔混凝土质量检查情况

2.2 钢梁桥检查

宁波工务段管内共有10座明桥面钢梁桥，对节点构造处的高强螺栓检查是重点检查项目。传统方法多为可见范围内的腹杆、下弦杆连接处螺栓检查，对于上弦杆、上平联及下桁架连接处螺栓则为检查盲区，平时很难检查到位。通过对无人机拍摄高清画面回放分析，可准确判断钢梁高强螺栓有无缺失。若携带红外感测系统，根据红外应力谱，还可判断高强螺栓预紧力有无松弛，进而判断螺栓有无松动，大大减轻养护检查工作量，同时提高分析效率和精确性。

2.3 高墩支座检查

杭深线全线共有27座连续梁合计167处高桥墩缺少固定吊篮及检查梯，人员无法到达墩顶检查，过去只能用望远镜远距离观察，病害识别误差较大。运用无人机对构件进行多角度拍摄和对运用软件对图形结构数据进行分析，较好解决了人工检查存在无法准确掌握支座有无锈蚀、有无滑移，无法确定支承垫石是否积水以及有无建筑遗留垃圾堆积等难题。

2.4 隧道口检查

宁波工务段管内共有隧道126座，隧道口附近地理环境复杂,受台风等强降雨天气易发生水害,对设备及行车安全造成隐患。为进一步了解地形地貌、排水系统、防护加固设备分布及走向，全面消除安全隐患，确保行车安全，宁波工务段对段管内列入三级防洪点的隧道口进行了无人机360°航拍，并结合VR虚拟技术、后期PS处理技术制作了3D实景模型，准确掌握了隧道口设备及环境状况，方便了职工设备检查、防洪排查。

3、展望

3.1 无人机应用展望

通过对构件多角度拍摄，根据图像由软件自动生成三维立体图形，将三维图形导出后可形成高精度的三维模型，三维模型可作为设备档案保存，以便将来为维修工作提供技术参考。将建立好的3D图导入到地面站系统中，在系统中导入的3D坐标可以直接转换为无人机接入的坐标，无人机在飞行和航线定制时，可以直接参考该坐标，完成路径规划、自主飞行功能。随着智能化技术的发展，通过对视频图像数据进行自动分析处理，确定所检查对象是否达标，各关键节点是否出现病害等。对所有检查数据进行综合对比之后，得出初步检查结果，并对所有的结果按格式录入报告系统，自动生成分析报告。

3.2 桥隧设备检查维护新科技应用展望

展望未来，桥隧设备维护还可引入下列新科技：1）发展机器人取代高风险检查作业模式，并具备智能化功能，可以主动分析病害缺陷，及时提出维修补强对策。2）通过建立三维模型和运用虚拟现实VR技术，提高职工培训模拟操作实效。3）利用互联网无线传输数据，链接现场感应装置及云端数据库，配合大数据分析，进行远程智能监控。建立设备专属二维码，在现场扫描二维码，立即链接云端数据库，取得设备基本数据，及过去检查病害记录，便于快速进行检查及分析。

参考文献：

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