无人机技术为桥梁养护添翼

近年来，随着大数据、物联网、云计算、5G等技术的迅猛发展，数字化转型已进入快速发展期。如何推动养护“数字化”高质量发展，成为高速公路桥梁养护管理的研究方向。随着无人机航线规划、倾斜摄影技术在高速公路行业的推广应用，为在该领域开展智慧养护提供了更多的可能性。

根据高速公路养护管理的相关要求，养护人员的巡检工作主要分为日常巡查、经常性检查、定期检查、特殊检查等。总体而言，具备以下三个特点：一是危险性高。高速公路来往的交通量大且速度快，检查人员在应急车道进行养护巡检时存在较大的安全隐患。对于一些地形特殊路段，如高边坡段、高墩桥梁段等，检查人员需借助一定登高设备平台进行检查，存在一定危险。二是工作量大。高速公路里程较长，且巡查内容多、要求高，据统计，高速公路养护步检单向10公里需耗费4小时左右，整体的巡检效率有待提升。三是存在盲点。高速公路上的长大桥和隧道等结构存在人员无法近距离抵达的情况，传统的望远镜进行病害观察也由于视觉盲区导致无法观测。

无人机巡检技术是近年来得到快速发展和广泛应用的一种新型巡检技术，主要通过无人机的空中巡航来完成对各类设施和资源的巡检任务。对于电力行业而言，无人机巡检技术可以用于输电线路和变电站的巡视和检测，提高巡检效率和安全性。在建筑工程中，无人机巡检可以用于施工现场的监测和质量控制，提高工程质量和安全性（见图1）。在农业领域，运用无人机巡检，可进行农田的植保和灌溉，有利于提高农作物的产量和质量。在环境监测方面，若将无人机巡检应用于大气污染和水质监测，能够提供及时准确的数据支持。而在灾害预防和应急救援方面，无人机可以在灾害发生后迅速进行航拍和巡视，并通过搭载传感器进行数据收集和分析，为灾害风险评估和预警提供支持，为救援和灾后评估提供关键信息。综上所述，无人机巡检技术具有巨大的研究意义和应用前景。

图1 无人机在其他行业的应用展示

无人机具备轻便灵活、快速高效的特点，能够实现对高速公路养护情况的快速监测和巡检。具有以下几项主要特点：

1.无人机具有空中拍摄能力，可以通过搭载摄像头和传感器获取高速公路路面、桥梁、标志等各个环节的信息。

2.无人机具备较强的机动性和适应性，可以在各种复杂环境中进行巡检，减少人员的危险性。

3.无人机可以迅速覆盖大范围的区域，避免了人工巡检的局限性，大幅提高巡检效率。

4.无人机能够实现实时视频传输，监测人员能通过地面终端实时观看无人机拍摄的画面，及时发现养护问题并进行处理。

5.无人机具有高度自主飞行能力，可以根据预设的航线进行自动巡航。通过事先设定的航线，它可以沿高速公路进行规划航行，全方位地进行监测和巡检，减少人为操作对养护工作的干扰。

6.无人机还可以根据预设的巡航参数进行数据采集和处理，对路面状况、路标标志等进行全面分析和评估。这些自主性和智能化特点，使得无人机在高速公路养护巡检中更加高效、准确，并能够提供更全面的数据支持。

不同的无人机机型在巡检过程中具有各自的优势和特点。例如：固定翼无人机具有较长的续航时间和较大的航程，适用于长距离巡检任务；多旋翼无人机则拥有垂直起降和悬停能力，可胜任近距离、低空巡检任务；可变旋翼无人机，兼具固定翼和多旋翼的优势，适合在复杂的巡检环境中开展工作。根据巡检需求和具体场景，选择不同的无人机机型可以提高巡检效率和质量，完成高效的养护巡检任务。此外，无人机机型的选择还需要考虑到其载荷能力和传感器装备。根据养护巡检的具体任务需求，可以选择搭载高清摄像头、红外线热像仪、激光雷达等传感器的无人机，以获取更多的巡检数据。这些传感器可以实时监测道路状况、检测裂缝和受损情况，并通过图像处理和数据分析算法进行智能分析，提供可靠的养护建议。

目前，在江苏高速养护巡检中应用较多的无人机主要有御Mavic 3、经纬M30、经纬M300RTK、经纬M30机等几种类型（见图2）。大疆御Mavic 3是三款中部署最快的无人机，但飞行时间较短。经纬M30具有最长的飞行时间和最远的控制距离。而经纬M300RTK则有更先进的避障系统，并可以搭配更多的相机种类。选择适合需求的无人机，应该根据其飞行速度、飞行时间、控制距离、相机分辨率和避障系统等参数进行权衡。

图2 常用机型展示

根据桥梁养护检查的相关要求，养护人员每月应对高速公路所辖桥梁进行经常性检查，其中95%以上为中小跨径混凝土板梁桥，可选用御Mavic 3轻型便携机型，其具有折叠方便携带，可快速部署，小巧灵活的特性，可应对复杂桥下空间作业环境(见图3)，高倍光学变焦镜头可轻松协助寻找混凝土表观病害及初步判断支座病害。对于互通匝道的检查亦可采用此类机型，操作较为方便。

图3 桥下空间轻型无人机应用展示 

因自重轻，抗风性能不足，轻型无人机对于高墩柱梁桥或跨河段桥梁检查，适用性有限。而采用经纬M30无人机（见图4），可实现它的稳定飞行，一分钟即可完成现场部署，必要时可由双人操控，其中一人专注于无人机的操控和避障，另一人则负责相机的控制和拍照。可单独设置每个方向的安全距离，当超过阈值时，避障功能启动，无人机会急停刹车，为视距外飞行提供安全保障。

图4 高墩柱桥无人机检查展示

对于跨江大桥缆索关键节点、高耸构建等检查，要求无人机具有较高的负载能力和长航时能力，可采用经纬M300RTK行业机型，结合航线巡检、多焦段记录、RTK差分定位等功能。与此同时，可根据需求携带更多的设备和传感器，让无人机在规划好的航线、高度、角度上，对主缆索夹、吊索轴孔、连接螺栓、夹具封堵、表面涂装等缆索关键节点进行自动巡航精准复拍，提供更加精准和全面的数据采集服务。（见图5）

图5 同一位置不同时期拍摄的照片

借助无人机倾斜摄影技术，可以获取高精度的地理信息数据，包括三维模型、点云、图像等，对采集、处理和分析的数据，建立高速公路的数字化基座。该基座包括道路桥梁的实景特征、里程桩号、固定资产、维修历史、穿跨越等要素信息。扬子江公司将江阴大桥包括南北接线共计65km主线、7处互通枢纽、2处服务区，进行了高清影像的收集，通过多个软件的配合使用，制作出了属于养护本身的高清数字底座雏形。与卫星地图不同，图像层级达到23级，影像全部是垂直角度，可以直接在地图上进行尺寸测量，也可以直接测量路侧房屋与高速公路的间距以及房屋面积，测量精度可达10cm。当然，养护数字基座，还能够衍生出多个应用场景。

场景一：道路上百米标位置与理论桩号存在偏差的现象较为普遍，但在数字基座中，有些自相矛盾。于是对每一处百米标都进行了高精度的GPS信息采集，使显示桩号与现实保持一致。养护基座除了可以展示路域环境和沿线资产，还可以通过全景图方式，更加直观地展示桥梁结构信息。（见图6）

图6 实际桩号与桥梁全景展示

场景二：地方上的穿跨越工程，每年都会遇到几次，但由于涉及多个管理部门，存在数据分散，台账不全的情况，无法按时间或区域进行查看。而养护数字基座，可以极为直观、简便、灵活地对穿跨越工程进行图形化的标注，并将审批文件和施工图纸以附件形式上传，点开就能查看。（见图7）

图7 穿跨越记录与沙盘演练展示

场景三：在桥梁经常性检查时，通常会出现检查人员倦怠，到达率达不到标准等情况。现在我们要求检查人员在拍摄照片时，打开手机定位进行拍摄，照片能够直接导入养护数字基座，根据拍摄时记录的经纬度信息，自动吸附到相应位置。就其功能而言，小可规范检査人员行为和到达率，大能形成桥梁经常性检查的电子台账，还能够以时间为轴线，纵向观察和追溯桥梁病害。（见图8）

图8 桥梁检查照片与养护数字基座叠加展示

依托所建立的高精度数字模型，可以进一步开展道路安全分析、车流模拟和交通流优化等工作。相关成果可为高速公路的规划、设计、建设和管理提供科学依据，提升高速公路运营效率和安全性。

为了提升跨江大桥的养护巡检质量和效率，管理单位在江阴大桥部署了两座无人机机场（见图9），开启了智慧巡检的探索。机场工作半径7km，可7×24小时待命，高效轮转作业，一个架次可连续飞行30分钟，25分钟即可满电再次起飞。

图9 无人机机场

为便于后期可见光建模航线规划及吊索巡检航线规划，需要收集构造物整体以及各个面的点云完整数据。作业前期需使用软件进行带状扫描并解算，后通过该基础数据使用巡检大师（Detailed Inspection Master以下简称DIM）软件点云航线规划进行桥梁立面结构扫描，航线及成果展示（见图10）。对点云采集数据进行去噪、抽稀处理（见图11）。在DIM中进行点云航线规划，按照该桥外观结构，拆分为靖江侧、江阴侧分别实施航线规划，辅以顶部环绕航线等进行补充采集。

图10 点云采集航线展示

图11 抽稀点云展示

按照主缆、吊索、索夹、索塔等结构，对每部分进行单独提取、单独编号，提取的结构数据依据位置归为靖江侧和江阴侧两部分。针对不同结构特点规划不同巡检航线，在航线规划时要结合作业现场情况选择设备。通常作业全程不中断交通，为保障路面车辆安全，飞行器不能过于贴近桥梁飞行。M30T是一个很好的选择，飞行器自带4800万像素的变焦相机，在保持安全飞行高度的同时，仍可采集高清影像数据。除此之外，该飞行器还可通过大疆机场进行无人值守、自动巡航。设备确定下来之后即可进行具体的巡检航线生产。

针对鞍座、悬索、吊索、主塔、底板、字牌单独航线生产模块，生产时，只需将前期提取的结构数据导入软件中，选择飞行器和载荷型号，输入预期的变焦倍数、相对距离、飞行速度、起飞高度以及巡检起止位置编号，即可生产针对每个桥梁结构部位的巡检航线。（见图12）

图12 各主要部位巡查航线展示

巡检航线，包含安全起飞高度、飞行路径、飞行速度、飞机及云台偏航角度、云台俯仰角度、拍照模式等内容，因此在作业过程中，只需将航线通过平台上传，飞行器即可自动执行航线任务，自动起飞、采集并自动返航。如果采用的是机场无人值守作业模式，更可以通过无人机管理平台和机场对接，来执行航线任务，真正实现“运筹帷幄之中，决胜千里之外”。（见图13）

图13 自动巡检航线规划及后台操作界面

使用无人机参与跨江大桥的“无人值守”，具备下述优势：

1.无人机可以直接到达检测部位，无须其他辅助措施，节省费用；

2.检测桥墩、桥座、桥腹等危险场所，无须搭架或者吊篮配合人员检测，极大地提高了安全性；

3.对于部分无法企及的桥腹、拉索等部位，无人机可以抵近观察了解更多细节；

4.在桥梁日常巡查时，无须封闭道路中断交通；

5.在天气情况允许的前提下，实施检测桥梁具备较高的及时性；

6.航线可精确重复执行，配合机场进行周期性巡检，作业人员不必到达现场。