港珠澳大桥智能检测装备体系之标杆引领与民间普及
蝶眠落雪
2024年06月12日 14:38:18
来自于桥梁工程
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【导读】           随着人工智能和数字图像处理技术的快速发展,由人工目视检测演化的机器视觉表观检测方法成为智能检测装备在桥梁外表面检测的主要技术手段,不同类型的无损检测方法也可进一步为桥梁内部病害检测提供数据支持,实现桥梁检测数据可定位、可对比、可溯源、可监督。

【导读】           随着人工智能和数字图像处理技术的快速发展,由人工目视检测演化的机器视觉表观检测方法成为智能检测装备在桥梁外表面检测的主要技术手段,不同类型的无损检测方法也可进一步为桥梁内部病害检测提供数据支持,实现桥梁检测数据可定位、可对比、可溯源、可监督。        

与此同时,无人车、无人机、无人船、爬壁机器人等多类型智能检测装备已经逐渐覆盖多种桥梁构件检测环境,检测精度和病害识别效果也随着无损检测技术发展而不断提升,突破传统       检测中病害漏检、检测效率低等技术瓶颈。      
然而       ,根据当       前装备发展现状及无损       检测技术水平可知,现有桥梁智能检测装备仍以半自动甚至人工主动操作的方式控制,尚无一体式模块化智能检测作业平台实现检测任务自主动态规划、智能控制过程精细化操作、多设备检测协同作业、多源数据同步融合分析等功能。      

如何依托一体式模块化智能检测作业平台进一步提升公路桥梁检测效率、优化桥梁检测数据的完整性和可靠性、实现桥梁检测全过程智能化、信息化转变仍是当前桥梁智能检测行业的重要难题。

       
港珠澳大桥作为超级工程,在桥梁智能检测装备体系研究中走出了重要一步。        
       

       
     
港珠澳大桥      

         

港珠澳大桥智能检测装备

           

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港珠澳大桥智能检测体系概况


         
港珠澳大桥是三地首次合作共建的超大型跨海交通工程。大桥全长约55 km,其中主体工程东起粤港分界线,西至珠澳口岸人工岛,长约29.6 km,是集桥岛隧于一体的跨海集群工程。
港珠澳大桥工程结构元素之多、工程建设规模之大、建设复杂程度之高,让其成为跨海集群工程的典型代表,也让其运维工作量和工作难度双增。          
构建基于无人搭载平台的水下地形、地层检测技术、水下结构无人操作精准探知技术、影像拼接识别技术的综合多类声学、光学设备的全息立体感知系统,通过前端数据采集、交换、预处理及传输等子系统的集成、控制、通信以及后端多源数据融合、处理、分析、挖掘等关键技术,实现海洋环境下桥岛隧及其周围环境的全息状态参数立体感知;构建基于机载超宽带近距离编队相对导航、无人检测平台集群控制、多传感器融合、5G无线专网技术的水上结构无人检测平台集群;通过典型病害采集、分级、制备、预置,以及智能化病害识别专家决策系统的建立,实现复杂电磁环境下跨海设施典型结构表面的智能化巡检。          
   
全息立体感知和智能维养装备研发技术路线    

2

无人机桥检系统


             
            港珠澳大桥智能化运维中的配置结构表观病害观测无人机,实现跨海集群桥梁设施巡检检查。

桥梁检查无人机


     

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水下结构检查系统


       
目前水下监测资源大多采用“非专业船只+探测设备”的临时组合模式或潜水员探摸,达不到水下结构状态感知的基本精度要求,效率低、风险高、经济性差。国内仅少数跨海大桥开展了河床、海床冲刷等监测工作,大部分桥梁及水工结构服役状态无法获知,导致有安全风险的水下结构未及时采取应对措施,带来极大安全隐患。      
针对上述问题,综合利用智能化无人船平台集控技术、水下地形、地层以及水下结构立体感知技术,建设水下结构智能监测平台与大数据融合处理系统,实现港珠澳大桥桥墩周边冲刷、人工岛斜坡堤结构周边冲刷、隧道顶部回淤等水下状态监测,以及水下结构物表观缺陷信息监测。采用大数据融合处理及演化分析技术,直观展示综合智能感知结果,为跨海交通基础设施及海洋工程水下检测提供有效技术服务。      
 
 
 
 
 
水下结构智能监测平台与大数据融合处理系统

4

跨海桥隧抵近检测与维养系统


 

港珠澳大桥工程体量大、结构复杂、易腐蚀区域多而分散,且长期处于高温、高湿、高盐、交变载荷等复杂苛刻服役环境下,其典型结构表面防护体系破坏、混凝土钢筋锈蚀、钢结构焊接部位及受力结构腐蚀损伤等易发性病害难以被快速感知、识别,无法通过传统监(检)测手段满足高效管养需求。

通过配置携带感知识别设备或简易快速修复设备的磁吸附式、负压吸附式、轨道式、轮式等各类巡检机器人集群及其综合指控系统,构建病害智能化识别专家决策系统并结合5G通讯系统,实现抵近式巡检与维养,提高跨海集群设施移动式巡检感知装备的智能化水平。

 
 
 
巡检机器人   检测照片  
  基于无人搭载平台的箱梁外表面缺陷自动检测技术及装备  
  梁内检测机器人     基于无人搭载平台的 箱梁内表面病害自动检测技术       基于无人搭载平台的 高耸结构物病害自动检测技术     混凝土表面巡检-维养器人     钢结构表面巡检-维养机器人  

除了斜拉桥的钢箱梁、索塔,悬索桥的钢箱梁、锚室、鞍室需要设置除湿系统,包括部分连续梁桥梁、悬索桥主缆除湿,斜拉桥的斜拉索除湿,其中悬索桥主缆除湿系统已经技术成熟,包括云南龙江大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥、武汉杨泗港长江大桥、南山大桥、深中通道等50余座桥梁,而斜拉索除湿正在进行技术攻关,这都将是未来桥梁除湿的发展方向。  


     

民间普及方案

       
     
 

港珠澳大桥作为中国最著名的跨海工程,有充足的检测养护资金推动智能检测装备的应用和技术进步,然而,对于国内大部分桥梁而言,普遍存在养护资金不足等问题,先进的智能检测装备技术因造价因素难以落地应用。基于此,国内部分创新型企业研发了高性价比的桥梁智能检测装备系统,使“高大上”的智能检测装备广泛普及应用成为可能。

港珠澳大桥的智能检测装备是大桥智能检养的标杆,高科技与高投入却让广大桥梁管理者望而却步。下面介绍部分中小型创新型公司研发的桥梁智检装备系统代表性方案,推动桥检无人化、智能化、场景化的民间普及落地。

1

“无人机+BIM”桥检系统


 

港珠澳大桥智检装备中介绍了无人机在桥梁检查中的应用,关于无人机桥检详细的功能介绍不多。无人机虽可以通过高清拍照展现病害,但很难直观看到病害照片所处的桥梁结构位置。将BIM和无人机高清拍照结合,可实现桥梁检查养护从整体到局部的全方位病害可视化管理。

未来桥梁诊断公司FBDI将无人机自动巡检高清照片与桥梁BIM进行联动,通过“ 无人机+BIM ”的开发,实现了无人机检查的高效率与桥梁BIM构件病害管理可视化的有机结合。导入无人机检查照片至对应的构造单元,搭建桥梁三维数字档案,便于病害跟踪、追溯以及养护决策的制定。

2

梁底智能巡检装备


 

传统大桥梁底日常检测主要依靠桁架式或折臂式桥检车平台,由于桥梁的特殊结构,桥检车作业时需在吊索间频繁收展机械臂,不但影响桥面交通,而且检测效率低、盲区多、主观性强,也为检测人员带来了一定的作业安全风险。

为解决大桥梁底病害检测面临的实际困难,及时了解、掌握桥梁健康动态与安全状态,实现各阶段桥梁全生命状态的可知、可测,舟山管理中心联合国内科研院所、桥梁行业骨干单位组成课题研究小组,创新研发出 大桥梁底病害智能分析巡检系统  
 
梁底智能巡检装备  
湖南桥康智能科技有限公司、中铁大桥科学研究院等科技企业在梁底智能检查装备中也进行了相关研发应用,取得了较好的实际应用效果。  

3

无人船桥梁冲刷检测系统


 

冲刷是快速水流去除桥梁下部结构的沉积,形成大孔的过程,这些冲刷孔会导致地基的破坏或桩的暴露,最终导致桥梁故障,在由融雪、暴雨、春季径流或其组合引起的高水位中最为突出。监测桥梁冲刷是一项困难的任务,因为在高水位时会发生过度的破坏,但在低水位时可以被沉积填满。为了准确评估冲刷的严重程度,需要在高水位进行检查。此时检查的主要问题是人员的安全和设备在高水位条件下的运行能力。但在高水位的洪水期间,检查人员在水面上或周围进行冲刷检查工作危险性较高,基于声呐测试技术的无人船检查系统可以实现桥梁冲刷检查的便捷化、智能化、场景化。

未来桥梁诊断公司FBDI研发的 桥梁冲刷检查无人船系统 可以完成以下任务:适合高水位的无人船自动巡航检测,在靠近桥梁下部结构或较大湍流水域中进行检测;在1~10米深的水中获取冲刷测试数据;将实时声纳图像和数据传输到岸上监测站;后处理生成桥趾范围桥墩冲刷场景图。  
 
 

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爬壁检测机器人


 

奥克福科技推出的 负压吸附爬壁机器人 采用了高效的真空吸附技术,可以在垂直、倾斜等多种不同材质复杂表面上完成工作,能够完成对高空、危险环境的检查、检测任务,可以通过遥控器来控制其移动,通过搭载的视频可以实现在桥梁结构表面识别病害。对于90度转角处,真空吸附爬壁机器人可以通过两节组合结构的软连接来实现检测,进一步拓展了机器人在桥梁检测的应用场景。

 
 

5

爬索检测机器人


 
桥梁爬索检测机器人目前已经广泛应用于桥梁拉索检测工作中,以前人工检测一根200米长的钢索,需要两三个人花费半天时间,现在只需要10分钟左右便可完成检测。目前,研发桥梁爬索检测机器人的公司主要有中铁大桥科学研究院(含内部断丝检测)、深圳索杆、广东承信以及FBDI等。  
   
   
FBDI爬索机器人进行拉索检测  
 
桥科院爬索机器人(含断丝检测)  

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智能检测云平台


 

能检测 装备的检测成果往往是散布的图片或视频资料,缺乏整体性,且不便于系统性 管理, 为此FBDI 开发了桥检模型及数据的BIM建模方法 ,这是 用于桥梁检测成果动态可视化管理、评估与预测性决策的方法 ,以实现桥梁检测成果的三维数字化管理。

 
   
 
 
     

结语


     
     

港珠澳大桥智能检测装备及体系是桥梁智能检测维养的标杆,引领和推动了桥梁检测维养的进步。 普及方案表明,民间科创产品技术已可推广应用至广大桥梁的检测维养工作中,先进的桥梁智能检测装备体系不只是超级桥梁的专享。

未来,为了进一步普及桥梁智能检测装备体系,优化路桥梁检测作业、数据采集、安全评估流程,及时、准确、全面地发现安全隐患,提高桥梁设施质量和使用寿命,改善交通设施安全水平,应进一步开展智能检测装备式模块化作业平台研究:        
一是自动化驱动装备           依托高精度实时定位、动态路径规划、多模块智能协同控制、BIM数字孪生等,进一步提高病害检测数据质量,完善数据采集标准化流程,提升检测设备最小可检测范围,减少检测设备平均相对误差,优化病害定位精度及相对桥梁位姿关系;           二是依托无损检测多源异构数据 ,提升桥梁内部病害检测能力,完善多维病害数据融合分析能力; 结合桥梁BIM系统和历史病害信息,系统化分析评估桥梁安全状况        
作者:景强1,郑顺潮1,梁鹏2,汪劲丰3
工作 单位:1.港珠澳大桥管理局;2.长安大学公路学院;3.浙江大学建筑工程学院

(来源: 中国公路学报 ,微土木人荐读

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