ABIS高速纵向桥智能自动检查系统

张 雪 贾 明 单佳欣 王志伟

（长安大学，西安 710021）

1 研究背景

随着桥梁总体数量的提升，要求在监测过程中必须实现检测无伤化、操作安全化。针对检测无伤化国内外主要有以下检测技术：

（1）先进的疲劳裂纹探测和评估系统，涉及桥梁裂纹的无线应变测量系统、无源疲劳荷载测量设备、便携式声发射系统、新型超声波以及电磁声发射传感器等，目前在此基础上一种具有产生（信号）并探测不同受力模式下的疲劳裂纹的宽带E探测器；

（2）先进的锈蚀探测技术，如探测先张法压浆空隙；（3）先进的桥面板检测系统，如双带远红外热成像系统；（4）先进的桥梁测试和健康监测系统，如测量桥梁超载的钢传感器。

随着机器人的发展，更多的研究开始关注机器人在桥梁检测中的应用，但国内外尚无可市场化产品。

2 可行性分析

我国路网建设进一步发展，山区高速路建设比重逐年增加。从环境保护的原则出发，为使公路建设与周围的景观相结合，实现人与自然和谐相处；从公路本身线形本身出发，要求连续、均衡及协调，实现平、纵、横三个方面的良好组合，山区路网建设多采用高架纵向桥来跨越山谷、河流等。为适应山区复杂的地形地质，路网建设对纵向桥需求大幅增加，从而衍生出一系列对纵向桥的监测与养护问题。

3 需求分析

中国现有公路桥梁80余万座，铁路桥梁20余万座，有数据指出100万座桥梁中，危桥有近10万座，占比10%，桥梁检测维护工作刻不容缓。而传统的人工检测出现了不安全、不高效、不彻底等多重问题，如，2017年11月25日，南宁三安大桥三名检测人员在例行检查时不慎坠入江中身亡。以智能化的机器人代替人员进行山区纵向桥等危险桥梁的检测刻不容缓。

4 设计原理

4.1 功能设计

（1）检测器能源与行进：检测器能源设备主要采取太阳能光板，转化太阳能光源带动检测器工作，在非工作期间，检测器则一直处于睡眠状态。为保证特殊情况太阳能源不足时检测器仍能保证正常工作，检测器内部还放置锂电池。检测器利用能源设备提供的动力依靠箱型主体底部以及嵌入防护装置端内侧设置的车轮实现驱动，通过设定好的程序进行一系列检测工作。

（2）检测器路面信息的采集（检测范围：桥面铺装、伸缩缝桥面平顺、桥梁附属设施及桥梁上部结构）：检测器对路面信息的采集主要通过安装于箱型主体顶部的全景摄像头和超声波探测仪来完成。全景摄像头用于拍摄整个桥面的整体情况，全景技术的应用扩大了拍摄的覆盖面。超声波探测仪用于检测桥面可能存在的裂隙、凹凸不平等问题，以便更全面、精准地捕捉桥面存在的病害。

（3）检测器桥下信息的采集（检测范围：桥台耳墙、桥梁底板、桥墩支座及桥梁基础）：首先，检测器通过伸长采集桥下信息的液压机械臂来靠近所要检测的桥梁部位。机械臂可以较为灵活地移动以满足检测桥梁下部不同结构的需求，能够实现一定范围内的伸缩与旋转，使智能纵向桥监测器能够扩大监测面，实现全面覆盖。在检测器前进过程中遇到障碍物时，机械臂可通过红外线探测提前感知、预警，在接近障碍物时及时进行反应，收缩机械臂以躲避障碍，防止造成机器损坏。随后是信息的采集，机械臂上安装有全景摄像头，可以与液压机械臂配合使用，在机械臂移动的过程中对桥梁下部结构进行图像信息采集。在全景摄像头的周围设置超声波探测仪，同样用于裂隙等病害的检测。

（4）桥梁检测器信息的存储。检测器的信息存储包括两部分，一部分是全景摄像头搜集存储的图像信息，另一部分是超声波探测仪存储的数据信息。检测器内部最初存储有桥梁结构的图像信息与超声波探测数据的正常范围值，检测器内部系统将其与探测后获得的信息、数据进行逐段对比，经过处理最终显示出有问题的桥段的桩号，并显示出具体的存在问题的数据，以便针对不同问题数据对应的桥梁病害进行恰当的处理。

4.2 结构设计

（1）整体结构采用偏心设计，重心偏向桥内一侧，依附于混凝土路沿等的可靠结构；

（2）机械部分灵感来源于混凝土泵车；可折叠设计便于架设设备，同时减少设备占地空间；

（3）机械部末段可伸缩部分灵盖来源于起重机吊臂部分，可减轻其整体重量，增添更多的装置布设点位。

5 创新特色

5.1 小型化

（1）箱型主体。其功能为驱动整个智能纵向桥检测器，箱型主体内含有信息存储以及处理的装置设备，为检测器的核心。传统的桥梁检查车主要分为两种，一种是车辆式桥梁检查车，另一种为电视监察式桥梁检查车，而这两种检查车都是以在路面运行的完整车辆为主体，提供驱动能力以及安装检查设施的基础，体积较大，运行时占用一定的车道（紧急停车带），显然会在一段时间内对桥梁的交通运输能力造成一定的影响。而该智能纵向桥检测器摆脱了对路面运行完整车体的依赖，设计更为小巧。箱型主体的尺寸为2m×1.5m×1.5m，相对传统的桥梁检测器，体积缩小了约6倍，小巧的结构使其便于依附在桥梁边缘的防护装置上，通过箱型主体底部以及嵌入防护装置端内侧设置的车轮实现驱动。该检测器结构的小型化使其对车道的占用最大程度地减小，尽可能地降低了对交通流的干扰。

（2）机械臂。其功能为通过收放、移动使安装于机械臂端部的摄像头和其他信息采集器（如传感器）能够到达桥梁上、下各个部位，实现全面覆盖。相比于传统的桥梁检查车，该智能检测器的折叠和收缩能力以及对人力操作平台的省略使其整体结构具有小型化特点，但强大的收放功能使其总长度比传统的桥梁检查车更长，完全放出的机械臂最广能检测到三条车道的信息，扩大了检测范围。

5.2 抗干扰

智能纵向桥监测器的智能化极大地提高了其抗干扰能力。传统的桥梁检查车由于需要人的参与，造成桥梁检查的工作受到高温、严寒、大风、雨雪等天气的干扰与制约，导致人为测量出现误差或检查工作的延期。而该智能纵向桥监测器外壳具有抵抗高温与严寒、防风、融雪等功能，保证了检测器能够抵抗不良的自然环境，全天候地进行工作。除此之外，也避免了人为操作造成的误差，能更精确地捕捉路面病害。