張 雪 賈 明 單佳欣 王志偉

（長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710021）

1 研究背景

隨著橋梁總體數(shù)量的提升，要求在監(jiān)測(cè)過(guò)程中必須實(shí)現(xiàn)檢測(cè)無(wú)傷化、操作安全化。針對(duì)檢測(cè)無(wú)傷化國(guó)內(nèi)外主要有以下檢測(cè)技術(shù)：

（1）先進(jìn)的疲勞裂紋探測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)，涉及橋梁裂紋的無(wú)線應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)、無(wú)源疲勞荷載測(cè)量設(shè)備、便攜式聲發(fā)射系統(tǒng)、新型超聲波以及電磁聲發(fā)射傳感器等，目前在此基礎(chǔ)上一種具有產(chǎn)生（信號(hào)）并探測(cè)不同受力模式下的疲勞裂紋的寬帶E探測(cè)器；

（2）先進(jìn)的銹蝕探測(cè)技術(shù)，如探測(cè)先張法壓漿空隙；（3）先進(jìn)的橋面板檢測(cè)系統(tǒng)，如雙帶遠(yuǎn)紅外熱成像系統(tǒng)；（4）先進(jìn)的橋梁測(cè)試和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如測(cè)量橋梁超載的鋼傳感器。

隨著機(jī)器人的發(fā)展，更多的研究開(kāi)始關(guān)注機(jī)器人在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)外尚無(wú)可市場(chǎng)化產(chǎn)品。

2 可行性分析

我國(guó)路網(wǎng)建設(shè)進(jìn)一步發(fā)展，山區(qū)高速路建設(shè)比重逐年增加。從環(huán)境保護(hù)的原則出發(fā)，為使公路建設(shè)與周圍的景觀相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處；從公路本身線形本身出發(fā)，要求連續(xù)、均衡及協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)平、縱、橫三個(gè)方面的良好組合，山區(qū)路網(wǎng)建設(shè)多采用高架縱向橋來(lái)跨越山谷、河流等。為適應(yīng)山區(qū)復(fù)雜的地形地質(zhì)，路網(wǎng)建設(shè)對(duì)縱向橋需求大幅增加，從而衍生出一系列對(duì)縱向橋的監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù)問(wèn)題。

3 需求分析

中國(guó)現(xiàn)有公路橋梁80余萬(wàn)座，鐵路橋梁20余萬(wàn)座，有數(shù)據(jù)指出100萬(wàn)座橋梁中，危橋有近10萬(wàn)座，占比10%，橋梁檢測(cè)維護(hù)工作刻不容緩。而傳統(tǒng)的人工檢測(cè)出現(xiàn)了不安全、不高效、不徹底等多重問(wèn)題，如，2017年11月25日，南寧三安大橋三名檢測(cè)人員在例行檢查時(shí)不慎墜入江中身亡。以智能化的機(jī)器人代替人員進(jìn)行山區(qū)縱向橋等危險(xiǎn)橋梁的檢測(cè)刻不容緩。

4 設(shè)計(jì)原理

4.1 功能設(shè)計(jì)

（1）檢測(cè)器能源與行進(jìn)：檢測(cè)器能源設(shè)備主要采取太陽(yáng)能光板，轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能光源帶動(dòng)檢測(cè)器工作，在非工作期間，檢測(cè)器則一直處于睡眠狀態(tài)。為保證特殊情況太陽(yáng)能源不足時(shí)檢測(cè)器仍能保證正常工作，檢測(cè)器內(nèi)部還放置鋰電池。檢測(cè)器利用能源設(shè)備提供的動(dòng)力依靠箱型主體底部以及嵌入防護(hù)裝置端內(nèi)側(cè)設(shè)置的車輪實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)設(shè)定好的程序進(jìn)行一系列檢測(cè)工作。

（2）檢測(cè)器路面信息的采集（檢測(cè)范圍：橋面鋪裝、伸縮縫橋面平順、橋梁附屬設(shè)施及橋梁上部結(jié)構(gòu)）：檢測(cè)器對(duì)路面信息的采集主要通過(guò)安裝于箱型主體頂部的全景攝像頭和超聲波探測(cè)儀來(lái)完成。全景攝像頭用于拍攝整個(gè)橋面的整體情況，全景技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)大了拍攝的覆蓋面。超聲波探測(cè)儀用于檢測(cè)橋面可能存在的裂隙、凹凸不平等問(wèn)題，以便更全面、精準(zhǔn)地捕捉橋面存在的病害。

（3）檢測(cè)器橋下信息的采集（檢測(cè)范圍：橋臺(tái)耳墻、橋梁底板、橋墩支座及橋梁基礎(chǔ)）：首先，檢測(cè)器通過(guò)伸長(zhǎng)采集橋下信息的液壓機(jī)械臂來(lái)靠近所要檢測(cè)的橋梁部位。機(jī)械臂可以較為靈活地移動(dòng)以滿足檢測(cè)橋梁下部不同結(jié)構(gòu)的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)的伸縮與旋轉(zhuǎn)，使智能縱向橋監(jiān)測(cè)器能夠擴(kuò)大監(jiān)測(cè)面，實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。在檢測(cè)器前進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，機(jī)械臂可通過(guò)紅外線探測(cè)提前感知、預(yù)警，在接近障礙物時(shí)及時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，收縮機(jī)械臂以躲避障礙，防止造成機(jī)器損壞。隨后是信息的采集，機(jī)械臂上安裝有全景攝像頭，可以與液壓機(jī)械臂配合使用，在機(jī)械臂移動(dòng)的過(guò)程中對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像信息采集。在全景攝像頭的周圍設(shè)置超聲波探測(cè)儀，同樣用于裂隙等病害的檢測(cè)。

（4）橋梁檢測(cè)器信息的存儲(chǔ)。檢測(cè)器的信息存儲(chǔ)包括兩部分，一部分是全景攝像頭搜集存儲(chǔ)的圖像信息，另一部分是超聲波探測(cè)儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息。檢測(cè)器內(nèi)部最初存儲(chǔ)有橋梁結(jié)構(gòu)的圖像信息與超聲波探測(cè)數(shù)據(jù)的正常范圍值，檢測(cè)器內(nèi)部系統(tǒng)將其與探測(cè)后獲得的信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行逐段對(duì)比，經(jīng)過(guò)處理最終顯示出有問(wèn)題的橋段的樁號(hào)，并顯示出具體的存在問(wèn)題的數(shù)據(jù)，以便針對(duì)不同問(wèn)題數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的橋梁病害進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）整體結(jié)構(gòu)采用偏心設(shè)計(jì)，重心偏向橋內(nèi)一側(cè)，依附于混凝土路沿等的可靠結(jié)構(gòu)；

（2）機(jī)械部分靈感來(lái)源于混凝土泵車；可折疊設(shè)計(jì)便于架設(shè)設(shè)備，同時(shí)減少設(shè)備占地空間；

（3）機(jī)械部末段可伸縮部分靈蓋來(lái)源于起重機(jī)吊臂部分，可減輕其整體重量，增添更多的裝置布設(shè)點(diǎn)位。

5 創(chuàng)新特色

5.1 小型化

（1）箱型主體。其功能為驅(qū)動(dòng)整個(gè)智能縱向橋檢測(cè)器，箱型主體內(nèi)含有信息存儲(chǔ)以及處理的裝置設(shè)備，為檢測(cè)器的核心。傳統(tǒng)的橋梁檢查車主要分為兩種，一種是車輛式橋梁檢查車，另一種為電視監(jiān)察式橋梁檢查車，而這兩種檢查車都是以在路面運(yùn)行的完整車輛為主體，提供驅(qū)動(dòng)能力以及安裝檢查設(shè)施的基礎(chǔ)，體積較大，運(yùn)行時(shí)占用一定的車道（緊急停車帶），顯然會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)橋梁的交通運(yùn)輸能力造成一定的影響。而該智能縱向橋檢測(cè)器擺脫了對(duì)路面運(yùn)行完整車體的依賴，設(shè)計(jì)更為小巧。箱型主體的尺寸為2m×1.5m×1.5m，相對(duì)傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)器，體積縮小了約6倍，小巧的結(jié)構(gòu)使其便于依附在橋梁邊緣的防護(hù)裝置上，通過(guò)箱型主體底部以及嵌入防護(hù)裝置端內(nèi)側(cè)設(shè)置的車輪實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。該檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的小型化使其對(duì)車道的占用最大程度地減小，盡可能地降低了對(duì)交通流的干擾。

（2）機(jī)械臂。其功能為通過(guò)收放、移動(dòng)使安裝于機(jī)械臂端部的攝像頭和其他信息采集器（如傳感器）能夠到達(dá)橋梁上、下各個(gè)部位，實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。相比于傳統(tǒng)的橋梁檢查車，該智能檢測(cè)器的折疊和收縮能力以及對(duì)人力操作平臺(tái)的省略使其整體結(jié)構(gòu)具有小型化特點(diǎn)，但強(qiáng)大的收放功能使其總長(zhǎng)度比傳統(tǒng)的橋梁檢查車更長(zhǎng)，完全放出的機(jī)械臂最廣能檢測(cè)到三條車道的信息，擴(kuò)大了檢測(cè)范圍。

5.2 抗干擾

智能縱向橋監(jiān)測(cè)器的智能化極大地提高了其抗干擾能力。傳統(tǒng)的橋梁檢查車由于需要人的參與，造成橋梁檢查的工作受到高溫、嚴(yán)寒、大風(fēng)、雨雪等天氣的干擾與制約，導(dǎo)致人為測(cè)量出現(xiàn)誤差或檢查工作的延期。而該智能縱向橋監(jiān)測(cè)器外殼具有抵抗高溫與嚴(yán)寒、防風(fēng)、融雪等功能，保證了檢測(cè)器能夠抵抗不良的自然環(huán)境，全天候地進(jìn)行工作。除此之外，也避免了人為操作造成的誤差，能更精確地捕捉路面病害。