索承桥上部结构新型全视角检测装备研究

宋金博

摘要：为了准确检测斜拉桥、悬索桥等索承桥的上部主要承重结构斜拉索、吊杆的硬化开裂现象，在总结国内外检测方法研究现状的基础上，介绍了一种索承桥上部结构新型全视角检测装备，并探讨了其设计思路、工作流程和图像分析方法。分析认为该装备可以快速评判缆索外部损伤缺陷，确保高空检测的准确性及安全性，同时具有质量轻、安装简易、智能化程度高等特点。

关键词：桥梁检测；全视角检测；CCD相机；桥梁管理系统

中图分类号：U446.3文献标志码：B

Research on New Allround Detection Equipment for Upper Structure of Cable Bridge

SONG Jinbo

（Test and Training Center， Jiangxi Vocational and Technical College of Transportation， Nanchang 330013， Jiangxi， China）

Abstract： In order to accurately detect the hardening and cracking phenomenon of the main bearing structures， including the cables and suspended rods of the upper of cablestayed bridge and suspension bridge， a new type of allround detection equipment for upper structure of cable bridge was introduced on the basis of summarizing the research status of detection methods at home and abroad， and its design ideas， work flow and image analysis method were discussed. It is concluded that the equipment can quickly evaluate the external damage of the cable， ensure the accuracy and safety of the high altitude detection， and has the characteristics of light weight， simple installation and high intelligence.

Key words： bridge detection； allround detection； CCD camera； bridge management system

0引言

橋梁建设需要投入巨大的财力、人力与物力，在目前社会对经济效益日益重视的形势下，人们对桥梁的各种性能也提出了更高的要求。因此，一些新型的桥梁被设计出来，如斜拉桥和钢索桥等。这些桥梁造型美观、抗震能力强等特性明显，越来越多地出现在大江大河上；但在运营使用过程中，其缆索结构安全与否，对桥梁的使用寿命与经济效益有显著的影响。统计结果表明，目前中国有很多桥梁开始出现一些安全性问题，因此对其耐久性和安全性进行检测很有必要；不过由于缺乏科学的桥梁检测装备、技术和养护方法，有些桥梁的隐患未被及时发现或处治，致使桥毁人亡的事件时有发生，造成了不同程度的财产与其他方面损失[15]。

很多新型桥梁的主要受力构件为缆索（吊杆），这类构件的技术含量较高，因而造价非常昂贵，在桥梁总造价中的比例超过30%。悬索桥的缆索长期暴露在空气中，且受到外界环境的长期腐蚀，其表面的聚乙烯护套可能会产生一定的硬化和开裂现象，导致内部的钢丝出现锈斑、断丝[611]。目前有许多斜拉桥和悬索桥都出现过与锈蚀相关的事故，因此需要定期对斜拉索进行检测与维护。

1现有检测方法及国内外研究现状

1.1现有检测方法

目前对于拉索（吊杆）外观缺陷的检测主要通过人工方法进行。在进行检测时需要检测人员上到拉索顶端，检测效率较低，精确度不高，而危险性较高。人工检测过程中可能出现如下情况：其一，已经存在安全隐患的拉索并没有被检测出来，从而没有及时维护，可能导致桥梁倒塌；其二，低估了拉索的质量，在没有到使用期限的情况下更换拉索，这样会造成一定的浪费。现有检测方法常常要动用检测车及大型起重吊装设备，需要全封闭或半封闭道路，严重阻碍交通，不适应现代桥梁养护管理的需求[1215]。在相关环境和客观条件的限制下，现有检测方法只能对拉索中有代表性的部分进行检测，因而结果有一定的局限性，很难全面客观地反映桥梁的质量情况。虽然目前有一些桥梁缆索检测机器人被研发出来并用于桥梁检测，但由于自重大、智能化程度不高、使用不方便等原因，并没有在行业内普及。现行的桥梁管养及检测方法难以应用于桥梁的经常性检查，更难以达到桥梁日常检测的规范要求，如图1～4所示。因此，有必要设计一种快速、高效、准确的桥梁检测装备，更好地对桥梁进行检测，并尽可能降低对交通的影响。

1.2国内外检测装备研究现状

已有研究学者提出采用缆索攀爬自动检测装置来检测桥梁缆索质量，这种方法综合利用了自动化和智能化处理技术，可以高效精确地检测斜拉桥缆索质量，并降低检测难度以及人工检测的危险性。

在国内，上海交通大学的吕恬生设计了电动连续式缆索维护机器人（图5）和气动缆索机器人（图6）；以徐丰羽为首的研发团队则设计出一种轮式拉索检测机器人（图7）；王亚斌等人设计了三边轮式拉索检测机器人（图8）；海丹研发团队设计出正六边形拉索检测设备，并在实际检测中表现出较好的效果；余朝阳则在王亚斌的设计结果基础上进行改进，设计了双边轮式拉索检测设备。endprint

国外学者也设计出了各种用途的机器人，如Pradip博士设计出一种用于路灯灯杆表面无损检测的自动化设备；马来西亚理工大学的Zaidi Mohd.Ripin等研制了气动式蠕动爬树机器人；韩国成均馆大学的Ho Moon Kim等研究设计了一种六轮式桥梁拉索检测机器人。以上设备均因成本巨大多处在试验阶段，因此难以适应桥梁检测市场。

一些发达国家从20世纪70年代就开始投入大量的人力、物力进行拉索检测方法的研究。为了更好地对路面质量情况进行监控，这些国家设计出路面损坏图像计算机软件处理系统，并将其应用到实际路面检测中。这类系统可以自动实时对裂缝进行分析，并依据裂缝的方向来对路面的裂缝进行分类，例如将其划分为纵向裂缝、横向裂缝、龟裂等，为分类处理提供了便利，并建立起裂缝图像数据库[1619]。

以上设备均因成本高而未在桥梁检测及管理养护中得到很好的应用。因此，有必要研制一种方便快捷、成本低廉的拉索快速检测装备，利用现代化的信息技术对桥梁缆索（吊杆）进行快速检测及评价，并形成桥梁健康安全档案，以适应国内外新型桥梁养护及管理的需要。

2桥梁上部结构新型全视角检测装备

2.1装备整体设计思路

本装备集机械构造、机电设备、电子通讯、无线传输、自动控制、缆索结构评定及修复等功能于一体，技术含量高，创新性强；实现了全时四驱、爬升返回、自动导航、定向定位，确保了高空检测的准确性及安全性；搭载了高分辨率数字式摄像头、缆索检测系统，可评判缆索外部损伤缺陷，还可同时搭载缆索自动缠包系统、缆索外观缺陷修补系统等，成为缆索结构检测、评估、维修一体化的安全维护平台；具有重量轻、安装简易、智能化程度高等特点，能够更好地维护桥梁安全。该新型全视角检测装可为缆索体系的结构安全性评估提供强有力的技术保障，其设计思路如图9所示。

2.2装备工作流程

桥梁上部结构全视角检测装置在工作过程中，履带轮机构能够带动检测装置本体爬升、下降或悬停，通过卡扣和弹簧杆可调整适应不同粗细的斜拉索，CCD图像采集装备能够将拉索四周的完整图像采集到控制装置中，进行合成、处理和缺陷识别。控制装置内置DSP芯片，可对数据进行处理和存储，并将数据通过通信装置发送到操作人员的移动端，便于实时了解和操作。

本装备包括检测装置本体、检测支撑架、爬行机构、气弹簧、电机、图像采集装置、卡扣盘、底盘和控制装置，工作时检测装置安装在拉索上，如图10、11所示。检测装置本体包括检测支撑架、爬行机构、电机、图像采集装置、控制装置。检测支撑架套在拉索外部，其内壁安装有爬行机构，爬行机构侧面连接电机；检测支撑架底部安装有底盘，底盘上设有若干个气弹簧以及控制装置、光电编码器、通信装置；检测支撑架上部安装有若干个图像采集装置，图像采集装置与控制装置电连接。爬行机构包括3个履带轮机构，履带轮机构沿着拉索中心圆周均匀分布，爬行机构通过连接杆与检测支撑架铰接连接。检测支撑架上面安装有滑动块，可以上下滑动，并带动弹簧杆运动，弹簧杆端部与滑动块铰接，滑动块与气弹簧（3个）顶部连接。采用4个CCD图像采集装置并使其在同一平面上均匀分布。通信装置为无线通信或蓝牙通信装置，通信装置、光电编码器均与控制装置连接。底盘底部设有卡扣盘，卡扣盘上设有卡扣。

2.3图像采集与分析算法

本系统在进行图像信号采集与分析时，主要用到了边缘检测算子Prewitt。利用这种算法分析时，方法和使用Sobel算子一样，也就是对图像中的点数据进行卷积处理，然后确定出最大值作为输出。最后在此基础上生成边缘强度图像。

先找出原图存储区域的地址，依据原图占据空间设置出2个图像存储区域，对原图进行复制处理后保存到这2个区域中；接着通过Templat模板函数来卷积处理二者中的图像；对2个缓存图像中的各像素如此循环处理，选出其中像素灰度值较大者；最后将所得的图像复制到原图数据区，如图12所示。

3结语

中国目前拥有各种类型的公路桥梁90.46万座，根据相关标准需要对这些桥梁进行定期检测，以评估这些桥梁的健康状况和运营能力。如果采用本文所述的新型全视角检测装备来对现有桥梁进行养护管理， 每座桥梁每年可以节约检测费用约10万元，以5年为1个桥梁安全管理周期计算，每周期可以节约桥梁常规检测费用约2 973亿元，并且每年可以提供近2万个左右的就业岗位和100亿人民币左右的税收，经济效益明显。

各类桥梁正在由建设阶段逐渐转向以维修、养护为重点的确保公路与桥梁结构安全运营的阶段。大量的桥梁结构尤其是城市道路桥梁由于使用年限、交通量及荷载等级变化、自然因素、超载因素等的影响，已经出现损伤和病害。特别是20世纪90年代后大量修建的城市桥梁，许多已经出现了开裂损伤和跨中下挠等病害，对桥梁的安全运营构成威胁，急需对桥梁的状态进行实时检测和客观评定。

在目前城市道路养护管理中，主要还是以人工定期检测评定为主，因缺少专业的设备与相关经验往往难以及时发现病害，也不能实现及时有效的维护；而本文所论述的装备不仅能及时发现病害并采取有效的处治措施，还能从整个城市道路交通网的宏观角度来实现有效的监控与管理，具有重大现实意义和社会效益。

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