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[装备] 桥梁维护的现在与未来 ——台湾桥梁维护与无人机应用研究 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-11-8 17:04:41 |显示全部楼层 |          |
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文/ 蔡俊镱


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       台湾桥梁近3万座,分布密度高,使桥梁维护成为管理单位的重要课题。台湾现行的桥梁维护及检测技术主要仍为传统方式,而无人机的应用研究则整合了低价位无人飞行载具UAV及相关软硬件设备,开发出了桥梁检测模块,展望未来的桥梁维护,可运用新科技大幅提升桥梁检测安全及作业质量效率。

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台湾桥梁维护现状

       台湾桥梁约2.9万座,总长超过2070公里,平均每平方公里约0.8座桥,分布密度远超许多先进国家(日本约0.4座,美国约0.1座),加上台湾70%为山地丘陵,大部分桥梁又分布于其余30%的平地上,从而使得实际的桥梁密度更高。桥梁管养单位分别为高公局、公路总局、营建署、台铁局及各县市政府,而高铁桥梁维护则由BOT厂商台湾高铁公司负责。

       台湾桥梁所处环境受人为外力及天然灾害频繁所致,加上桥梁管养单位人力不足,维修补强经费有限,使得桥梁劣化的情形较国外桥梁严重。桥梁维护依据《公路养护规范》《公路钢结构桥梁检测及补强规范》以及《公路钢筋混凝土结构桥梁的检测及补强规范》的规定,桥梁养护首重检测,各桥梁管理机关除应适时针对所辖桥梁实施检测作业外,并应针对损坏部分采取适当维修对策,以便维护行车安全。桥梁维护程序可分为检测、设计及施工3个阶段——

       1.检测

       维护单位公开招标委托顾问机构负责桥梁检测及安全能力评估工作,安全能力评估包括承载力、耐震力、耐久力及耐洪力。根据检测结果拟定维修、补强或改建顺序,若维修费用超过50%改建费用,则以改建处理。

       2.设计

       维护单位公开招标委托顾问机构负责桥梁维修、补强、改建设计,补强包含结构老旧补强及耐震补强。

       3.施工

       维护单位公开招标委托营造公司负责维修、补强、改建施工。

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桥梁检测方法

       桥梁检测作业可分成经常巡查、定期检测及特别检测三类。经常巡查是于平时以乘车目视方式所实施的经常性检查。定期检测是透过步行、攀爬、作业车辆或船只等方式,尽可能接近桥梁构件后,以目视判定桥梁状况的定期性检测。特别检测是重大事故或灾害发生后(四级以上地震,或台风、暴雨、冲刷等),为了解损伤程度而实施的不定期目视检测。

       桥梁检测以目视为主,仪器为辅,一般进行检测作业时,多以徒步及攀爬方式尽可能接近桥梁结构物后,再以目视判定桥梁状况。如遇高桥墩或跨河桥梁时,虽可利用桥梁检测车、高空作业车或小型船艇辅助趋近。对于车流量大或偏远山区桥梁而言,检测车体积较大、操作费时且成本较高,如图1、图2。


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图1 桥梁检测车

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图2 高空作业车

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桥梁一般缺陷

       桥梁一般缺陷有混凝土裂缝、剥落,钢筋外露、蜂窝麻面,长草、白华、钢梁涂装锈蚀及螺栓松动现象。该缺陷对结构造成的影响,与一般采取的补强对策如表1和表2所示。

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表1 桥梁缺陷对结构的影响


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表2 桥梁缺陷补强对策

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D.E.R.&U目视检测评估法

        一般目视检测是利用目视的方式对整座桥梁做全面性的检查,检测过程中对于重要部位、破裂部位、缺陷或异常现象部位需进行拍摄照片,以此作为分析参考。另以数量化方式对各个构件进行评估,以建立桥梁现况的基本管理数据,最后得到综合评估结果。

       桥梁目视检测可分为每月桥梁巡检报表(16项,定性法),及每季综合评估D.E.R.&U评估法(21项,定量法)。D.E.R.&U目视检测评估法依照《公路养护手册》以及《台湾地区桥梁管理系统》。该评估法将桥梁分为21项检测项目,如表3所示。其中第1到第11项为整体检测项目(交通安全),即桥梁全面性的宏观检测,第12至第20项则为逐跨检测项目(结构安全),第21项则为其他(交通安全)。

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表3 D.E.R.&U评估法检测项目


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       D . E . R . &U 评估法对每一个检测项目依劣化程度(Degree)、劣化范围(Extent)以及对桥梁安全性与服务性的重要性(Relevancy),分别给予0~4的评分,再针对该劣化构件需维修的急迫性(Urgency)加以评定,评估准则如表4所示,评估总表如表5所示。


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表4 D.E.R.&U评估法评估准则


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表5 桥梁定期检测评估总表


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       桥梁维护单位完成所有构件检测工作,有助于掌控桥梁结构安全,发现构件劣化程度,并评估对桥梁功能损伤及其原因。除了目视检测外,视需要进行桥梁非破坏性检测试验,如表6。


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表6 桥梁非破坏性检测试验


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综合评估与维修建议

       桥梁维护单位对于桥梁重要性与维修缓急顺序,有一套优选评估方法协助进行排序。把《桥梁目视检测评估手册》中的桥梁状况指标(Condition Index,CI)作为维修补强顺序的依据,该指针是以0~100的整数代表桥梁目前的状况,分数越高代表桥梁的状况越好。CI 值是将各检测项目(桥梁构件)的分数,乘以该构件相对于桥梁的重要性(权重)再相加而得,再将CI值由小至大加以排序,越小越需要尽早维护。桥梁最后检测成果含评估与维修建议,需上传到台湾地区桥梁管理系统,如图3。


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图3 台湾地区桥梁管理信息系统


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无人机应用研究

        无人机应用研究整合无人飞行载具(Unmanned AerialVehicle,简称UAV)及相关软硬设备,开发桥梁检测模块,有助于提升桥梁检测作业质量及效率。主要研究人员需具备土木、桥梁检测、自动控制及信息整合等相关专业经历背景。“UAV自动飞行检测模块”除有自动飞行功能外,并且具备1米障碍物侦避及20米负高程(比UAV水平高度低)飞行功能。检测人员可直接于Google Map上设定飞行路线后,让UAV依设定路线飞行检测桥梁,亦可让UAV依过去设定的历史路线自动飞行检测,有效提升了桥梁检测作业的质量及效率。无人机总重约2.4公斤,续航能力约30分钟,其风速限制为5级风(8~10.7m/sec)。无人机检测优点为安全性高、成本低、效率高、使用灵活,其缺点为GPS死角较难控制,天候影响大、续航力短。

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图4 UAV(参考运输研究所新闻稿)


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图5 UAV拍摄画面(参考运输研究所新闻稿)

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UAV结合VR

       研究计划透过UAV结合虚拟现实VR功能,提升桥梁目视检测效益与后端应用价值,以“智能检测+身历其境”的理念,持续提升桥梁检测作业的质量及效率。为求3D影像质量更加细致化且应用更加广泛,利用搭载多镜头或环景镜头方式,将3D影像结合VR功能,探究全桥3D模型的完整及仿真检测可行性。一来有助于后端人员详细确认桥梁构件劣化的位置及状态,二来亦可作为桥梁检测人员于入门训练的模拟操作。研究工作内容如下:

       1.搜集资料:搜集国内、外有助于提升桥梁检测作业效率及质量的仪器设备、技术应用、发展情形及相关法规限制。

       2.3D影像生成可行性探究:借由多镜头、环景镜头或其他优质摄影设备挂载于无人飞行载具等方式,探究全桥飞行3D影像生成效果,并比较各种方式的优劣与解决对策。

       3.虚拟现实(VR)结合可行性:产出的全桥3D模型数据导入VR相关产品,体验并提出各种产品的成效及优劣。

       4.模块功能扩充:开发障碍物侦测及回避功能,如障碍树木、侧风、GPS讯号不稳,并提高定位精准度、讯号稳定性及动力耐久性。

       5.实地测试及回馈修正:进行全桥完整检测,以复合性路径飞行及建置3D影像。

       6.综合评估及推广应用:评估研究成果的实施成效及环境限制,并提出3D影像生成结合VR检测构想与目前桥梁目视检测方式的差异、效益及适宜性。以全生命周期观点,分析采购、租用或引进相关软硬件设备所需成本。

       7.其他:编撰操作手册,制作微电影简介无人机桥梁检测作业,研究成果投稿至国内外期刊或学术研讨会。

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图6 3D 模型(参考运输研究所新闻稿)

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未来桥梁维护展望

       现在桥梁检测靠目视检测、望远镜及桥检车,对于特殊桥梁(高桥墩、拱桥、斜拉桥、吊桥)或特殊地形(高山、峡谷、大河、大海)检测有实际作业上的困难,且安全性低。无人机UAV桥梁检测可完成此项困难作业,并取代过去劳力密集且高风险桥梁检测。展望未来,桥梁维护应结合下列新科技——

       1. 智能机器人:发展机器人取代高风险桥梁检测作业模式,如无人机(上天)、水下机器人(下水)、爬索机器人(缆索)及管道机器人(管道),并具备智能化功能,可以主动分析桥梁缺陷,及时提出维修补强对策。

       2. 建筑信息模型化BIM:以3D可视化BIM协助全生命周期规划、设计、施工、营运维护各项工程作业与管理。

       3. 虚拟现实VR:结合穿戴式装置,虚拟现实VR,如同身历其境评估桥梁缺陷,并可作为桥梁检测人员入门训练的模拟操作。

       4. 二维码:每座桥梁有专属二维码,在现场扫描二维码,立即链接云端数据库,取得桥梁基本数据,及过去检测记录,便于快速进行检测及分析。

       5. 互联网:利用互联网无线传输数据,链接现场感应装置及云端数据库,配合大数据分析,进行远程智能监控。


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图7 BIM营运维护

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       桥梁是道路系统中重要的一环,若遭受损害出现问题,对于交通运输及道路使用者,将造成莫大的影响。适时检测桥梁结构劣化,可使桥梁维护更具效率,并降低维修成本,及时维修,消除危害桥梁状况,提高公共安全保障。桥梁良好的维护首先要进行完整检测,建立桥梁基本数据及缺陷记录,再根据桥梁受损的现状作安全性的评估,并拟定进一步的处理方案(维修、补强或改建)。现在桥梁检测靠目视检测、望远镜及桥检车,劳力密集且高风险,无人机UAV让桥梁检测一指搞定。未来桥梁维护应结合智能机器人、建筑信息模型化BIM、虚拟现实VR、二维码、互联网,大幅提升桥梁维护安全、效率及质量。

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图8 虚拟现实VR

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编辑:裴小吟

美编:欣钰

审校:廖玲

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