1、概述

我國是一個橋梁大國，被譽為世界橋梁之鄉，擁有超過100萬座橋梁，擁有最先進的橋梁建設技術和豐富的高難度橋梁建設經驗。但同時，我國的橋梁也存在危橋數量高居不下、橋梁垮塌時有發生、橋梁安全形勢嚴峻的現狀。交通運輸部公路科學研究院的研究顯示，我國公路橋的危橋占比超過10%，平均使用30年需要大修或重建。因此，如何更加科學、高效地對橋梁進行管養、維護和應急救援也成為了現階段交通工作的重中之重。

橋梁垮塌事故

目前，我國大部分橋梁檢測工作仍然是傳統的人工檢測，主要依靠橋梁檢測車、登高車等設備提供作業平臺，人工接近檢測部位通過肉眼進行檢測。人工檢測的方式主要存在以下問題：

（1）檢測人員因技術原因、個人經驗、責任心等因素易造成誤檢、漏檢和錯檢；

（2）對于高橋墩、橋塔或橋檢車無法達到的橋梁構件等區域，常規檢測手段和方法存在局限性，可操作的難度非常大，存在檢測盲區；

（3）巡檢車租用成本高、效率低且存在安全風險；

（4）數據獲取不全面、影像數據質量差、定位及測量精度低；

（5）數字化、集成化程度低，成果不直觀，對巡檢結果的復查難度大。

人工橋梁巡檢

隨著國家經濟水平的提升和基礎設施建設進程的加速以及技術創新能力的不斷增強，各行業巡查監測的技術手段亦有大幅度提高。其中代表性的，就是在電力、林業、農業等領域內，無人機巡查技術的應用越來越廣泛和深入。

但在橋梁日常巡查（橋梁定檢）領域，無人機應用在整體上尚處于自發的、離散的、內生的狀態，缺乏系統性頂層規劃，未有效融入和支撐管理體系。從無人機應用技術的行業發展水平而言，橋梁巡檢的無人機應用還處于起步階段，與應用較為成熟的行業有不小的差距。因此，建設數字化、智能化、高效化的無人機橋梁巡檢體系具有顯著的必要性和迫切性。

基于這些情況，睿鉑科技結合自身在無人機、可見光攝影測量、激光雷達方面積累的核心技術和大量全流程研發經驗，開發了基于數字孿生技術巡查全流程系統，并推出了特有的無人機日常巡查方案。

無人機橋梁定期檢查

2、巡檢方案

針對傳統人工巡檢的難點和痛點，睿鉑科技的無人機橋梁檢測方案具有以下優勢：

（1）無人機可以輕松抵達橋梁的各個部位，結合數字孿生仿真、全覆蓋式巡檢，解決人工巡檢的遺漏和盲區問題；

（2）高分辨率巡檢影像，結合AI識別、人工復核的方式，對于病害點的識別更加準確和全面；

（3）民用無人機市場成熟，學習成本、使用成本和維護成本都很低，且操作簡便、部署靈活、作業高效，單人單機即可完成巡檢作業；

（4）高精度自定位技術無人機搭載專業級巡檢相機，可以獲取病害的高清影像和空間位置，病害測量精度可達毫米級；

（5）數字孿生技術結合巡檢管理系統，對病害數據進行三維可視化的展示與分析，為科學、高效地管理和運維提供更加準確、更加全面的依據。

方案具體的流程為：第一步，通過建立實景三維模型實現巡檢對象的數字孿生；第二步，依據實景三維模型規劃巡檢航線；第三步，無人機按照巡檢航線采集高分辨影像數據；第四步，對影像數據進行定位定姿處理；第五步，AI病害識別；第六步，通過通途智慧巡檢管理系統對病害點進行三維可視化的瀏覽、管理、統計、分析并形成巡檢報告。

巡檢方案

2.1、數字孿生

在第一次進行橋梁檢測時，通過建立實景三維模型實現橋梁的數字孿生，還原橋梁的真實情況，還原精度可達到厘米級。

橋梁三維實景模型（整體）

橋梁三維實景模型（局部）

三維實景模型主要用途有2個：

（1）三維實景模型可以做為病害數據三維可視化管理的數字底圖，對于所有已識別的病害，通過模型來進行展示和管理，讓運維管理人員可以更加直觀地研判橋梁的真實情況；

（2）三維實景模型可以做為巡檢航線規劃的依據，實現無人機全自主飛行。

針對橋梁的結構和特征，睿鉑科技結合自身的技術和經驗，選擇了旗下M系列產品，并在自主研發的航線規劃軟件Riebo Route Assistant（RRA）中設計了巡檢模塊，專門用于橋梁的三維實景建模，在確保空三通過率和模型質量的基礎上，大量減少航線和航片數量，從而大幅提高建模效率。

經過實際測試，一座500米長的橋梁，數據采集僅需17分鐘，生成三維模型僅需94分鐘。

2.2、航線規劃

無人機巡檢不同于普通的無人機航測作業，根據相關的檢測標準，最嚴格的要求是需要檢測出寬度達到0.1mm的混凝土裂縫，因此巡檢時無人機需要貼近檢測對象進行攝影，為了保證無人機在復雜環境中的飛行安全，且為了確保影像對檢測對象的完整覆蓋，因此需要進行航線規劃，讓無人機按照航線自動完成巡檢作業。

Riebo Route Assistant（RRA）航線規劃軟件中的巡檢模塊，可以根據實景三維模型自動生成仿真航線，平均5分鐘即可完成一座橋的航線規劃，結合上文中的快速建模技術，可以實現對一般場景的首次巡檢在一天內完成建模和巡檢。

自動生成巡檢航線

2.3、數據采集

巡檢影像數據采集工作由無人機搭載相機完成，外場作業僅需一人、一車和一套采集設備即可完成，并且算法優化后的航線設計搭配長焦距、中畫幅的專業級巡檢相機，作業效率非常高。經測試，500米的多跨橋，外場巡檢作業僅需約90分鐘。

外場巡檢作業

2.4、數據處理

數據處理使用睿鉑全系相機配套的Skyscanner軟件，該軟件可以分架次或分批次導出巡檢數據，從而實現海量巡檢數據的有效化管理。同時，該軟件還可以將地理位置信息寫入照片中，實現高精度的坐標矯正，并根據無人機和相機的姿態信息，解算出影像的視場域，為后續病害點的精準定位提供數據支撐。

2.5、AI識別

隨著基于卷積神經網絡深度學習的圖像識別算法的進步，使用高分辨率巡檢影像進行病害點人工智能識別的技術應用也更加容易和成熟。具體的工作流程如下：

第一步：通過對采集圖片數據進行標記并交付給卷積神經網絡模型進行訓練。訓練后的神經網絡模型可快速地對圖片進行裂縫識別檢測，后期通過完善模型和采集更多訓練數據來共同提高模型的識別率。

第二步：針對已經識別出缺陷的圖片，進行增強、去噪、圖像分割、邊緣檢測等一系列處理，得到裂縫分割效果圖和裂縫像素級的測量結果。采用基于深度學習的優化分割算法，裂縫像素級重疊率高，并且能夠在細小裂紋、復雜背景、人為標識等干擾情況下給出正確的分割結果。

同時針對橋梁的其余缺陷，如鋼結構焊縫開裂、銹蝕、螺栓松動、脫空等情況也進行識別。

AI識別系統

 

2.6、巡檢管理

目前，大部分的檢測作業最終形成的成果為檢測報告，無論是從具體的病害，還是橋梁的整體情況，其呈現方式均不直觀。并且，巡檢流程缺乏有效的數字化管理，巡檢成果的可重復利用率低，巡檢過程的監督檢查困難，現有的部分巡檢作業軟件也存在集成化程度低、數據成果不通用的問題。

為此，睿鉑科技開發了通途智慧巡檢管理系統，將巡檢全流程進行數字化一站式管理，集成了人員管理、數據管理、病害識別、病害定位、病害三維可視化管理、歷史病害對比、數據統計分析、巡檢報告定制化輸出等功能。

通途智慧巡檢管理系統

3、巡檢系統

整個系統由采集系統和管理系統2個子系統組成。其中：采集系統由無人機平臺、建模相機、巡檢相機、航線規劃軟件和數據處理軟件構成；管理系統為通途智慧巡檢管理系統。

巡檢系統

3.1、采集系統

采集系統主要通過無人機平臺搭載云臺相機，配合相應軟件，完成對巡檢對象的高精度位置信息、高分辨率影像數據和各構件病害數據的采集。系統包括：

（1）無人機平臺

無人機平臺為大疆M300RTK多旋翼無人機。該款無人機內置了RTK模塊，支持自定義網絡RTK，可以實現高精度準確定位。其飛行穩定的特點，六向環境感知和避障能力非常適合橋梁巡檢的復雜環境。

M300RTK

 

（2）建模相機

建模相機使用睿鉑旗下的M系列產品。M系列相機是睿鉑自研的單鏡頭量測型相機，主要的使用場景為傾斜攝影測量、近景攝影測量、立面建模、正射影像獲取等。系列包含M4Pro、M6/M6pro、M10Pro、M15Pro等多款行業高端產品，畫幅為全畫幅和中畫幅，焦段覆蓋18mm到75mm，均采用了睿鉑的專利技術MLE鏡頭和MLS快門。

MLE鏡頭采用了非球面鏡片，在控制鏡頭體積的情況下，同時采用了超低色散ED鏡片，修正、消除慧差型成像，有效控制色差，把鏡頭畸變控制到千分之三以內，相比傳統攝影測量鏡頭，匹配點數量綜合提升了約10%~20%，并且重投影誤差RMS能夠減少約20%。

MLS快門是睿鉑針對航測相機專門研發的一款機械無畸變快門，不同于傳統攝影測量相機的機械卷簾快門會導致運動畸變、使用壽命短、低溫環境下容易結冰等缺點，MLS快門具有質量輕、體積小、孔徑大、無運動畸變等優勢。

M10Pro相機

（3）巡檢相機

針對巡檢作業的特點，睿鉑還專門優化了圖像算法，采用了更加合理的測光模式，在橋底邊緣光線條件對比強烈的區域也不會出現曝光不足的情況。

長焦距可以在保證空間分辨率的情況下，增加無人機和巡檢對象的相對距離，從而適應各類復雜情況，確保飛行安全。

實拍影像效果

橋梁邊緣測光對比

（1）航線規劃軟件

Riebo Route Assistant（RRA）是睿鉑自研的一款航線規劃軟件，除了支持睿鉑全系列設備的網格、環繞、仿地、立面四大類航線規劃功能外，還支持自主導入DEM高程文件并自動識別高程類型，以及三維模型一鍵導入并自動對齊底圖地物的功能。

RRA的巡檢模塊，支持依據三維實景模型自動生成巡檢航線，航線各項參數均可調節，在保障飛行安全的基礎上，實現對巡檢對象的全覆蓋、無遺漏。通過算法優化的航線設計，還能大量減少冗余數據，為后續處理工作節省時間。

RRA航線規劃軟件

依據模型生成渡槽巡檢航線

（2）數據處理軟件

數據預處理使用Skyscanner軟件，軟件支持自動架次分組的數據管理功能，支持通過標定參數，將位置信息精準矯正至相機cmos中心并寫入照片，并且支持結合相機畸變參數和拍照時的姿態信息，精確計算照片的視場域，為后續病害點的精準定位與測量提供數據支撐。

空三和建模軟件目前的市場已經很成熟，有多款軟件可以根據客戶的需要自由選擇。

Skyscanner

 

4、巡檢行業發展趨勢

隨著大數據、移動互聯網、人工智能、無人機等技術的不斷發展，國家高度重視新技術在交通運輸行業的應用和融合創新，對公路養護和運營管理也提出了更高的要求，在國家戰 略的引領下，部級及省級部門對人工智能、自動駕駛、無人機等技術在交通運輸中的應用提出了發展目標和指導意見，地方政府也相繼發文引導此類課題研究與應用推廣，國家政策導向和地方政府的務實推進，將大力推動無人機技術在公路巡檢監測中的應用，提高公路養護效率、安全保障和服務水平，推進公路養護現代化，并催生巨大的經濟效益。