1、概述

水庫(kù)大壩是流域防洪工程體系重要組成部分，是國(guó)家水網(wǎng)重要組成，也是保障國(guó)家水安全的“重器”。我國(guó)目前共有各類水壩約9.8萬(wàn)座，其中，用于發(fā)電的大壩有665座，多為高壩大庫(kù)，包括一批壩高位居世界前列的200米以上特高壩。高壩大庫(kù)有著發(fā)電、防洪、航運(yùn)、供水等諸多功能，是最為重要的保障安全、促進(jìn)發(fā)展的綜合性基礎(chǔ)設(shè)施。

水庫(kù)大壩，特別是高壩水庫(kù)一旦失事潰決，庫(kù)水失控下泄將導(dǎo)致下游梯級(jí)壩群的連鎖反應(yīng)，次生災(zāi)害不容忽視。我國(guó)已建和在建水電站主要分布在西南地區(qū)，那里也是地震、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的堰塞湖多發(fā)、易發(fā)地區(qū)。同時(shí)，一些水壩運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，受歷史條件限制，水壩病害老化問(wèn)題逐漸顯露。

板橋水庫(kù)洪災(zāi)

目前，我國(guó)大部分水壩的巡檢工作仍然是傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，主要依靠吊繩、搭設(shè)腳手架等方式提供作業(yè)平臺(tái)，人工接近檢測(cè)部位通過(guò)肉眼進(jìn)行檢測(cè)。人工檢測(cè)的方式主要存在以下問(wèn)題：

（1）檢測(cè)人員因技術(shù)原因、個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心等因素易造成誤檢、漏檢和錯(cuò)檢；

（2）對(duì)于高壩水庫(kù)，常規(guī)檢測(cè)手段和方法存在局限性，可操作的難度非常大，存在檢測(cè)盲區(qū)；

（3）巡檢成本高、效率低且存在安全風(fēng)險(xiǎn)；

（4）數(shù)據(jù)獲取不全面、影像數(shù)據(jù)質(zhì)量差、定位及測(cè)量精度低；

（5）數(shù)字化、集成化程度低，成果不直觀，對(duì)巡檢結(jié)果的復(fù)查難度大。

人工巡檢

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的提升和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的加速以及技術(shù)創(chuàng)新能力的不斷增強(qiáng)，各行業(yè)巡查監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段亦有大幅度提高。其中代表性的，就是在電力、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)，無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛和深入。

但在水壩巡檢領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)應(yīng)用在整體上尚處于自發(fā)的、離散的、內(nèi)生的狀態(tài)，缺乏系統(tǒng)性頂層規(guī)劃，未有效融入和支撐管理體系。從無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的行業(yè)發(fā)展水平而言，水壩巡檢的無(wú)人機(jī)應(yīng)用還處于起步階段，與應(yīng)用較為成熟的行業(yè)有不小的差距。因此，建設(shè)數(shù)字化、智能化、高效化的無(wú)人機(jī)水壩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(jié)合自身在無(wú)人機(jī)、可見光攝影測(cè)量、激光雷達(dá)方面積累的核心技術(shù)和大量全流程研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了基于數(shù)字孿生技術(shù)巡檢全流程系統(tǒng)，并推出了特有的無(wú)人機(jī)巡檢方案。

無(wú)人機(jī)水壩巡檢

2、巡檢方案

針對(duì)傳統(tǒng)人工巡檢的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，睿鉑科技的無(wú)人機(jī)巡檢方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）無(wú)人機(jī)可以輕松抵達(dá)水壩的各個(gè)部位，結(jié)合數(shù)字孿生仿真、全覆蓋式巡檢，解決人工巡檢的遺漏和盲區(qū)問(wèn)題；

（2）高分辨率巡檢影像，結(jié)合AI識(shí)別、人工復(fù)核的方式，對(duì)于病害點(diǎn)的識(shí)別更加準(zhǔn)確和全面；

（3）民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)成熟，學(xué)習(xí)成本、使用成本和維護(hù)成本都很低，且操作簡(jiǎn)便、部署靈活、作業(yè)高效，單人單機(jī)即可完成巡檢作業(yè)；

（4）高精度自定位技術(shù)無(wú)人機(jī)搭載專業(yè)級(jí)巡檢相機(jī)，可以獲取病害的高清影像和空間位置，病害測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí)；

（5）數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合巡檢管理系統(tǒng)，對(duì)病害數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化的展示與分析，為科學(xué)、高效地管理和運(yùn)維提供更加準(zhǔn)確、更加全面的依據(jù)。

方案具體的流程為：第一步，通過(guò)建立實(shí)景三維模型實(shí)現(xiàn)巡檢對(duì)象的數(shù)字孿生；第二步，依據(jù)實(shí)景三維模型規(guī)劃巡檢航線；第三步，無(wú)人機(jī)按照巡檢航線采集高分辨影像數(shù)據(jù)；第四步，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行定位定姿處理；第五步，AI和人工交互的方式進(jìn)行病害識(shí)別；第六步，通過(guò)通途智慧巡檢管理系統(tǒng)對(duì)病害點(diǎn)進(jìn)行三維可視化的瀏覽、管理、統(tǒng)計(jì)、分析并形成巡檢報(bào)告。

巡檢方案

2.1、數(shù)字孿生

在第一次進(jìn)行水壩檢測(cè)時(shí)，通過(guò)建立實(shí)景三維模型實(shí)現(xiàn)水壩的數(shù)字孿生，還原水壩的真實(shí)情況，還原精度可達(dá)到厘米級(jí)。

水壩三維實(shí)景模型（整體）

水壩三維實(shí)景模型（局部）

三維實(shí)景模型主要用途有2個(gè)：

（1）三維實(shí)景模型可以做為病害數(shù)據(jù)三維可視化管理的數(shù)字底圖，對(duì)于所有已識(shí)別的病害，通過(guò)模型來(lái)進(jìn)行展示和管理，讓運(yùn)維管理人員可以更加直觀地研判水壩的真實(shí)情況；

（2）三維實(shí)景模型可以做為巡檢航線規(guī)劃的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主飛行，大量減少人工干預(yù)。

針對(duì)水壩的結(jié)構(gòu)和特征，睿鉑科技結(jié)合自身的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，選擇了旗下M系列產(chǎn)品，并在自主研發(fā)的航線規(guī)劃軟件Riebo Route Assistant（RRA）中設(shè)計(jì)了巡檢模塊，專門用于水壩的三維實(shí)景建模，在確保空三通過(guò)率和模型質(zhì)量的基礎(chǔ)上，大量減少航線和航片數(shù)量，從而大幅提高建模效率。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，一般的場(chǎng)景，數(shù)據(jù)采集僅需17分鐘，生成三維模型僅需94分鐘。

2.2、航線規(guī)劃

無(wú)人機(jī)巡檢不同于普通的無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)，根據(jù)相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，最嚴(yán)格的要求是需要檢測(cè)出寬度達(dá)到0.1mm的混凝土裂縫，因此巡檢時(shí)無(wú)人機(jī)需要貼近檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行攝影，為了保證無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中的飛行安全，且為了確保影像對(duì)檢測(cè)對(duì)象的完整覆蓋，因此需要進(jìn)行航線規(guī)劃，讓無(wú)人機(jī)按照航線自動(dòng)完成巡檢作業(yè)。

Riebo Route Assistant（RRA）航線規(guī)劃軟件中的巡檢模塊，可以根據(jù)實(shí)景三維模型自動(dòng)生成仿真航線，平均5分鐘即可完成航線規(guī)劃，結(jié)合上文中的快速建模技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一般場(chǎng)景的首次巡檢在一天內(nèi)完成建模和巡檢。

巡檢航線

2.3、數(shù)據(jù)采集

巡檢影像數(shù)據(jù)采集工作由無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)完成，外場(chǎng)作業(yè)僅需一人、一車和一套采集設(shè)備即可完成，并且算法優(yōu)化后的航線設(shè)計(jì)搭配長(zhǎng)焦距、全畫幅的專業(yè)級(jí)巡檢相機(jī)，作業(yè)效率非常高。經(jīng)測(cè)試，長(zhǎng)190米，高170米的水壩，外場(chǎng)巡檢作業(yè)僅需約4個(gè)小時(shí)。

目前，方案中采用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)為大疆M300RTK，這款無(wú)人機(jī)是市場(chǎng)上最為穩(wěn)定的一款多旋翼無(wú)人機(jī)。相機(jī)為睿鉑自研的RIE-SF10巡檢相機(jī)，最高空間分辨率可達(dá)0.1mm，可以完成最高標(biāo)準(zhǔn)的巡檢任務(wù)。

外場(chǎng)巡檢作業(yè)

2.4、數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理使用睿鉑全系相機(jī)配套的Sky Scanner軟件，該軟件可以分架次或分批次導(dǎo)出巡檢數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)海量巡檢數(shù)據(jù)的有效化管理。同時(shí)，該軟件還可以將地理位置信息寫入照片中，實(shí)現(xiàn)高精度的坐標(biāo)矯正，并根據(jù)無(wú)人機(jī)和相機(jī)的姿態(tài)信息，解算出影像的視場(chǎng)域，為后續(xù)病害點(diǎn)的精準(zhǔn)定位提供數(shù)據(jù)支撐。

2.5、AI識(shí)別

隨著基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別算法的進(jìn)步，使用高分辨率巡檢影像進(jìn)行病害點(diǎn)人工智能識(shí)別的技術(shù)應(yīng)用也更加容易和成熟。具體的工作流程如下：

第一步：通過(guò)對(duì)采集圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記并交付給卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可快速地對(duì)圖片進(jìn)行裂縫識(shí)別檢測(cè)，后期通過(guò)完善模型和采集更多訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)共同提高模型的識(shí)別率。

第二步：針對(duì)已經(jīng)識(shí)別出缺陷的圖片，進(jìn)行增強(qiáng)、去噪、圖像分割、邊緣檢測(cè)等一系列處理，得到裂縫分割效果圖和裂縫像素級(jí)的測(cè)量結(jié)果。采用基于深度學(xué)習(xí)的優(yōu)化分割算法，裂縫像素級(jí)重疊率高，并且能夠在細(xì)小裂紋、復(fù)雜背景、人為標(biāo)識(shí)等干擾情況下給出正確的分割結(jié)果。同時(shí)針對(duì)水壩的其余缺陷，如滲水、銹蝕、水漬結(jié)晶等情況也進(jìn)行識(shí)別。

AI識(shí)別訓(xùn)練

2.6、巡檢管理

目前，大部分的檢測(cè)作業(yè)最終形成的成果為檢測(cè)報(bào)告，無(wú)論是從具體的病害，還是橋梁的整體情況，其呈現(xiàn)方式均不直觀。并且，巡檢流程缺乏有效的數(shù)字化管理，巡檢成果的可重復(fù)利用率低，巡檢過(guò)程的監(jiān)督檢查困難，現(xiàn)有的部分巡檢作業(yè)軟件也存在集成化程度低、數(shù)據(jù)成果不通用的問(wèn)題。

為此，睿鉑科技開發(fā)了通途智慧巡檢管理系統(tǒng)，將巡檢全流程進(jìn)行數(shù)字化一站式管理，集成了人員管理、數(shù)據(jù)管理、病害識(shí)別、病害定位、病害三維可視化管理、歷史病害對(duì)比、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、巡檢報(bào)告定制化輸出等功能。

通途智慧巡檢管理系統(tǒng)

3、巡檢系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)由采集系統(tǒng)和管理系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)組成。其中：采集系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、建模相機(jī)、巡檢相機(jī)、航線規(guī)劃軟件和數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成；管理系統(tǒng)為通途智慧巡檢管理系統(tǒng)。

巡檢系統(tǒng)

3.1、采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)主要通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載云臺(tái)相機(jī)，配合相應(yīng)軟件，完成對(duì)巡檢對(duì)象的高精度位置信息、高分辨率影像數(shù)據(jù)和各構(gòu)件病害數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)包括：

（1）無(wú)人機(jī)平臺(tái)

無(wú)人機(jī)平臺(tái)為大疆M300RTK多旋翼無(wú)人機(jī)。該款無(wú)人機(jī)內(nèi)置了RTK模塊，支持自定義網(wǎng)絡(luò)RTK，可以實(shí)現(xiàn)高精度準(zhǔn)確定位。其飛行穩(wěn)定的特點(diǎn)，六向環(huán)境感知和避障能力非常適合橋梁巡檢的復(fù)雜環(huán)境。

M300RTK

 

（2）建模相機(jī)

建模相機(jī)使用睿鉑旗下的M系列產(chǎn)品。M系列相機(jī)是睿鉑自研的單鏡頭量測(cè)型相機(jī)，主要的使用場(chǎng)景為傾斜攝影測(cè)量、近景攝影測(cè)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(yè)高端產(chǎn)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(shù)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(shí)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(nèi)，相比傳統(tǒng)攝影測(cè)量鏡頭，匹配點(diǎn)數(shù)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(duì)航測(cè)相機(jī)專門研發(fā)的一款機(jī)械無(wú)畸變快門，不同于傳統(tǒng)攝影測(cè)量相機(jī)的機(jī)械卷簾快門會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)畸變、使用壽命短、低溫環(huán)境下容易結(jié)冰等缺點(diǎn)，MLS快門具有質(zhì)量輕、體積小、孔徑大、無(wú)運(yùn)動(dòng)畸變等優(yōu)勢(shì)。

??M10Pro相機(jī)

（3）巡檢相機(jī)

相機(jī)各項(xiàng)參數(shù)均可調(diào)節(jié)，能夠適應(yīng)各類環(huán)境光線條件下的作業(yè)需求，在橋底較黑暗的情況下，也能夠拍攝高質(zhì)量的巡檢影像。

針對(duì)巡檢作業(yè)的特點(diǎn)，睿鉑還專門優(yōu)化了圖像算法，采用了更加合理的測(cè)光模式，在橋底邊緣光線條件對(duì)比強(qiáng)烈的區(qū)域也不會(huì)出現(xiàn)曝光不足的情況。

長(zhǎng)焦距可以在保證空間分辨率的情況下，增加無(wú)人機(jī)和巡檢對(duì)象的相對(duì)距離，從而適應(yīng)各類復(fù)雜情況，確保飛行安全。

 

（4）航線規(guī)劃軟件

Riebo Route Assistant（RRA）是睿鉑自研的一款航線規(guī)劃軟件，除了支持睿鉑全系列設(shè)備的網(wǎng)格、環(huán)繞、仿地、立面四大類航線規(guī)劃功能外，還支持自主導(dǎo)入DEM高程文件并自動(dòng)識(shí)別高程類型，以及三維模型一鍵導(dǎo)入并自動(dòng)對(duì)齊底圖地物的功能。

RRA的巡檢模塊，支持依據(jù)三維實(shí)景模型自動(dòng)生成巡檢航線，航線各項(xiàng)參數(shù)均可調(diào)節(jié)，在保障飛行安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢對(duì)象的全覆蓋、無(wú)遺漏。通過(guò)算法優(yōu)化的航線設(shè)計(jì)，還能大量減少冗余數(shù)據(jù)，為后續(xù)處理工作節(jié)省時(shí)間。

?RRA航線規(guī)劃軟件

 

（5）數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)預(yù)處理使用Skyscanner軟件，軟件支持自動(dòng)架次分組的數(shù)據(jù)管理功能，支持通過(guò)標(biāo)定參數(shù)，將位置信息精準(zhǔn)矯正至相機(jī)cmos中心并寫入照片，并且支持結(jié)合相機(jī)畸變參數(shù)和拍照時(shí)的姿態(tài)信息，精確計(jì)算照片的視場(chǎng)域，為后續(xù)病害點(diǎn)的精準(zhǔn)定位與測(cè)量提供數(shù)據(jù)支撐。

空三和建模軟件目前的市場(chǎng)已經(jīng)很成熟，有多款軟件可以根據(jù)客戶的需要自由選擇。

SkyScanner

 

4、巡檢行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

在我國(guó)，大壩安全一直受到各級(jí)政府的高度重視，國(guó)家每年投入專項(xiàng)資金對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行加固，及時(shí)解除大壩安全隱患。改革開放以來(lái)，我國(guó)水電大壩無(wú)一例失事。今年2月，國(guó)家能源局在全國(guó)范圍內(nèi)開展為期兩年的水電站大壩安全提升專項(xiàng)行動(dòng)，旨在進(jìn)一步加強(qiáng)水電站大壩安全監(jiān)督管理，深入排查整治大壩安全問(wèn)題，有效提升大壩安全總體水平。

雖然我國(guó)保持了較好的水庫(kù)大壩安全記錄，但我們必須清醒認(rèn)識(shí)到，大壩安全面臨新挑戰(zhàn)。一方面，近年來(lái)全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)，局地暴雨、超標(biāo)準(zhǔn)洪水對(duì)大壩安全造成威脅。另一方面，隨著水電基地建設(shè)開發(fā)深入推進(jìn)，流域梯級(jí)水庫(kù)逐漸形成規(guī)模，增大了保障大壩安全的壓力。

隨著大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、無(wú)人機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)家高度重視新技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用和融合創(chuàng)新，對(duì)水利設(shè)施養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理也提出了更高的要求，在國(guó)家戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，部級(jí)及省級(jí)部門對(duì)人工智能、自動(dòng)檢測(cè)、無(wú)人機(jī)等技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用提出了發(fā)展目標(biāo)和指導(dǎo)意見，地方政府也相繼發(fā)文引導(dǎo)此類課題研究與應(yīng)用推廣，國(guó)家政策導(dǎo)向和地方政府的務(wù)實(shí)推進(jìn)，將大力推動(dòng)無(wú)人機(jī)技術(shù)在水壩巡檢監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，提高水壩巡檢效率和安全保障，推進(jìn)水利設(shè)施養(yǎng)護(hù)現(xiàn)代化，并催生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。