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對(duì)于美國(guó)幾乎每一位橋梁工程師和檢查員來(lái)說(shuō)，修復(fù)結(jié)構(gòu)缺陷的橋梁都是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦公路管理局的數(shù)據(jù)，在全國(guó) 620,588 座橋梁中，去年有42,951 座（近 7%）被認(rèn)為存在結(jié)構(gòu)缺陷。
基礎(chǔ)設(shè)施老化是當(dāng)前問(wèn)題的重要原因。2022 年，美國(guó)最常通行的 20 座橋梁中有一半被歸類為結(jié)構(gòu)缺陷，年齡至少為 60 年。其中最古老的橋梁可追溯到 1932 年。根據(jù) ARBTA 最近的一份報(bào)告，美國(guó)每 3 座橋梁中就有 1 座需要維修。
2021 年，美國(guó)交通部估計(jì)修復(fù)或更換這些結(jié)構(gòu)缺陷橋梁的總成本超過(guò) 540 億美元。許多交通部門面臨著大量老化橋梁帶來(lái)的生產(chǎn)力和資源成本的巨大損失。
這些積壓的延期維護(hù)工作無(wú)法一次性完成，因此交通部門需要確定優(yōu)先順序，同時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)其管轄范圍內(nèi)所有橋梁的狀況。
雖然橋梁檢查需要徹底、盡快完成，但目前的流程緩慢且成本高昂。典型的檢查可能需要檢查工程師、鏟斗卡車和操作員以及帶繩索的攀爬者。如果必須關(guān)閉車道，還需要交通管制人員和警察在場(chǎng)。而這些只是交通部門可以預(yù)見(jiàn)的成本。還可能存在其他不可預(yù)見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)和麻煩，例如安全和其他安全考慮。
聯(lián)邦公路管理局要求各州每?jī)赡臧凑章?lián)邦公路管理局的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁進(jìn)行一次檢查，估計(jì)每座橋梁的費(fèi)用在 4,500 美元到 10,000 美元之間，但有些橋梁的費(fèi)用可能要高得多。而且可能需要更頻繁地進(jìn)行檢查，以跟蹤已知缺陷的橋梁的狀況。
為了應(yīng)對(duì)這種情況，許多交通部組織的工程師已開(kāi)始使用無(wú)人機(jī)系統(tǒng) (UAS) 進(jìn)行橋梁檢查。這些遙控?zé)o人機(jī)可以更快、更安全地對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查，從而節(jié)省時(shí)間并降低成本。UAS 可以到達(dá)橋梁中難以使用鏟斗卡車或繩索攀爬器手動(dòng)到達(dá)的區(qū)域，并且在使用時(shí)不會(huì)阻塞車道。
這就是 UAS 在橋梁檢查中的應(yīng)用日益廣泛的原因。市場(chǎng)研究公司 Fact MR 預(yù)測(cè)，未來(lái)十年，UAS 在橋梁檢查中的市場(chǎng)價(jià)值將以 21.4% 的復(fù)合平均增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
Skydio 首席解決方案工程師 Alicia Llorens 表示：“在交通部和分包商面臨的時(shí)間和勞動(dòng)力限制下，徹底檢查橋梁是一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)。越來(lái)越多的組織為其工程師配備無(wú)人機(jī)，以加快檢查速度并提高檢查質(zhì)量?！?/span>
Skydio 公司的 Llorens 表示：“目前，28 個(gè)州交通部正在使用 UAS 技術(shù)進(jìn)行橋梁檢查，而且這個(gè)數(shù)字每天都在增長(zhǎng)?！钡湫偷?UAS 系統(tǒng)包括配備攝像頭、導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈路的無(wú)人機(jī)，以及地面控制站和無(wú)人機(jī)操作員。無(wú)人機(jī)尺寸各不相同：較小的無(wú)人機(jī)可以進(jìn)入較狹窄的空間，但運(yùn)行時(shí)間可能較短，而較大的無(wú)人機(jī)可以飛行更長(zhǎng)時(shí)間并攜帶更大的有效載荷。
借助更先進(jìn)的系統(tǒng)，UAS 收集的圖像和視頻數(shù)據(jù)可以上傳到攝影測(cè)量系統(tǒng)中，以生成結(jié)構(gòu)的數(shù)字 3D 模型，稱為“數(shù)字孿生”（攝影測(cè)量是處理圖像以創(chuàng)建 2D 或 3D 基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字地圖的過(guò)程）。隨著時(shí)間的推移，工程師可以將最近檢查的數(shù)據(jù)添加到模型中，以跟蹤結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化。典型的飛行時(shí)間為 20 到 35 分鐘。
“工程師無(wú)需擁有需要檢查的橋梁異常的硬拷貝，而是可以在云端托管數(shù)字孿生，所有利益相關(guān)者都可以看到并分析這些信息，”Llorens 說(shuō)道。她補(bǔ)充道，先進(jìn)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以創(chuàng)建一個(gè)“3D 網(wǎng)格”，形成 CAD 3D 數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)層?！叭缓罂梢詫⒃?CAD 模型傳遞給土木工程師或建筑師。”
即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員來(lái)說(shuō)，避免與橋梁結(jié)構(gòu)和其他障礙物相撞也很困難——直到最近?！拔覀儚?2013 年開(kāi)始使用無(wú)人機(jī)，”橋梁工程師兼工程和檢查公司 Stantec 的高級(jí)合伙人 Michael Marshall 在關(guān)于無(wú)人機(jī)在橋梁檢查中的應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上說(shuō)道。當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上早期的無(wú)人機(jī)是手動(dòng)控制的設(shè)備，例如英特爾 Falcon 8，該公司與有執(zhí)照的飛行員分包來(lái)操作其無(wú)人機(jī)。擁有專職飛行員使工程師可以專注于橋梁檢查，而不必?fù)?dān)心避障。此外，當(dāng)無(wú)人機(jī)飛到某些結(jié)構(gòu)的底部時(shí)，它們可能會(huì)丟失 GPS 信號(hào)。如果沒(méi)有導(dǎo)航引導(dǎo)，無(wú)人機(jī)可能會(huì)墜毀。
雖然手動(dòng)操作的無(wú)人駕駛無(wú)人機(jī)有助于檢查橋梁支柱，但它們無(wú)法進(jìn)入建筑物的臂長(zhǎng)范圍內(nèi)或飛入狹小空間，因?yàn)榇嬖谧驳浇ㄖ锏娘L(fēng)險(xiǎn)。“GPS 丟失讓我們非常不安，”馬歇爾說(shuō)。“我們更關(guān)注無(wú)人機(jī)是不是撞到橋梁，而不是收集橋梁檢查數(shù)據(jù)?！?/span>
從那時(shí)起，情況發(fā)生了很大變化。例如，Stantec 使用的 Skydio UAS 具有避障和視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)，可減少培訓(xùn)時(shí)間，并使駕駛變得足夠簡(jiǎn)單，工程師可以自己操作無(wú)人機(jī)。Skydio的 X2可以實(shí)現(xiàn)更近距離的視覺(jué)檢查，分辨率更高——它可以設(shè)置為距離結(jié)構(gòu)六英寸——比傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)的飛行員可能感覺(jué)舒適的距離要近得多。這個(gè)距離很重要，因?yàn)榻嚯x，工程師可以看到更多細(xì)節(jié)。代價(jià)是需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能覆蓋整座橋梁，因?yàn)槟阍谌魏螘r(shí)候都看不到太多東西。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Skydio UAS 無(wú)人機(jī)配備了六個(gè)導(dǎo)航攝像頭，由內(nèi)置 AI 功能的 Nvidia 超級(jí)處理器控制。該系統(tǒng)以 360 度視角連續(xù)捕獲數(shù)據(jù)，以了解周圍環(huán)境。這些功能使系統(tǒng)即使在橋下的狹小空間中也能正常工作，而導(dǎo)航系統(tǒng)的 GPS 信號(hào)可能會(huì)丟失?！盁o(wú)人機(jī)可以進(jìn)入繩索通道和預(yù)算卡車隊(duì)難以進(jìn)入的區(qū)域，”馬歇爾說(shuō)?！斑@些 UAS 只需一半的時(shí)間，所需的資源不到一半，”他說(shuō)。
之前，一項(xiàng)大型橋梁檢查項(xiàng)目需要八名登山者花費(fèi)兩周時(shí)間，其中四人使用“偵察卡車”，他補(bǔ)充道?！笆褂脽o(wú)人機(jī)將時(shí)間縮短至一周”，將成本從 211,000 美元降至 105,000 美元。如今，使用最 新的 Skydio 技術(shù)，一個(gè)由三人組成的無(wú)人機(jī)團(tuán)隊(duì)可以在大約兩天半的時(shí)間內(nèi)完成同一個(gè)項(xiàng)目，”他說(shuō)?！澳悴槐?fù)?dān)心撞到橋上，而且你可以近距離捕捉更多數(shù)據(jù)。”
Llorens 表示，讓檢查工程師快速掌握 UAS 也更容易?！皞鹘y(tǒng)無(wú)人機(jī)需要大量培訓(xùn)才能操作，一旦操作員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，他們就需要接受更多培訓(xùn)，才能捕獲具有特定要求（例如數(shù)據(jù)質(zhì)量）的數(shù)據(jù)。這需要時(shí)間，而且如果必須為所有橋梁檢查員都這樣做，那么這是不可擴(kuò)展的?！癝kydio 自動(dòng)化了數(shù)據(jù)捕獲的工作流程，因此任何人都可以通過(guò)最 低限度的培訓(xùn)使用 Skydio 無(wú)人機(jī)，”Llorens 說(shuō)道。
Stantec 的橋梁工程師們迫不及待地回到辦公室查看數(shù)據(jù)。“我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)查看 3D 掃描，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，我們會(huì)將其傳回繩索技術(shù)員，他們可以垂降下來(lái)仔細(xì)查看，”Marshall 說(shuō)?！坝H自動(dòng)手仍然是我們行業(yè)的一部分，但無(wú)人機(jī)可以幫助我們鎖定特定位置?！蹦€可以通過(guò)查看控制器上的原始低分辨率圖像來(lái)查看是否具有創(chuàng)建 3D 模型所需的視頻和圖像覆蓋范圍。他補(bǔ)充說(shuō)，這樣就無(wú)需讓無(wú)人機(jī)再次返回以填充創(chuàng)建數(shù)字模型所需的缺失數(shù)據(jù)。
回到辦公室，完整的 3D 模型提供了原始視頻和圖像數(shù)據(jù)中可能缺失的視覺(jué)背景。在地面上，他說(shuō)，“你只能依靠視頻的拍攝方式，無(wú)法看到周圍有什么，比如碼頭上的污漬，”馬歇爾說(shuō)。然而，在 3D 模型中查看它可能會(huì)發(fā)現(xiàn)污漬的來(lái)源是它正上方的排水溝造成的。“有了完整的 3D 模型，你可以看到原因，而不僅僅是缺陷，你可以看到它們是如何逐年蔓延的，”他說(shuō)。
然而，盡管 UAS 技術(shù)比以往任何時(shí)候都更易于使用，但如果您希望有效地使用它，您仍然需要提前規(guī)劃，現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)經(jīng)理兼 Stantec UAS 項(xiàng)目經(jīng)理 Josh Sexton 表示。在某些情況下，2D 掃描可能就足夠了——而且速度要快得多?！澳皇窃趯ふ胰毕?，還是想使用 3D 建模來(lái)繪制裂縫并使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)查看它們?nèi)绾沃鹉陻U(kuò)展？您需要制定一個(gè)計(jì)劃，說(shuō)明如何收集數(shù)據(jù)，而不僅僅是在后端弄清楚?！?/span>
專業(yè)的 UAS 系統(tǒng)使數(shù)據(jù)收集過(guò)程更加簡(jiǎn)單。Skydio 的 3D 掃描軟件可實(shí)現(xiàn)工作流程自動(dòng)化。“它允許您選擇要掃描的資產(chǎn)，無(wú)人機(jī)將完成捕捉資產(chǎn)各個(gè)角度所需的所有工作，”Llorens 說(shuō)道?！皰呙柰瓿珊?，工程師可以將圖像上傳到第三方 3D 模型生成器以創(chuàng)建數(shù)字孿生?！睌?shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)從無(wú)人機(jī)傳輸并存儲(chǔ)在云端。Skydio 提供 API 集成，以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入大多數(shù)攝影測(cè)量系統(tǒng)。
Stantec 的 Sexton 表示：“該軟件還使收集創(chuàng)建 3D 模型所需的重疊圖像變得更容易。這就是 Skydio 系統(tǒng)的美妙之處，您只需設(shè)置正面和側(cè)面重疊，其余部分由它處理。它保持地面采樣距離 (GSD) [在地面上測(cè)量的兩個(gè)連續(xù)像素中心之間的距離] 一致，這對(duì)圖像拼接過(guò)程有很大幫助?！痹诳紤]使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行橋梁檢查時(shí)，GSD 應(yīng)該是主要考慮因素。實(shí)際上，它比僅僅看相機(jī)分辨率更重要——特別是如果您使用的無(wú)人機(jī)可以靠近它正在檢查的橋梁組件。
Sexton 表示：“展望未來(lái)，隨著我們進(jìn)入數(shù)字革命，實(shí)時(shí)視覺(jué)智能將成為關(guān)鍵，也將成為災(zāi)難事件發(fā)生后跟進(jìn)的關(guān)鍵。在洪水等緊急情況下，想象一下，我們無(wú)需向每項(xiàng)資產(chǎn)部署團(tuán)隊(duì)，而是在每個(gè)站點(diǎn)部署 UAS 解決方案，以實(shí)時(shí)查看每天發(fā)生的情況?！笔聦?shí)上，在颶風(fēng)伊恩過(guò)后，Skydio 與各機(jī)構(gòu)合作，就是為了做到這一點(diǎn)。
Skydio 的 Llorens 表示，啟動(dòng)無(wú)人機(jī)檢查項(xiàng)目的成本相對(duì)較低，約為 8,000 至 12,000 美元。那么如何開(kāi)始呢？
l首先要組建一支合適的團(tuán)隊(duì)，其中包括真正的橋梁工程師，而不僅僅是無(wú)人機(jī)愛(ài)好者。
l使用 ROI 來(lái)計(jì)算您的預(yù)算，并確保審查整個(gè) UAS 橋梁檢查計(jì)劃的預(yù)算，包括培訓(xùn)和軟件，而不僅僅是設(shè)備成本。
l在比較 UAS 系統(tǒng)時(shí)，請(qǐng)考慮您的數(shù)據(jù)輸出，而不僅僅是產(chǎn)品規(guī)格。例如，不要僅僅尋找最 佳相機(jī)分辨率規(guī)格，而要關(guān)注 GSD 以及使用 UAS 系統(tǒng)可以生成的數(shù)據(jù)集的質(zhì)量。
購(gòu)買傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)的成本較低，但如果您需要聘請(qǐng)采用過(guò)時(shí)工作流程的專職飛行員，或者無(wú)人機(jī)墜毀無(wú)法使用，那么這些錢就打了水漂。“選擇具有最 先進(jìn)自主性和避障技術(shù)的現(xiàn)代無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是擴(kuò)大 UAS 用于橋梁檢查的關(guān)鍵，因?yàn)檫@些系統(tǒng)可以更快地完成工作，可以進(jìn)入難以到達(dá)的區(qū)域，并且在 GPS 信號(hào)丟失時(shí)仍能導(dǎo)航，而且飛行起來(lái)非常簡(jiǎn)單，不需要專職飛行員來(lái)控制，”馬歇爾說(shuō)?！白屛覀兊墓こ處熥诓倏v桿后面是合理的，因?yàn)樗麄冎雷约涸趯ふ沂裁?，”他說(shuō)?！拔铱梢圆榭纯刂破髌聊欢槐?fù)?dān)心發(fā)生碰撞，準(zhǔn)確了解橋梁的狀況并專注于細(xì)節(jié)?！?/span>
最后，在開(kāi)始時(shí)，請(qǐng)考慮一下，雖然 UAS 軟件優(yōu)化了創(chuàng)建復(fù)雜 3D 模型的工作流程，但工程師可以從更簡(jiǎn)單的 2D 掃描開(kāi)始。例如，對(duì)于常規(guī)勘測(cè)，無(wú)人機(jī)團(tuán)隊(duì)只需使用 UAS 就可以對(duì)橋梁進(jìn)行首次檢查?！昂芏鄷r(shí)候這就是你所需要的。你不需要鏟斗卡車或親自動(dòng)手，”Marshall 說(shuō)?！癠AS 減輕了員工的負(fù)擔(dān)，使他們的工作更輕松，并幫助你更好地發(fā)揮員工的作用?！?/span>
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