UAS 在桥梁检查中的应用日益广泛

对于美国几乎每一位桥梁工程师和检查员来说，修复结构缺陷的桥梁都是一项持续的挑战。根据美国联邦公路管理局的数据，在全国 620,588 座桥梁中，去年有42,951 座（近 7%）被认为存在结构缺陷。

基础设施老化是当前问题的重要原因。2022 年，美国最常通行的 20 座桥梁中有一半被归类为结构缺陷，年龄至少为 60 年。其中最古老的桥梁可追溯到 1932 年。根据 ARBTA 最近的一份报告，美国每 3 座桥梁中就有 1 座需要维修。

2021 年，美国交通部估计修复或更换这些结构缺陷桥梁的总成本超过 540 亿美元。许多交通部门面临着大量老化桥梁带来的生产力和资源成本的巨大损失。

这些积压的延期维护工作无法一次性完成，因此交通部门需要确定优先顺序，同时持续监测其管辖范围内所有桥梁的状况。

桥梁检查的挑战和成本

虽然桥梁检查需要彻底、尽快完成，但目前的流程缓慢且成本高昂。典型的检查可能需要检查工程师、铲斗卡车和操作员以及带绳索的攀爬者。如果必须关闭车道，还需要交通管制人员和警察在场。而这些只是交通部门可以预见的成本。还可能存在其他不可预见的风险和麻烦，例如安全和其他安全考虑。

联邦公路管理局要求各州每两年按照联邦公路管理局的标准对桥梁进行一次检查，估计每座桥梁的费用在 4,500 美元到 10,000 美元之间，但有些桥梁的费用可能要高得多。而且可能需要更频繁地进行检查，以跟踪已知缺陷的桥梁的状况。

桥梁检测的革命

为了应对这种情况，许多交通部组织的工程师已开始使用无人机系统 (UAS) 进行桥梁检查。这些遥控无人机可以更快、更安全地对桥梁结构进行目视检查，从而节省时间并降低成本。UAS 可以到达桥梁中难以使用铲斗卡车或绳索攀爬器手动到达的区域，并且在使用时不会阻塞车道。

这就是 UAS 在桥梁检查中的应用日益广泛的原因。市场研究公司 Fact MR 预测，未来十年，UAS 在桥梁检查中的市场价值将以 21.4% 的复合平均增长率增长。

Skydio 首席解决方案工程师 Alicia Llorens 表示：“在交通部和分包商面临的时间和劳动力限制下，彻底检查桥梁是一项真正的挑战。越来越多的组织为其工程师配备无人机，以加快检查速度并提高检查质量。”

UAS 系统如何改变桥梁检测作业

Skydio 公司的 Llorens 表示：“目前，28 个州交通部正在使用 UAS 技术进行桥梁检查，而且这个数字每天都在增长。”典型的 UAS 系统包括配备摄像头、导航系统和数据链路的无人机，以及地面控制站和无人机操作员。无人机尺寸各不相同：较小的无人机可以进入较狭窄的空间，但运行时间可能较短，而较大的无人机可以飞行更长时间并携带更大的有效载荷。

解锁见解并追踪结构变化：

借助更先进的系统，UAS 收集的图像和视频数据可以上传到摄影测量系统中，以生成结构的数字 3D 模型，称为“数字孪生”（摄影测量是处理图像以创建 2D 或 3D 基础设施数字地图的过程）。随着时间的推移，工程师可以将最近检查的数据添加到模型中，以跟踪结构随时间的变化。典型的飞行时间为 20 到 35 分钟。

“工程师无需拥有需要检查的桥梁异常的硬拷贝，而是可以在云端托管数字孪生，所有利益相关者都可以看到并分析这些信息，”Llorens 说道。她补充道，先进的无人机系统可以创建一个“3D 网格”，形成 CAD 3D 数学模型的基础层。“然后可以将该 CAD 模型传递给土木工程师或建筑师。”

传统无人机的局限性

即使对于经验丰富的飞行员来说，避免与桥梁结构和其他障碍物相撞也很困难——直到最近。“我们从 2013 年开始使用无人机，”桥梁工程师兼工程和检查公司 Stantec 的高级合伙人 Michael Marshall 在关于无人机在桥梁检查中的应用的网络研讨会上说道。当时市场上早期的无人机是手动控制的设备，例如英特尔 Falcon 8，该公司与有执照的飞行员分包来操作其无人机。拥有专职飞行员使工程师可以专注于桥梁检查，而不必担心避障。此外，当无人机飞到某些结构的底部时，它们可能会丢失 GPS 信号。如果没有导航引导，无人机可能会坠毁。

虽然手动操作的无人驾驶无人机有助于检查桥梁支柱，但它们无法进入建筑物的臂长范围内或飞入狭小空间，因为存在撞到建筑物的风险。“GPS 丢失让我们非常不安，”马歇尔说。“我们更关注无人机是不是撞到桥梁，而不是收集桥梁检查数据。”

下一代无人机系统：避障、视觉导航

从那时起，情况发生了很大变化。例如，Stantec 使用的 Skydio UAS 具有避障和视觉导航技术，可减少培训时间，并使驾驶变得足够简单，工程师可以自己操作无人机。Skydio的 X2可以实现更近距离的视觉检查，分辨率更高——它可以设置为距离结构六英寸——比传统无人机的飞行员可能感觉舒适的距离要近得多。这个距离很重要，因为近距离，工程师可以看到更多细节。代价是需要更长的时间才能覆盖整座桥梁，因为你在任何时候都看不到太多东西。

为了实现这一目标，Skydio UAS 无人机配备了六个导航摄像头，由内置 AI 功能的 Nvidia 超级处理器控制。该系统以 360 度视角连续捕获数据，以了解周围环境。这些功能使系统即使在桥下的狭小空间中也能正常工作，而导航系统的 GPS 信号可能会丢失。“无人机可以进入绳索通道和预算卡车队难以进入的区域，”马歇尔说。“这些 UAS 只需一半的时间，所需的资源不到一半，”他说。

效率飞速提升：加快桥梁检查时间并降低成本

之前，一项大型桥梁检查项目需要八名登山者花费两周时间，其中四人使用“侦察卡车”，他补充道。“使用无人机将时间缩短至一周”，将成本从 211,000 美元降至 105,000 美元。如今，使用最 新的 Skydio 技术，一个由三人组成的无人机团队可以在大约两天半的时间内完成同一个项目，”他说。“你不必担心撞到桥上，而且你可以近距离捕捉更多数据。”

Llorens 表示，让检查工程师快速掌握 UAS 也更容易。“传统无人机需要大量培训才能操作，一旦操作员进入现场，他们就需要接受更多培训，才能捕获具有特定要求（例如数据质量）的数据。这需要时间，而且如果必须为所有桥梁检查员都这样做，那么这是不可扩展的。“Skydio 自动化了数据捕获的工作流程，因此任何人都可以通过最 低限度的培训使用 Skydio 无人机，”Llorens 说道。

更好的数据，更好的决策

Stantec 的桥梁工程师们迫不及待地回到办公室查看数据。“我们在现场查看 3D 扫描，如果发现问题，我们会将其传回绳索技术员，他们可以垂降下来仔细查看，”Marshall 说。“亲自动手仍然是我们行业的一部分，但无人机可以帮助我们锁定特定位置。”您还可以通过查看控制器上的原始低分辨率图像来查看是否具有创建 3D 模型所需的视频和图像覆盖范围。他补充说，这样就无需让无人机再次返回以填充创建数字模型所需的缺失数据。

回到办公室，完整的 3D 模型提供了原始视频和图像数据中可能缺失的视觉背景。在地面上，他说，“你只能依靠视频的拍摄方式，无法看到周围有什么，比如码头上的污渍，”马歇尔说。然而，在 3D 模型中查看它可能会发现污渍的来源是它正上方的排水沟造成的。“有了完整的 3D 模型，你可以看到原因，而不仅仅是缺陷，你可以看到它们是如何逐年蔓延的，”他说。

然而，尽管 UAS 技术比以往任何时候都更易于使用，但如果您希望有效地使用它，您仍然需要提前规划，现实捕捉技术经理兼 Stantec UAS 项目经理 Josh Sexton 表示。在某些情况下，2D 扫描可能就足够了——而且速度要快得多。“您只是在寻找缺陷，还是想使用 3D 建模来绘制裂缝并使用机器学习来查看它们如何逐年扩展？您需要制定一个计划，说明如何收集数据，而不仅仅是在后端弄清楚。”

专业的 UAS 系统使数据收集过程更加简单。Skydio 的 3D 扫描软件可实现工作流程自动化。“它允许您选择要扫描的资产，无人机将完成捕捉资产各个角度所需的所有工作，”Llorens 说道。“扫描完成后，工程师可以将图像上传到第三方 3D 模型生成器以创建数字孪生。”数据会自动从无人机传输并存储在云端。Skydio 提供 API 集成，以将数据导入大多数摄影测量系统。

Stantec 的 Sexton 表示：“该软件还使收集创建 3D 模型所需的重叠图像变得更容易。这就是 Skydio 系统的美妙之处，您只需设置正面和侧面重叠，其余部分由它处理。它保持地面采样距离 (GSD) [在地面上测量的两个连续像素中心之间的距离] 一致，这对图像拼接过程有很大帮助。”在考虑使用无人机进行桥梁检查时，GSD 应该是主要考虑因素。实际上，它比仅仅看相机分辨率更重要——特别是如果您使用的无人机可以靠近它正在检查的桥梁组件。

Sexton 表示：“展望未来，随着我们进入数字革命，实时视觉智能将成为关键，也将成为灾难事件发生后跟进的关键。在洪水等紧急情况下，想象一下，我们无需向每项资产部署团队，而是在每个站点部署 UAS 解决方案，以实时查看每天发生的情况。”事实上，在飓风伊恩过后，Skydio 与各机构合作，就是为了做到这一点。

如何开始

Skydio 的 Llorens 表示，启动无人机检查项目的成本相对较低，约为 8,000 至 12,000 美元。那么如何开始呢？

l首先要组建一支合适的团队，其中包括真正的桥梁工程师，而不仅仅是无人机爱好者。

l使用 ROI 来计算您的预算，并确保审查整个 UAS 桥梁检查计划的预算，包括培训和软件，而不仅仅是设备成本。

l在比较 UAS 系统时，请考虑您的数据输出，而不仅仅是产品规格。例如，不要仅仅寻找最 佳相机分辨率规格，而要关注 GSD 以及使用 UAS 系统可以生成的数据集的质量。

购买传统无人机的成本较低，但如果您需要聘请采用过时工作流程的专职飞行员，或者无人机坠毁无法使用，那么这些钱就打了水漂。“选择具有最 先进自主性和避障技术的现代无人机系统是扩大 UAS 用于桥梁检查的关键，因为这些系统可以更快地完成工作，可以进入难以到达的区域，并且在 GPS 信号丢失时仍能导航，而且飞行起来非常简单，不需要专职飞行员来控制，”马歇尔说。“让我们的工程师坐在操纵杆后面是合理的，因为他们知道自己在寻找什么，”他说。“我可以查看控制器屏幕而不必担心发生碰撞，准确了解桥梁的状况并专注于细节。”

最后，在开始时，请考虑一下，虽然 UAS 软件优化了创建复杂 3D 模型的工作流程，但工程师可以从更简单的 2D 扫描开始。例如，对于常规勘测，无人机团队只需使用 UAS 就可以对桥梁进行首次检查。“很多时候这就是你所需要的。你不需要铲斗卡车或亲自动手，”Marshall 说。“UAS 减轻了员工的负担，使他们的工作更轻松，并帮助你更好地发挥员工的作用。”