無人機與無人船在船閘立體巡檢中的協同應用

朱鵬瑞,韓 陽*,劉紅彪,齊方利,張路剛,譚林懷,聶智超

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室,天津 300456;2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司海洋石油船舶中心,龍口 265700)

隨著我國交通運輸發展和加快建設交通強國的推動實施,水運作為交通運輸的組成部分,其基礎設施安全與可靠的重要性愈發明顯,但水運基礎設施健康監測與安全保障方面仍存在結構安全性與耐久性問題突出、運行狀態動態監管能力弱、信息化服務水平低等問題[1-2]。因此,《交通強國建設綱要》明確提出：“持續加大基礎設施安全防護投入,提升關鍵基礎設施安全防護能力。強化交通基礎設施養護,加強基礎設施運行監測檢測,提高養護專業化、信息化水平,增強設施的耐久性和可靠性”。

水工建筑物檢測目前以常規檢測為主,巡檢方式效率較低且結果粗放,巡檢過程中存在一定的安全隱患和盲區。隨著科技發展,近年來各種先進的設備與技術如無人機、水下機器人、多波束測深系統、聲吶系統等逐步應用于水運結構檢測,大大提高了檢測的效率與精度[3-7]。胡健波等[8]首次嘗試將無人機應用于防波堤巡檢,形成“室外航拍,室內檢測”的新巡檢工作模式,提升了檢測水平。LIU等[9]利用無人機采集高分辨率圖像和多光譜數據作為判斷水壩結構健康狀況的依據,擴展了在水壩結構健康監測中的應用。無人船多波束系統測量與無人機機載激光雷達測量的原理基本一致,通常稱為“水下激光雷達”。李慶松[10]探討了無人機搭載激光雷達和無人船搭載多波束系統進行有效結合的技術方法,促進了水陸三維數據無縫銜接技術的發展,國內已有一些工程利用無人機機載激光雷達與無人船多波束系統聯合進行河道測量,取得了較好的效果。

1 工程背景

姚江船閘建成于1999年,設計通航能力300 t級,是船舶通過京杭甬大運河全線的必經之地,按照300 t級標準設計,航道等級為內河五級航道,共計長1 750 m。船閘及航道設計水深為2.5 m。閘室尺寸為160 m×12 m×2.5 m。上游引航道長430 m,下游引航道長300 m,設計年過閘貨運量588萬t。為充分了解船閘結構設施的技術狀態,需要進行一次全面的檢測,從而為船閘水工結構設施的規范管理、維護提供技術支撐。

2 船閘閘室質量檢測

2.1 水上構件觀感質量檢查

根據JTS 257—2008《水運工程質量檢驗標準》,船閘的觀感質量檢查(包括裂縫檢測)主要是對船閘的外露構件或部位表面進行全面的近距離檢查,包括船閘的表觀病害、分閘墩、閘墻、地面、導航、靠船構筑物及附屬設施等。觀感質量檢查是以人工目測觀察并進行儀器觀測,對混凝土構件表面存在缺陷(包括蜂窩麻面、裂縫、露筋、混凝土剝離剝落等)、破損及老化、腐蝕等現象的構件重點進行描述并統計,用卷尺測量缺陷尺寸,用裂縫寬度觀測儀測量裂縫寬度,記錄缺陷位置,如裂縫寬度、長度、走向及腐蝕面積等。在需要時可作為長期跟蹤觀測點,以觀測缺陷部位的發展變化。除常規照片外,還需對每個構件部位處的缺陷進行拍照存檔。

經檢查,由于姚江船閘已使用超過20 a,且使用較為頻繁,混凝土結構難免會產生混凝土碳化、鋼筋銹蝕等劣化現象。在長期使用過程中,過往船只難免會與閘室壁發生碰撞、摩擦,導致船閘閘壁混凝土結構出現較多破損,破損型式主要為混凝土普遍麻面露石、混凝土裂縫(部分已修復)、混凝土露筋銹蝕及混凝土破碎脫落,其閘室現狀見圖1。

圖1 姚江船閘閘室現狀Fig.1 Present situation of Yaojiang lock chamber

2.2 水下構件觀感質量檢查

對船閘閘室、引航道及墩臺等水下部分構件及基礎設施進行水下探摸檢查,確定是否存在破損、變形或者沖刷、淘空等情況,重點檢查船閘伸縮縫及結構連接處的情況,對存在的缺陷部位采取丈量、拍攝等方法直觀記錄水下缺陷情況,對發現的可疑部位需做進一步核查。

根據水下機器人檢查結果(圖2),閘室墻體整體情況基本正常,大部分表面為沖刷麻面,但未發現大面積的破損、剝落、露筋等缺陷。墻體與止水鋼板結合部、墻體與護坦結合部正常、伸縮縫正常,未發現明顯破損、掏空等缺陷。河床局部區域輕度淤積,根據水下機器人滑動痕跡,推斷淤積深度小于0.1 m。

2-a 閘墻麻面 2-b 墻體與護坦結合部正常 2-c 河床輕度淤積圖2 船閘水下構件現狀Fig.2 Current situation of underwater components of ship lock

3 船閘立體巡檢技術

3.1 無人機機載激光雷達和無人船多波束系統協同作業

無人機機載高分辨率相機從不同角度獲取具有一定重疊的影像數據,通過多視影像密集匹配算法恢復各影像在空間的位置姿態,實現二維影像數據到三維空間的映射,即實現高清三維傾斜攝影技術。機載LiDAR系統將激光雷達對地物進行長距離、大面積掃描,可直接獲取水工建筑物的空間信息,能夠為點云建模提供高效、準確的三維數據。無人船系統將GPS定位、自動避障、實時通訊、多波束測深等技術有效地結合起來,能在各種復雜的環境中穩定測量建筑物水下部分與水下地形等信息。如圖3所示,將無人機技術與無人船技術協同應用起來,無人機技術在對人員難以到達或大面積的水工建筑物水上部分可實現全天候高效率的三維實景建模,無人船技術能夠實現水工建筑物水下隱蔽部分與地形從大尺度到細尺度的全方位、多層次的覆蓋,建立水工建筑物的三維立體模型,形成一套水工建筑物立體智能巡檢技術。對于該船閘檢測,僅采用水下機器人的視頻檢查很難對閘墻水下部分進行精確地量化,因此擬利用無人機搭載激光雷達和無人船搭載多波束系統協同作業開展立體巡檢,并提取高精度斷面數據,通過與設計數據比較即可分析閘室斷面變化情況。

圖3 立體巡檢示意Fig.3 Stereoscopic inspection instructions

作為空間三維數據的展示,點云數據具有曲面模型所不具備的特征展示等優勢,將無人機航測點云、多波束點云等海量數據集成轉化在一個坐標系統中,建立船閘的三維點云模型,提供多角度、全方位的展示。

水上與水下點云數據融合方法主要包括自動拼接與手動拼接兩種,自動拼接方法為架設同一基站,基站同時開啟靜態記錄和動態差分模式,靜態數據采集可供無人機機載激光雷達和無人船多波束系統 GNSS 定位同時使用,動態 RTK也同步作為無人船 GNSS的定位使用。無人機和無人船進行半自動化或全自動化作業,兩套系統共用同一基站,實現點云的自動拼接[1]。但由于光照、掃描角度、環境等不可控的原因,軟件的自動拼接并不一定都能成功,因此常常采用手動拼接模式,在軟件中人工手動識別特征作為控制條件實現拼接操作,手動拼接分為特征點拼接、靶球拼接、標靶紙拼接和平面拼接等,本次采用點云特征點拼接。點云特征點應選擇交角良好的細小線狀地物的交點、明顯的物拐角點等,同時應是高程變化較小的地方,易于準確定位和量測。立體巡檢獲取的點云數據是面測量方式,可對船閘的斷面變化進行整體分析,同時定期立體巡檢可觀測結構體的連續變化。

根據現場踏勘情況,采用大疆M600Pro無人機搭載AA450激光雷達測量系統進行航拍。其航拍飛行速度4 m/s,飛行高度80 m,點云密度大于90 pts/m2,平面精度為1 cm,高程精度為2 cm,測距范圍為0.3～119 m。無人船為華微6號無人船,其標準搭載Norbit多波束測深系統,測深范圍為0.15～300 m,測深精度為±1 cm+0.1%h(h為水深),集成搭載iLidar三維激光掃描儀以完成水上水下一體化三維點云數據采集。

3.2 船閘三維精細模型構建

船閘三維復合模型主要由水上無人機激光雷達掃測點云和水下多波束水深測量點云兩方面的數據融合去噪而成,三維復合模型能夠實現對船閘結構測量的全方位覆蓋。通過專業軟件QTReader,可以準確得到船閘各構件的具體坐標和水下地形地貌等數據,有利于后期進行周期性的觀測與分析。融合后的三維las點云模型如圖4所示,進行渲染后效果如圖5所示。

輿論監督是公民行使監督權的一種重要形式。在轉型期的中國,各種社會矛盾突出,加之互聯網的推動，社會輿論如沉默多年的火山突然找到了出口，呈井噴式樣態迸發。而其道德至上、聯合表達和易引起轟動效應的特征又容易對被控訴對象形成強大的輿論壓力，迫使其主動讓步。因此輿論監督的有效實現是保護兒童健康權等弱勢群體合法權利的重要手段。

圖4 水上與水下數據融合后的三維las點云模型Fig.4 3D las point cloud model based on water and underwater data fusion

圖5 船閘三維點云渲染圖Fig.5 Ship lock 3D point cloud rendering map

3.3 現狀斷面與設計斷面對比

根據點云的高程屬性,與原設計斷面對比,胸墻頂面高程沉降為0.13～0.26 m,護坦沉降為0.19～0.27 m。為了校驗無人機內置GPS的誤差,利用全站儀和電子水準儀對該船閘進行測量,經過數據對比,水平位移測量誤差在10 mm以內,垂直位移測量誤差在5 mm以內,測量誤差滿足精度要求。

為了更加直觀地觀察斷面的變化,提取閘室斷面,主要步驟如下：

(1)點云精簡。由于三維點云模型數據量巨大,必須進行一定的抽稀處理,簡化后的數據既保留了三維模型的有效信息,可以大大降低其數量,從而實現對數據的高效處理[11]。在QTReader軟件選中“Merge duplicated points”,輸入“Tolerance”值(>0),指定容差范圍內的點將被合并為一個點,本次“Tolerance”值選擇為0.01 m;(2)點云分割。目的是分段或者分結構提取點云模型,突出分析的重點,進行單獨處理,可根據實際需要決定是否進行點云分割。通過裁剪框命令,框選需要刪除的點云,僅保留目標區域的點云。本次主要保留了閘室的點云復合模型,并轉換為XYZ格式;(3)提取斷面輪廓線。將點云復合模型XYZ格式導入Hypack Max軟件,利用“Tin Model”生成斷面輪廓線,此次斷面輪廓線的間距為0.05 m。

以胸墻拐角為重合控制點,將斷面現狀與原設計斷面進行復合對比,比較各個斷面中胸墻高程、閘墻垂直度、墻體與護坦結合部、護坦高程等變化情況。以上閘首某一斷面為例,比較現狀斷面與原設計斷面,可見二者斷面吻合度較高,閘墻斷面垂直度基本一致,墻體與護坦結合部略高于原設計,護坦高程低于原設計0.18～0.25 m ,如圖6所示。

圖6 現狀斷面與原設計斷面復合對比(高度：m,平面：mm)Fig.6 Composite comparison between current section and original design section

4 現有狀態下的閘首穩定性分析

4.1 幾何模型建立

由于閘首結構發生了一定程度的改變,為了精確評估現狀的穩定性,需要將實測斷面導入有限元軟件進行精確分析。在CAD圖形中,斷面輪廓線周圍建立尺寸邊界和材料邊界,并進行分組編號(如邊墩、地基土、墻后回填土等)。為降低邊界效應對分析區域的影響,底板寬度B=24.2 m,地基水平工作范圍L取3B,即為72.6 m,地基深度H取1.25B,即為30.3 m。線條與線條只能相交于兩端,不能有線條端點在其他線條中間。并將整個圖形移動到坐標原點。將完成后的CAD圖線保存成sat格式文件,導入有限元軟件ABAQUS,然后劃分網格[12-14]。地基的不同土層按密度、粘聚力、內摩擦角等參數按已知地質勘探成果表取值。

邊墩與底板都是大體積混凝土,在建模過程中,真實模擬邊墩、底板、回填土和地基土之間的相互作用,為減少銳化網格的出現,建模過程中消除了部分尖角,使計算更加接近實際。模型網格采用線性六面體Hex單元,單元形狀控制采用非協調模式單元(Incompatible models),即為C3D8IH單元,采用這種線性單元的計算時間可以得到與二次單元相當的計算精度[15]。本模型中共有40 494個單元、34 596個節點。閘首結構計算網格如圖7所示。

圖7 模型構建與網格劃分Fig.7 Model construction and grid division

如果建立的模型過于復雜,導入ABAQUS 時可能出現“支離破碎”的現象,此種情況可以通過第三方軟件Hypermesh分出高質量的網格并導出為inp格式,然后直接導入ABAQUS[16]。

4.2 加載及效應組合

低水位最不利的水位組合為閘室內低水位而墻后可能出現最高水位(排水管水位)。作用在船閘的荷載包括自重、設備重、靜水壓力、揚壓力、土壓力、活荷載。這種計算情況的特點是指向閘室方向的水平力較大,滲透水頭也較大。檢修期閘室內水完全抽干,墻后水位在排水管水位,此時指向閘室方向的水平力最大。因此本次計算主要考慮檢修工況與低水位工況。

根據JTJ307—2001《船閘水工設計規范》,有限元計算中包括以下荷載：(1)自重G。根據材料容重由有限元程序ABAQUS自動計算,自重為464.0 kN。(2)回填土壓力。根據回填土材料容重由有限元程序ABAQUS自動計算,墻后土體水平方向土壓力見表1,土體豎直向土壓力強度計算見表2所示;(3)水壓力。作用于建筑物表面的靜水壓力,應根據不同的水位組合情況進行計算;(4)水重。閘首底板上水的重力,通過計算將其換算成平面上的水壓力加載在底板上表面;(5)揚壓力。包括滲透壓力和浮托力;土基上的滲透壓力計算,基礎地面高水側取全水頭H,低水頭一側取零,其間根據滲透輪廓按直線或折線相連,檢修和正常運用工況時需考慮水壓力和揚壓力的作用,根據不同工況閘門前后水位不同,需對閘門上的單元施加不同的水壓力。閘首底板上揚壓力包括浮托力和滲透力,隨著上下游水位的變化而變化,在ABAQUS中使用梯度荷載完成揚壓力和水壓力的加載;(6)閘門推力。閘門上的水壓力通過閘門作用在邊墩上,并最終通過邊墩作用在整個結構物上。

表1 水平土壓力計算結果Tab.1 Calculation results of horizontal earth pressure

表2 豎向土壓力計算結果Tab.2 Calculation results of vertical earth pressure

4.3 結果分析

(1)檢修工況。檢修期閘首最大主應力變化云圖如圖8所示。檢修工況下,閘首內部沒有水壓力作用,且閘門上下游均無水,墻后填土達到設計標高,墻后水壓力高度為排水管高度,閘首結構受力主要為結構自重及回填土壓力。閘首結構受力大部分為壓應力,由于左右閘墻的結構設計有所差異,左側墻背豎直,而右側墻背稍微傾斜,回填土對左側邊墩的受力明顯更大;與左側相同,右側閘墻與后踵的連接段仍出現一定的應力集中效應,應力最大值為1.039 MPa。但集中程度不高,影響范圍不大。調用ABAQUS數據,分別驗算抗浮穩定性、抗滑穩定性與抗傾穩定性。

圖8 檢修工況下模型整體Mises應力云圖(單位：Pa)Fig.8 The overall Mises stress nephogram of the model under maintenance conditions

式中：V為向下的垂直力之和;U為揚壓力總和。

抗滑穩定性安全系數：kc=(f×ΣV)÷ΣH=(0.45×486.49)÷183.34=1.44>1.2,大于規范要求。

式中：f為分項系數;ΣV為豎向合力;ΣH為水平合力。

式中：f為分項系數;Mr為穩定彎矩;Mo為傾覆彎矩。

經過驗算,閘首的抗浮穩定性、抗滑穩定性與抗傾穩定性安全系數均大于規范要求,因此檢修工況下閘首處于穩定狀態。

(2)低水位工況。低水位期閘首最大主應力變化云圖如圖9所示,閘首低水位工況下,閘首內部受到水壓力作用,墻內受到側向的水壓力作用,閘底板存在豎向水壓力,墻后填土達到設計標高,閘首結構受力主要為結構自重及回填土壓力。與檢修工況類似,閘首結構受力大部分為壓應力,由于左右閘墻的結構設計有所差異,左側墻背豎直,而右側墻背稍微傾斜,回填土對左側邊墩的受力明顯更大;右側閘墻與后踵的連接段仍出現一定的應力集中效應,應力最大值為1.273 MPa。但集中程度不高,影響范圍不大。調用ABAQUS數據,分別驗算抗浮穩定性、抗滑穩定性與抗傾穩定性?？垢》€定性安全系數為2.22,抗滑穩定性安全系數為1.36,抗傾穩定性安全系數為2.02,均大于規范要求,因此低水位工況下閘首處于穩定狀態。

圖9 低水位工況下模型整體Mises應力云圖(單位：Pa)Fig.9 The overall Mises stress nephogram of the model under low water level conditions

5 結論

(1) 船閘無人機與無人船立體巡檢能夠最大程度的還原船閘現狀,通過與設計斷面的復合比對,能夠詳細掌握胸墻高程、閘墻垂直度、墻體與護坦結合部、護坦高程等變化情況,提高船閘的檢測水平;(2) 立體巡檢建立的閘室三維點云復合模型導入有限元軟件計算相較于常規測量建立的模型穩定性計算更加真實可靠,大大提高了船閘評估水平;(3) 立體巡檢獲取的點云數據是面測量方式,可對閘室的斷面變化進行精細分析。如何將航拍點云、多波束點云、聲吶側掃數據與光學成像等數據融合并集成于一個統一的智能巡檢系統中,提供三維實景、多角度、全方位的展示,同時觀測結構體的連續變化,將是今后的發展趨勢。