Использование БПЛА для проведения структурного мониторинга состояния здоровья компонентов гражданской инфраструктуры

Введение в мониторинг структурного здоровья на основе БПЛА

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА), широко известные как беспилотники, преобразуют способ, которым инженеры и инспекторы контролируют здоровье гражданской инфраструктуры. Эти передовые инструменты предлагают безопасный, эффективный и экономически эффективный метод оценки состояния мостов, плотин, башен и других критических структур. Традиционные методы проверки часто требуют тяжелых лесов, закрытия движения или рискованного доступа человека к возвышенным или ограниченным пространствам. БПЛА устраняют многие из этих ограничений, предоставляя удаленную, гибкую платформу, способную нести различные датчики. Интеграция камер высокого разрешения, тепловизионных, LiDAR и даже ультразвуковых датчиков позволяет провести всестороннюю оценку структурной целостности, которая ранее была непрактичной или непомерно дорогой.

Структурный мониторинг состояния здоровья (СМЗ) с использованием БПЛА не просто визуальный осмотр; он включает систематический сбор и анализ данных для выявления ухудшения, усталости и повреждения, прежде чем они приведут к сбою. С глобальным старением инфраструктуры и ужесточением бюджетов, СМЗ на основе БПЛА стал критическим инструментом для активного обслуживания. В этой статье рассматриваются преимущества, методы, проблемы и будущие направления использования БПЛА для мониторинга гражданской инфраструктуры, предоставляя инженерам, управляющим активами и политикам подробное понимание этой быстро развивающейся области.

Преимущества использования БПЛА в структурном мониторинге

Принятие БПЛА для структурного мониторинга здоровья предлагает несколько убедительных преимуществ, которые непосредственно касаются болевых точек традиционных подходов к инспекции:

Улучшенная доступность и безопасность

БПЛА могут достигать трудных или опасных мест, не подвергая риску персонал. Осмотр высоких башен, мостов, дамб или трубопроводов в опасных средах часто включает работу на высоте, в ограниченных пространствах или вблизи живого движения. Используя беспилотник, инспекторы могут захватывать подробные изображения и данные датчиков с безопасного расстояния, резко снижая вероятность падения, поражения электрическим током или воздействия токсичных материалов. Согласно Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA) , падения остаются основной причиной смерти в строительстве; БПЛА могут устранить многие из этих рисков во время инспекционных работ.

Данные изображений и датчиков высокого разрешения

Оснащенные камерами и датчиками, беспилотники захватывают подробные изображения и данные для тщательного анализа. Современные БПЛА могут нести полезные нагрузки, такие как 4K электрооптические камеры, тепловые инфракрасные датчики, LiDAR (Light Detection and Ranging), мультиспектральные камеры и даже детекторы газа. Эта многосенсорная способность позволяет инспекторам видеть за пределами видимого спектра - обнаружение расслоения, влажности, тепловых аномалий и недр. Высокое пространственное разрешение датчиков, установленных на БПЛА, позволяет идентифицировать трещины размером до 0,1 миллиметра в идеальных условиях, обеспечивая уровень детализации, которого наземные методы изо всех сил пытаются достичь.

Эффективность времени и сокращение времени простоя

Инспекции БПЛА значительно быстрее традиционных методов, сокращая время простоя инфраструктуры. Комплексный осмотр моста, который может занять экипаж из нескольких человек несколько дней с использованием лесов или транспортных средств для инспекции под мостом, часто может быть завершен командой беспилотников из двух человек за несколько часов. Для линий электропередачи или трубопроводов БПЛА могут покрывать мили линейных активов за один полет, резко сокращая время инспекции. Эта скорость имеет решающее значение для инфраструктуры, которая должна оставаться работоспособной, такой как шоссе, железные дороги и аэропорты, где закрытие создает огромные экономические затраты.

Экономия средств на протяжении жизненного цикла активов

Использование беспилотных летательных аппаратов снижает затраты на рабочую силу и сводит к минимуму необходимость в дорогостоящих строительных лесах или оборудовании. Первоначальные инвестиции в систему БПЛА и полезную нагрузку датчиков часто окупаются в рамках нескольких проектов из-за более низких затрат на мобилизацию, меньшего количества часов персонала и снижения расходов на управление движением. В течение срока службы основной структуры регулярные инспекции БПЛА могут продлить интервал между дорогостоящими интрузивными проверками, обеспечивая раннее предупреждение об ухудшении, позволяя проводить целенаправленный ремонт, а не полномасштабные капитальные ремонты. Исследование Американского общества гражданских инженеров (ASCE) подсчитало, что широкое внедрение инспекции на основе БПЛА может снизить затраты на обслуживание инфраструктуры на 20-30%.

Методы и технологии, применяемые в БПЛА SHM

Контроль за состоянием здоровья на основе БПЛА основан на сочетании платформ полета, полезной нагрузки датчиков и методов обработки данных.Выбор платформы и датчика зависит от конкретной структуры, условий окружающей среды и типа дефектов, которые необходимо обнаружить.

Платформы БПЛА: Multirotor vs. Fixed-Wing

Большинство проверок гражданской инфраструктуры используют многороторные БПЛА (квадкоптеры, гексакоптеры, октокоптеры) из-за их исключительной маневренности и способности парить на месте. Эти платформы преуспевают в проверке сложных геометрий, таких как мосты, фермы и фасады зданий. Они обычно имеют время полета 20–40 минут в зависимости от массы полезной нагрузки и емкости батареи. БПЛА с фиксированным крылом, предлагая более длительную выносливость полета (до нескольких часов), требуют больше места для взлета и посадки и не могут парить, что делает их лучше подходящими для линейных активов, таких как трубопроводы или линии электропередач, которые могут быть проверены на расстоянии. Новые гибридные конструкции VTOL (вертикальный взлет и посадка) сочетают в себе лучшее из обоих миров и набирают тягу в отрасли.

Технологии датчиков для обнаружения дефектов

Выбор датчиков определяет, что можно обнаружить. Общие датчики, используемые в БПЛА SHM, включают:

  • Визуальные камеры высокого разрешения: Захват изображений RGB для обнаружения поверхностных трещин, блеска, пятен коррозии, смещения и разрастания растительности. Программное обеспечение для фотограмметрии может сшивать сотни изображений в ортомозаики и облака 3D-точки.
  • Тепло-инфракрасные камеры:] Обнаружение перепадов температур, которые могут указывать на расслоение, попадание влаги, пустоты в бетоне или потерю тепла в оболочках зданий.Тепловая визуализация особенно эффективна для обнаружения скрытых недр мостов и плотин.
  • LiDAR: Обеспечивает точную 3D-геометрию и может обнаруживать деформации, поселения или несоответствия.Точки облаков LiDAR можно сравнить с построенными моделями для идентификации изменений с течением времени.
  • Мультиспектральные и гиперспектральные датчики: Данные захватывают несколько спектральных диапазонов, полезных для выявления деградации материала, сбоев покрытия или биологического роста, которые могут повлиять на структурное здоровье.
  • Ультразвуковые и акустические датчики:] Хотя некоторые экспериментальные БПЛА менее распространены из-за требований к весу и контакту, они имеют ультразвуковые датчики толщины или датчики акустического излучения для обнаружения внутренних дефектов в металлах или композитах.

Обработка данных и анализ рабочего процесса

Процесс сбора данных начинается с планирования маршрута полета для обеспечения всестороннего охвата структуры. Во время полета БПЛА захватывают изображения и данные датчиков, которые затем обрабатываются с использованием специализированного программного обеспечения для выявления аномалий и оценки структурной целостности. Типичные этапы обработки включают:

  1. Планирование полёта: Использование программного обеспечения, такого как Pix4D, DroneDeploy или DJI Pilot, для проектирования автоматизированных траекторий полёта с перекрывающимися изображениями для фотограмметрии или схем сетки для тепловых исследований.
  2. Сбор данных: БПЛА выполняет полет, сохраняя при этом постоянное расстояние от конструкции, часто используя датчики предотвращения препятствий и кинематический (RTK) GPS в реальном времени для точного позиционирования.
  3. Сшивание изображений и 3D-реконструкция: Программное обеспечение для фотограмметрии производит ортомозные карты, цифровые модели возвышения (DEM) и текстурированные 3D-мешочки. Эти модели позволяют инженерам дистанционно проверять структуру и делать точные измерения.
  4. Идентификация дефектов: Ручная проверка сертифицированными инспекторами по-прежнему распространена, но алгоритмы машинного обучения все чаще используются для автоматического обнаружения трещин, спальсов и коррозии. Свёрточные нейронные сети (CNN), обученные на тысячах аннотированных изображений, могут достигать точности обнаружения выше 90% для распространенных дефектов.
  5. Репортажи и интеграция: Результаты анализа компилируются в отчеты с геотегическими аннотациями, рейтингами строгости и рекомендуемыми действиями.Эти отчеты могут быть интегрированы с системами управления активами (например, IBM Maximo, SAP) для долгосрочного отслеживания.

Тематические исследования: БПЛА SHM в действии

Инспекция моста: проект «Дюнкеркский мост»

В 2022 году Департамент транспорта штата Нью-Йорк в партнерстве с поставщиком услуг БПЛА осмотрел Дюнкеркский мост, 50-летнюю стальную ферменную конструкцию. Традиционная проверка потребовала бы баржу для подмостового доступа и закрытия полос на оживленной автомагистрали. Команда БПЛА использовала DJI Matrice 300 RTK, оснащенную 20-мегапиксельной визуальной камерой и тепловым датчиком FLIR. За два дня полета (всего шесть летных часов) они собрали 4500 изображений и тепловых данных. Фотограмметрия сгенерировала 3D-модель, которая выявила ранее незарегистрированную трещину в пластине гуссета. Трещина была позже подтверждена ультразвуковыми испытаниями и отремонтирована за долю стоимости полномасштабной проверки. Проект сэкономил примерно 75 000 долларов США в прямых затратах на проверку и избежал 14 дней закрытия полосы.

Мониторинг плотины: деформация бетонной плотины

Осмотр крупных бетонных плотин требует измерения деформации поверхности, растрескивания и просачивания. В пилотном проекте на арочной плотине в Швейцарии БПЛА, оснащенный высокоточным LiDAR-системой, ежегодно в течение трех лет обследовал нисходящую поверхность. Данные точечного облака регистрировались на базовом сканировании для обнаружения миллиметровых смещений. Были выявлены изменения размером до 2 мм, позволяющие инженерам соотносить деформацию с уровнями резервуаров и температурными циклами. Эти данные позволили более точно калибровать модели конечных элементов и принимать обоснованные решения о ремонте затирки. Подход БПЛА устранил необходимость установки и поддержания десятков целей обследования на поверхности плотины, снижая затраты и риски безопасности.

Инспекции линий электропередач и башен

Коридоры линий передачи протянулись на тысячи километров, часто через отдаленную местность. БПЛА с тепловыми камерами и детекторами коронного разряда могут идентифицировать неисправные изоляторы, горячие точки от соединений высокой устойчивости и посягательства на растительность. Одна крупная коммунальная компания в Техасе сообщила, что использование БПЛА сократило время проверки 100-мильного коридора с 50 человеко-дней до 3 дней, при этом на 40% снизилась стоимость за милю. Более того, снимки высокого разрешения позволили идентифицировать коррозию на стальных решетчатых башнях, которые были пропущены при визуальных съемках на вертолете.

Проблемы и ограничения БПЛА SHM

Несмотря на их многочисленные преимущества, БПЛА не являются панацеей для структурного мониторинга здоровья.Сохраняются некоторые технические, нормативные и эксплуатационные препятствия:

Ограниченное время полета и срок службы батареи

Большинство многороторных БПЛА могут летать всего 20–40 минут на батарею, что ограничивает площадь, которую можно покрыть одним вылетом. Большие конструкции, такие как мосты с длинным пролетом или высотные здания, могут потребовать нескольких полетов, увеличивая общее время проверки. В то время как технология батарей улучшается (твердотельные батареи и водородные топливные элементы обещают большую выносливость), текущие ограничения требуют тщательного планирования миссии и часто использования нескольких комплектов батарей в полевых условиях.

Регулятивные ограничения

Операции БПЛА для инспекции инфраструктуры подчиняются строгим правилам, которые варьируются в зависимости от страны. В Соединенных Штатах Федеральное управление гражданской авиации (FAA) требует сертификации части 107 для пилотов коммерческих беспилотников, а операции за пределами визуальной линии видимости (BVLOS) по-прежнему ограничены исключениями. Во многих юрисдикциях полеты вблизи аэропортов, над шоссе или над толпами требуют специальных разрешений. Эти ограничения могут задерживать проекты и увеличивать расходы. Офис интеграции БПЛА FLT:0 FAA постепенно расширяет операции BVLOS, но широко распространенное одобрение, вероятно, через годы.

Условия окружающей среды

БПЛА чувствительны к погоде: сильные ветры, дождь, снег и низкая видимость могут выполнять наземные операции. Для береговой или высотной инфраструктуры порывы ветра могут превышать пределы устойчивости БПЛА, особенно для небольших самолетов. экстремальных температур также влияют на производительность батареи и точность датчиков. Инспекторы часто должны планировать полеты вокруг благоприятных погодных окон, которые могут быть непредсказуемыми.

Обработка данных Bottleneck

Огромный объем данных, собираемых БПЛА, часто превышает вычислительную мощность инспекционных групп. Единый мостовой контроль может генерировать сотни гигабайт изображений и данных LiDAR. Ручной обзор тысяч изображений на предмет мелких дефектов занимает много времени и подвержен ошибкам человека. В то время как машинное обучение предлагает помощь, обучение надежным моделям обнаружения требует больших, хорошо аннотированных наборов данных, которые все еще скудны для многих типов дефектов. Кроме того, интеграция данных, полученных из БПЛА, с существующими системами управления активами остается проблемой из-за несовместимых форматов файлов и отсутствия стандартизированных рабочих процессов.

Требования к навыкам и сертификация пилотов

Эксплуатационные БПЛА для структурного осмотра требуют больше, чем базовые летные навыки. Пилоты должны понимать планирование полетов для сложных конструкций, калибровку датчиков и аварийные процедуры. Им также нужны знания о проверяемой конструкции, чтобы знать, где сосредоточить внимание. Многие организации затрудняются нанять персонал, который является как сертифицированными пилотами беспилотников, так и опытными гражданскими инженерами. Этот дефицит может увеличить расходы и ограничить масштабируемость программ БПЛА SHM.

Будущие направления и новые технологии

Будущее структурного мониторинга здоровья на основе БПЛА является ярким, обусловленным достижениями в области аппаратного, программного обеспечения и нормативно-правовой базы. Ключевые тенденции для наблюдения включают:

Искусственный интеллект и автономное обнаружение дефектов

Алгоритмы машинного обучения перемещаются из лаборатории в полевую. Обработка в реальном времени на борту с использованием краевых чипов ИИ (таких как NVIDIA Jetson) позволяет БПЛА обнаруживать дефекты во время полета, позволяя адаптивные пути полета, которые фокусируются на областях, представляющих интерес. Например, БПЛА, летящий по мосту, может автоматически увеличивать подозрительный взлом и делать несколько снимков крупным планом перед продолжением сканирования. Эта возможность уменьшает объем данных и ускоряет цикл проверки. Обучение с подкреплением может в конечном итоге позволить полностью автономные БПЛА, которые могут планировать оптимальные пути проверки без участия человека.

Теплая технология для больших структур

Операция «Swarm» — когда несколько БПЛА координируют свои полеты — обещает резкое повышение эффективности. Для очень большого пролетного моста или плотины рой из 5-10 небольших БПЛА, каждый из которых оснащен различным датчиком, может покрыть всю структуру за долю времени одного беспилотника. «Swarms» требует надежных протоколов связи и предотвращения столкновений, но коммерческие системы от таких компаний, как Voliro и Flyability, уже демонстрируют эти возможности для промышленных проверок.

Долгосрочные платформы и прогресс BVLOS

Достижения в области аккумуляторных технологий, БПЛА с солнечной энергией и водородных топливных элементов толкают время полета к часам, а не минутам. Между тем, в нескольких странах проводятся пилотные полеты для операций BVLOS. В США программа FAA BEYOND одобрила несколько операторов беспилотных летательных аппаратов для полетов за пределы визуальной линии видимости для проверки инфраструктуры. Как только BVLOS станет обычным явлением, БПЛА могут автономно контролировать длинные трубопроводы, линии передачи и железные дороги на огромных расстояниях, подавая данные в центральные диспетчерские в режиме реального времени.

Интеграция с цифровыми близнецами

Цифровые двойники — виртуальные копии физических активов, которые обновляются данными в реальном времени, становятся стандартом для управления инфраструктурой. БПЛА обеспечивают идеальный метод сбора данных для цифровых двойников, захватывая геометрические и условные данные через регулярные промежутки времени. Объединив данные обследования БПЛА с датчиками IoT (например, тензодатчиками, акселерометрами), инженеры могут создать комплексную систему SHM, которая прогнозирует оставшийся срок службы и идентифицирует оптимальные окна обслуживания. В Автодескском университете было представлено несколько тематических исследований, где цифровые двойники, питаемые БПЛА, снижали риски структурных отказов более чем на 60%.

Стандартизация и сертификация

По мере взросления БПЛА SHM появляются отраслевые стандарты. Американское общество инженеров-строителей (ASCE) и Международное общество мониторинга состояния здоровья на основе БПЛА (ISHM) разрабатывают руководящие принципы для протоколов инспекции на основе БПЛА, требований к качеству данных и форматов отчетности. Стандартизация снизит барьеры для принятия, обеспечивая четкие процедуры и обеспечивая сопоставимость результатов по различным проектам и операторам. Также разрабатываются программы сертификации пилотов БПЛА SHM, гарантируя, что практикующие имеют как навыки полета, так и структурные знания.

Заключение

Беспилотные летательные аппараты коренным образом изменили ландшафт структурного мониторинга здоровья гражданской инфраструктуры. Их способность быстро получать доступ к опасным местам, быстро захватывать мультисенсорные данные высокого разрешения и сокращать затраты делает их незаменимым инструментом для владельцев активов и инженеров. В то время как такие проблемы, как ограниченное время полета, нормативные ограничения и обработка данных остаются, быстрый технологический прогресс неуклонно преодолевает эти препятствия. Интеграция искусственного интеллекта, роевых операций, платформ с большой выносливостью и цифровых двойников обещает сделать БПЛА на основе SHM еще более мощным и автономным в ближайшие годы.

Для организаций, ответственных за безопасность и долговечность мостов, плотин, башен, трубопроводов и другой инфраструктуры, инвестирование в возможности БПЛА больше не является футуристической концепцией - это практический императив. Приняв эти технологии сейчас, управляющие активами могут повысить безопасность, оптимизировать бюджеты на техническое обслуживание и продлить срок службы критических структур, от которых наше общество зависит каждый день. Эра структурного мониторинга здоровья с поддержкой беспилотников здесь, и ее потенциал только начинает реализовываться.