近幾日於花東地區發生的強震造成高寮大橋、崙天大橋與瑞穗大橋等多座橋梁嚴重毀損甚至倒塌,加上2019年讓人出乎意料的南方澳大橋斷裂事故,這些橋梁遭遇突發性毀損,使大眾對於橋梁這項關鍵基礎設施(Critical Infrastructure)維護的關注度日益提升。現行橋梁檢測的作法仍多採用人工目視為主,雖單價低但主觀性強,無法確保歷次紀錄資料的正確性、客觀性與完整性,也因目視檢測視角上的侷限性,不僅特定構件難以檢測,也因無法精確指出有疑慮構件的損傷位置,導致橋梁修繕衍生之施工費市場規模遠高於檢測費用市場規模。
高寮大橋倒塌 (左,聯合報) 與南方澳大橋斷裂 (右,葛瑪蘭新聞網)
近年來無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)的發展漸趨成熟,已成為橋梁檢測的新興工具。國內致力於橋梁巡檢關鍵技術研發已有相當一段時間,藉UAV於空間性、自主性與數位性的三大優勢,掌握定位技術獲取定位定向資訊,利用自主導控技術遠端操作,讓UAV根據預先規劃的路徑飛行於橋梁周圍,系統化的獲取數位化資料,再運用人工智慧(artificial intelligence, AI)進行訓練,可有效偵測橋梁構件是否具有裂縫、錯位、鋼筋外露或混凝土剝落等情形。
上述利用UAV於橋梁檢測的任務涉及定位、導控與AI自動化辨識等多項技術,其中最關鍵的莫過於定位技術,其為UAV能自主化巡檢的核心,並與導控任務緊密連結,影響UAV飛行的穩定性與後續影像資料的坐標精度。目前UAV主要依靠GNSS訊號進行定位與導控,但橋梁周邊常因訊號不良且風場氣流不穩,導致UAV難以穩定收集橋梁遮蔽處與收訊較差區域的構件影像,成為其應用於橋梁技術的最大阻礙。目前有研發團隊已研發出,以通訊定位為主的UAV載具硬體飛控技術,可突破這項限制,於橋梁下穩健的自主飛行,同時也能順利地收集橋台、橋墩、橫隔梁與帽梁等人工難以目視的構件影像,確保UAV橋檢執行時之安全可靠。
無GNSS訊號下UAV之自動導控飛行實際展示
影像資料收集完成後,下一步需要利用AI演算法進行橋梁結構外觀異狀偵測。混凝土剝落、裂縫、鋼筋外露等構造物外觀異狀為橋梁結構安全的重要指標,現行《公路橋梁檢測及補強規範》中明定橋梁需要檢測的構件,並根據各個橋梁構件的DERU值進行檢測,損壞程度評估。目前已發展出以最新的深度學習(Deep Learning, DP)演算法輔助,可在偵測橋梁異狀上取得良好準確率,結合現有橋檢規範進行橋梁異狀評估,辨識橋梁劣化樣態、劣化程度以及劣化發生所在之構件。再利用物件偵測(Object Detection)技術標示混凝土破損、滲水白華等劣化樣態,建立完整辨識範圍及內容,可對應至橋梁安全評估量表。同時以實例分割技術(Instance Segmentation)將裂縫、鋼筋外露等情形與所發生之構件個體做區分,提供精細量化資訊,對應劣化程度(Degree, D)、劣化範圍(Extent, E)與劣化情況對橋梁結構安全性與服務性之影響度(Relevancy, R)這三項評估指標,可作為評估該構件維修急迫性(Urgency, U)之依據,達成橋梁安全評估智慧化及自動化之目的。
利用深度學習法建立橋梁缺失影像辨識模式
根據統計,我國的公路橋梁有近三萬座,平均年齡為22.56年,許多甚至老舊到年代不可考。橋梁潛藏著構件位移、結構劣化等問題,加上臺灣位處地震帶、天然災害屢見不鮮,再再顯示橋梁巡檢為長期且週期化的任務。橋梁檢測的另一個重要目標是建立一套完整的三維化橋梁管理系統。透過建構新式的橋檢技術與管理系統之研發,結合UAV航拍影像、橋檢影像興趣點(point of interest, POI)、AI辨識成果與和3D模型等多重圖層進行展示,提供管理者多元視角監測橋梁構件。同時,管理系統中也包含UAV航線規劃、UAV影像辨識與量測分析等多功能工具,使管理者能加值應用多樣化的數位資料。以此整合管理平台為基礎,監測全台橋梁的健康狀態,期能及時解決橋梁安全問題,提昇我國橋梁安全管理效能,以及橋檢產業技術能量。
UAV巡檢影像管理系統
交通部為促進我國無人機科技產業技術量能及國際競爭力,於2022年3月26日指導成立「臺灣無人機大聯盟」(UAS Taiwan),該聯盟成立後已有產官學研多方協力合作參與。而聯盟今年六月率團至日本參訪,除了參與日本無人機產業年度盛事Japan Drone 2022以掌握國際最新技術動態,並與日本UAS產業振興協議會(JUIDA)簽署合作備忘錄以促進更緊密的互動合作。臺日兩國在無人機技術發展的策略與方向是一致的,除了強調發展自主化的無人機技術與應用產業鏈之重要性外,設施巡檢更是臺日雙方都認為重要且急迫的發展方向。
UAS Taiwan與日本UAS產業振興協議會簽署台日合作備忘錄
為促進我國以無人機進行橋梁檢測的技術與產業應用量能,聯盟已於今年八月成立無人機橋檢技術工作小組,邀集我國產業以及學研機構共同研商,針對以無人機進行橋梁檢測所需之技術、專業人力、法規與發展藍圖等層面進行整體性的檢討,整合國內技術及資源,突破各項門檻以及促進公私部門協作,進而加速我國無人機於橋梁巡檢與相關工程應用之落地與拓展。未來期望有更多單位或組織加入UAS Taiwan。
臺灣無人機大聯盟橋檢技術工作小組
相關連結與報導:
UAS Taiwan粉絲專頁:
https://www.facebook.com/UnmannedAircraftSystemTeam/?paipv=0&eav=AfY95fE7dL_XSUgXbsC1jnaIAyJPinkUEOeiiYHoNT7UAQcV0bdlZTLnu4maTKsOkd0&_rdr
https://www.facebook.com/UnmannedAircraftSystemTeam/?paipv=0&eav=AfY95fE7dL_XSUgXbsC1jnaIAyJPinkUEOeiiYHoNT7UAQcV0bdlZTLnu4maTKsOkd0&_rdr
UAS Taiwan與日本JUIDA簽訂MOU報導:
https://www.cna.com.tw/Postwrite/chi/318179
https://www.cna.com.tw/Postwrite/chi/318179
NHK World-Japan報導Taiwan Pushing Drone Development影片:
https://www3.nhk.or.jp/nhkworld/en/news/videos/20220926214520992/
https://www3.nhk.or.jp/nhkworld/en/news/videos/20220926214520992/
2022.09.27 中國土木水利工程學會 報導