圣乔治大桥的健康 机器人守护

在经历2018年莫兰迪大桥的悲剧性坍塌后，意大利热那亚迅速展现出不屈的海洋精神和工程创新力，圣乔治大桥14个月建成就是最佳例证。桥梁全长1067m，由18个椭圆形截面的钢筋混凝土桥墩稳固支撑。

为确保桥梁的持续健康与安全，圣乔治大桥配备了一套先进的监控系统，该系统包含250多个光纤传感器，由CETENA公司设计。这套系统能实时监测桥面运动、结构振动以及交通状况，为桥梁的健康状态提供实时数据。尤为引人瞩目的是，Istituto Italiano di Tecnologia（IIT）研发的四台机器人在桥梁维护中扮演了关键角色。

在意大利热那亚圣乔治大桥上，为确保桥梁的持续健康与安全，四台超级机器人已投入使用。机器人系统通过使用摄像头和传感器验证基础设施的完整性，并允许操作员通过数据处理算法干预预防性维护行动。

检测机器人与清洗机器人

圣乔治大桥上的四台机器人分别为一对检测机器人和一对清洗机器人。检测机器人通过采用巨型碳纤维3D打印机械臂，可在强风环境中稳定工作，搭载多种传感器生成精确的3D模型，为工程师提供直观的交互平台，管理机器人并进行数据分析。这些智能机器人在桥体预设的轨道上自主移动，自动检查桥梁下表面是否有裂缝或渗漏等问题。而清洗机器人的任务是清洁风障和太阳能电池板。这也代表了一种绿色应用，因为在维护和清洁活动中，它们使用雨水或露水作为水资源。清洗机器人的想法源于伦佐·皮亚诺（Renzo Piano）工作室的提案，该工作室联系了意大利理工学院的工业机器人部门（URI）。之后，URI不仅创造了所需的清洗机器人并申请了专利，而且还创造了世界上第一个机器人自动检测系统。在全球范围内提供了一个可复制的模型，旨在提高此类基础设施和任何可能需要自动监控的土木工程的安全性。

这些机器人是利用IIT在工业机器人领域的专业知识设计的，得益于Camozzi集团在生产技术和航空航天工业中使用的复杂机械制造方面的十年经验。之所以能够取得成功，是因为参与构建机器人系统的各个企业产生的协同效应，该系统的特点是重量更轻、结构刚度高。操作人员还可以从控制室通过Wi-Fi网络操控机器人。机器人由电池供电，而且在桥的两侧每间隔 200m还配有一个充电站。

此外，在不利的环境条件下，由于配备了风速计和加速度计，机器人能够中断操作并可以安全地到达充电站。

该系统结合了现代机电一体化机构中的自动化优势，这是Camozzi集团拥有丰富经验的领域（特别是在工业自动化方面）与认知系统的自主性相结合。从本质上讲，这是一个使用完全独立的“认知机电一体化”的检查系统，由于四台机器人，除了法律已经要求的控制和维护活动外，还将着眼于圣乔治大桥之外。事实上，由于其硬件和软件的多功能性，已经开发了一个融合更多新技术的系统，该系统适用于所有基础设施，从隧道到大坝，再到摩天大楼。在未来，新的机器人系统的适用性将没有限制。

检测机器人质量达 2200kg，配备82个轮子，用于沿两个轴线移动，宽度超过7m，如图1所示。并且配有一个用于检查的可伸缩臂，该伸缩臂由一个固定部件和一个移动部件组成，两者都由碳纤维制成。臂的总长度约为17m，因此它可以从桥的边缘触及桥面板的中心。桥面的外部监测将通过碳纤维臂精确进行，碳纤维臂能够沿着桥的整个长度滑动，在桥台附近缩回。在其上安装了高分辨率摄像头和传感器，以测量表面状况，即油漆劣化、腐蚀元素和焊缝状态。这些摄像机将实时传输整个基础设施的图像。由于计算模型收集的数据将被检查，可以用来报告任何违规或异常情况。

图1 检测机器人工作示意图

清洗机器人质量约2000kg，有56个轮子将其负载分配到桥的两侧；高3.5m，长近8m，分为两部分：一个用于清洁，另一个用于充电。清洗机器人从光伏系统和玻璃挡风屏障中清除灰尘和其他碎屑，这些挡风板划定了车道，从而保持了基础设施的效率和功能，如图2所示。机器人的一个特点是它对水资源的可持续利用。用于清洗结构的水来自雨水和从同一基础设施收集的其他冷凝水。清洗机器人配备了传感器，可以监控玻璃挡风板的透明度和表面上的水量。这两个参数使机器人能够确定何时进行干预以清洁表面。如果由于干旱和低湿度时期而缺水，则为清洗机器人配备了一个鼓风机，用于去除颗粒物，从而有助于保持基础设施的效率，同时等待使用适量的流水进行更彻底地清洗。

图2 清洗机器人

根据天气情况，这两个机器人将通过轨道和驱动轮沿着桥梁的整个长度，定期沿着桥的边缘行驶。

自行评估检测数据

此外，与这两台机器一起，CETENA公司还安装了250多个光纤传感器，这些传感器对振动和纵向、横向或倾斜运动十分敏感。但当然，机器人检测可以做得更多，它们可以沿着桥来回移动。例如像这样工作：当操作员发出绿灯时，机器人开始以完全自主的方式沿着桥移动，在桥梁的两侧拍摄大约25000张照片。总耗时约一周，这不代表机器人工作效率慢，而是因为专心。为了正常工作，机器人需要良好的光线和能见度。如遇到夜晚，大雨天气，甚至是多云，都会停下来等待。一旦检测完成，机器人就会将其检查结果与初始扫描（参考模型）进行比较，逐个检查拍摄照片的每个扫描点，然后评估是否一切正常。由于所谓的模式分析，机器人可以自行完成评估。其配备的人工智能技术可以使它能够了解当时看到的阴影是否隐藏了问题，或者仅由云引起，抑或感知到的振动是更严重的情况或与风有关，等等。简而言之，它是一种人工智能，可以做人工智能非常擅长的事情，即分析大量数据并浏览数以万计的照片，寻找复发或异常情况，并仅将它认为需要进一步研究的那些发送给人类同事。

用于圣乔治大桥检查和维护的机器人成对的安装在桥的两侧，展示了在（新的或旧的）基础设施上安装自主机器的可能性，开启了基础设施智能化的新时代。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2024年 第3期 总第27期

（本文根据乔治梅森大学官网、Webuild 官网等资料编译整理而成）

编译 / 裴小吟

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 王硕 廖玲

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