CN103266559B - Bp桥梁安全巡检车及获取桥梁表面面相的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BP桥梁安全巡检车及获取桥梁面相数据的方法，设备包括行走车和载于行走车上的桥梁面相采集系统，所述桥梁面相采集系统至少包括二维激光扫描装置、工业CCD相机、GPS系统、惯性导航系统和主控制器；本发明可快速、高精度获取桥面上可见桥梁外轮廓表面的三维几何形态和纹理图像数据，使用时通过由BP桥梁安全巡检车获得历史数据的综合比对分析，来判别桥梁结构的目前安全状况，以此确保桥梁的运营安全，杜绝桥梁意外垮塌事故，以此推动以人工目测为主的传统桥梁巡检方法向自动化、高效化、标准化和精确化发展，亦为高效、经济、实用、准确实施桥梁经常性安全检查。

Description

BP桥梁安全巡检车及获取桥梁表面面相的方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程及安全领域，特别涉及一种用于桥梁的检测设备及获取桥梁面相数据的方法。

背景技术

桥梁是道路交通的咽喉要道。一方面桥梁结构会随时间自然老化，另一方面交通量和车辆载重随社会经济的发展而迅速提升，促使为数不少的桥梁相继陆续提前进入老年期。鉴于目前的经济条件和社会需要，这些进入老年期桥梁在今后较长的时期内仍将处于使用状态，采取怎样经济实用并切实有效的检测措施，以识别桥梁结构目前的安全状况，以避免安全事故发生是急需解决的重大问题。

现有技术中，为保证桥梁的运营安全，分为定期检查（含特殊检查）和经常性人工安全检查两类。定期检查需搭设脚手架或借助桥检车，对桥梁主体结构作仅距离观察和测试，所需费用较高、效率较低并会影响桥上车辆正常通行，多数桥梁因此未能达到规定的定期检查频率要求；经常性安全检查要求是每月不少于一次，常用的方式是桥梁养护人员在桥面上巡查，由于可达性条件的限制，基本无法实施对桥梁主体结构的巡查，受检查手段、从业人员务的数量和素质的限制，难以及时准确发现危及桥梁安全的结构性病害，导致桥梁的经常性安全检查多为有形无实，甚至出现了日常养护记录为一类桥发生突然垮塌的灾难事例。近年日益频发的桥梁垮塌事故表明目前我们所采用的桥梁安全检查方法、手段、装备、人员及频次远不能满足安全巡检的实际需要，因此研发经济高效、及时准确检测出危及桥梁结构安全异常信息数据的装备，以避免桥梁垮塌恶性事件发生是急需解决的问题。

为解决上述问题，申请者依据桥面形态变化与桥梁结构性能的内在联系，研发基于桥梁面相学（bridge phsiognomy）原理的“BP桥梁安全巡检车”，期望以此对桥梁实施较高频次的桥梁面相（桥面几何形态及图像）数据采集，依据对历次桥梁面相数据变化规律的分析比较来获知桥梁的安全状况，以此代替桥梁日常人工安全巡检，可望实现高效经济，及时准确地发现桥梁的结构性安全问题，避免桥梁垮塌事故的发生。

因此，需要一种检测设备，具有使用方便，结构简单的特点，能够及时准确的获得桥面形态数据，并依据获得的桥面形态数据对该桥梁进行检测和安全评价，在进行检测时不影响车辆通行，经济高效、及时。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种BP桥梁安全巡检车，具有经济实用，高效检测的特点，能够及时准确的获得桥梁的桥面形态数据，并依据获得的桥面形态数据对该桥梁进行检测和安全评价，检测时并不影响桥梁通车，经济高效、及时准确的检测出危及桥梁结构安全的桥面形态异常信息，并为桥梁安全评价提供基础数据。

本发明的BP桥梁安全巡检车，包括行走车和载于行走车上的桥梁面相采集系统，所述桥梁面相采集系统至少包括：

二维激光扫描装置，用于行走车在桥面行走时获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面形态的几何数据；

工业CCD相机，用于行走车在桥面行走时获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面的表面图像纹理数据；

GPS系统和惯性导航系统，用于获取载于行走车上的桥梁面相采集系统的空间位置坐标；

主控制器，接受并存储二维激光扫描装置的几何数据、工业CCD相机的表面纹理数据及GPS系统和惯性导航系统的空间位置坐标数据，并依据上述数据得出桥面形态的三维几何数据和纹理图像。

进一步，所述桥梁面相采集系统还包括：

行走车行走距离传感器，获取行走车的行进距离并发送至主控制器用于修正GPS系统和惯性导航系统所获得的空间位置坐标；

进一步，所述桥梁面相采集系统还包括：

大气温度和湿度传感器，用于采集桥梁大气环境温度和湿度信息，并发送至主控制器；

非接触式表面温度传感器，用于采集行走车行走的桥梁表面的温度信息，并发送至主控制器；

进一步，所述二维激光扫描装置在行走车行走过程的瞬时扫描方式为在与行走车行驶方向垂直的平面内呈360度圆周环形扫描；

进一步，所述桥梁面相采集系统的二维激光扫描装置、工业CCD相机及GPS系统和惯性导航系统均固定设置于安装在行走车的同一刚性支架上。

本发明还公开了一种利用BP桥梁安全巡检车获取桥梁面相数据的方法：

a．行走车以设定速度沿桥梁桥面行车方向前进，通过GPS系统和惯导系统获取载于行走车上的桥梁面相采集系统的实时空间位置坐标；

b．二维激光扫描装置在与行走车行驶方向垂直的平面内瞬时呈360度圆周环形扫描，在空间上形成螺旋形扫描点云集，该点云集数据结合步骤a的空间位置坐标，得出桥面及桥梁附属物可见的三维几何形状；

c．与步骤b同步，通过工业CCD相机获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面的表面图像纹理数据，利用步骤b获得的三维几何形状，将工业CCD相机获得的表面纹理数据与相应的三维几何形状对应，得到桥面及桥梁附属物可见的对应表面的三维图像。

进一步，步骤a中，通过安装于行走车上的环境温度和湿度传感器获取行走车所通过桥梁的环境的温度和湿度数据；通过安装于行走车下方靠近桥面的非接触式表面温度传感器获取桥面的温度数据；步骤b和c中，利用所采集到的桥梁环境温度、湿度和桥面温度数据分析修正温度和湿度对桥面形态的影响。

步骤a中，通过行走车上安装的行走车行走距离传感器，获取行走车的行进距离并发送至主控制器用于修正GPS系统和惯性导航系统所获得的空间位置坐标。

本发明的有益效果：本发明的BP桥梁安全巡检车及获取桥梁面相数据的方法，巡检车利用二维激光扫描装置、工业CCD相机、GPS+惯导系统和旋转式光电编码器，可快速、高精度获取桥面上可见桥梁外轮廓表面的三维几何形态和纹理图像数据；通过环境温湿度传感器获取行走车所通过桥梁环境的温度和湿度数据；通过靠近桥面的非接触式表面温度传感器获取桥面的温度数据；通过由BP桥梁安全巡检车获得历史数据的综合比对分析，来判别桥梁结构的目前安全状况，建议需对桥梁进行相应维修养护的时间、工作内容及范围，以此确保桥梁的运营安全，杜绝桥梁意外垮塌事故，以此推动以人工目测为主的传统桥梁巡检方法向自动化、高效化、标准化和精确化发展，亦为高效、经济、实用、准确实施桥梁经常性安全检查，为积累保存桥梁状况技术档案和预测桥梁结构性态发展趋势提供切实有效的途径，具有重要的理论意义和工程应用背景。

本发明的BP桥梁安全巡检车可以通常速度在桥梁上行驶巡检，以此代替传统的人工以目测和经验为主的经常性检查，显著提高检查工作效率高，极大降低人工劳动成本，桥梁的巡检时间可大大缩短，有利于增加大范围桥梁巡检的频次，实现桥梁的相对高频监测，提高桥梁安全预警能力，一辆巡检车可实现高频巡检大范围区域的全部桥梁的安全状况；更重要的是BP桥梁安全巡检车为判别桥梁当前安全状况提供了量化的科学依据，为杜绝桥梁的意外重大安全事故提供了可行的途径。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的原理框图，图2为本发明的结构示意图，如图所示：本实施例的BP桥梁安全巡检车，包括行走车6和载于行走车6上的桥梁面相采集系统，所述桥梁面相采集系统至少包括：

二维激光扫描装置1，用于行走车6在桥面行走时获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面形态的几何数据；该二维激光扫描装置即为现有的二维激光测距仪，用于获取物体的表面轮廓；

工业CCD相机2，用于行走车6在桥面行走时获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面的表面图像纹理数据；

GPS系统4和惯性导航系统3，用于获取载于行走车6上的桥梁面相采集系统的空间位置坐标；惯性导航系统3为现有技术中不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统；用于获取所需要的速度、偏航角和位置等信息，以确定由于行走车的行走姿态对二维激光测距装置的几何数据的空间相对位置；属于现有技术，在此不再赘述。

主控制器8，接受并存储二维激光扫描装置1的几何数据、工业CCD相机2的表面纹理数据及GPS系统4和惯性导航系统3的空间位置坐标数据，并依据上述数据得出桥面形态的三维几何数据和纹理图像；

上述的对应表面指的是二维激光扫描装置1和工业CCD相机2能够作用的表面；二维激光扫描装置1通过扫描获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面的几何数据，桥梁附属物一般指人行道、栏杆、伸缩缝等行走车可见的附属物，而工业CCD相机2则获取对应位置的表面纹理数据，包括颜色等要素，而工业CCD相机2带校验参数，通过GPS系统4和惯性导航系统3的位置信息，以及主控制器8（采用计算机即可）的控制实现时间和空间的同步，以获得真实、准确的桥面形态三维模型（包括附属设施）；二维激光扫描装置可直接采用现有技术的扫描式二维激光测距仪，在此不再赘述。

本实施例中，所述桥梁面相采集系统还包括：

行走车行走距离传感器10，获取行走车6的行进距离并发送至主控制器8用于修正GPS系统4和惯性导航系统3所获得的空间位置坐标，以获得更为精确的三维图像，行走车行走距离传感器10可采用现有技术中的任何较为精确的距离传感器，本实施例采用安装在行走车轮轴的旋转式光电编码器，精度较高。

本实施例中，所述桥梁面相采集系统还包括：

大气温度和湿度传感器5，用于采集桥梁大气环境温度和湿度信息，并发送至主控制器；

非接触式表面温度传感器9，用于采集行走车行走的桥梁表面的温度信息，并发送至主控制器；

由于本发明为多次检测而将检测结果进行对比，用于评价桥梁的安全性，因此，每次的环境温度、湿度以及桥面的温度参数都会影响到所获取的桥面形态三维曲面模型，因而，每次检测结果需修正至同一标准环境温度、湿度以及桥面的温度参数值才具有参考意义；修正的方法及算法依据环境温度、湿度以及桥面的温度对桥梁本身的影响为现有技术，在此不再赘述。

本实施例中，所述二维激光扫描装置1在行走车行走过程的瞬时扫描方式为在与行走车行驶方向垂直的平面内呈360度圆周环形扫描；即在行走车的作用下，二维激光扫描装置1（二维激光测距仪）是在垂直于车辆行驶方向做360度环向平面扫描，车辆行驶方向作为运动维度，构成空间三维扫描系统；获取的数据为离散矢量距离点构成的点云，每一个像素包含的是一个距离值和角度值；将GPS系统4和惯性导航系统3的车行位置坐标信息融合到二维激光扫描装置二维扫描数据中去，最终形成是沿着车行方向，呈螺旋线延伸的密集的高精度点云集，得到桥面及附属结构物的三维点云图。

本实施例中，所述桥梁面相采集系统的二维激光扫描装置1、工业CCD相机2及GPS系统4和惯性导航系统3均固定设置于安装在行走车的同一刚性支架7上；以互不干扰并能获取准确参数为前提，即载于行走车6的二维激光扫描装置1、工业CCD相机2的安装位置应保证其在与行车方向垂直的视线平面内无遮挡；主控制器8（计算机）则一般设置于行走车内，以保证操作人员操作方便；大气温湿度传感器和非接触式表面温度传感器根据需要进行设置，比如非接触式表面温度传感器则需设置与桥面较近的方位等等，均为现有技术的常识，在此不再赘述。

本发明还公开了一种利用BP桥梁安全巡检车获取桥梁面相数据的方法：

a．行走车以设定速度沿桥梁桥面行车方向前进，通过GPS系统和惯导系统获取载于行走车上的桥梁面相采集系统的实时空间位置坐标；

b．二维激光扫描装置在与行走车行驶方向垂直的平面内瞬时呈360度圆周环形扫描，在空间上形成螺旋形扫描点云集，该点云集数据结合步骤a的空间位置坐标，得出桥面及桥梁附属物可见的三维几何形状；

c．与步骤b同步，通过工业CCD相机获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面的表面图像纹理数据，利用步骤b获得的三维几何形状，将工业CCD相机获得的表面纹理数据与相应的三维几何形状对应，得到桥面及桥梁附属物可见的对应表面的三维图像。

本实施例中，步骤a中，通过安装于行走车上的环境温度和湿度传感器获取行走车所通过桥梁的环境的温度和湿度数据；通过安装于行走车下方靠近桥面的非接触式表面温度传感器获取桥面的温度数据；步骤b和c中，利用所采集到的桥梁环境温度、湿度和桥面温度数据分析修正温度和湿度对桥面形态的影响。

步骤a中，通过行走车上安装的行走车行走距离传感器，获取行走车的行进距离并发送至主控制器用于修正GPS系统和惯性导航系统所获得的空间位置坐标。

本发明在使用时，利用本发明的BP桥梁安全巡检车代替传统的人工安全巡检，在待巡检的每座桥梁桥台伸缩缝或其他相对固定标志性强的部位设置特征点，对桥梁实施每月不少于一次的巡检。

对经过BP桥梁安全巡检车巡检的各桥梁，以预先设置认定的特征点为基准，将历次获得的桥梁外轮廓表面的三维几何形状数据进行分析比较，并计入环境温度、湿度和桥面温度对桥面几何形态的影响，得到桥面三维空间曲面异常变形的部位、形态及程度，为安全巡检判断桥梁结构目前安全状况提供重要的量化依据。

通过BP桥梁安全巡检车获得桥梁在桥面上可见外轮廓表面的三维图像，将历次获得的桥梁外轮廓表面的三维图像数据进行分析比较，获知桥面、人行道、栏杆等工作状况如裂缝、缺损、异常凸出或坑槽及防排水等非结构性病害的部位、形态、程度和发展状况，为安全巡检建议需进行相应维护的时间、工作内容及范围提供重要依据，以此确保人车在桥梁上的行驶安全。

通过对历次获得桥梁伸缩缝的三维几何形态的对比分析，结合相应环境温度、湿度和桥面温度对桥梁结构的影响来分析判断目前伸缩缝是否满足相应桥梁结构要求的伸缩量值；将历次获得的桥梁伸缩缝的三维图像数据进行分析比较，获知伸缩缝装置的目前工作状况及其病害发展状况，为安全巡检建议需对重要的易损桥梁部件伸缩缝进行相应维护或更换的时间、工作内容及范围提供重要依据。

总之，本发明BP桥梁安全巡检车以一定的速度沿桥梁行车方向前进，GPS系统，惯性导航系统同时观测并记录传感器的位置和姿态数据，工业CCD相机获取桥面及附属物立面表面纹理信息，二维激光测距装置同时将路面及两侧附属设施对应表面的点云数据记录下来，所有传感器都受控于放置在行走车内的主控制器（主控计算机），并通过主控制器触发脉冲来实现数据的同步采集，该过程属于现有技术，在此不再赘述。在后续的数据处理中，利用GPS系统和惯导集成技术为点云和纹理数据提供高精度的位置和姿态信息，以快速恢复出桥面形态三维模型，满足桥梁面相学判断桥梁结构安全状态的需要。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种BP桥梁安全巡检车，其特征在于：包括行走车和载于行走车上的桥梁面相采集系统，所述桥梁面相采集系统至少包括：

二维激光扫描装置，用于行走车在桥面行走时获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面形态的几何数据；

工业CCD相机，用于行走车在桥面行走时获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面的表面图像纹理数据；

GPS系统和惯性导航系统，用于获取载于行走车上的桥梁面相采集系统的空间位置坐标；

主控制器，接受并存储二维激光扫描装置的几何数据、工业CCD相机的表面纹理数据及GPS系统和惯性导航系统的空间位置坐标数据，并依据上述数据得出桥面形态的三维几何数据和纹理图像。

2.根据权利要求1所述的BP桥梁安全巡检车，其特征在于：所述桥梁面相采集系统还包括：

行走车行走距离传感器，获取行走车的行进距离并发送至主控制器用于修正GPS系统和惯性导航系统所获得的空间位置坐标。

3.根据权利要求2所述的BP桥梁安全巡检车，其特征在于：所述桥梁面相采集系统还包括：

大气温度和湿度传感器，用于采集桥梁大气环境温度和湿度信息，并发送至主控制器；

非接触式表面温度传感器，用于采集行走车行走的桥梁表面的温度信息，并发送至主控制器。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的BP桥梁安全巡检车，其特征在于：所述二维激光扫描装置在行走车行走过程的瞬时扫描方式为在与行走车行驶方向垂直的平面内呈360度圆周环形扫描。

5.根据权利要求4所述的BP桥梁安全巡检车，其特征在于：所述桥梁面相采集系统的二维激光扫描装置、工业CCD相机及GPS系统和惯性导航系统均固定设置于安装在行走车的同一刚性支架上。

6.一种利用BP桥梁安全巡检车获取桥梁面相数据的方法，其特征在于：

a.行走车以设定速度沿桥梁桥面行车方向前进，通过GPS系统和惯导系统获取载于行走车上的桥梁面相采集系统的实时空间位置坐标；

b.二维激光扫描装置在与行走车行驶方向垂直的平面内瞬时呈360度圆周环形扫描，在空间上形成螺旋形扫描点云集，该点云集数据结合步骤a的空间位置坐标，得出桥面及桥梁附属物可见的三维几何形状；

c.与步骤b同步，通过工业CCD相机获取桥面及桥梁附属物可见的对应表面的表面图像纹理数据，利用步骤b获得的三维几何形状，将工业CCD相机获得的表面纹理数据与相应的三维几何形状对应，得到桥面及桥梁附属物可见的对应表面的三维图像。

7.根据权利要求6所述的获取桥梁面相数据的方法，其特征在于：步骤a中，通过安装于行走车上的环境温度和湿度传感器获取行走车所通过桥梁的环境的温度和湿度数据；通过安装于行走车下方靠近桥面的非接触式表面温度传感器获取桥面的温度数据；步骤b和c中，利用所采集到的桥梁环境温度、湿度和桥面温度数据分析修正温度和湿度对桥面形态的影响；

步骤a中，通过行走车上安装的行走车行走距离传感器，获取行走车的行进距离并发送至主控制器用于修正GPS系统和惯性导航系统所获得的空间位置坐标。