CN103453892A

CN103453892A - 一种桥梁裂缝实时监测及快速预警装置

Info

Publication number: CN103453892A
Application number: CN 201310439955
Authority: CN
Inventors: 冯文贤; 唐昀超; 侯家奇; 叶敏; 邹湘军
Original assignee: South China Agricultural University; Guangdong University of Technology
Current assignee: South China Agricultural University; Guangdong University of Technology
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: CN103453892B

Abstract

本发明公开了一种桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，包括双目视觉传感器、喇叭、安全栏杆和监控系统，在桥梁的每两个桥墩之间的桥面下方安装一个组合式双目视觉传感器部件，桥梁护栏顶部每隔一段距离安装一个双目视觉传感器，所有的组合式双目视觉传感器部件和双目视觉传感器的信息采集结果都通过无线远程发送给监控主机；桥梁两端各安装一个安全栏杆，每个安全栏杆上安装一个喇叭。本发明可以实时监测并判断桥梁的裂缝大小及其危险程度，并可以对细小裂缝的突然扩大做出实时监测，以便进行维护或禁止桥上车辆的通行，提高了对突然危险的监测及预警能力。

Description

一种桥梁裂缝实时监测及快速预警装置

技术领域

本发明涉及桥梁监测领域，特别涉及一种桥梁裂缝实时监测及快速预警装置。

背景技术

建筑框架中混凝土是使用最为广泛的建筑材料。现代科学对混凝土的研究和应用实践表明：在混凝土材料结构的桥梁中，裂缝的产生是无法避免的。目前对此危险的检测多停留在人工阶段，通常使用近距离的检测仪器将裂缝放大后对宽度进行检测，裂缝的长度则是靠不精确的测量或者估计得到，这种方法需要检测人员借助道路检测或者搭架人工用设备定期进行检测，工作强度大、检测费用高且对人员安全要求很高；而且在人工检测时虽然发现了桥梁部分符合混凝土裂缝限制标准的细小裂缝，经过一段时间后，裂缝变化没有引起重视，当恶劣环境和载荷加重突然变化时，这种细小裂缝受到瞬间强压时裂缝突然扩大，由于不能实时进行检测和快速预警而产生严重后果。现有桥梁自动检测主要有三种：一是基于超声波的检测技术，但对目标裂缝的位置识别不准确，而且受环境影响因素大、误差大；二是基于单目视觉检测技术，只能获得二维坐标信息，无法获得三维坐标信息；三是人工携带的移动装置上安装双目视觉系统，但是只用一组双目视觉，既耗费大量的人力物力，且检测时间长、效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种实时监测、成本低、检测信息准确、反应速度快的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，包括双目视觉传感器、喇叭、安全栏杆和监控系统，在桥梁的每两个桥墩3之间的桥面下方安装一个组合式双目视觉传感器部件8，桥梁护栏11顶部每隔一段距离安装一个双目视觉传感器5，所有的组合式双目视觉传感器部件8和双目视觉传感器5的信息采集结果都通过无线远程发送给监控主机9；桥梁两端各安装一个安全栏杆2，每个安全栏杆2上安装一个喇叭1。

所述喇叭1用于在事故发生时快速警告车辆及行人禁止通行。

所述安全栏杆2用于在事故发生时控制桥梁的车辆出入，在无事故发生时处于通行状态，在危险发生时立即转为禁止通行状态。

所述双目视觉传感器5根据桥梁的长度每隔一定距离安装于桥梁护栏11的顶部，用于检测桥梁上层公路7的裂缝及裂缝变化。每个双目视觉传感器5的视角范围都指向正前方区域，以便监控范围能最大程度地覆盖桥面。

所述组合式双目视觉传感器部件8安装于桥面下方的悬挂框架4上。

所述组合式双目视觉传感器部件8为球形结构，包括4个圆弧形导轨；其中3个导轨位于上方用于监控桥面底部状况，每个导轨上安装有3组双目视觉传感器，每个导轨上的双目视觉传感器之间的距离可调；另外1个导轨位于下方用于监控桥墩状况，导轨上安装有1组双目视觉传感器。由于组合式双目视觉传感器部件8采用球形结构，所以从受力角度看，无论组合式视觉传感器部件8受到哪个方向的外力（例如风力），其整个球形结构都是弧面受力，可以缓冲减小冲击力，因此其受力比长方型结构的表面受力小很多，而且受力后摆动小，双目视觉传感器获得图像清晰，受噪声影响小。此外，由于组合式双目视觉传感器部件8采用了10组双目视觉传感器，可以大面积实时检测两个桥墩3之间桥梁底部最容易发生断裂区域的细小裂缝及桥梁受到瞬间强压时裂缝突然扩大的变化、并且可以实时检测桥墩3的状况，相比单一的双目视觉传感器具有更高的实时监控效率。

所述监控系统包括监控主机9和控制及无线收发装置10。

所述双目视觉传感器5采集到的信息通过无线收发装置发送给监控主机9。

所述组合式双目视觉传感器部件8的中间安装有控制及无线收发装置10，用于控制双目视觉传感器的工作并将采集到的图像信息发送给远程的监控主机9。

所述监控主机9包括图像库和图像分析系统；所述图像库，包括无裂缝图的模板样本、正常范围内的混凝土表面纹路模板样本和混凝土裂缝图像的模板样本；所述图像分析系统采集到组合式双目视觉传感器部件8和双目视觉传感器5的实时图像信号后，利用模板匹配原理，将采集到的实时图像信号与图像库中的模板样本进行模板匹配监测，以模板匹配法作为判断桥梁表面有无裂缝的依据，判断桥梁是否出现裂缝及分类划定其危险程度。

所述的混凝土裂缝图像的模板样本，包括不同宽度大小的裂缝图像模板、相同宽度不同长度的裂缝图像模板，每个裂缝图像模板均有危害和危险程度分类。其中，裂缝图像模板的危险程度分类，是综合两方面，一方面是基于专家知识的裂缝分类，即根据检测专家总结一个裂缝危害的经验来进行分类；另一方面同时参考混凝土结构设计规范对裂缝的宽度和长度进行分类，包括：GB50010—2002《混凝土结构设计规范》规定：钢筋混凝土在受拉区可以有小于0.2mm裂缝。

当采集到的图像信号与图像库中无裂缝图的模板样本、正常范围内的混凝土表面纹路模板样本相匹配时，图像分析系统就能判断桥梁在检测范围内没有出现裂缝；当采集到的图像信号与图像库中混凝土裂缝图像的模板样本相匹配时，图像分析系统就能根据图像库中每个裂缝图像模板的危害和危险程度分类情况来判断桥梁裂缝的危险程度。图像分析系统的判断时间在0.2至0.5秒时间内完成。当图像分析系统判断到有裂缝时，桥梁裂缝实时监测及快速预警装置会通过监控主机9报告控制人员对裂缝进行维修工作；当细小裂缝突然扩大并极有可能引起桥梁断裂时，系统会直接发送控制信号到安全栏杆2禁止后方上桥的车辆和行人通行，同时喇叭1放出禁止车辆或人群继续前进的警告。

由于基于双目视觉的裂缝检测的图像匹配与图像处理算法复杂，现有研究较少关注图像处理的时间问题，在目前的硬件条件下，检测速度有时超过1秒，更复杂的算法甚至需要30秒。而现实中瞬间突发性的裂缝扩大，需要在小于1秒时间内的快速检测，才能对运动在桥梁上的车辆起到报警作用。本发明采用模板匹配原理，将采集到的实时图像信号与图像库中的模板样本进行模板匹配监测，分析判断的计算过程仅需0.2至0.5秒，极大地提高了算法的速度和分析判断的快速性，更好地适应桥梁裂缝实时检测的特殊要求。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

（1）本发明可以实时监测桥梁裂缝，而且在桥梁受到瞬间强压时裂缝突然扩大等紧急情况下进行快速预警。

（2）本发明能实现全自动化并具有远程监控及操作功能，所有功能均由计算机监控，可长时间连续工作，且通用性强，适用于各种结构形式的混凝土桥梁；与现有的摄像检测技术相比，本发明有更精确的检测能力；与现有的基于超声波的检测方法相比，本发明的误差更小；与传统的人工定期监测相比，本发明减少了很多人力，并有更高效的危险预警能力。

（3）本发明采用模板匹配原理，这种方法的优点在于匹配算法较为简单、数据处理能力强、在图像变化微弱的情况下识别率高，图像处理时间和速度很快，因此，对于细小裂缝的识别和预警有着更大的优势。

（4）本发明的组合式双目视觉传感器部件为球形结构，其受力小，摆动小或无摆动，双目视觉传感器获得图像清晰，噪声影响小，可以大面积收集到桥面最容易发生断裂的两桥墩之间的区域，相比单一的双目视觉传感器有更高的实时监控效率。

附图说明

图1是安装有桥梁裂缝实时监测及快速预警装置的桥梁主视结构示意图。

图2是安装有桥梁裂缝实时监测及快速预警装置的桥梁俯视结构示意图。

图3是组合式双目视觉传感器部件的结构示意图。

图4是桥梁裂缝实时监测及快速预警装置的监控系统示意图。

图5是桥梁裂缝实时监测及快速预警装置中的模板匹配法检测图像信号流程图。

图6是本发明的模板匹配原理流程图及算法。

图中，1、喇叭；2、安全栏杆；3、桥墩；4、悬挂框架；5、双目视觉传感器；6、桥梁下层铁路；7、桥梁上层公路；8、组合式双目视觉传感器部件；9、监控主机；10、控制及无线收发装置；11、桥梁护栏。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本桥梁裂缝实时监测及快速预警装置包括：喇叭1、安全栏杆2、双目视觉传感器5、组合式双目视觉传感器部件8。桥梁结构包括：桥墩3、桥梁下层铁路6、桥梁上层公路7、桥梁护栏11，为了便于表达整个发明各部件的位置，图1中的桥梁简化了桥身剩余的长度，桥梁两端各安装一个安全栏杆2，每个安全栏杆2上安装一个喇叭1。

桥梁护栏11顶部每隔一段距离安装一个双目视觉传感器5，间隔距离视桥梁整体结构和双目视觉传感器5的摄像头可接受的视觉最大距离而定，如桥梁护栏高度为10米、桥梁宽度为12米，摄像头可接受的视觉最大距离为15米，为了保证双目视觉传感器5能发挥其最佳效果，使摄像头的视野范围能监控以桥面竖直方向对称轴左右4米内最容易发生断裂的区域，则双目视觉传感器5的安装间距为

米，用于检测桥梁上层公路7的裂缝及裂缝变化。每个双目视觉传感器5的视角范围都指向正前方区域，以便监控范围能最大程度上覆盖桥面。

在桥梁的每两个桥墩3之间的桥面下方通过悬挂框架4安装一个组合式双目视觉传感器部件8。如图3所示，所述组合式双目视觉传感器部件8为球形结构，包括4个圆弧形导轨；其中3个导轨位于上方用于监控桥面底部状况，每个导轨上安装有3组双目视觉传感器，每个导轨上的双目视觉传感器之间的距离可调；另外1个导轨位于下方用于监控桥墩状况，导轨上安装有1组双目视觉传感器。由于组合式双目视觉传感器部件8采用球形结构，所以从受力角度看，无论组合式视觉传感器部件8受到哪个方向的外力（例如风力），其整个球形结构都是弧面受力，可以缓冲减小冲击力，因此其受力比长方型结构的表面受力小很多，而且受力后摆动小，视觉获得图像清晰，受噪声影响小。此外，由于组合式双目视觉传感器部件8采用了10组双目视觉传感器，可以大面积实时检测两个桥墩3之间桥梁底部最容易发生断裂区域的细小裂缝及桥梁受到瞬间强压时裂缝突然扩大的变化、并且可以实时检测桥墩3状况，相比单一的双目视觉传感器具有更高的实时监控效率。

如图4所示，所有的组合式双目视觉传感器部件8和双目视觉传感器5的信息采集结果都通过无线远程发送给监控主机9。组合式双目视觉传感器部件8的中间安装有控制及无线收发装置10，用于控制双目视觉传感器的工作并将采集到的图像信息发送给远程的监控主机9。

所述监控主机9包括图像库和图像分析系统；所述图像库，包括无裂缝图的模板样本、正常范围内的混凝土表面纹路模板样本和混凝土裂缝图像的模板样本；所述图像分析系统采集到组合式双目视觉传感器部件8和双目视觉传感器5的实时图像信号后，利用模板匹配原理，将采集到的实时图像信号与图像库中的模板样本进行模板匹配监测，以模板匹配法作为判断桥梁表面有无裂缝的依据，判断桥梁是否出现裂缝及分类划定其危险程度。所述的混凝土裂缝图像的模板样本，包括不同宽度大小的裂缝图像模板、相同宽度不同长度的裂缝图像模板，每个裂缝图像模板均有危害和危险程度分类。其中，裂缝图像模板的危险程度分类，是综合两方面，一方面是基于专家知识的裂缝分类，即根据检测专家总结一个裂缝危害的经验来进行分类；另一方面同时参考混凝土结构设计规范对裂缝的宽度和长度进行分类，包括：GB50010—2002《混凝土结构设计规范》规定：钢筋混凝土在受拉区可以有小于0.2mm裂缝。采集到的图像信号与图像库中无裂缝图的模板样本、正常范围内的混凝土表面纹路模板样本相匹配时，图像分析系统就能判断所检测到的桥梁范围内没有出现裂缝；当采集到的图像信号与图像库中混凝土裂缝图像的模板样本相匹配时，图像分析系统就能根据图像库中每个裂缝图像模板的危害和危险程度分类情况来判断桥梁裂缝的危险程度。

如图5所示，桥梁裂缝实时监测及快速预警装置的图像信息处理流程包括：采集桥梁图像、图像预处理、图像目标匹配、阈值检测、裂缝图像边缘提取及图像二次处理、分类与决策是否裂缝突然变大。其中图像预处理主要包括均值滤波降噪。其中二次处理主要为对边缘图像进行垂直和水平的投影处理。

如图6所示，本发明的图像信息处理中模板匹配算法的流程包括：对图像进行均匀滤波降噪、在目标图像上逐行移动模板计算归一化互相关系矩阵R、分析矩阵在每个点3^*3的区域进行最大值抑制、判断归一化互相关系矩阵R>threshold的数量是否大于零，大于零则目标图像与模板匹配，否则不匹配。

图像分析系统的判断时间在0.2至0.5秒时间内完成。当图像分析系统判断到有裂缝时，桥梁裂缝实时监测及快速预警装置会通过控制及无线收发装置10远程通信报告控制人员对裂缝进行维修工作；当细小裂缝突然扩大并极有可能引起桥梁断裂时，系统会直接发送控制信号到安全栏杆2禁止后方上桥的车辆和行人通行，同时喇叭1放出禁止车辆或人群继续前进的警告。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims

1.一种桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：包括双目视觉传感器、喇叭、安全栏杆和监控系统，在桥梁的每两个桥墩之间的桥面下方安装一个组合式双目视觉传感器部件，桥梁护栏顶部每隔一段距离安装一个双目视觉传感器，所有的组合式双目视觉传感器部件和双目视觉传感器的信息采集结果都通过无线远程发送给监控主机；桥梁两端各安装一个安全栏杆，每个安全栏杆上安装一个喇叭。

2.根据权利要求1所述的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：所述双目视觉传感器根据桥梁的长度每隔一定距离安装于桥梁护栏的顶部，用于检测桥梁上层公路的裂缝及裂缝变化，每个双目视觉传感器的视角范围都指向正前方区域。

3.根据权利要求1所述的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：所述组合式双目视觉传感器部件安装于桥面下方的悬挂框架上。

4.根据权利要求1所述的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：所述组合式双目视觉传感器部件为球形结构，包括4个圆弧形导轨；其中3个导轨位于上方用于监控桥面底部状况，每个导轨上安装有3组双目视觉传感器，每个导轨上的双目视觉传感器之间的距离可调；另外1个导轨位于下方用于监控桥墩状况，导轨上安装有1组双目视觉传感器。

5.根据权利要求1所述的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：所述监控系统包括监控主机和控制及无线收发装置。

6.根据权利要求1所述的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：组合式双目视觉传感器部件的中间安装有控制及无线收发装置，用于控制双目视觉传感器的工作并将采集到的图像信息发送给远程的监控主机。

7.根据权利要求5所述的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：所述监控主机包括图像库和图像分析系统；所述图像库，包括无裂缝图的模板样本、正常范围内的混凝土表面纹路模板样本和混凝土裂缝图像的模板样本；所述图像分析系统采集到组合式双目视觉传感器部件和双目视觉传感器的实时图像信号后，利用模板匹配原理，将采集到的实时图像信号与图像库中的模板样本进行模板匹配监测，以模板匹配法作为判断桥梁表面有无裂缝的依据，判断桥梁是否出现裂缝及分类划定其危险程度。

8.根据权利要求7所述的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：所述的混凝土裂缝图像的模板样本，包括不同宽度大小的裂缝图像模板、相同宽度不同长度的裂缝图像模板，每个裂缝图像模板均有危害和危险程度分类。

9.根据权利要求7所述的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：当采集到的图像信号与图像库中无裂缝图的模板样本、正常范围内的混凝土表面纹路模板样本相匹配时，图像分析系统就能判断所检测到的桥梁范围内没有出现裂缝；当采集到的图像信号与图像库中混凝土裂缝图像的模板样本相匹配时，图像分析系统就能根据图像库中每个裂缝图像模板的危害和危险程度分类情况来判断桥梁裂缝的危险程度；图像分析系统的判断时间在0.2至0.5秒时间内完成。

10.根据权利要求9所述的桥梁裂缝实时监测及快速预警装置，其特征在于：当图像分析系统判断到有裂缝时，桥梁裂缝实时监测及快速预警装置会通过网络监控主机远程通信报告控制人员对裂缝进行维修工作；当细小裂缝突然扩大并极有可能引起桥梁断裂时，系统会直接发送控制信号到安全栏杆禁止后方上桥的车辆和行人通行，同时喇叭放出禁止车辆或人群继续前进的警告。