CN104197851B - 车载桥面形态‑结构安全检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种车载桥面形态‑结构安全监测方法及系统，监测系统包括3D相机、若干激光仪、用于安装3D相机和激光仪的检测架以及桥面信号处理装置，通过监测桥面曲面变化来判断桥梁安全的结构性危害，并且可以同时测出桥面的横断面信息和纵断面信息，从而构成数字化的桥面空间曲面，提高桥梁安全监测的准确性。

Description

车载桥面形态-结构安全检测系统及方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其涉及一种车载桥面形态-结构安全检测系统及方法。

背景技术

桥梁是道路交通的重要组成部分，我国拥有的道路桥梁更是多达数百万，由于技术、经济等各方面原因，很多桥梁由于长期的超负荷运行，已经进入老年期，但鉴于目前我国的经济条件和社会需要，这些进入老年期的桥梁在今后很长时期还要继续运行，如果不及时发现并消除这些桥梁中的安全隐患，势必会造成重大的安全事故。

在现有技术中，桥梁检查分为传统的病害检测方法、常规桥检车检测以及远程健康监测系统等，但它们在实际应用中都存在各自的局限性。

目前，国内多数地区、多数桥梁仍依靠望远镜、支架等辅助仪器、设施来进行桥梁的日常检查，这种传统的桥梁检测方法存在手段落后、机动性差、成本高、耗时长、交通影响大、安全度较小、检测范围小等一系列的问题。而利用常规桥梁检测车进行检测其局限性主要有车体庞大笨重，费用高、效率低、存在人员安全隐患，明显影响正常交通的问题。远程健康监测是在桥梁结构关键部位安装传感器或视频监测系统，优点是可望及时发现病害，缺陷是一次性投入大，且维护成本高，观测点有限，很难实用于量大面广的众多桥梁。

激光路面检测车用于进行道路路面检测，技术相对较为成熟。这种检测车利用激光测距的原理，对每一个道路横断面进行扫描，从而计算得到路面平整度等信息。这种测量方法在横断面上能够保持较高的精度，而在道路的纵断面方向上，依靠车载的惯性参照系统进行车辆颠簸信息的校正，精度较差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种车载桥面形态-结构安全检测系统，通过桥面表观及桥面空间曲面变化的监测来判别当前桥梁结构的安全性，以克服现有桥梁检测技术的不足。

本发明提供的车载桥面形态-结构安全检测系统，包括检测车和检测装置，所述检测装置至少包括：所述检测装置至少包括：检测架和桥面信号处理装置以及安装在检测架上的3D相机、激光仪；所述激光仪向桥面发射激光束，所述3D相机对激光束进行扫描并采集桥面数据，并将采集到的桥面数据传到桥面信号处理装置。所述激光仪向桥面方向发射激光束，所述3D相机安装于检测架后端，3D相机对激光束进行扫描并采集桥面数据，并将采集到的桥面数据传到桥面信号处理装置。

进一步，所述的车载桥面形态-结构安全检测系统，其特征在于：所述激光仪的数量至少为四个。

进一步，所述的车载桥面形态-结构安全检测系统，检测架安装在检测车尾部，车厢内部设有滑轨，检测架安装在滑轨上，通过滑动收纳于检测车车厢内部

进一步，一种利用车载桥面形态-结构安全检测系统对桥面进行安全检测的方法，包括如下步骤：

S1.控制安装在检测车尾部检测架的四个激光仪分别向桥面方向发射激光束并形成第一检测区域，同时控制3D相机对检测区域进行拍照扫描并采集桥面信号数据；

S2.控制检测车运行至第二个数据采集点，重复步骤S1；

S3.重复步骤S2，直至获取全桥桥面的信号数据，并传输至信号处理装置。

进一步，所述步骤S2包括：控制检测车运行至第二个数据采集点，使射向桥面的激光束的前三条与在第一个数据采集点发射的激光束的后三条重合，形成第二检测区域，3D相机对第二检测区域进行扫描并采集信号数据。

进一步，通过3D相机扫描数据，将激光束形成的监测区域按检测顺序进行拼叠，获得整桥桥面曲面数据。

进一步，3D相机通过三角测量原理对拍摄扫描数据进行处理，获取桥梁横断面到激光仪的距离数据。

进一步，将整桥桥面曲面数据进行消噪处理，获取桥面结构的曲面的起伏曲线。

本发明的有益效果：本发明提供车载桥面形态-结构安全检测方法及系统，克服了现有桥梁检测技术的不足，通过桥面表观及桥面空间曲面变化的监测来判别当前桥梁结构的安全性。并且可以同时测出桥面的横断面信息和纵断面信息，从而构成数字化的桥面空间曲面，本方法和系统可以让检测者快速、安全的检测桥梁的全面的安全状况，降低了对桥梁管理人员的技术要求，消除桥梁管理人员由人工观察而产生的个体观察误差，对公共交通的影响小，提高了日常检测精度，可实现大量销量的安全评估及预警，为桥梁安全运行提供了有力的保障。同时，还降低了桥梁运行的人力成本和物力成本，提高了社会效益和经济效益。

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是本发明的桥面空间曲面检测原理图。

图2是本发明的3D相机与激光仪的结构示意图。

图3是本发明的激光仪纵桥向偏移图。

图4是本发明的激光仪横桥向偏移图。

图5是本发明的激光平面偏转图。

图6是本发明的桥梁纵向曲面变化示意图。

具体实施方式

车载桥面形态-结构安全检测系统，包括检测车和检测装置，检测装置至少包括：3D相机2、若干激光仪、用于安装3D相机2和激光仪1的检测架以及桥面3信号处理装置。其中检测车可以为一般车辆，或者专用车辆。检测架至少包括一根横梁，所述横梁安装于检测车尾部，形成悬臂梁结构，为方便使用，车厢内部可以安装一个滑轨，检测架安装在滑轨上，可以通过滑动将检测架收纳与检测车内部(其中滑轨与检测架之间的连接结构为现有技术，因此附图中没有对滑轨及检测架的结构进行表述)，也可以通过折叠、伸缩等方式来实现，这样可以在桥面3检测工作完成时，将检测架收纳至检测车内部，避免由于检测车车体过长而影响交通，也避免了检测装置遭受不必要的损耗，同时也有助于检测装置的维护与保养。信号处理装置可以为微型计算机或者由其他具有处理功能的元器件如单片机集成电路等，均可以实现本发明目的。

车载桥面形态-结构安全检测原理如图1所示，安装在监测车底部尾端的激光仪1器向桥面3发射激光束，并在桥面3形成检测区域，3D相机2对检测区域进行拍照扫描，获取桥面3横断面高差数据等，并将数据传至信号处理装置，为了保证测量的准确，也考虑到成本等其他因素，安装的激光仪1至少为4个，如图1所示，本实施例中采用4个激光仪1进行检测，激光仪1等距安装在检测架上。激光仪1发出的激光束投射到桥面3上形成一条横向的线(车辆沿桥面的通行方向为纵向，桥面宽度方向为横向)，3D相机2对其进行拍照。依靠基于3D相机2三角测量原理的处理程序对图片进行处理，求得桥梁桥面曲面起伏数据，本实施例中3D相机采用CCD相机，如图2所示，三角测量原理是激光线从一侧以一设定角度投射到被测对象表面，CCD相机从另一侧以一设定角度采集被测对象表面图像，在CCD相机的传感器上激光线显示为被测对象的一个断面。如果对象表面有起伏，激光线也相应的因被测对象表面的起伏而形成曲线，从图像中提取出沿横向(宽度方向)的曲线，得到在图像上曲线的行列信息，列为在图像上的高度，即被测对象起伏的高度。在测量前对相机进行像素的标定，形成像素级标定表，利用标定表换算像素到物坐标，即可计算出曲线对应物的实际坐标，从而获得被测桥面的3D断面起伏数据。

在本实施例中，考虑到桥面3的不平整，车辆在桥面3上行驶时必然会出现起伏颠簸，固定3D相机2的架会出现不同程度上的震动，所以实际中3D相机2测得的数据并不是连续的，必须进行后期处理才具有可用性。

在本实施例中，为了获得连续的桥面3采集数据，对车载平台的构造进行了特殊处理，如图1所示。在车尾处的检测架上安装了4个激光仪1，激光仪1向桥面3上打上四条激光束，同时3D相机2分别对其扫描采集数据，即每一个参考点可以获得四组数据。在该数据采集点采集数据完毕后，车辆行驶到下一个数据采集点，同样由激光仪1打出四条激光束，并且这四条激光束的前三条与上一数据采集点的后三条线重合，然后由3D相机2进行数据采集。因此在相邻两个数据采集点采集的数据中就各有三组数据来自于同一位置。使这三个位置上两次采集的数据能够完全重合即可把前后两个数据采集点的数据连起来，重复此过程就能获得全桥桥面3的数据。

在实际的检测过程中，由于各种因素的影响，采集的数据在上述三个重合位置上并不是相同的，会出现不同形式偏差，如图3、4、5所示的水平位置上的纵桥向偏移、横桥向偏移和平面偏转，以及在垂直方向上的高差。因此需要对偏差的数据进行处理，使其能够连续。

在本实施例中，采用相对于上一次采集的数据，对下一次采集的数据进行处理，这种处理需根据两次数据的偏差形式而定，利用最小二乘原理保证在中间三个位置上的数据的偏差控制在可接受的范围内，以使前后两次采集的数据能够拼接起来，最终能够获得足够真实的桥面3采集数据。即将所有采集到的激光横断面数据统一到一个坐标系统下，完成所有数据的参考系统一。最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。

在得到完整全桥桥面3空间曲面数据后，整个路面沿桥梁纵向的桥面3曲面变化如图6所示，由于桥面3铺装局部的不平整性可能引起桥面3曲面实测数据的非平稳震荡，对桥面3曲面实测数据进行消噪处理后得到的拟合曲线可视为桥面3结构的纵向曲面曲线。通过对历次面相监测得到的桥面3结构空间曲面进行分析比较可以判别当前桥梁结构的安全性。

本实施例中，图3、图4和图5中，细实线表示前次检测的激光束，粗实线表示后次检测的激光束。

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 (4)

1.一种车载桥面形态-结构安全检测系统，其特征在于：包括检测车和检测装置，所述检测装置至少包括：用于采集桥面状态的采集单元和与采集单元连接的信号处理单元，所述采集单元包括3D相机以及激光仪，所述采集单元设置于一检测架，所述检测架安装于检测车；

所述激光仪向桥面发射激光束并在桥面形成检测区域，且3D相机对桥面检测区域进行扫描获取检测数据，并将检测数据传输到信号处理单元；

所述向桥面发射激光束的激光仪的数量至少为四个，所述检测架至少包括一根横梁，所述横梁安装在检测车尾部形成悬臂梁结构，激光仪并沿悬臂梁长度方向等间距分布

检测车和检测装置按照如下方法进行检测：

S1.控制安装在检测车尾部检测架的四个激光仪分别向桥面方向发射激光束并形成第一检测区域，同时控制3D相机对检测区域进行拍照扫描并采集桥面信号数据；

S2.控制检测车运行至第二个数据采集点，重复步骤S1；

S3.重复步骤S2，直至获取全桥桥面的信号数据，并传输至信号处理装置；

所述步骤S2包括：控制检测车运行至第二个数据采集点，使射向桥面的激光束的前三条与在第一个数据采集点发射的激光束的后三条重合，形成第二检测区域，3D相机对第二检测区域进行扫描并采集信号数据；通过3D相机扫描数据，将激光束形成的监测区域按检测顺序进行拼叠，获得整桥桥面曲面数据。

2.一种利用权利要求1所述的车载桥面形态-结构安全检测系统对桥面进行安全检测的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1.控制安装在检测车尾部检测架的四个激光仪分别向桥面方向发射激光束并形成第一检测区域，同时控制3D相机对检测区域进行拍照扫描并采集桥面信号数据；

S2.控制检测车运行至第二个数据采集点，重复步骤S1；

S3.重复步骤S2，直至获取全桥桥面的信号数据，并传输至信号处理装置；

所述步骤S2包括：控制检测车运行至第二个数据采集点，使射向桥面的激光束的前三条与在第一个数据采集点发射的激光束的后三条重合，形成第二检测区域，3D相机对第二检测区域进行扫描并采集信号数据；通过3D相机扫描数据，将激光束形成的监测区域按检测顺序进行拼叠，获得整桥桥面曲面数据。

3.根据权利要求2所述的对桥面进行安全检测的方法，其特征在于：3D相机通过三角测量原理对拍摄扫描数据进行处理，获取桥梁横断面到激光仪的距离数据。

4.根据权利要求3所述的对桥面进行安全检测的方法，其特征在于：将整桥桥面曲面数据进行消噪处理，获取桥面结构的曲面的起伏曲线。