CN112945969B - 基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法，包括步骤：S1.建立待测空心板梁桥的三维实体模型；S2.测量随机车流下空心板梁桥铰缝两侧板的垂直位移数据；S3.对测量得到的垂直位移数据进行处理，并提取与空心板梁桥铰缝损伤相对应的相对位移比；S4.计算相对位移比对应的空心板梁桥铰缝刚度折减系数，并根据计算得到的铰缝刚度折减系数对空心板梁桥铰缝损伤程度进行定量评价。本发明使用的机器视觉测量设备具备边缘计算能力，能测量结构的微小变形，具有软件可配置、通讯灵活便捷、功耗低的特点。通过该测量仪，实现结构微变的采集与监控。

Description

基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法及系统
技术领域
本发明涉及机器视觉测量技术领域，尤其涉及基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法及系统。
背景技术
近年来我国交通运输事业迅速发展，公路桥梁建设取得了巨大成就。截至2019年末，全国共有公路桥梁87.83万座，其中中小桥占比达86.90％。空心板梁桥是上世纪90年代兴起的一种中小跨径桥型，广泛分布于各类公路和城市道路系统中，其具有建筑高度低、预制方便、用材经济等特点，是中小跨径桥梁中最常见的桥型之一，在现役桥梁中占到60％以上。铰缝是空心板梁桥实现多片主梁协同受力的部件，起着传递梁板间横向内力并约束位移的作用。国内近二十年的工程实践发现，空心板梁桥铰缝损伤病害多发，对桥梁上部结构的整体受力性能造成不利影响，导致其他次生病害，危及桥梁安全。
传统的空心板桥铰缝损伤识别主要通过人工目测或荷载试验的方法进行。人工目测通过观察梁底铰缝是否有渗水痕迹或桥面是否存在纵向裂缝来判断铰缝是否开裂，在铰缝未完全脱开的情况下，不能给出定量的损伤程度判定结果。荷载试验法判断铰缝损伤的方式是对横向分布系数进行分析，判断剪力的传递是否正常，这种方法需封闭交通，现场检测工作量大，成本较高。
针对以上弊端，工程师们逐渐开始采用结构指纹识别的方法来判断铰缝损伤程度，该方法通过对整个结构反应信息进行采集以及数据分析来了解结构状况，从而进行损伤识别与判定。目前结构指纹识别法有基于静力检测数据的相对位移法和基于动力特性的影响分析法两种。相对位移法多采用接触式测量装置对铰接缝损伤进行识别，动力特性影响法则基于铰缝损伤对结构动力特性影响的分析，运用动力学方法对铰缝损伤进行识别，但对铰缝损伤敏感的结构横向模态振型较难通过试验识别，因而可操作性不强。
综上所述，传统的人工目测、荷载试验以及目前的基于结构指纹的损伤识别技术存在不同程度的缺陷，因此亟待提出一种新型的铰缝损伤识别方法以实现高效、可靠、准确的铰缝损伤检测。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法及系统。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法，包括步骤：
S1.建立待测空心板梁桥的三维实体模型；
S2.测量随机车流下空心板梁桥铰缝两侧板的垂直位移数据；
S3.对测量得到的垂直位移数据进行处理，并提取与空心板梁桥铰缝损伤相对应的相对位移比；
S4.计算相对位移比对应的空心板梁桥铰缝刚度折减系数，并根据计算得到的铰缝刚度折减系数对空心板梁桥铰缝损伤程度进行定量评价。
进一步的，所述步骤S1具体为：
S11.收集待测桥梁图纸资料及勘察现场，并初步确定有损伤的铰缝，根据确定的有损伤的铰缝建立空心板梁三维实体模型；
S12.通过折减铰缝粘结刚度模拟建立的三维实体模型中不同程度的铰缝损伤，并定义铰缝刚度折减系数β为损伤后铰缝刚度/无损铰缝刚度，在损伤铰缝相邻一侧空心板处加载集中力；
S13.定义铰缝相对位移比α为结构指纹，并绘制相对位移比α与铰缝刚度折减系数β的关系曲线。
进一步的，所述步骤S13中铰缝相对位移比α，表示为：
Figure BDA0002916352710000021
其中，F1、F2表示受损铰缝两侧板的垂直位移数据。
进一步的，所述步骤S2具体为：
S21.将靶标固定于待测空心板梁下方；
S22.将机器视觉测量设备设置于待测空心板梁桥下方，并对机器视觉测量设备进行本地调试与设置；
S23.接收机器视觉测量设备对靶标监测的数据，当固定于待测空心板梁桥下方的靶标发生位移时，得到待测空心板梁的垂直位移数据F1、F2。
进一步的，所述步骤S3具体为：
S31.对步骤S23中得到的待测空心板梁的垂直位移数据F1、F2进行预处理，并记录在随机车流作用下某一靶标对各车辆事件数据的位移响应；
S32.定义所有车辆事件的平均位移数据|F1+F2|/2为横坐标，铰缝位移差 |F1-F2|为纵坐标，根据定义的横坐标和纵坐标绘制散点图，得到拟合曲线的斜率即为相对位移比α。
进一步的，所述步骤S32之前还包括：根据实际情况设置铰缝位移差阈值，剔除小于铰缝位移差阈值的车辆事件数据。
进一步的，所述步骤S4具体为：
S41.根据绘制的相对位移比α与铰缝刚度折减系数β的关系曲线，计算步骤 S32中得到的相对位移比α对应的铰缝刚度折减系数β；
S42.根据计算得到的铰缝刚度折减系数β判定铰缝损伤程度及所需采取的维修措施。
相应的，还提供基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别系统，包括：
建立模块，用于建立待测空心板梁桥的三维实体模型；
测量模块，用于测量随机车流下空心板梁桥铰缝两侧板的垂直位移数据；
处理模块，用于对测量得到的垂直位移数据进行处理，并提取与空心板梁桥铰缝损伤相对应的相对位移比；
评价模块，用于计算相对位移比对应的空心板梁桥铰缝刚度折减系数，并根据计算得到的铰缝刚度折减系数对空心板梁桥铰缝损伤程度进行定量评价。
进一步的，所述建立模块具体包括：
收集模块，用于收集待测桥梁图纸资料及勘察现场，并初步确定有损伤的铰缝，根据确定的有损伤的铰缝建立空心板梁三维实体模型；
模拟模块，用于通过折减铰缝粘结刚度模拟建立的三维实体模型中不同程度的铰缝损伤，并定义铰缝刚度折减系数β为损伤后铰缝刚度/无损铰缝刚度，在损伤铰缝相邻一侧空心板处加载集中力；
绘制模块，用于定义铰缝相对位移比α为结构指纹，并绘制相对位移比α与铰缝刚度折减系数β的关系曲线。
进一步的，所述测量模块具体包括：
第一设置模块，用于将靶标固定于待测空心板梁下方；
第二设置模块，用于将机器视觉测量设备设置于待测空心板梁桥下方，并对机器视觉测量设备进行本地调试与设置；
接收模块，用于接收机器视觉测量设备对靶标监测的数据，当固定于待测空心板梁桥下方的靶标发生位移时，得到待测空心板梁的垂直位移数据F1、 F2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明使用的机器视觉测量设备具备边缘计算能力，能测量结构的微小变形，具有软件可配置、通讯灵活便捷、功耗低的特点。通过该测量仪，实现结构微变的采集与监控；
2、解决了传统人工目测检测效率低、漏检事件多的缺点；
3、解决了传统荷载试验需封闭交通、现场工作量大、试验成本高的缺点；
4、解决了传统接触式检测方法适用范围小，安装工作复杂的缺点；
5、解决了传统非接触检测方法测试难度大、可操作性不强的缺点；
6、选取相对位移比α作为空心板梁桥铰缝损伤识别指纹，该指标可通过长期监测随机车流荷载下的位移响应得到，若已有桥梁健康监测系统，则可通过已有监测数据进行铰缝长期损伤的定量评价；
7、相较于其他测量方法，铰缝损伤程度识别精度高、成本低、操作简单。
附图说明
图1是实施例一提供的基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法流程图；
图2是实施例一提供的基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别装置结构图；
图3是实施例二提供的基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别系统结构图；
其中，1.空心板梁；2.靶标；3.机器视觉测量设备。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法及系统。
实施例一
本实施例提供基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法，包括步骤：
S1.建立待测空心板梁桥的三维实体模型；
S2.测量随机车流下空心板梁桥铰缝两侧板的垂直位移数据；
S3.对测量得到的垂直位移数据进行处理，并提取与空心板梁桥铰缝损伤相对应的相对位移比；
S4.计算相对位移比对应的空心板梁桥铰缝刚度折减系数，并根据计算得到的铰缝刚度折减系数对空心板梁桥铰缝损伤程度进行定量评价。
在步骤S1中，建立待测空心板梁桥的三维实体模型。具体为：
S11.收集待测桥梁图纸资料及勘察现场，并初步确定有损伤可能的铰缝，采用有限元分析软件建立空心板梁三维实体模型；
S12.通过折减铰缝粘结刚度模拟建立的三维实体模型中不同程度的铰缝损伤，并定义铰缝刚度折减系数β为损伤后铰缝刚度/无损铰缝刚度，在损伤铰缝相邻一侧空心板处加载集中力；
S13.定义铰缝相对位移比α为结构指纹，并绘制相对位移比α与铰缝刚度折减系数β的关系曲线。
铰缝相对位移比α，表示为：
Figure BDA0002916352710000051
其中，F1、F2表示受损铰缝两侧板的垂直位移数据。
在步骤S2中，测量随机车流下空心板梁桥铰缝两侧板的垂直位移数据。如图2所示，具体为：
S21.使用螺栓将靶标2固定于待测空心板梁1下方；其中，靶标采用红外背光灯设计，采用太阳能电气柜供电；
S22.在桥下假设将机器视觉测量设备3，并通过上位机(如手机、平板等) 对机器视觉测量设备进行本地调试与设置，进一步观察靶标识别情况；
S23.接收机器视觉测量设备3对靶标2监测的数据，当固定于待测空心板梁桥1下方的靶标2发生位移时(即被测桥梁发生位移，靶标坐标随之变化)，得到待测空心板梁的垂直位移数据F1、F2；其中，机器视觉测量设备3对靶标2进行实时监测，精确识别靶标2的坐标。
在步骤S3中，对测量得到的垂直位移数据进行处理，并提取与空心板梁桥铰缝损伤相对应的相对位移比。具体为：
S31.根据步骤S23中得到的待测空心板梁的垂直位移数据F1、F2，经小波分析对得到的数据进行预处理，经预处理后的数据可准确地记录在随机车流作用下某一靶标对各车辆事件数据的位移响应；
S32.定义所有车辆事件的平均位移数据|F1+F2|/2为横坐标，铰缝位移差 |F1-F2|为纵坐标，根据定义的横坐标和纵坐标绘制散点图，得到拟合曲线的斜率即为相对位移比α。
在步骤S3中还包括：由于在随机车流作用下，车辆加载位置不可控，当某些车辆横跨于铰缝之上时，导致铰缝位移差很小，这些车辆事件数据会对拟合曲线的斜率α(即相对位移比)产生影响，因此根据实际情况设置铰缝位移差阈值，剔除小于铰缝位移差阈值的车辆事件数据，提高结果精度。
在步骤S4中，计算相对位移比对应的空心板梁桥铰缝刚度折减系数，并根据计算得到的铰缝刚度折减系数对空心板梁桥铰缝损伤程度进行定量评价。具体为：
S41.根据步骤S13中绘制的相对位移比α与铰缝刚度折减系数β的关系曲线，计算步骤S32中得到的相对位移比α对应的铰缝刚度折减系数β；
S42.根据计算得到的铰缝刚度折减系数β判定铰缝损伤程度及所需采取的维修措施。
与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
1、本发明使用的机器视觉测量设备具备边缘计算能力，能测量结构的微小变形，具有软件可配置、通讯灵活便捷、功耗低的特点。通过该测量仪，实现结构微变的采集与监控；
2、解决了传统人工目测检测效率低、漏检事件多的缺点；
3、解决了传统荷载试验需封闭交通、现场工作量大、试验成本高的缺点；
4、解决了传统接触式检测方法适用范围小，安装工作复杂的缺点；
5、解决了传统非接触检测方法测试难度大、可操作性不强的缺点；
6、选取相对位移比α作为空心板梁桥铰缝损伤识别指纹，该指标可通过长期监测随机车流荷载下的位移响应得到，若已有桥梁健康监测系统，则可通过已有监测数据进行铰缝长期损伤的定量评价；
7、相较于其他测量方法，铰缝损伤程度识别精度高、成本低、操作简单。
实施例二
本实施例提供基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别系统，如图3 所示，包括：
建立模块11，用于建立待测空心板梁桥的三维实体模型；
测量模块12，用于测量随机车流下空心板梁桥铰缝两侧板的垂直位移数据；
处理模块13，用于对测量得到的垂直位移数据进行处理，并提取与空心板梁桥铰缝损伤相对应的相对位移比；
评价模块14，用于计算相对位移比对应的空心板梁桥铰缝刚度折减系数，并根据计算得到的铰缝刚度折减系数对空心板梁桥铰缝损伤程度进行定量评价。
进一步的，所述建立模块具体包括：
收集模块，用于收集待测桥梁图纸资料及勘察现场，并初步确定有损伤的铰缝，根据确定的有损伤的铰缝建立空心板梁三维实体模型；
模拟模块，用于通过折减铰缝粘结刚度模拟建立的三维实体模型中不同程度的铰缝损伤，并定义铰缝刚度折减系数β为损伤后铰缝刚度/无损铰缝刚度，在损伤铰缝相邻一侧空心板处加载集中力；
绘制模块，用于定义铰缝相对位移比α为结构指纹，并绘制相对位移比α与铰缝刚度折减系数β的关系曲线。
进一步的，所述测量模块具体包括：
第一设置模块，用于将靶标固定于待测空心板梁下方；
第二设置模块，用于将机器视觉测量设备设置于待测空心板梁桥下方，并对机器视觉测量设备进行本地调试与设置；
接收模块，用于接收机器视觉测量设备对靶标监测的数据，当固定于待测空心板梁桥下方的靶标发生位移时，得到待测空心板梁的垂直位移数据F1、 F2。
需要说明的是，本实施例提供的基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别系统与实施例一类似，在此不多做赘述。
与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
1、本发明使用的机器视觉测量设备具备边缘计算能力，能测量结构的微小变形，具有软件可配置、通讯灵活便捷、功耗低的特点。通过该测量仪，实现结构微变的采集与监控；
2、解决了传统人工目测检测效率低、漏检事件多的缺点；
3、解决了传统荷载试验需封闭交通、现场工作量大、试验成本高的缺点；
4、解决了传统接触式检测方法适用范围小，安装工作复杂的缺点；
5、解决了传统非接触检测方法测试难度大、可操作性不强的缺点；
6、选取相对位移比α作为空心板梁桥铰缝损伤识别指纹，该指标可通过长期监测随机车流荷载下的位移响应得到，若已有桥梁健康监测系统，则可通过已有监测数据进行铰缝长期损伤的定量评价；
7、相较于其他测量方法，铰缝损伤程度识别精度高、成本低、操作简单。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法，其特征在于，包括步骤：
S1.建立待测空心板梁桥的三维实体模型；
S2.测量随机车流下空心板梁桥铰缝两侧板的垂直位移数据；
S3.对测量得到的垂直位移数据进行处理，并提取与空心板梁桥铰缝损伤相对应的相对位移比；
S4.计算相对位移比对应的空心板梁桥铰缝刚度折减系数，并根据计算得到的铰缝刚度折减系数对空心板梁桥铰缝损伤程度进行定量评价；
所述步骤S1具体为：
S11.收集待测桥梁图纸资料及勘察现场，并初步确定有损伤的铰缝，根据确定的有损伤的铰缝建立空心板梁三维实体模型；
S12.通过折减铰缝粘结刚度模拟建立的三维实体模型中不同程度的铰缝损伤，并定义铰缝刚度折减系数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
为损伤后铰缝刚度/无损铰缝刚度，在损伤铰缝相邻一侧空心板处加载集中力；
S13.定义铰缝相对位移比
Figure 38369DEST_PATH_IMAGE002
为结构指纹，并绘制相对位移比
Figure 383638DEST_PATH_IMAGE002
与铰缝刚度折减系数
Figure 249962DEST_PATH_IMAGE001
的关系曲线；
所述步骤S13中铰缝相对位移比
Figure 385409DEST_PATH_IMAGE002
，表示为：
Figure 995382DEST_PATH_IMAGE004
其中，F1、F2表示受损铰缝两侧板的垂直位移数据；
所述步骤S2具体为：
S21.将靶标固定于待测空心板梁下方；
S22.将机器视觉测量设备设置于待测空心板梁桥下方，并对机器视觉测量设备进行本地调试与设置；
S23.接收机器视觉测量设备对靶标监测的数据，当固定于待测空心板梁桥下方的靶标发生位移时，得到待测空心板梁的垂直位移数据F1、F2；
所述步骤S3具体为：
S31.对步骤S23中得到的待测空心板梁的垂直位移数据F1、F2进行预处理，并记录在随机车流作用下某一靶标对各车辆事件数据的位移响应；
S32.定义所有车辆事件的平均位移数据|F1+F2|/2为横坐标，铰缝位移差|F1-F2|为纵坐标，根据定义的横坐标和纵坐标绘制散点图，得到拟合曲线的斜率即为相对位移比
Figure 899884DEST_PATH_IMAGE002
。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法，其特征在于，所述步骤S32之前还包括：根据实际情况设置铰缝位移差阈值，剔除小于铰缝位移差阈值的车辆事件数据。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S41.根据绘制的相对位移比
Figure 405951DEST_PATH_IMAGE002
与铰缝刚度折减系数
Figure 887748DEST_PATH_IMAGE001
的关系曲线，计算步骤S32中得到的相对位移比
Figure 176778DEST_PATH_IMAGE002
对应的铰缝刚度折减系数
Figure 231060DEST_PATH_IMAGE001
；
S42.根据计算得到的铰缝刚度折减系数
Figure 439187DEST_PATH_IMAGE001
判定铰缝损伤程度及所需采取的维修措施。
4.基于机器视觉测量的空心板梁桥铰缝损伤识别系统，其特征在于，包括：
建立模块，用于建立待测空心板梁桥的三维实体模型；
测量模块，用于测量随机车流下空心板梁桥铰缝两侧板的垂直位移数据；
处理模块，用于对测量得到的垂直位移数据进行处理，并提取与空心板梁桥铰缝损伤相对应的相对位移比；
评价模块，用于计算相对位移比对应的空心板梁桥铰缝刚度折减系数，并根据计算得到的铰缝刚度折减系数对空心板梁桥铰缝损伤程度进行定量评价；
所述建立模块具体包括：
收集模块，用于收集待测桥梁图纸资料及勘察现场，并初步确定有损伤的铰缝，根据确定的有损伤的铰缝建立空心板梁三维实体模型；
模拟模块，用于通过折减铰缝粘结刚度模拟建立的三维实体模型中不同程度的铰缝损伤，并定义铰缝刚度折减系数
Figure 814805DEST_PATH_IMAGE001
为损伤后铰缝刚度/无损铰缝刚度，在损伤铰缝相邻一侧空心板处加载集中力；
绘制模块，用于定义铰缝相对位移比
Figure 438684DEST_PATH_IMAGE002
为结构指纹，并绘制相对位移比
Figure 848937DEST_PATH_IMAGE002
与铰缝刚度折减系数
Figure 601867DEST_PATH_IMAGE001
的关系曲线；
铰缝相对位移比
Figure 464781DEST_PATH_IMAGE002
，表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，F1、F2表示受损铰缝两侧板的垂直位移数据；
所述测量模块具体包括：
第一设置模块，用于将靶标固定于待测空心板梁下方；
第二设置模块，用于将机器视觉测量设备设置于待测空心板梁桥下方，并对机器视觉测量设备进行本地调试与设置；
接收模块，用于接收机器视觉测量设备对靶标监测的数据，当固定于待测空心板梁桥下方的靶标发生位移时，得到待测空心板梁的垂直位移数据F1、F2；
所述处理模块具体包括：
对接收模块中得到的待测空心板梁的垂直位移数据F1、F2进行预处理，并记录在随机车流作用下某一靶标对各车辆事件数据的位移响应；
定义所有车辆事件的平均位移数据|F1+F2|/2为横坐标，铰缝位移差|F1-F2|为纵坐标，根据定义的横坐标和纵坐标绘制散点图，得到拟合曲线的斜率即为相对位移比
Figure 564455DEST_PATH_IMAGE002
。
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