CN113375585A - 一种用于桥梁实时监测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于桥梁实时监测的装置及方法，装置包括设置在桥梁结构件上的反光棱镜以及设置在桥墩或外部平台上的测量基站模组，所述测量基站模组朝向反光棱镜，用于测量其与反光棱镜之间的距离；本发明通过安装在桥梁外部的光学精密测量装置，来对结构件的形变进行测量，避免了目前桥梁监测所存在的弊病，对于桥梁的监测和养护具有很重大的意义。

Description

一种用于桥梁实时监测的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于桥梁实时监测的装置及方法。

背景技术

现在通用的桥梁监测方式是在桥梁的结构件上埋设、粘贴传感器，这些传感器是金属的或者是光纤的呈条状，跟结构体粘贴或者埋设紧密，当桥梁结构产生形变的时候，传感器的物理量发生变化，金属片被拉长或者是光纤被扭曲，通过测量物理量(电压、激光相位)等的变化，来判断桥梁的结构是否安全。这种桥梁检测的方式存在着两个弊端，第一，传感器不断的随着桥梁构建的形变而形变，而这种形变是每时每刻都发生的，因此传感器的寿命一般都不会长。从而给传感器的维护带来很大的不便。第二，传感器是有方向性的，一般只能够监测桥梁的纵向形变或者位移，而不能监测到横向的位移。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于桥梁实时监测的装置及方法，通过安装在桥梁外部的仪器对结构件的形变进行测量，避免目前技术中存在的上述问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于桥梁实时监测的装置，其包括设置在桥梁结构件上的反光棱镜以及设置在桥墩或外部平台上的测量基站模组，所述测量基站模组朝向反光棱镜，用于测量其与反光棱镜之间的距离。

进一步的，所述反光棱镜采用粘贴或螺纹连接布设在桥梁的应力集中点上。紧固连接，当桥梁结构件发生位移或形变变化时反光棱镜也同步发生变化。

进一步的，所述反光棱镜包括用于与桥梁连接的安装杆、设置在安装杆底部的棱镜镜头以及设置在安装杆上的标识板，所述棱镜镜头有3个，且倾斜向下设置，多个棱镜镜头呈圆形阵列布置，也可选用360°全方位反射棱镜。

进一步的，所述测量基站模组包括云台以及设置在云台上的激光测量模组，所述云台固定安装在桥墩或外部平台上。

进一步的，所述激光测量模组包括壳体、设置在壳体内的望远镜头以及激光发射接收器。

进一步的，在壳体内还设有视频采集卡、驱动云台运动的含微处理器的系统控制集成电路板以及与外部通信的电路板，在壳体上还安装有天线。

一种桥梁监测方法，其包括如下步骤：

步骤一：建立三维直角坐标系，确定测量基站模组的三维坐标，记为(x₁,y₁,Z₁)；

步骤二：使用人工方法操作测量基站模组测定某一反光棱镜的起始坐标X(x₀,y₀,Z₀)，并记录此时测量基站模组的水平角α，俯仰角β；

步骤三：设定测量基站模组的测量时间间隔，在每一组水平角与俯仰角的位置对准棱镜，达成粗瞄准，再经过人工智能的目视识别技术，辨认反光棱镜(4)的中心位置，驱动云台上的望远镜进行精确瞄准；

步骤四：测量基站模组自动测量其到反光棱镜的距离R；

步骤五：通过测定的距离，计算当前反光棱镜X点的三维坐标值X′(x′₀,y′₀,Z′₀)，比较X,X′，即可得到相对于X,Y,Z轴向桥梁构建的位移量，Δx＝|x₀-x′₀|,ΔY＝|y₀-y′₀|,ΔY＝|Z₀-Z′₀|，如果超过最大允许变形量，测量基站模组则通过通信模块发送警报到相关部门，进行预警。

进一步的，每一个测量单元，所述测量基站模组的数量均为四个，分别记为A、B、C、D，反光棱镜的数量一个；在工程布置中，会布设大量的反光棱镜在桥梁构建的应力集中部位，要确保每一个反光棱镜至少有四个基站能够对其进行测量。

在步骤一中的四个测量基站模组的坐标分别记为A(x₁,y₁,Z₁)、B(x₂,y₂,Z₂)、C(x₃,y₃,Z₃)、D(x₄,y₄,Z₄)；

在步骤二中四个测量基站模组的水平角和俯仰角分别对应记为α_A，β_A、α_B，β_B、α_C，β_C、α_D，β_D；

在步骤三中，四个测量基站模组到该反光棱镜的距离R记为AX＝R₁,BX＝R₂,CX＝R₃,DX＝R₄；

重复步骤四和步骤五，即可测定所有反光棱镜的三维坐标和变形量，进行差值，即可得到整个桥梁的各个方向的变形量。

进一步的，在步骤五中，当前反光棱镜X点的三维坐标计算满足如下方程组：

经过推导可得出以下矩阵方程组：

其中：

由于四个测量基站模组的坐标都是已知的，且其到反光棱镜的距离R₁,R₂,R₃,R₄通过测量可得，从而可以求得该反光棱镜的坐标(x′₀,y′₀,Z′₀)。

进一步的，在步骤四中，在测量基站模组测量其到反光棱镜的距离时，测量基站模组的云台进行水平和俯仰的旋转，使测量基站模组的望远镜头对准反光棱镜，再通过人工智能的目视识别方法，识别棱镜中心，发射激光测距得到基站到反光棱镜的距离R；

测量基站模组内屏蔽视频采集卡的感光芯片，只保留一个通过传感器中心的垂直窄条带，摄像头水平旋转，将目标点套入垂直条带中；感光芯片，只保留一个通过传感器中心的水平窄条带，摄像头垂直旋转，将目标点套入水平条带。此时，目标即在镜头的中心，瞄准完成。

本发明的积极效果为：本发明通过安装在桥梁外部的光学精密测量装置，来对结构件的形变进行测量，避免了目前桥梁监测所存在的弊病，对于桥梁的监测和养护具有很重大的意义。

本发明的反光棱镜通过粘贴或者螺纹连接布设在桥梁的结构件上，由于是点连接，所以寿命较长易于维护。

我国是世界上公路通车里程最多的国家之一，再这些公路上存在着大量的桥梁。桥梁在建成后，由于受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素，以及长期在静载和活载的作用下易于受到损坏，相应地其强度和刚度会随时间的增加而降低。这不但会影响行车的安全，并会使桥梁的使用寿命缩短。为了能够对桥梁的健康情况进行监测避免事故的发生，工程技术人员采取了多种的科技方法。目前最常用的方法就是在桥梁上植入各类的传感器，以昂船洲大桥为例，桥梁布设了1271个各类传感器。本发明有如下三大优势：第一，可以从桥梁的整体和全局来判断桥梁的健康状况。由于传统方案传感器都是在局部布设的，并且每种传感器监测的异常不同，所以目前的监测都是显示的桥梁局部的异常，局部的异常往往无法判断桥梁整体的健康情况，对桥梁危险的预警能力有限。而我们的方案是在桥梁外部进行的测量，将各个部位的位移或者形变综合起来就可以反应桥梁的整体情况，便于预警。

第二，传统方案的传感器都是刚性连接或者预埋在桥梁构件之中，无法进行标定。任何传感器都是需要标定才能准确计量的，所以传感器在前几年较为准确，随着时间的推移，其准确性就大大降低。而我们的测量装置是独立与桥梁的，可以随时进行校准和标定，大大提高了监测精度。

第三，成本较低。传统的传感器监控方案，例如位移计，其作用的范围仅仅是米级的，那么对于一个几千米的桥梁来说，需要布设大量的传感器。成本很高，如鄂东大桥的监测系统投资1300万。后期维护的成本也很高昂。而本发明的方案在桥梁构建的住应力部位布设即可，大大降低了监控成本。

因此本发明在全局性、准确性和成本方面都大大低于目前的监控技术，非常值得推广。

附图说明

图1为本发明监测装置结构示意图；

图2为本发明反光棱镜结构示意图；

图3为本发明测量基站模组结构示意图；

图4为本发明激光测量模组结构示意图；

图5、图6为本发明瞄准方法原理图。

具体实施方式

如附图1-4所示，本发明提供了一种用于桥梁实时监测的装置，包括安装在桥梁1结构件上的反光棱镜4以及设置在桥墩2或外部平台上的测量基站模组3，测量基站模组3朝向反光棱镜4，且下部结构稳定，通视条件好，可以尽可能多的看到反光棱镜4。反光棱镜4布设在桥梁的结构件上，一般是粘贴或者螺纹连接，由于是点连接，所以寿命较长易于维护，反光棱镜的布设位置要考虑应力集中点。

测量基站模组3包括高精度云台以及设置在云台上的激光测量模组，所述云台固定安装在桥墩2或外部平台上，激光测量模组主要是通过激光照射反光棱镜，测量其到达测量点(反光棱镜4)的距离。高精度云台提供水平和俯仰角度的变化，驱动激光测量模组对反光棱镜进行瞄准，并记录俯仰角度。

激光测量模组包括壳体301、设置在壳体301内的望远镜头302以及激光发射接收器303，在壳体301内还有视频采集卡、驱动云台运动的带微处理器的系统控制集成电路板以及与外部通信的电路板，在壳体301上还安装有天线，视频采集卡包含感光芯片及其附属的集成电路。云台内的微处理器可记录云台转动精确的水平角与俯仰角，每一组水平角和俯仰角定位一个反光棱镜。由于布设在桥梁上的反光棱镜的位置是不同的，因此水平角和俯仰角是唯一的。云台定期巡航，在每一组水平角与俯仰角的位置对准棱镜，达成粗瞄准。再经过人工智能的目视识别技术，辨认棱镜的中心位置，驱动云台上的望远镜进行精确瞄准。激光测距模组进行距离测量。

激光测量模组的主要工作原理是，由望远镜头302对反光棱镜4进行瞄准，然后发射激光，通过测量激光的反射时间或者是相位差测得测量基站模组3与反光棱镜4的距离，通过几个测量基站模组3对反光棱镜的测量即可算出被测量棱镜的三维坐标。同时将三维坐标进行不同时间轴的比较，即可得到桥梁构建的相对位移量或形变量。

进一步的，反光棱镜包括用于与桥梁1连接的安装杆401、设置在安装杆401底部的棱镜镜头403以及设置在安装杆401上的标识板402，所述棱镜镜头403有3个，且倾斜向下设置，多个棱镜镜头403呈圆形阵列布置。由三个普通的反射棱镜组成，每个镜头棱镜入射角度60°以内都能够垂直反射，因此三个棱镜可以保证任何角度的基站均可以对其进行测量，或者采用360°全反射棱镜。棱镜镜头403用来反射激光照射，标识板图402为了方便瞄准和目标标识，安装杆403与建筑构建进行粘连或者螺纹连接等部件组成。

本发明还提供了一种桥梁监测方法，在本实施例中，一个测量单元为一个反光棱镜4和4个测量基站模组3的。4个测量基站模组3分别记为A、B、C、D，

其包括如下步骤：

步骤一：建立三维直角坐标系，测定测量基站模组的三维坐标。使用测量设备如全站仪，在桥梁建筑外部，通视条件好，地基基础比较稳固的地方，确定一个原点，建立一个直角三维坐标系。该坐标系也可以通过联测与大地地理坐标统一。也可以是一个独立的相对坐标系。通过测量来测出全部基站的三维坐标。如图1，基站A、B、C、D坐标分别为A(x₁,y₁,Z₁)B(x₂,y₂,Z₂)C(x₃,y₃,Z₃)D(x₄,y₄,Z₄)。

步骤二：使用人工的方法操作测量基站模组3测定反光棱镜的起始坐标X(x₀,y₀,Z₀)。并将测量基站模组的水平角α，俯仰角β，在本实施例中则是A点对应的α_A，β_A。B对应的α_B，β_B。C对应的α_C，β_C。D对应的α_D，β_D。记录在测量基站模组3的控制卡中。

步骤三：设置基站的测量时间间隔，并写入测量基站模组的控制卡中。

步骤四：全自动测量，测量测量基站模组到反光棱镜的距离。在测量的指令发出后，测量基站模组控制卡控制高精度云台进行水平和俯仰的旋转，使测量基站模组的望远镜头初步对准反光棱镜。然后通过机器识别的算法，识别反光棱镜中心，再进行更高精度的瞄准，发射激光测距得到测量基站模组到反光棱镜的距离R。在本例中即得到AX＝R₁,BX＝R₂,CX＝R₃,DX＝R₄。

在该步骤中，采用如下方法进行瞄准：如图5所示，屏蔽视频采集卡的感光芯片，只保留一个通过传感器中心的垂直窄条带，摄像头水平旋转，将目标点(+)套入垂直条带中；如图6所示，屏蔽视频采集卡内的感光芯片，只保留一个通过传感器中心的水平窄条带，摄像头垂直旋转，将目标点(+)套入水平条带。此时，目标即在镜头的中心，瞄准完成。

步骤五：通过测定的距离，计算当前反光棱镜X点的三维坐标值X′(x′₀,y′₀,Z′₀),计算公式如下：

该反光棱镜满足下列方程组

该方程经过推导可得出以下矩阵方程组：

其中：

由于四个测量基站模组的坐标都是已知的，其到反光棱镜X点的距离R₁，R₂，R₃，R₄通过测量可得，从而可以求得(x′₀,y′₀,Z′₀)。

比较X,X′,即可得到相对于X,Y,Z轴向桥梁构建的位移量(变形量)。Δx＝|x₀-x′₀|,ΔY＝|y₀-y′₀|,ΔY＝|Z₀-Z′₀|。根据设计规范或设计文件来查找三个方向的最大允许变形，如果超过最大允许变形量，测量基站模组则通过通信模块发送警报到相关部门，进行预警。

重复步骤四和步骤五，即可测定所有棱镜点的三维坐标，和各个点的变形量，进行差值，即可得到整个桥梁的各个方向的变形量。达到了全桥监测的目的。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于桥梁实时监测的装置，其特征在于其包括设置在桥梁(1)结构件上的反光棱镜(4)以及设置在桥墩(2)或外部平台上的测量基站模组(3)，所述测量基站模组(3)朝向反光棱镜(4)，用于测量其与反光棱镜(4)之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种用于桥梁实时监测的装置，其特征在于所述反光棱镜(4)采用粘贴或螺纹连接布设在桥梁(1)的应力集中点上。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于桥梁实时监测的装置，其特征在于所述反光棱镜(4)包括用于与桥梁(1)连接的安装杆(401)、设置在安装杆(401)底部的棱镜镜头(403)以及设置在安装杆(401)上的标识板(402)，所述棱镜镜头(403)有3个，且倾斜向下设置，多个棱镜镜头(403)呈圆形阵列布置。

4.根据权利要求1所述的一种用于桥梁实时监测的装置，其特征在于所述测量基站模组(3)包括云台以及设置在云台上的激光测量模组，所述云台固定安装在桥墩(2)或外部平台上。

5.根据权利要求4所述的一种用于桥梁实时监测的装置，其特征在于所述激光测量模组包括壳体(301)、设置在壳体(301)内的望远镜头(302)以及激光发射接收器(303)。

6.根据权利要求5所述的一种用于桥梁实时监测的装置，其特征在于在壳体(301)内还设有视频采集卡、驱动云台运动的含微处理器的系统控制集成电路板以及与外部通信的电路板，在壳体(301)上还安装有天线。

7.一种桥梁监测方法，其特征在于其包括如下步骤：

步骤一：建立三维直角坐标系，确定测量基站模组(3)的三维坐标，记为(x₁,y₁,z₁)；

步骤二：使用人工方法操作测量基站模组(3)测定某一反光棱镜(4)的起始坐标X(x₀,y₀,z₀)，并记录此时测量基站模组(3)的水平角α，俯仰角β；

步骤三：设定测量基站模组(3)的测量时间间隔，使云台定期巡航，在每一组水平角与俯仰角的位置对准棱镜，达成粗瞄准，再经过人工智能的目视识别技术，辨认反光棱镜(4)的中心位置，驱动云台上的望远镜进行精确瞄准；

步骤四：测量基站模组(3)自动测量其到反光棱镜的距离R；

步骤五：通过测定的距离，计算当前反光棱镜X点的三维坐标值X′(x′₀，y′₀，z′₀)，比较X,X′，即可得到相对于X,Y,Z轴向桥梁构建的位移量，Δx＝|x₀-x′₀|,ΔY＝|y₀-y′₀|,ΔY＝|z₀-z′₀|，如果超过最大允许变形量，测量基站模组(3)则通过通信模块发送警报到相关部门，进行预警。

8.根据权利要求7所述的一种桥梁监测方法，其特征在于所述测量基站模组(3)的数量均为四个，分别记为A、B、C、D，反光棱镜的数量也为四个；

在步骤一中的四个测量基站模组(3)的坐标分别记为A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)、C(x₃,y₃,z₃)、D(x₄,y₄,z₄)；

在步骤二中四个测量基站模组(3)的水平角和俯仰角分别对应记为α_A，β_A、α_B，β_B、α_C，β_C、α_D，β_D；

在步骤三中，四个测量基站模组(3)到该反光棱镜的距离R记为AX＝R₁,BX＝R₂,CX＝R₃,DX＝R₄；

重复步骤四和步骤五，即可测定所有反光棱镜的三维坐标和变形量，进行差值，即可得到整个桥梁的各个方向的变形量。

9.根据权利要求8所述的一种桥梁监测方法，其特征在于在步骤五中，当前反光棱镜X点的三维坐标计算满足如下方程组：

经过推导可得出以下矩阵方程组：

其中：

由于四个测量基站模组(3)的坐标都是已知的，且其到反光棱镜的距离R₁,R₂,R₃，R₄通过测量可得，从而可以求得该反光棱镜的坐标(x′₀,y′₀,z′₀)。

10.根据权利要求7所述的一种桥梁监测方法，其特征在于在步骤四中，在测量基站模组(3)测量其到反光棱镜的距离时，测量基站模组(3)的云台进行水平和俯仰的旋转，使测量基站模组(3)的望远镜头对准反光棱镜，通过人工智能的目视识别方法，识别棱镜中心，发射激光测距得到基站到反光棱镜的距离R；

测量基站模组(3)内屏蔽视频采集卡的感光芯片，只保留一个通过传感器中心的垂直窄条带，摄像头水平旋转，将目标点套入垂直条带中；感光芯片，只保留一个通过传感器中心的水平窄条带，摄像头垂直旋转，将目标点套入水平条带；此时，目标即在镜头的中心，瞄准完成。

Images