CN115876111A - 一种桥梁健康监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁健康监测预警系统，涉及桥梁工程技术领域，包括数据采集模块、数据存储模块、桥梁结构数据分析模块以及桥梁结构健康预警模块；数据采集模块，包括若干布设于桥梁主要受力部位的变形点、架设于桥梁一侧的数码相机以及若干架设于数码相机邻近位置并共同构成参考面的主参考点；数据存储模块，用于存储各所述变形点的变形监测数据；桥梁结构数据分析模块，用于求解各变形点的三维变形值；桥梁结构健康预警模块，用于根据求解的变形点三维变形值判断桥梁结构是否异常，若异常，则发出预警。本发明提供了易于实施，数据获取方便，监测数据精确可靠，误判概率低，且能大大降低桥梁结构安全监测成本的一种桥梁健康监测预警系统。

Description

一种桥梁健康监测预警系统

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其涉及一种桥梁健康监测预警系统。

背景技术

桥梁健康监测预警是以桥梁结构为平台，运用现代电子通讯和网络技术，通过数据采集系统及时的获取桥梁结构在各种荷载作用下的响应信息，通过对信息的分析和处理实现对桥梁结构健康的预测，为桥梁的运营和维护提供依据。

目前，桥梁的健康监测已经引起社会的关注。桥梁变形监测是桥梁健康监测的重要内容，是评价桥梁安全的重要指标。通过分析桥梁的变形和位移，可以了解桥梁的变形规律，整体刚度以及结构承载力。以水准仪、经纬仪、全站仪等为代表的常规大地测量方法仍然是桥梁变形监测的重要手段，测量精度较高。另外，自动跟踪全站仪，应变仪等也是常用的监测桥梁变形的仪器设备。这些监测手段工作量大，无法监测桥梁的动态变形。

而随着科学技术的快速发展，新的监测手段被应用到桥梁健康监测当中，如GPS技术、测量机器人、三维激光扫描技术、传感器测量、激光干涉法、挠度仪等。GPS技术虽然能够自动完成监测、记录和计算，但是需要在每个点布设GPS接收机或者天线，成本较高，不适合监测点较多的大跨度桥梁，且当采样频率较高时，监测精度较低，达不到变形监测的精度要求。测量机器人虽然能够实现自动化监测，监测周期较长，无法监测桥梁的动态变形。传感器测量能够实时的监测桥梁，但需要与桥梁直接接触且只能监测桥梁的局部变形。三维激光扫描技术虽然能够监测桥梁的整体变形，但是扫描周期较长，无法监测桥梁的动态变形。激光干涉法和挠度仪法需要在目标点上分别不舍棱镜和光学标志，无法同时监测多个点。

综上所述，目前采用的监测手段有的自动化程度低，无法监测桥梁的动态变形；有的成本较高，难以在工程中推广应用；有的只能监测局部变形，无法监测桥梁的整体变形。因此，现行的监测手段很难在有限的经济成本内实现桥梁整体变形的动态监测，并对桥梁结构的安全进行预警。

发明内容

本发明的目的是提供一种桥梁健康监测预警系统，利用数码相机对桥梁核心承力部位进行连续拍照，对桥梁结构的变形实现动态监测，在保证监测结果精确可靠的前提下，大大降低桥梁结构变形的监测成本，并间接的保证桥梁结构安全。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种桥梁健康监测预警系统，包括数据采集模块、数据存储模块、桥梁结构数据分析模块以及桥梁结构健康预警模块；

数据采集模块，包括若干布设于桥梁主要受力部位的变形点、架设于桥梁一侧的数码相机以及若干架设于数码相机邻近位置并共同构成参考面的主参考点；所述数据采集模块通过连续拍照采集各所述变形点的变形监测数据；

数据存储模块，用于存储各所述变形点的变形监测数据；

桥梁结构数据分析模块，用于求解各变形点的三维变形值；

桥梁结构健康预警模块，用于根据求解的变形点三维变形值判断桥梁结构是否异常，若异常，则发出预警；

其中，所述桥梁结构数据分析模块求解各变形点的三维变形值，采用以下方式进行：

步骤1：建立三维变形坐标系统0-XYZ；

步骤2：计算变形点在物平面上的变形坐标；假设摄影中心为S点，变形点由A处变形至B处，其变形坐标为(Δx^d，Δz^d)，变形量Δx^d和Δy^d分别为：

其中，m是参考面上的摄影比例，Δx^d和Δz^d是变形点在物平面水平和竖直方向上的位移，

和/>

为相应变形点在像平面水平和竖直方向上的视差值；

步骤3：计算变形点的三维变形值；假设桥梁走向方向与摄影方向的夹角为A，变形点空间变形值在三维变形坐标系中可表示为：(Δx^dgsinA，Δx^dgcosA，Δz^d)。

通过采用上述技术方案，各变形点分别设置于桥梁结构的核心承压部位，如主梁和拱等部位；数码相机的拍摄方向与参考面垂直。监测时，在无车辆通行状态下，先用数码相机拍摄一张桥梁像片作为零像片，配合全站仪确定各参考点及变形点的初始坐标；随后，在车辆通行状态下，数据采集模块通过数码相机对各参考点及桥梁上各变形点进行连续拍照，采集各参考点及变形点在各个瞬间的坐标，并将坐标数据存储于数据存储模块中。桥梁结构数据分析模块利用采集的数据，通过解算得出各变形点的变形坐标以及其在三维变形坐标系中的三维变形值，即可得出桥梁上各变形点的动态变形数据。最后，将各个变形点的三维变形值与行业标准中的允许值进行比较，判断桥梁各核心点的变形是否超过标准允许的阈值，进而确定桥梁结构是否异常；若异常，则发出预警。通过这种方式，监测只需软件配合数码相机、全站仪等常用仪器即可完成，监测成本相对较低；其次，通过数码相机在短时间内的连续拍照，能够实现对桥梁多点的实时动态监测，且数据更为易于获取，样本数据更为充分，进而使得监测结果更为精准可靠。

本发明进一步设置为：还包括桥梁结构数据误差消除模块，用于消除变形点三维变形值的监测误差，其采用以下方式进行：

步骤1：取至少两个主参考点，计算主参考点对应像点分别在x和z方向的视差系数(a_x,b_x)和(a_z,b_z)，具体如下：

其中，(x^r',z^r')和

分别为主参考点在重心化坐标系下的像点坐标和系统视差值；

步骤2：计算变形点在参考面上改正后的位移(coΔx^d,coΔz^d)，具体如下：

/>

式中：(x^d',z^d')和

分别为变形点在重心化坐标系中的坐标和视差，/>

为/>

在重心化坐标系中对应的视差值；

步骤3：计算变形点消除误差后的三维变形值，表示为：

(coΔx^dgsinA，coΔx^dgcosA，coΔz^d)。

通过采用上述技术方案，在实际监测过程中，数码相机等仪器都是通过支架架设的；故仪器支架的移动，大气抖动，数码相机的抖动都会导致变形点像点坐标产生误差。针对监测中可能产生的误差，由于参考点的坐标理论上都是不变的(即其发生的变形值理论上为0，但实际受误差影响一般不为0)，故桥梁结构数据误差消除模块能够通过解算得出的参考点的视差值，对变形点的视差进行消除。在通过参考点的视差值消除变形点视差值中的误差部分后，能够提高变形点三维变形值监测的精确性，进一步保证监测数据的可靠性，避免对桥梁结构安全产生误判。

本发明进一步设置为：还包括桥梁结构数据监测精度评价模块，所述桥梁结构数据监测精度评价模块包括若干设置于桥梁邻近位置的副参考点，所述副参考点与数码相机的距离为50～100m；所述桥梁结构数据监测精度评价模块利用副参考点的监测误差评价对应监测时间段内监测数据的有效性。

通过采用上述技术方案，在实际监测中，即使进行了误差消除，也难以保证监测过程中不会出现偶然性事件，即在某一次的监测中，监测结果的可靠性是无法百分百保证可靠的。针对这一点，通过设置副参考点，通过监测获得的副参考点的变形值，根据副参考点变形值的大小，来判断对应监测时间段内监测数据的有效性；如果副参考点的变形值不大范围超出预设值，则判断此次监测数据有效；相反则判定此次监测数据无效。通过这种方式，能够避免偶然性事件对监测结果的影响，进一步提高桥梁结构监测数据的可靠性，降低桥梁结构安全误判的概率。

本发明进一步设置为：所述桥梁结构数据监测精度评价模块衡量桥梁整体瞬间动态变形监测精度，其采用以下方式进行：当各所述副参考点的平均监测误差小于或等于1.5mm时，判定此次监测数据有效；当各所述副参考点的平均监测误差大于1.5mm时，判定此次监测数据无效，并重复监测一次。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

(1)利用数码相机对桥梁核心承压部位进行实时坐标监测，配合桥梁结构数据分析模块对所采集的坐标数据进行实时解算，获取桥梁各核心部位的动态变形值，进而判断桥梁结构的安全性，不仅有效保证监测结果的精确和可靠性，而且易于实施，数据获取更为方便，可大大降低桥梁结构安全监测成本。

(2)通过设置桥梁结构数据误差消除模块，通过主参考点的三维变形值，对监测获取的变形点三维变形值进行误差消除，配合桥梁结构数据监测精度评价模块，提高监测数据的精确性和可靠性，降低桥梁结构安全误判的概率。

附图说明

图1是本发明一个实施例中各模块连接结构示意图；

图2是本发明一个实施例中桥梁结构数据分析模块的分析流程示意图；

图3是本发明一个实施例中桥梁结构数据误差消除模块的工作流程示意图。

附图标记：1、数据采集模块；2、数据存储模块；3、桥梁结构数据分析模块；4、桥梁结构数据误差消除模块；5、桥梁结构数据监测精度评价模块；6、桥梁结构健康预警模块。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明进行清楚、完整地描述。

参见附图1，一种桥梁健康监测预警系统，包括数据采集模块1、数据存储模块2、桥梁结构数据分析模块3以及桥梁结构健康预警模块6；其中，数据采集模块1用于采集桥梁结构的变形数据，并将其存储于数据存储模块2中；桥梁结构数据分析模块3根据数据采集模块1采集的监测数据分析桥梁结构的变形值，桥梁结构健康预警模块6根据分析得出的变形值判断桥梁结构的健康状况，并在变形值超出行业标准时发出预警。

具体的，数据采集模块1包括若干布设于桥梁核心承压部位的变形点、架设于桥梁一侧的数码相机以及若干架设于数码相机邻近位置的主参考点；其中，各主参考点位于同一平面内，并共同构成参考面，参考面与数码相机的拍摄方向垂直。其中，针对常规桥梁，其核心承压部位一般包括主梁和拱，各变形点可根据桥梁具体结构以及受力分析结果确定数量以及布设位置，只需确保桥梁的各核心承压部位均设置有变形点即可。

实际操作时，可先在桥梁无车辆通行时，通过全站仪测量数码相机、各变形点及主参考点的空间坐标，并使用数码相机拍摄一张桥梁像片作为零像片，用以确定数码相机、各变形点及主参考点的初始坐标；随后，在桥梁有车辆通行时，利用数码相机的连续拍摄功能，在1s内对桥梁进行连续拍照，获取多张像片，实现连续、动态监测。

在本实施例中，数据存储模块2可采用云存储，以提高数据流的读、写速度，也可以根据监测成本要求或者数据安全的考虑，选择常规的本地磁盘、移动硬盘、U盘等本地存储的存储方式。

参见附图2，桥梁结构数据分析模块3，可根据数码相机连续拍摄的照片，求解各变形点在拍摄过程中的三维变形值；具体的，其采用以下方式进行：

步骤1：建立三维变形坐标系统0-XYZ；通过在软件系统内建立0-XYZ坐标系统，方便确定变形点在各个瞬间的三维变形坐标，进而有助于精确解算各变形点具体的三维变形值。

步骤2：计算变形点在物平面上的变形坐标。

具体的，物平面指的是过桥梁上任一变形点并与像平面平行的虚拟平面。步骤2的计算原理为：假设摄影中心为S点，桥梁上变形点由A处变形至B处，像平面上A、B两点分别对应a、b两点，则有：

式中：(Δx^d，Δz^d)表示变形点在物平面上的变形坐标，m是参考面上的摄影比例，Δx^d和Δz^d是变形点在物平面水平和竖直方向上的位移，

和/>

为相应变形点在像平面水平和竖直方向上的视差值。

步骤3：计算变形点的三维变形值。

根据步骤2中解算得出的变形点的变形坐标，可计算得出变形点的三维变形值，具体为：假设桥梁走向方向与摄影方向的夹角为A，则变形点空间变形值在三维变形坐标系统中可表示为：(Δx^dgsinA，Δx^dgcosA，Δz^d)。

根据分析可知，桥梁结构数据分析模块3能够根据拍摄的照片解算并得出变形点前后的三维变形值；但在实际拍摄监测过程中，由于仪器支架移动、大气抖动及数码相机抖动等因素，变形点的像点坐标实际会受到误差的影响。

参见附图3，针对可能产生的误差值，本实施例所给出的桥梁健康监测预警系统还包括桥梁结构数据误差消除模块4，用以消除变形点三维变形值的监测误差；具体的，其采用以下方式进行：

步骤1：取至少两个主参考点，计算主参考点对应像点分别在x和z方向上的视差系数(a_x,b_x)和(a_z,b_z)，具体如下：

式中：(x^r',z^r')和

分别为主参考点在重心化坐标系下的像点坐标和系统视差值。由于各主参考点在重心化坐标系下的像点坐标和系统视差值均可通过拍摄获取，在确保至少采集两个主参考点监测数据的情况下，通过上式可便捷的解算得出主参考点对应像点分别在x和z方向上的视差系数(a_x,b_x)和(a_z,b_z)。

具体的，上式的解算原理具体如下：

在实际监测中，由误差引起的主参考点视差值为可以表示为：

式中：

(a_x,b_x)和(a_z,b_z)分别是x和z方向的视差系数，(c_x,d_x)分别是x和z方向固定的视差系数，(x^r,z^r)是主参考点在像平面上的坐标，

是变形像片相对于零像片的内外方位元素变化值。

其中，

是微小量，故式中二次项可忽略不计，则有：

然后对像点坐标重心化，得到主参考点在重心化坐标系下的像点坐标(x^r',z^r')和系统视差值

当/>

仅含有偶然误差时：

根据上式及各主参考点坐标信息，即可解算得出像点分别在x和z方向的视差系数(a_x,b_x)和(a_z,b_z)。

步骤2：计算变形点在参考面上改正后的位移(coΔx^d,coΔz^d)，具体为：

式中：(x^d',z^d')和

分别为变形点在重心化坐标系中的坐标和视差，

为/>

在重心化坐标系中对应的视差值。

具体的，上式的解算原理如下：

根据步骤1的原理及像点分别在x和z方向的视差系数(a_x,b_x)和(a_z,b_z)，同理可推算得出：

由误差引起的变形点的视差值可表示为：

式中：(x^d',z^d')和

分别为变形点在重心化坐标系中的坐标和视差。

对变形点进行误差修正后，其真实视差可表示为：

式中：

为变形点在重心化坐标系中修正后的视差值。

最后，变形点在参考面上修正后的真实位移为：

式中，

为变形点在参考面上修正后的位移；/>

为/>

在重心化坐标系中对应的视差值。

步骤3：计算变形点消除误差后的三维变形值，表示为：(coΔx^dgsinA，coΔx^dgcosA，coΔz^d)。

在步骤2解算得出变形点修正后位移(coΔx^d,coΔz^d)后，结合桥梁走向方向与摄影方向的夹角A，可进一步解算得出变形点消除误差后的真实三维变形值(coΔx^dgsinA，coΔx^dgcosA，coΔz^d)。

针对监测中可能产生的误差，由于参考点的坐标理论上都是不变的(即其发生的变形值理论上为0，但实际受误差影响一般不为0)，故桥梁结构数据误差消除模块4能够通过解算得出的参考点的视差值，对变形点的视差进行消除。在通过参考点的视差值消除变形点视差值中的误差部分后，能够提高变形点三维变形值监测的精确性，进一步保证监测数据的可靠性，避免对桥梁结构安全产生误判。

同时，针对监测过程中还可能出现的偶然性误差，本实施例所提供的桥梁健康监测预警系统还包括有桥梁结构数据监测精度评价模块5，用以评价对应批次监测数据的有效性。

具体的，桥梁结构数据监测精度评价模块5包括若干副参考点，各副参考点可设置于桥梁邻近位置并与上述主参考点分设于桥梁两侧。为保证评价结果可靠性，副参考点与数码相机的距离可控制在50～100m。实际监测时，其采用以下方式进行：当各所述副参考点的平均监测误差小于或等于1.5mm时，判定此次监测数据有效；当各所述副参考点的平均监测误差大于1.5mm时，判定此次监测数据无效，并重复监测一次。

在实际监测中，即使进行了误差消除，也难以保证监测过程中不会出现偶然性事件，即在某一次的监测中，监测结果的可靠性是无法百分百保证可靠的。针对这一点，通过设置副参考点，通过监测获得的副参考点的变形值，根据副参考点变形值的大小，来判断对应监测时间段内监测数据的有效性；如果副参考点的变形值不大范围超出预设值(可根据国家标准或行业标准来设定)，则判断此次监测数据有效；相反则判定此次监测数据无效。通过这种方式，能够避免偶然性事件对监测结果的影响，进一步提高桥梁结构监测数据的可靠性，降低桥梁结构安全误判的概率。

在桥梁结构数据监测精度评价模块5判定监测数据有效后，桥梁结构健康预警模块6可将变形点的三维变形值与国家标准或行业标准中允许的阈值作比较；若变形值超出标准允许的阈值，则判定桥梁结构异常，并发出预警；若未超出允许的阈值，则判定桥梁结构安全。

本实施例的工作原理是：

通过将各变形点分别设置于桥梁结构的核心承压部位，如主梁和拱等部位；数码相机的拍摄方向与参考面垂直。监测时，在无车辆通行状态下，先用数码相机拍摄一张桥梁像片作为零像片，配合全站仪确定各参考点及变形点的初始坐标；随后，在车辆通行状态下，数据采集模块1通过数码相机对各参考点及桥梁上各变形点进行连续拍照，采集各参考点及变形点在各个瞬间的坐标，并将坐标数据存储于数据存储模块2中。桥梁结构数据分析模块3利用采集的数据，通过解算得出各变形点的变形坐标以及其在三维变形坐标系中的三维变形值，即可得出桥梁上各变形点的动态变形数据。最后，在对解算得出的三维变形值进行误差消除和精度评价后，将各个变形点有效的三维变形值与国家标准或行业标准中允许的阈值进行比较，判断桥梁各核心点的变形是否超过标准允许的阈值，进而确定桥梁结构是否异常；若异常，则发出预警。

通过这种方式，监测只需软件配合数码相机、全站仪等常用仪器即可完成，监测成本相对较低；其次，通过数码相机在短时间内的连续拍照，能够实现对桥梁多点的实时动态监测，且数据更为易于获取，样本数据更为充分，进而使得监测结果更为精准可靠。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种桥梁健康监测预警系统，其特征在于：包括数据采集模块(1)、数据存储模块(2)、桥梁结构数据分析模块(3)以及桥梁结构健康预警模块(6)；

数据采集模块(1)，包括若干布设于桥梁主要受力部位的变形点、架设于桥梁一侧的数码相机以及若干架设于数码相机邻近位置并共同构成参考面的主参考点；所述数据采集模块(1)通过连续拍照采集各所述变形点的变形监测数据；

数据存储模块(2)，用于存储各所述变形点的变形监测数据；

桥梁结构数据分析模块(3)，用于求解各变形点的三维变形值；

桥梁结构健康预警模块(6)，用于根据求解的变形点三维变形值判断桥梁结构是否异常，若异常，则发出预警；

其中，所述桥梁结构数据分析模块(3)求解各变形点的三维变形值，采用以下方式进行：

步骤1：建立三维变形坐标系统0-XYZ；

步骤2：计算变形点在物平面上的变形坐标；假设摄影中心为S点，变形点由A处变形至B处，其变形坐标为(Δx^d，Δz^d)，变形量Δx^d和Δy^d分别为：

其中，m是参考面上的摄影比例，Δx^d和Δz^d是变形点在物平面水平和竖直方向上的位移，

和/>

为相应变形点在像平面水平和竖直方向上的视差值；

步骤3：计算变形点的三维变形值；假设桥梁走向方向与摄影方向的夹角为A，变形点空间变形值在三维变形坐标系中可表示为：(Δx^dgsinA，Δx^dgcosA，Δz^d)。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁健康监测预警系统，其特征在于：还包括桥梁结构数据误差消除模块(4)，用于消除变形点三维变形值的监测误差，其采用以下方式进行：

步骤1：取至少两个主参考点，计算主参考点对应像点分别在x和z方向的视差系数(a_x,b_x)和(a_z,b_z)，具体如下：

其中，(x^r',z^r')和

分别为主参考点在重心化坐标系下的像点坐标和系统视差值；

步骤2：计算变形点在参考面上改正后的位移(coΔx^d,coΔz^d)，具体如下：

式中：(x^d',z^d')和

分别为变形点在重心化坐标系中的坐标和视差，/>

为/>

在重心化坐标系中对应的视差值；

步骤3：计算变形点消除误差后的三维变形值，表示为：(coΔx^dgsinA，coΔx^dgcosA，coΔz^d)。

3.根据权利要求1或2所述的一种桥梁健康监测预警系统，其特征在于：还包括桥梁结构数据监测精度评价模块(5)，所述桥梁结构数据监测精度评价模块(5)包括若干设置于桥梁邻近位置的副参考点，所述副参考点与数码相机的距离为50～100m；所述桥梁结构数据监测精度评价模块(5)利用副参考点的监测误差评价对应监测时间段内监测数据的有效性。

4.根据权利要求3所述的一种桥梁健康监测预警系统，其特征在于：所述桥梁结构数据监测精度评价模块(5)衡量桥梁整体瞬间动态变形监测精度，其采用以下方式进行：当各所述副参考点的平均监测误差小于或等于1.5mm时，判定此次监测数据有效；当各所述副参考点的平均监测误差大于1.5mm时，判定此次监测数据无效，并重复监测一次。

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