橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

肖玉德（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

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橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

肖玉德
（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

摘 要：文章主要研究了橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行了介紹，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的圖像處理、機(jī)械伸縮以及圖像采集三大模塊的功能，同時(shí)也詳細(xì)研究了整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)該系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)定。就實(shí)際的橋梁裂縫進(jìn)行標(biāo)測(cè)實(shí)驗(yàn)，最后得出當(dāng)橋梁裂縫寬度在0.4mm以上時(shí)測(cè)得的相對(duì)誤差很小，在5%左右，當(dāng)裂縫的寬度在0.4mm以下時(shí)相對(duì)誤差相對(duì)較大，在12%左右。

關(guān)鍵詞：橋梁檢測(cè)；裂縫識(shí)別；圖像處理

隨著我國(guó)綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，公路橋梁事業(yè)也得到日益發(fā)展，高速公路及鐵路的橋梁隨之也越來(lái)越多，近年來(lái)我國(guó)大部分公路橋梁都開(kāi)始逐步進(jìn)入日常保養(yǎng)和正常使用并行的階段，因此對(duì)橋梁維護(hù)者的專業(yè)素養(yǎng)尤其是檢測(cè)效率提出了很高的要求。為了適應(yīng)公路運(yùn)輸載重量不斷發(fā)展的要求，充分利用現(xiàn)有的公路橋梁，使之能繼續(xù)安全地為公路運(yùn)輸服務(wù)，在實(shí)際的養(yǎng)護(hù)作業(yè)中必須對(duì)橋梁的相關(guān)安全技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)確保使之符合橋梁安全技術(shù)規(guī)范。橋梁裂縫寬度的檢測(cè)是橋梁病害檢測(cè)的主要任務(wù)之一?，F(xiàn)行的檢測(cè)方法中，使用人工進(jìn)入橋下底面或者是橋檢車輛進(jìn)行人眼檢測(cè)，不僅不能保障作業(yè)人員的安全，檢測(cè)精度尤其是檢測(cè)效率相當(dāng)?shù)拖隆Ｒ虼?，關(guān)于機(jī)器視覺(jué)的橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具在橋梁檢測(cè)中具有相當(dāng)實(shí)用的意義。目前在的橋梁裂縫快速檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中，較為理想的技術(shù)方案是基于圖像處理法［1］的裂縫寬度的自動(dòng)識(shí)別方法。

1　橋梁檢測(cè)技術(shù)介紹

橋梁檢測(cè)是橋梁運(yùn)行養(yǎng)護(hù)管理的重要內(nèi)容，由于目前的橋梁檢測(cè)手段比較落后，如何提高橋梁檢測(cè)技術(shù)成了擺在我們前的難題。如下圖1所示的傳統(tǒng)檢測(cè)方法一般為人工檢測(cè)，利用人字梯、爬梯等一般輔助工具檢查，由于高度有限，加之橋梁的下方多為人不易到達(dá)的區(qū)域，設(shè)備不便攜帶，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，因此涉及橋梁安全性的關(guān)鍵構(gòu)件漏檢情況普遍存在；如果是水面通常需要租用測(cè)量船實(shí)施檢測(cè)；如果是平地，一般利用腳手架等大型舉升設(shè)備將人員舉升后實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，雖可以檢查到大部分關(guān)鍵構(gòu)件，但由于成本高、耗時(shí)等原因，無(wú)法保證檢查效率；如果是山地通常檢測(cè)人員要攀登到一定高度進(jìn)行檢測(cè)或者利用橋檢車等大型檢查設(shè)備檢查，雖然能保證檢查效果，但不適于經(jīng)常檢查，首先，橋梁存量大而橋檢車保有量小，供不應(yīng)求，其次，橋檢車采購(gòu)、租用的高額成本限制了設(shè)備的使用，另外，橋檢車檢查時(shí)需要占道或封路作業(yè)，嚴(yán)重影響交通效率和行人安全，只能局限于特殊檢查；上述情況，效率低，安全性差，檢測(cè)費(fèi)用高，無(wú)法滿足現(xiàn)代橋梁發(fā)展的速度。本文提供的這種橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)，該裝置操作起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單方便，同時(shí)它的體積很小、重量很輕便于攜帶，更重要的是有著很高的檢測(cè)效率［2］。

圖1　傳統(tǒng)橋檢方法

2　檢測(cè)系統(tǒng)的組成及各部分的功能

該裝置采用便攜式輕型設(shè)計(jì)，可方便的卡放在橋梁的護(hù)欄上；采用垂直和水平相結(jié)合的伸縮機(jī)構(gòu)，再加上攝像機(jī)和水平伸縮桿的360度的轉(zhuǎn)動(dòng)，極大地增加了視覺(jué)范圍；操作終端采用觸摸屏平板電腦，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于 windows7系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信采用無(wú)線Wi-Fi技術(shù)，操作者可以手持電腦，在橋面上安全位置對(duì)橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的進(jìn)行遙視檢查；采用高效能LED遠(yuǎn)射照明燈，遠(yuǎn)、近光獨(dú)立控制設(shè)計(jì)，可滿足支座等橋下暗區(qū)處的輔助照明［3］；本裝置采用12V高效電池供電，電池待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定。該橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如下圖2所示。

圖2　整體架構(gòu)圖

2.1橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)械、圖像采集以及圖像處理三大模塊組成，其中圖像處理模塊采用松下平板，基于自己開(kāi)發(fā)的圖像處理軟件；機(jī)械模塊主要包括固定裝置、伸縮裝置以及旋轉(zhuǎn)裝置；圖像處理模塊包括激光測(cè)距儀、照明和相機(jī)三部分。

圖3　機(jī)械、圖像采集以及圖像處理三大模塊

2.2各部的分功能

（1）裂縫的捕捉和計(jì)算圖像處理模塊。圖像處理模塊的主要功能是將采集到的圖片進(jìn)行處理計(jì)算裂縫的寬度，在圖像處理中的目標(biāo)主要還是裂縫寬度，所以在識(shí)別完裂縫后即開(kāi)始對(duì)圖像應(yīng)用halcon軟件開(kāi)發(fā)的圖像處理軟件進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換處理計(jì)算出橋梁裂縫的寬度。

（2）機(jī)械模塊。機(jī)械模塊是整個(gè)系統(tǒng)的骨架，它主要將圖像采集模塊運(yùn)送到橋梁下面，結(jié)合相機(jī)云臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)和行程范圍內(nèi)的伸縮，通過(guò)手動(dòng)控制使相機(jī)定位到橋梁下表面有病害的區(qū)域進(jìn)行圖像采集。

（3）圖像采集模塊。圖像采集模塊的主要功能是對(duì)橋梁下面病害的圖像進(jìn)行采集，測(cè)量距離、LED照明燈對(duì)光線比較暗的區(qū)域照明。相機(jī)對(duì)橋下病害區(qū)域進(jìn)行拍照保存并且通過(guò) WiFi發(fā)送到圖像處理模塊，激光測(cè)距儀既可以測(cè)量距離也可以測(cè)量角度，LED燈對(duì)光線不是很強(qiáng)的地方進(jìn)行照明一邊拍攝到清晰的圖像。

3　檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

這種橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)平時(shí)需要一個(gè)設(shè)備箱足以將其裝在里面，在具體檢測(cè)使用的時(shí)候，先打開(kāi)設(shè)備箱，取出檢查設(shè)備，將攝像機(jī)安裝在機(jī)械伸縮桿上面，并檢查其穩(wěn)定性確保其安全；撐開(kāi)機(jī)械伸縮干的固定裝置將其穩(wěn)定的放在橋梁護(hù)欄上面，滑動(dòng)滑塊使其緊緊地貼靠在護(hù)欄上，調(diào)整頂支架使其頂住護(hù)欄一側(cè)，擰緊螺釘將其穩(wěn)定的固定在橋梁上面。在這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中的機(jī)械伸縮桿和云臺(tái)的配合下能夠?qū)崿F(xiàn)相機(jī)在水平方向和垂直方向任意的旋轉(zhuǎn)與伸縮。取出平板電腦并啟動(dòng)，同時(shí)打開(kāi)設(shè)備電源，遙控電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使攝像機(jī)升降到合適高度；遙控機(jī)械伸縮桿，使攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)到橋梁下面的位置，微調(diào)攝像頭角度，打開(kāi)照明系統(tǒng)和激光測(cè)距儀。此時(shí)，一切準(zhǔn)備工作已完成?？梢酝ㄟ^(guò)遙控器控制機(jī)械伸縮桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與伸縮，使相機(jī)在不同的位置，相機(jī)即可拍攝到橋下不同位置的圖像。當(dāng)一處工作位檢測(cè)完成后，機(jī)械伸縮系統(tǒng)繼續(xù)伸縮運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)工作位，可以連續(xù)方便的進(jìn)行作業(yè)。

相機(jī)拍攝到的圖像能夠自動(dòng)壓縮、存儲(chǔ)并可以通過(guò)無(wú)線WiFi實(shí)時(shí)發(fā)送到平板電腦上，進(jìn)行橋梁病害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和后期處理，進(jìn)而對(duì)整個(gè)橋梁的病害進(jìn)行評(píng)估。相機(jī)可以拆卸，并且安裝時(shí)鏡頭與垂直面成一定角度。相機(jī)的周圍設(shè)有多個(gè)并聯(lián)的碰觸開(kāi)關(guān)，所述的碰觸開(kāi)關(guān)與控制箱內(nèi)控制終端相連，可最大限度的保護(hù)攝像裝置。相機(jī)還外加了一個(gè)照明系統(tǒng)，包括照明光源和控制電路，對(duì)待檢查橋梁表面正面照明；該控制電路作為光源與相機(jī)的接口受相機(jī)信號(hào)控制，控制照明光源的閃爍頻率。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

本文針對(duì)上述橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)在室外以實(shí)際橋梁裂縫和室內(nèi)以標(biāo)定板為試驗(yàn)對(duì)象選擇不同的距離進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在進(jìn)行實(shí)際橋梁裂縫檢測(cè)試驗(yàn)的時(shí)候同時(shí)采用已有的橋梁裂縫測(cè)寬方式測(cè)量裂縫寬度與試驗(yàn)值進(jìn)行比較。試驗(yàn)的結(jié)果如下圖所示：

圖3　實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證我們可以看出裂縫寬度在0.4mm以上檢測(cè)誤差在0.1mm以內(nèi)，裂縫寬度在0.4mm以下測(cè)量誤差相對(duì)比較大。

5　結(jié)論

文中主要對(duì)根據(jù)圖像法檢測(cè)裂縫而開(kāi)發(fā)的一種橋梁裂縫寬度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。介紹整個(gè)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)以及各組成部分的功能。敘述了一種基于圖像處理技術(shù)的橋梁裂縫寬度的計(jì)算方法，這種橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)它的主要特點(diǎn)是具有較高的精度和效率、較快的速度、攜帶輕便，在橋梁裂縫檢測(cè)中是一種很方便的工具之一。這種系統(tǒng)在橋梁檢測(cè)的過(guò)程中可以大量減少人力耗費(fèi)少，降低了檢測(cè)員在檢測(cè)過(guò)程中的工作強(qiáng)度，更重要的是大大提高了檢測(cè)員在檢測(cè)過(guò)程中的安全程度； 還可以使任務(wù)繁重的檢測(cè)工作利用平板中的專用軟件來(lái)進(jìn)行分析和計(jì)算，在很大程度上降低了整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中的人工費(fèi)用，大大節(jié)省了檢測(cè)的成本［4］。當(dāng)然文章中的橋梁檢測(cè)系統(tǒng)還有待進(jìn)一步的優(yōu)化，無(wú)論是結(jié)構(gòu)上的改善還是它的功能的拓寬，通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化能夠是它更加方便的檢測(cè)更多類型的橋梁病害。同時(shí)橋梁裂縫寬度的在0.4mm以下測(cè)量精確度還有待提升，同時(shí)也是個(gè)難點(diǎn)，需要以后進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：吳湘銀）

中圖分類號(hào)：V448.15+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.018

文章編號(hào)：1672–7304（2016）01–0039–03

作者簡(jiǎn)介：肖玉德（1968-），男，安徽合肥人，副教授，研究方向：交通土建工程教學(xué)和科研。

Fine control and research of predestine construction quality

XIAO Yu-de
（Anhui Communications Vocational &Technical College， Hefei Anhui 230051）

Abstract:A bridge crack detecting system was mainly studied in this paper， in the same time The overall architecture of the system was introduced. The system consists of three parts Image Processing module，mechanical module and image acquisition module. Also studied in detail the working principle of the whole detection system， after demarcating and experiment we came up with conclusion as fellow: When the bridge crack width is over 0.4mm， measured relative error is very small， about 5%， when the crack width is at 0.4mm or less relative error is larger， at about 12%.

Keywords:Bridge detection； Crack identification； Image processing