基于差值放大法的錨固面位移監(jiān)測系統(tǒng)

藍(lán)章禮，田 源，周建庭，姚進(jìn)強

(1.重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

基于差值放大法的錨固面位移監(jiān)測系統(tǒng)

藍(lán)章禮1，田 源1，周建庭2，姚進(jìn)強1

(1.重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

通過對懸索橋錨固面特征的研究，設(shè)計了一種差值放大裝置，結(jié)合圖像處理技術(shù)，提出一種基于活塞裝置的位移差值放大法來監(jiān)測錨固面位移的測量系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的組成和測量原理，通過圖像分割、圓擬合、位移轉(zhuǎn)換等獲得錨固面蠕變數(shù)據(jù)。對測量系統(tǒng)鏡頭畸變誤差和非垂直安裝誤差進(jìn)行分析并闡明解決措施。實驗結(jié)果表明：當(dāng)蠕變范圍為-1.2 cm～+1.2 cm時，其測量誤差可以控制在3.5%以內(nèi)。

橋梁工程；懸索橋；錨固面；位移；測量系統(tǒng)；差值放大

現(xiàn)代懸索橋結(jié)構(gòu)的主要組成部分有吊桿、主纜、索塔、加勁梁、錨碇等[1]。其中，錨碇結(jié)構(gòu)是支撐主纜的主要部分，錨固面為錨碇結(jié)構(gòu)的承重面，因此評判錨碇結(jié)構(gòu)所在的錨固面的位移情況，是直接判斷橋梁健康與否的重要標(biāo)志之一。對橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測[2]，需要布設(shè)許多智能傳感器、光纖光柵等。1993年加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail大橋成為最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測量的橋梁之一[3]。雖能夠取得相關(guān)響應(yīng)參數(shù)，但是設(shè)備非常昂貴；若只對于結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行監(jiān)測，則需在錨固面中設(shè)置少數(shù)的監(jiān)控點就可以監(jiān)測錨固面的位移情況從而反演出橋梁的安全狀況。

目前橋梁動態(tài)監(jiān)測的方法主要有微波干涉法[4]、光纖傳感器監(jiān)測法[5]、GPS(global positioning system)系統(tǒng)監(jiān)測法[6-7]、連通管監(jiān)測法[8-9]等。但針對橋梁錨固面位移監(jiān)測常見的方法有激光圖像測量法[10]、壓力差法[11]。利用激光進(jìn)行錨固面位移監(jiān)測的方法中，激光器易發(fā)生扭轉(zhuǎn)和衰減，不適合長期監(jiān)測；利用壓力差進(jìn)行錨固面位移監(jiān)測的方法不適合于較深的隧道。

水蝕環(huán)境會改變錨碇的受力與變形，從而降低隧道式錨碇圍巖與重力式錨碇基礎(chǔ)的穩(wěn)定性[12-13]。筆者通過對三峽庫區(qū)蓄水后的豐都、忠縣長江大橋錨室實地考察后提出一種可行的錨碇結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測方法。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由差值放大裝置、圖像采集儀、裝有專用軟件的工控機、無線傳輸設(shè)備及連接裝置組成，如圖1。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Structure of the system

測量之前，首先用支架固定差值放大裝置于錨固面上，差值放大裝置的兩組盛液器保持平行安裝；圖像采集儀安放于錨固面四周的弧形墻壁上，通過數(shù)據(jù)線與工控機相連，且工控機又與無線傳輸設(shè)備相連以發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。圖像采集儀鏡頭與差值放大裝置的兩根平行放置玻璃管必須保持垂直狀態(tài)，調(diào)整攝像頭的焦距，使其能在工控機上清晰地顯示標(biāo)定樣本。

1.2 差值放大裝置

如圖2，差值放大裝置由結(jié)構(gòu)相同的測定活塞組件和基準(zhǔn)活塞組件組成，測定活塞組件包括第1盛液器，與第1盛液器頂部連通的帶有精密刻度的第1玻璃管和設(shè)置在第1盛液器內(nèi)的活塞；活塞底部與活塞連接桿一端固連，第1盛液器底部具有使活塞連接桿的另一端穿過且與其密封配合的通孔；第1盛液器的內(nèi)徑是第1玻璃管直徑的N倍。基準(zhǔn)活塞組件與測定活塞組件相比，除了沒有活塞連接桿外，其余裝置都相同；且第1玻璃管與第2玻璃管管軸之間的平行距離為固定值d。

測量時，向兩根平行玻璃管內(nèi)注入相同體積的無色不易揮發(fā)液體且不能超過測量刻度的最大值，分別往兩組液體中投放一顆經(jīng)過特殊處理的圓形懸浮球，以便圖像采集儀抓拍。

圖2 差值放大裝置Fig.2 Differential amplifying device

1.3 測量原理

當(dāng)錨固面受力變化而發(fā)生前后蠕動時，測定活塞組件中的活塞隨之移動位移ΔHi，進(jìn)而影響測定活塞組件中的第1玻璃管內(nèi)的液面高度發(fā)生變化(設(shè)第一玻璃管內(nèi)液面高度為H1)。基準(zhǔn)活塞組件除了無活塞連接桿與錨固面相連外，其他與測定活塞組件完全相同。兩個組件內(nèi)的液體在相同的條件下由于熱脹冷縮會造成第1和第2玻璃管內(nèi)液面高度發(fā)生相同的改變(設(shè)第2玻璃管內(nèi)液面高度為H2)，很大程度上制約了因溫度而引起的誤差。由于固定量液體的壓縮/拉伸體積不變性，第1盛液器內(nèi)液體體積改變量(設(shè)第1盛液器內(nèi)徑為R)等于第1玻璃管內(nèi)液體的體積改變量(設(shè)第1玻璃管內(nèi)徑為r)，即πR2ΔHi=πr2(H1-H2)；式中：(H1-H2)是修正溫度影響造成的第1玻璃管內(nèi)液體高度實際變化量，所以活塞實際的位移量(即為錨固面在受力方向上的位移)為

(1)

2 圖像處理液面高度

為實現(xiàn)系統(tǒng)化長時間在線監(jiān)測，必須將玻璃管內(nèi)液面高度變化轉(zhuǎn)為智能化讀取，本系統(tǒng)采取圖像處理的方式記錄玻璃管內(nèi)液面高度的變化，具體原理如圖3。

圖3 中心點定位及距離計算Fig.3 Center point positioning and distance calculation

圖3中：a表示測定活塞組件中的懸浮球；b表示基準(zhǔn)活塞組件中的懸浮球；d為兩組活塞組件中玻璃管中心軸之間的平行距離。

2.1 兩斑點像素距離計算

要計算出兩個斑點之間的距離rab，需要知道每個斑點的坐標(biāo)。首先對斑點進(jìn)行濾波處理，消除噪聲干擾；由于抓拍的是懸浮球，所以斑點的成型會很規(guī)則，只需將兩個斑點分割再各自找出中心點即可；筆者采用類似區(qū)域生長的方法將兩個斑點分割，在待處理的二值化圖像中找到第1個八領(lǐng)域非零像素點，標(biāo)記為種子點，并以此為中心，往4個方向?qū)ふ掖朔N子點的邊緣，以此確定第1個斑點區(qū)域；用二值化后圖像減去搜索出的第1個斑點，剩下的即為第2個斑點。找出兩個斑點后，分別采用圓擬合法計算出兩個斑點的中心坐標(biāo)。假設(shè)采集到的圖像大小為X×Y像素，E是斑點a的邊界點集合。對于斑點a，i∈E，(xi，yi)為光斑邊界像素的坐標(biāo)，x，y滿足

(2)

斑點a中心點的坐標(biāo)(a1，a2)

(3)

(4)

斑點b中心點的坐標(biāo)(b1，b2)用同樣的擬合公式得到，最后再求出兩個中心點的歐式距離，即為圖像采集儀所捕捉到的兩個懸浮球中心點的像素距離。

(5)

2.2 參數(shù)標(biāo)定以及位移換算

上述求得的rab是根據(jù)圖像像素點間歐式距離得來的，實際距離要根據(jù)所采用的圖像采集儀的分辨率來換算。例如圖像采集儀分辨率為1 920×1 080像素，假設(shè)圖像采集儀在y軸的最大采集范圍為300 mm，且不考慮鏡頭畸變，那么此圖像采集儀在y軸上的比例系數(shù)為k=300/1 920=0.156 25 mm/pixel；同樣可以知道圖像采集儀在x軸的比例系數(shù)，由于圖像采集儀和第1玻璃管始終保持垂直的角度，其所采集的斑點始終在一個二維平面上移動，所以通過比例系數(shù)就可以把像素距離rab換算成實際距離。

3 測量系統(tǒng)誤差分析及應(yīng)對措施

測量系統(tǒng)在選材和安裝過程中，都會出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，有些誤差對于測量系統(tǒng)來說是致命的，因此分析誤差產(chǎn)生的原因以及找到減小誤差的方法對于提高測量系統(tǒng)精度來說至關(guān)重要。

3.1 圖像測量系統(tǒng)鏡頭畸變誤差分析及解決措施

3.1.1 誤差分析

實驗中所用的CCD攝像頭往往通過市場購買。這類鏡頭在成像過程中一般都存在一定程度的非線性光學(xué)畸變，會造成圖像的形狀和大小發(fā)生某些變化，導(dǎo)致圖像失真，給后面的圖像分析和圖像測量帶來了誤差，甚至造成誤判。因此必須對攝像機鏡頭所造成的圖像幾何畸變畸形校正。

3.1.2 解決措施

濕地生態(tài)旅游是一種新的旅游方式，需要高素質(zhì)的管理人才和服務(wù)人才，不但要為游客提供良好的服務(wù)，還要負(fù)責(zé)對游客的濕地教育。濕地生態(tài)旅游要強化宣傳，充分利用各種宣傳媒體，展示濕地的生態(tài)風(fēng)貌，介紹濕地旅游產(chǎn)品的獨特性，以此來塑造本地的開發(fā)形象，提高知名度。

3.2 非垂直安裝誤差分析及解決措施

3.2.1 誤差分析

測量系統(tǒng)如若未垂直安裝會對測量結(jié)果造成嚴(yán)重的誤差。圖4中，A和B是垂直平面成像點，對應(yīng)A1和B1為中心定位后的像素點；a和b是傾斜平面成像點，對應(yīng)a1和b1為中心定位后的像素點，θ是傾斜的角度。從像素平面可以看出隨著θ的增大，中心定位后的像素點距離誤差會越來越大，從而嚴(yán)重影響測量精度。

圖4 非垂直安裝誤差分析Fig.4 Non vertical installation error analysis

3.2.2 解決措施

為了糾正非垂直安裝誤差，建立如圖5的坐標(biāo)系，原像素平面α上有一點A1(x0，y0)，且α旋轉(zhuǎn)角度θ形成平面β，此時該點在成像平面的投影點為a1(x1，y1)，像素平面寬度為w，長度為H。筆者通過一種類比的方式來計算x1和x0的關(guān)系[14]，由于當(dāng)x1離x軸中線越近時x0也隨之逼近，由此推導(dǎo)出x1，x0，θ存在以下關(guān)系：

圖5 原平面與傾斜平面x軸方向校正Fig.5 Correction of the x axis of the original plane and inclined plane

(6)

式中：k=(H-y0)/H，整理后得

(7)

y軸方向校正如圖6，由于點A1(x0，y0)投影形成點a1(x1，y1)，根據(jù)三角函數(shù)公式推理可得

(8)

由此可得

(9)

由式(9)可知，通過傾斜后的像素點以及旋轉(zhuǎn)角度θ可以獲得原像素點，再通過計算程序?qū)γ看螠y量點的值進(jìn)行誤差糾正，從而可以減小非垂直安裝誤差。

圖6 原平面與傾斜平面y軸方向校正Fig.6 Correction of the y axis of the original plane and inclined plane

4 測量系統(tǒng)實驗驗證

本實驗采用模擬錨室環(huán)境來驗證系統(tǒng)可行性，測量裝置如圖7。兩組特制的活塞裝置平行固定于可精確移動的錨固面上，且玻璃管間的平行軸距d=153 mm，玻璃管內(nèi)徑比值r2/R2=0.04。實驗采用分辨率為1 920×1 080像素的圖像采集儀，并固定于差值放大裝置正上方。使用高精度螺旋測微儀對錨固面進(jìn)行移動，以原始點作為原點分別以間隔3 mm向前推或者向后拉，反復(fù)驗證以確保系統(tǒng)可行。實驗結(jié)果如表1。

圖7 測量裝置實物Fig.7 Measuring device object graph

活塞位移(螺旋測微儀)/mm斑點距離計算值/mm第1玻璃管計算位移(H1-H2)/mm第1盛液器計算位移[(H1-H2)r2R2]/mm絕對誤差/mm相對誤差/%+1234386+3079459362+123178374503178374472648645388+927098+2236541088+8946164354-0053835646059817385+62176+1547280194+61891207780189120778315201296+317058+754223866+301689546400168954640563182129-316958-7313259465-292530378600746962142489873802-621796-1552338932-6209355728-02093557283489262138-927304-2261456203-9045824814-00458248140509164597-1234354-3075885752-1230354301-0303543008252952507

從表1可以看出：此系統(tǒng)可以真實反映錨固面在受力方向上的位移情況，顯示錨固面每隔3 mm設(shè)定值與測量值的偏差情況，從中可以看出實驗驗證結(jié)果與設(shè)定值基本保持一致，從而保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

客觀的反映出測量系統(tǒng)的誤差存在，實驗系統(tǒng)的最大絕對誤差和最大相對誤差分別為0.317 8 mm和3.489 3%。試驗中由于引入了鏡頭畸變誤差和非垂直安裝誤差，由此減小了誤差的產(chǎn)生，如果再進(jìn)一步提高測量系統(tǒng)的設(shè)備精度，系統(tǒng)的誤差將會隨之減小。

5 結(jié) 語

提出一種基于活塞裝置的位移差值放大法來監(jiān)測錨固面位移的測量系統(tǒng)。通過相應(yīng)裝置的設(shè)計，搭建實驗平臺，使用圖像處理方式智能化讀取信息，獲得了有效的測量數(shù)據(jù)，驗證了系統(tǒng)的可行性，并通過實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。由于文章篇幅有限，沒有系統(tǒng)的闡述圖像處理過程，只對設(shè)計流程和方法做了相應(yīng)的陳述，在以后的使用過程中將會對此測量方法進(jìn)行深入探討、改進(jìn)，對大規(guī)模使用的可行性進(jìn)行研究。

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(責(zé)任編輯 朱漢容)

Anchoring Surface Displacement Monitoring System Based on Differential Amplification Method

LAN Zhangli1，TIAN Yuan1，ZHOU Jianting2，YAO Jinqiang1

(1. School of Information Science & Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074，P.R.China；2.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074，P.R.China)

A measurement system based on the piston device displacement differential amplification method is put forward for monitoring the displacement of anchorage surface through research on the characteristics of anchorage plane of the suspension bridge, design of a differential amplifier device in combination with image processing technology. The composition and measurement principle of the system were introduced, and the creep data of the anchor surface was obtained by the image segmentation and the circle fitting method and the displacement transformation. About the measuring system, lens distortion error and non vertical installation errors were analyzed and the solutions were expounded. The experimental results show that when the creep range of -1.2 cm～+1.2 cm, the measurement error can be controlled within 3.5%.

bridge engineering; suspension bridge; anchoring surface; displacement; measuring system; differential amplification

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.01.02

2015-12-06；

2016-01-21

重慶市國土資源和房屋管理局科技計劃資助項目(CQGT-KJ-2014029)

藍(lán)章禮(1973—)，男，重慶人，教授，博士，主要從事橋梁健康監(jiān)測、數(shù)字圖像處理等方面的研究。E-mail：Lanzhangli@126.com。

U446.3

A

1674-0696(2017)01-009-05