基于視覺測(cè)振技術(shù)的高鐵無站臺(tái)柱雨棚振動(dòng)測(cè)量方法

馮海龍，劉伯奇，胡海天，王 巖，王世銘，丁曉宇

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.鐵科檢測(cè)有限公司，北京 100081；3.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

引言

高鐵無站臺(tái)柱雨棚作為一種大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，被廣泛應(yīng)用于各地的高鐵客站。高鐵站臺(tái)雨棚的遮擋面積較大，其縱向長度通常在400～500 m，如圖1所示，在高鐵列車高速通過時(shí)，由于列車氣動(dòng)力作用和輪軌激勵(lì)振動(dòng)傳遞等原因，雨棚會(huì)發(fā)生受迫振動(dòng)［1－7］。中小型客站由于正線高速通過列車較多，使得雨棚處于頻繁振動(dòng)狀態(tài)，對(duì)雨棚的結(jié)構(gòu)安全性和疲勞耐久性是個(gè)重大考驗(yàn)，因此無站臺(tái)柱雨棚的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)確保高鐵安全運(yùn)行具有重要意義。

圖1 高鐵客站無站臺(tái)柱雨棚Fig.1 High-speed railway platform canopy without pole

近些年，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)高鐵站臺(tái)雨棚的健康監(jiān)測(cè)問題開展了一系列探索性研究。孟憲全［8］對(duì)北京西站無站臺(tái)柱雨棚的特點(diǎn)進(jìn)行分析，使用鋼弦傳感器、鋼弦應(yīng)變計(jì)、全站儀等對(duì)雨棚的主體結(jié)構(gòu)敏感部位的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)總體變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。劉志勇［9］基于全站儀搭建了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)北京站無站臺(tái)柱雨棚的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的監(jiān)測(cè)?？傮w來看，現(xiàn)有研究主要通過布設(shè)傳感器獲取應(yīng)力、變形、振動(dòng)加速度等信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雨棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)健康監(jiān)測(cè)。但由于高鐵無站臺(tái)柱雨棚具有面積大、數(shù)量多等特點(diǎn)，這將極大增加布設(shè)傳感器的工作量和難度，導(dǎo)致布設(shè)傳感器的方法難以在工程中得到推廣使用。基于視頻圖像技術(shù)的振動(dòng)測(cè)量方法作為一種新興測(cè)量手段，具有非接觸、測(cè)量距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)［10－17］，避免了接觸式傳感器繁瑣的布設(shè)工作［18］，已在機(jī)械裝備［19］、簡支梁模型［20］的振動(dòng)測(cè)量中進(jìn)行了使用。

針對(duì)目前高鐵站臺(tái)雨棚健康檢測(cè)中傳感器布設(shè)所面臨的難題，文中提出一種使用視覺測(cè)振技術(shù)實(shí)現(xiàn)高鐵站臺(tái)雨棚振動(dòng)測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)了雨棚健康監(jiān)測(cè)所需振動(dòng)信號(hào)的獲取。文中搭建了完整的測(cè)量系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性和準(zhǔn)確性。

1 測(cè)量原理

文中所用的視覺測(cè)振技術(shù)采用了基于相位變化的測(cè)振（phase-based motion estimation，PME）算法原理，簡稱PME。Fleet等［21］首次提出PME方法的思路：即使用Gabor濾波器對(duì)圖像序列進(jìn)行卷積操作：

式中：I（x，y，t）代表圖像亮度；Gabor（x，y，t，θ）是θ方向的Garbor濾波器；Aθ是響應(yīng)的信息；?θ是響應(yīng)的相位。Fleet等［21］已經(jīng)證明，上述相位信息與圖像的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)緊密相關(guān)，且可以通過式（2）求得畫面中的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)：

通過式（2）可以得到每一位置的速度信號(hào)，在時(shí)間上積分后可得位移信號(hào)，最后再進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算出頻域信號(hào)，由此得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信息。

2 測(cè)量系統(tǒng)

文中所搭建的視覺測(cè)振系統(tǒng)的硬件由圖像采集裝置、固定裝置和計(jì)算機(jī)組成。圖像采集裝置包括工業(yè)相機(jī)（Basler公司的acA1440－220 um相機(jī)，分辨率為1 440 pixel×1 080 pixel，最高分辨率下采樣頻率500 fps）、鏡頭（12～120 mm 的變焦鏡頭）以及固定裝置（包括三腳架和云臺(tái)）。文中所搭建的視覺測(cè)振系統(tǒng)的軟件主要分為4個(gè)功能模塊：用戶交互模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊和信號(hào)分析模塊，各模塊的具體功能如圖2所示，軟件操作流程如圖3所示。圖2中的功能模塊對(duì)應(yīng)了測(cè)量過程的主要操作環(huán)節(jié)。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)軟件主要功能框架Fig.2 Main framework of software system

圖3 軟件使用的基本流程Fig.3 The basic process of software

3 測(cè)量精度驗(yàn)證

文中基于某小型振動(dòng)臺(tái)開展精度驗(yàn)證試驗(yàn)，將視覺測(cè)振系統(tǒng)的位移測(cè)量結(jié)果與該振動(dòng)臺(tái)上光柵位移傳感器的輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所搭建視覺測(cè)振系統(tǒng)的精度。如圖4 所示，該振動(dòng)臺(tái)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在預(yù)設(shè)頻率和振幅條件下的振動(dòng)，內(nèi)置的光柵位移傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前的位移值，其量程為0～10 mm，示值精度為±1%。在試驗(yàn)過程中，將振動(dòng)臺(tái)設(shè)置0.2 mm 振幅，1 Hz 頻率的振動(dòng)，采集時(shí)相機(jī)幀率設(shè)置為500 fps，拍攝距離約1 m。

圖4 振動(dòng)平臺(tái)Fig.4 Vibration platform

PME 算法得到位移是以像素為單位的，為了將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際空間的距離，文中采用張正友標(biāo)定方法［22］標(biāo)定圖像的比例系數(shù)，得到結(jié)果為0.609 mm/pixel，即1 個(gè)像素對(duì)應(yīng)實(shí)際空間的距離范圍是0.609 mm?；谠摫壤禂?shù)，可以計(jì)算得到工件的振動(dòng)位移曲線，其與位移傳感器的得到的振動(dòng)曲線對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Accuracy verification test results

從圖5 可以看出，在整個(gè)測(cè)量時(shí)間范圍內(nèi)，以位移傳感器測(cè)量結(jié)果（Ssensor）為基準(zhǔn)，視覺測(cè)振系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果（Svision）的最大誤差（max|Svision,i-Ssensor,i|）為0.013 mm、平均誤差為0.002 9 mm、誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.004 2 mm，可以看出文中所搭建的視覺測(cè)振系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度。

4 高鐵站臺(tái)雨棚振動(dòng)的測(cè)量方案

使用文中所搭建的視覺測(cè)振系統(tǒng)對(duì)某高鐵站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量對(duì)象主要有屋面板和封邊板。測(cè)量系統(tǒng)架設(shè)在站臺(tái)安全區(qū)域內(nèi)，拍攝屋面板和封邊板在列車經(jīng)過時(shí)的視頻，拍攝距離12 m以上。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過人為觀察列車來向，待列車即將進(jìn)站時(shí)開始采集，列車完全過站并持續(xù)一定時(shí)間以后停止采集。

4.1 屋面板振動(dòng)測(cè)量方案

屋面板振動(dòng)的測(cè)量流程包括：待測(cè)目標(biāo)鎖定、畫面調(diào)節(jié)、水平儀測(cè)量相機(jī)仰角、尺寸標(biāo)定及振動(dòng)提取計(jì)算5 個(gè)環(huán)節(jié)。這里需要說明的是，前述張正友標(biāo)定法獲取的圖像比例系數(shù)僅對(duì)標(biāo)定板所在相平面有效，當(dāng)被測(cè)對(duì)象距離相機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)，往往難以把標(biāo)定板和被測(cè)對(duì)象放在同一個(gè)相平面內(nèi)，此時(shí)并不適合使用張正友標(biāo)定法獲取圖像比例系數(shù)；因此在對(duì)高鐵站臺(tái)雨棚振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，文中通過圖像內(nèi)的已知長度的標(biāo)記物來近似計(jì)算比例系數(shù)［16］。圖6 為屋面板的測(cè)量示意圖，已知屋面板的橫向?qū)挾葹閣（mm），相機(jī)畫面所占像素w′（pixels），可以得到圖像比例系數(shù)為k=w/w′。假設(shè)直接提取的振動(dòng)結(jié)果為Δx′（pixels），則其對(duì)應(yīng)的實(shí)際振動(dòng)為Δx′?k（mm）。屋面板的真實(shí)振動(dòng)近似垂直于地面，而相機(jī)拍攝方向則與地面呈一定夾角（相機(jī)仰角α），如圖6 所示?；谕队白儞Q，可以得到屋面板在垂直于地面方向上的真實(shí)振動(dòng)位移，即Δx= (Δx′?w)/(w′?cosα)。

圖6 雨棚屋面板的測(cè)量示意圖Fig.6 Schematic diagram of the measurement of canopy roof panel

4.2 封邊板振動(dòng)測(cè)量方案

封邊板振動(dòng)的測(cè)量流程與屋面板類似，如圖7 所示，但由于封邊板的已知尺寸為豎直方向尺寸，因此在標(biāo)定環(huán)節(jié)的計(jì)算中與上述過程存在差異，且不需要測(cè)量相機(jī)仰角。

圖7 雨棚封邊板的測(cè)量示意圖Fig.7 Schematic diagram of the measurement of canopy edge board

已知封邊板實(shí)際高度為l（mm），相機(jī)畫面中所占像素為l′（pixel），可以得到圖像比例系數(shù)為k=lcosα/l′。假設(shè)直接提取的振動(dòng)結(jié)果為Δx′（pixels），則其對(duì)應(yīng)的實(shí)際振動(dòng)為Δx′?k（mm）。同樣地，相機(jī)拍攝所得振動(dòng)為封邊板真實(shí)振動(dòng)的投影，因此封邊板的真實(shí)振動(dòng)為Δx=Δx′?k/cosα=Δx′?l/l′。對(duì)比屋面板與封邊板的振動(dòng)計(jì)算公式可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于封邊板的振動(dòng)測(cè)量，標(biāo)定過程中相機(jī)仰角產(chǎn)生的影響與投影變換中結(jié)構(gòu)平面與成像平面形成夾角產(chǎn)生的影響相互抵消，因此避免了仰角測(cè)量環(huán)節(jié)，這也減小了測(cè)量過程中產(chǎn)生的誤差。

5 高鐵無站臺(tái)柱雨棚振動(dòng)實(shí)測(cè)

5.1 屋面板振動(dòng)實(shí)測(cè)

使用文中所搭建的視覺測(cè)振系統(tǒng)對(duì)拍攝到的視頻進(jìn)行處理，分別分析同車型同過站方向的8節(jié)列車，16節(jié)列車，重聯(lián)16節(jié)列車過站時(shí)的雨棚振動(dòng)視頻，得到屋面板近軌側(cè)外檐的振動(dòng)響應(yīng)曲線及頻譜，如圖8所示。

圖8 雨棚屋面板振動(dòng)響應(yīng)曲線及頻譜Fig.8 Vibration response curve and frequency spectrum of canopy roof panel

從圖8 中的時(shí)域波形可看出，雨棚屋面板近軌側(cè)外檐的振幅在±8 mm 以內(nèi)，響應(yīng)頻率為2.2～2.5 Hz，振動(dòng)波形曲線清晰反映了雨棚屋面板近軌側(cè)外檐在列車車頭到達(dá)、車尾到達(dá)時(shí)刻受到風(fēng)壓沖擊的響應(yīng)：在列車到達(dá)前，雨棚結(jié)構(gòu)受到環(huán)境激勵(lì)發(fā)生微小的振動(dòng)；在車頭到達(dá)時(shí)，受風(fēng)載荷的影響，雨棚發(fā)生沖擊響應(yīng)，產(chǎn)生振動(dòng)；車廂陸續(xù)經(jīng)過時(shí)，沒有沖擊的風(fēng)壓載荷，雨棚的振動(dòng)開始衰減，波形呈現(xiàn)振蕩衰減形式；雨棚振動(dòng)未完全衰減時(shí)，車尾到達(dá)，雨棚受到?jīng)_擊風(fēng)壓載荷的影響，再次呈現(xiàn)沖擊響應(yīng)曲線；待車尾駛過后，雨棚振動(dòng)逐漸衰減，并且受車尾駛離的風(fēng)壓力作用，可以看到波形出現(xiàn)了風(fēng)壓尾波現(xiàn)象。

對(duì)于重聯(lián)16 節(jié)列車，其由兩列8 編組列車組成，中間處有車頭對(duì)接部位，從圖8（c）域波形數(shù)據(jù)可以看出，在重聯(lián)的車頭到達(dá)時(shí)，由于其車頭對(duì)接部位的形狀使得此部位經(jīng)過雨棚時(shí)對(duì)雨棚同樣產(chǎn)生了氣動(dòng)力作用，產(chǎn)生了振動(dòng)響應(yīng)。

5.2 封邊板振動(dòng)測(cè)量案例

封邊板的寬度為60 mm，在視頻中占像素55 pixels，圖像比例系數(shù)為1.091 mm/pixel。對(duì)同車型同過站方向的8節(jié)列車，16節(jié)列車，重聯(lián)16節(jié)列車過站時(shí)的封邊板振動(dòng)視頻進(jìn)行處理得到振動(dòng)響應(yīng)曲線及頻譜如圖9所示。

圖9 雨棚封邊板的振動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.9 Vibration response curve of canopy edge board

封邊板的振動(dòng)時(shí)域波形曲線中的兩個(gè)正峰值和兩個(gè)負(fù)峰值分別是對(duì)應(yīng)了車頭到達(dá)和車尾到達(dá)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)于重聯(lián)16節(jié)列車來說，在車頭到達(dá)和車尾到達(dá)響應(yīng)中，還存在有重聯(lián)車頭到達(dá)時(shí)的響應(yīng)。車頭到達(dá)時(shí)，封邊板受到風(fēng)壓沖擊，結(jié)構(gòu)迅速發(fā)生位移，偏向一側(cè)，到達(dá)正峰值；列車車頭經(jīng)過后，風(fēng)壓反向造成氣壓吸力，使得結(jié)構(gòu)發(fā)生反向的位移并達(dá)到負(fù)峰值；車廂過站時(shí)，封邊板結(jié)構(gòu)發(fā)生響應(yīng)振動(dòng)；車尾到達(dá)時(shí)，風(fēng)壓先負(fù)后正，封邊板的位移也先達(dá)到負(fù)峰值再達(dá)到正峰值，隨后振動(dòng)逐漸消失。時(shí)域波形也體現(xiàn)了16 節(jié)列車車廂過站的時(shí)間約為8 節(jié)列車車廂過站時(shí)間的兩倍，重聯(lián)16 節(jié)列車車廂過站的時(shí)間包含兩個(gè)8 編組部分的過站時(shí)間。從頻譜圖可以看出，振動(dòng)響應(yīng)中包含了1.3～1.6 Hz，32～3 Hz 兩個(gè)區(qū)間的頻率峰值，1.3～1.6 Hz區(qū)間的頻率在車頭到達(dá)、車尾到達(dá)、重聯(lián)車頭到達(dá)時(shí)存在，32～34 Hz 區(qū)間的頻率則在整個(gè)列車過站期間都存在。

6 結(jié)語

文中采用基于相位的測(cè)振算法原理，搭建了視覺測(cè)振系統(tǒng)，并基于某小型振動(dòng)臺(tái)開展了精度驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，所搭建視覺測(cè)振系統(tǒng)與以某光柵接觸式位移傳感器為基準(zhǔn)，所搭建視覺測(cè)振系統(tǒng)的最大誤差為0.013 mm、平均誤差為0.002 9 mm、誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.004 2 mm。然后以高鐵無站臺(tái)柱雨棚為對(duì)象，提出了屋面板和封邊板振動(dòng)的具體測(cè)量方案，并開展了實(shí)際測(cè)量效果的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。通過測(cè)量8節(jié)、16節(jié)、重聯(lián)16 節(jié)類型列車過站時(shí)屋面板近軌側(cè)外檐和封邊板的振動(dòng)響應(yīng)，獲得了列車運(yùn)行對(duì)雨棚振動(dòng)的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雨棚結(jié)構(gòu)振動(dòng)的高效、非接觸式的測(cè)量，可以為無站臺(tái)柱雨棚的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供有效的數(shù)據(jù)。