基于機(jī)器視覺技術(shù)的打狗河大橋工程質(zhì)量安全檢測

潘富遠(yuǎn)

摘要：目前，大多數(shù)橋梁檢查都是通過人工計(jì)算裂縫數(shù)量、測量裂縫的長度和寬度并拍照來完成，橋梁診斷報告的質(zhì)量和可靠性在很大程度上取決于檢測人員。文章提出了一種橋梁安全狀態(tài)檢測機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人系統(tǒng)被開發(fā)用來收集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以記錄橋梁的安全狀況變化以及檢查橋梁的安全狀況，并通過打狗河大橋橋梁裂縫檢測實(shí)例，介紹了機(jī)器視覺技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：打狗河大橋;橋梁檢測;機(jī)器人系統(tǒng);機(jī)器視覺技術(shù)

中國分類號：U446文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

橋梁檢查是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。國內(nèi)的橋梁數(shù)量逐漸增加，因此需要耗費(fèi)更多人力物力進(jìn)行檢查。目前我國有超過100萬座橋梁，成為世界第一橋梁大國。此外，自1995年以來，橋梁的維護(hù)和維修費(fèi)用每年都在迅速增加，近10年來增加了200倍。因此，通過精確的診斷，尋找一種更有效、更經(jīng)濟(jì)的橋梁維修方法顯得越來越重要[1]。

雖然機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在許多工業(yè)領(lǐng)域得到了發(fā)展，但在實(shí)際橋梁的安全診斷和維護(hù)方面，機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)卻相對滯后，直到最近，橋梁的檢查和維護(hù)都還是由在戶外工作的訓(xùn)練有素的檢查人員手工進(jìn)行檢查。檢查人員通過計(jì)算裂縫數(shù)量，測量裂縫線的最大寬度和長度，并對其進(jìn)行拍照，檢查橋梁下表面的安全狀況。因此，基于檢查人員的努力程度不同，診斷報告的準(zhǔn)確性和質(zhì)量變得相當(dāng)主觀，結(jié)果也不盡相同。此外，由于橋梁檢查是在室外進(jìn)行的，特別是在橋梁下方，因此可能存在檢查人員的安全問題，在橋梁檢查期間可能會造成工傷事故。除了降低成本外，改善工作環(huán)境已成為橋梁檢測的主要考慮因素之一。為了解決這些問題，本文提出了一種基于機(jī)器視覺的橋梁檢測機(jī)器人系統(tǒng)。檢測機(jī)器人能夠?qū)鞲衅靼l(fā)送到不可接近或危險的區(qū)域，從而使檢測人員更安全[2]。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)

橋梁檢測的整個機(jī)械系統(tǒng)由專門設(shè)計(jì)的車輛和安裝在專門設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)上的檢測機(jī)器人組成（如下頁圖1所示）。特別設(shè)計(jì)的汽車具有七自由度多連桿裝置，并配有液壓執(zhí)行裝置系統(tǒng)，該多連桿裝置是為檢測機(jī)器人系統(tǒng)檢測橋梁下表面而設(shè)計(jì)的。同時，設(shè)計(jì)了安裝在多連桿系統(tǒng)末端的檢測機(jī)器人，使其具有三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，配備電動執(zhí)行裝置（馬達(dá)）系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)和各種傳感器。安裝在檢測機(jī)器人末端的機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠檢測和發(fā)現(xiàn)橋下的裂縫。由于多連桿系統(tǒng)的主要目標(biāo)是將檢測機(jī)器人送至待檢測位置，因此其工作空間較大。

如圖2所示，檢測機(jī)器人由機(jī)器視覺系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)裝置和用于重力方向運(yùn)動的棱柱（上/下）關(guān)節(jié)裝置組成。此外，搖攝和傾斜裝置配備有陀螺傳感器、激光傳感器和機(jī)器視覺（照相機(jī)）系統(tǒng)。上/下運(yùn)動通過兩級裝置實(shí)現(xiàn)，兩級裝置通過類似肌腱驅(qū)動的方法進(jìn)行工作，通過兩級裝置進(jìn)一步的擴(kuò)展盡可能使機(jī)器視覺系統(tǒng)接近橋下表面。在這里，兩級裝置最大向上行程大約為1 m。這個大的向上行程是為了捕獲橋下的精確裂紋圖像，并計(jì)算裂縫的長度和寬度。

2 機(jī)器視覺系統(tǒng)

機(jī)器視覺系統(tǒng)的目的是從采集的圖像中自動檢測橋梁下表面的裂縫。事實(shí)上，根據(jù)橋梁的類型，損傷有很多種，如裂縫、腐蝕、沉降等。在這些損傷中，裂紋信息成為決定橋梁修復(fù)的最重要因素之一。其所采用的機(jī)器視覺系統(tǒng)由電荷耦合器件（CCD）攝像機(jī)、數(shù)字錄像機(jī)（DVR）和服務(wù)器計(jì)算機(jī)上的視覺處理程序組成。為了確定機(jī)器視覺系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，我們考慮了機(jī)器視覺系統(tǒng)的重量、供電電源、與服務(wù)器的通信方式和電纜類型，并通過RS485通信對CCD攝像機(jī)的焦距進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[3]。

2.1 裂紋檢測與跟蹤

現(xiàn)有的裂縫檢測方法大多只顯示檢測裂縫，而為了評估橋梁的安全性，應(yīng)通過固定時間間隔的橋梁檢測報告來估計(jì)裂縫的發(fā)展速度。為此，應(yīng)每隔一年收集和累積有關(guān)裂紋長度和寬度的信息。通常，在裂縫檢測中，由于橋下跨間支撐梁的作用，存在裂縫形狀和尺寸不規(guī)則、表面臟污和油漆不均勻、照明條件不規(guī)則等問題，這些都可能給實(shí)現(xiàn)裂紋自動檢測帶來困擾。針對這些問題，我們分別提出了裂紋檢測算法和裂紋跟蹤算法作為裂紋圖像自動處理的兩種方法。

2.2 BMS數(shù)據(jù)庫的后處理

對于檢查人員來說，可通過縫合相鄰圖像獲得的全景圖像，連接每個圖像中的相同特征點(diǎn)，順序地執(zhí)行縫合處理，然后將包含整個裂縫線信息的全景圖像轉(zhuǎn)換為橋梁管理系統(tǒng)（BMS）要求的文件格式（這里是與CAD文件兼容的DXF格式）。我們仔細(xì)研究了DXF文件格式的結(jié)構(gòu)，解析了各個組件的語法，以便將檢測到的裂紋信息寫入DXF文件格式。

3 機(jī)器視覺技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

打狗河大橋位于河池市南丹縣打狗河寨附近，跨越打狗河。橋位處河面寬度約50～60 m，河水流速較急，橋梁中心樁號為K6+285，全長158.12 m。本橋上部構(gòu)造采用5×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，交角90°，橋面凈寬7.5 m;下構(gòu)橋墩為雙柱式墩，3#橋墩采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，其余橋墩采用樁基礎(chǔ)。橋臺為柱式臺，樁基礎(chǔ)。橋面的結(jié)構(gòu)形式為15 cm厚C50混凝土橋面鋪裝。本文以打狗河大橋安全檢測為例，從其施工期間開始，每隔一年進(jìn)行一次安全檢測，追蹤大橋有效裂紋的變化情況，為提出有效修整措施提供客觀依據(jù)。

3.2 圖像處理

由于每座橋梁都有自己的形狀，因此在進(jìn)行橋梁檢查之前需要進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。橋梁檢測任務(wù)規(guī)劃的目標(biāo)是獲取清晰的原始圖像。為此，橋梁下表面與機(jī)器視覺系統(tǒng)之間的距離應(yīng)保持恒定，以保證透視圖像的恒定。同時，機(jī)器視覺系統(tǒng)的方向應(yīng)與橋表面保持正交，以保證每幅圖像的像素分辨率恒定。通過對圖像的分析，預(yù)先確定特征點(diǎn)的位置作為橋梁形狀的變化點(diǎn)。

如圖3所示，為打狗河大橋底面裂紋圖像捕捉以及相關(guān)處理順序。在捕獲裂紋圖像之后，使用中值濾波器來實(shí)現(xiàn)去除偽影以增強(qiáng)圖像的預(yù)處理，然后采用裂紋檢測和跟蹤算法計(jì)算出相應(yīng)裂紋的長度和寬度，并通過圖像拼接對合成全景圖像進(jìn)行后處理，最后將包含長裂紋信息的合成全景圖像轉(zhuǎn)換為橋梁管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所需的數(shù)據(jù)格式。整個圖像處理將近200 ms，也就是說，機(jī)器視覺系統(tǒng)以5 幀/s的速度捕獲圖像。

在對橋梁進(jìn)行檢測時，雖然檢測機(jī)器人系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)來保持?jǐn)z像機(jī)系統(tǒng)的距離和方向不變，但由于突然的風(fēng)和未知的干擾，攝像機(jī)可能會發(fā)生抖動，從而使采集到的圖像變得模糊。在某些情況下，模糊圖像的裂縫檢測結(jié)果并不能保證裂縫信息的準(zhǔn)確性，而且在同一位置重拍照片也很困難。因此，應(yīng)用文中的圖像去模糊處理技術(shù)來提高檢測結(jié)果，而機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠利用這個過程恢復(fù)模糊圖像，檢測人員不僅可以獲得良好的視覺效果，而且可以從恢復(fù)的圖像中獲得可靠的裂紋檢測信息。

3.3 結(jié)果分析

我們評估了機(jī)器視覺系統(tǒng)對含噪圖像的自動檢測方法，這是由于在獲取橋梁表面真實(shí)圖像時，存在著光照條件不規(guī)則、表面有陰影和污漬等問題。這些問題可能導(dǎo)致錯誤的檢測結(jié)果，因此，噪點(diǎn)圖像中裂紋檢測的準(zhǔn)確性是評價橋梁檢測機(jī)器人系統(tǒng)性能的重要因素。在打狗河大橋檢測過程中，我們獲取了近100幅有噪點(diǎn)的圖像，這些圖像具有不規(guī)則的光照、不同的陰影條件和混凝土橋梁表面的瑕疵，因此圖像除噪就顯得尤為重要。根據(jù)打狗河大橋初次監(jiān)測結(jié)果顯示，大橋檢測裂縫寬度均<0.1 mm，為非有效裂縫（當(dāng)裂縫寬度>0.25 mm時需要補(bǔ)修），因此不需要補(bǔ)修。而此次檢測的主要目的是建立打狗河大橋裂縫信息，為后期追蹤記錄提供信息基礎(chǔ)，以便更好地研究大橋裂縫變化過程，為后期大橋檢修提供客觀依據(jù)。

4 結(jié)語

為滿足橋梁檢測的實(shí)際需要，本文提出了橋梁檢測機(jī)器人系統(tǒng)。這一系統(tǒng)由兩個主要部分組成：機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)以及機(jī)器視覺系統(tǒng)，用于橋梁裂縫的自動檢測。通過在打狗河大橋上的試驗(yàn)，證明了所提出的機(jī)器人運(yùn)動控制方法的有效性，所提出的裂縫檢測方法在尋找橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫方面取得了良好的效果，為發(fā)展機(jī)器視覺檢測技術(shù)作出了一定貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張維峰，劉 萌，楊明慧.基于數(shù)字圖像處理的橋梁裂縫檢測技術(shù)[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2008，5（5）：34-36.

[2]張國旗.基于圖像處理的混凝土橋梁底面裂縫檢測方法的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[3]瞿 中，郭 陽，鞠芳蓉.一種基于改進(jìn)滲流模型的混凝土表面裂縫快速檢測算法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2017，44（1）：300-302.