大型橋梁建管養(yǎng)中的檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)

文/圖 同濟(jì)大學(xué) 石雪飛 許琪

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)及延伸技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是通過相機(jī)獲得圖像或視頻，即由計(jì)算機(jī)代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行圖像識(shí)別、運(yùn)動(dòng)跟蹤、場(chǎng)景重建、圖像恢復(fù)、圖像測(cè)量等，并通過進(jìn)一步理解圖像，獲取所需信息。目前，該技術(shù)主要在病害識(shí)別、結(jié)構(gòu)尺寸和位移測(cè)量、模態(tài)參數(shù)識(shí)別、施工管理、交通管理等方面的橋梁檢測(cè)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用。

基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的病害識(shí)別是橋梁智能管養(yǎng)技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。該技術(shù)獲取圖像信息后，通過去噪、平滑算法，增強(qiáng)圖像的重要特征。結(jié)合該內(nèi)容，工作人員可提取和選擇相應(yīng)特征，識(shí)別適合該特征的算法，最后進(jìn)行分類決策，實(shí)現(xiàn)裂縫、剝落、侵蝕等多種類型病害的識(shí)別。目前，基于圖像和視頻的裂縫識(shí)別精度可達(dá)1毫米以內(nèi)，已有檢測(cè)車、無人機(jī)等移動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)投入應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)也可運(yùn)用于結(jié)構(gòu)測(cè)量。利用立體視覺原理，該技術(shù)通過拍攝圖像或激光掃描，構(gòu)造出目標(biāo)物體的三維模型，重建物體表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸、位移的測(cè)量。相比之下，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸、位移測(cè)量采用水準(zhǔn)儀和全站儀進(jìn)行抽樣測(cè)量，不僅工作量大且易產(chǎn)生誤差。而由計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)延伸出的攝影測(cè)量技術(shù)則具有非接觸、自動(dòng)化、高精度的優(yōu)勢(shì)，可大大提高測(cè)量效率。在節(jié)段梁短線預(yù)制生產(chǎn)過程中，采用攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行匹配測(cè)控，不僅可以提高測(cè)量精度和效率，還可以全面控制預(yù)制構(gòu)件的尺寸驗(yàn)收測(cè)量和模擬預(yù)拼裝。

基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)開發(fā)的橋梁檢測(cè)車及對(duì)裂縫的識(shí)別效果

基于攝影測(cè)量技術(shù)的預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢驗(yàn)和預(yù)拼裝

此外，基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)還可延伸出模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)，即在結(jié)合光流計(jì)算和視頻運(yùn)動(dòng)放大技術(shù)的視頻處理方法基礎(chǔ)上，利用攝像機(jī)測(cè)量技術(shù)直接提取結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。傳統(tǒng)基于模態(tài)參數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，因振型測(cè)點(diǎn)過少難以準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)為獲得稠密振型測(cè)點(diǎn)提供了簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，從而為損傷識(shí)別提供了基礎(chǔ)。

泰州大橋

同時(shí)，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)也被應(yīng)用于施工進(jìn)度安全管理、荷載識(shí)別和交通流量監(jiān)測(cè)等方面。將視頻監(jiān)控與WIM數(shù)據(jù)相結(jié)合，也為車流荷載的自動(dòng)化識(shí)別提供了新思路。

無損檢（監(jiān)）測(cè)技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)用于施工進(jìn)度監(jiān)控和交通流量監(jiān)控

無損檢（監(jiān)）測(cè)技術(shù)可在不損壞橋梁性能和結(jié)構(gòu)的前提下，利用電、磁、光、聲音等特性，深入、全面地檢測(cè)監(jiān)測(cè)橋梁工程，并獲得各項(xiàng)物理指標(biāo)信息。因此，無損檢（監(jiān)）測(cè)技術(shù)具有簡(jiǎn)便、迅速、靈活、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，不影響橋梁的使用性能，可直接作用于橋梁部件表面或內(nèi)部，應(yīng)用范圍廣。常用的橋梁無損檢（監(jiān)）測(cè)技術(shù)包括機(jī)器視覺方法和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“GNSS”）技術(shù)。筆者以GNSS技術(shù)為例，進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

GNSS技術(shù)主要用于各類橋梁變形監(jiān)測(cè)。該技術(shù)通過接收來自衛(wèi)星的信號(hào)和基準(zhǔn)站的信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理，計(jì)算出待監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)厘米級(jí)、甚至毫米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)測(cè)量和實(shí)時(shí)高精度連續(xù)靜態(tài)測(cè)量。

利用GNSS技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)具有顯著優(yōu)勢(shì)，主要為：各監(jiān)測(cè)站之間無需通視，是相互獨(dú)立的觀測(cè)值；實(shí)現(xiàn)全天候定位，在臺(tái)風(fēng)、暴雨等惡略天氣環(huán)境中持續(xù)監(jiān)測(cè)；高精度測(cè)定位移自動(dòng)化程度高，所測(cè)三維坐標(biāo)可直接存入監(jiān)控中心服務(wù)器，并進(jìn)行安全性分析，延時(shí)短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的無人值守監(jiān)控；定位速度快，精度高，量程大，滿足道路橋梁的需求；基準(zhǔn)站和待監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離不受限制。

GNSS技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用可分為橋墩沉降監(jiān)測(cè)、橋梁撓度監(jiān)測(cè)、橋塔位移監(jiān)測(cè)、橋面位移監(jiān)測(cè)等。采用GNSS技術(shù)監(jiān)測(cè)橋梁的變形狀況，需在待監(jiān)測(cè)位置布置基準(zhǔn)點(diǎn)和固定觀測(cè)墩。在選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，需考慮信號(hào)穩(wěn)定、位于橋梁關(guān)鍵位置、易裝卸和維護(hù)等因素，并在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處設(shè)置GNSS接收機(jī)。靜態(tài)相對(duì)定位是GNSS技術(shù)定位中精度最高的方法，精度可達(dá)毫米級(jí)；動(dòng)態(tài)相對(duì)定位方法解算時(shí)間短、成果更新快，在一定范圍內(nèi)（如流動(dòng)站和基準(zhǔn)站間的距離小于20千米時(shí)），定位精度可達(dá)1厘米至2厘米。

目前，國(guó)內(nèi)已有多座大橋采用了基于GNSS技術(shù)的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋就采用搭載GPS接收器和慣性單元IMU組成的雙天線光纖組合導(dǎo)航系統(tǒng)，解決了慣性導(dǎo)航長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)漂移和橋塔遮擋GPS失鎖兩大問題。

此外，橋梁無損檢（監(jiān)）測(cè)技術(shù)還包括超聲探傷、聲發(fā)射、電位差測(cè)量、探地雷達(dá)、沖擊回波、紅外熱成像和透析成像等，主要用途和優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 常用的橋梁結(jié)構(gòu)無損檢（監(jiān)）測(cè)技術(shù)

表1 常用的橋梁結(jié)構(gòu)無損檢（監(jiān)）測(cè)技術(shù)

近年來，隨著與深度學(xué)習(xí)、目標(biāo)精確定位、圖像矯正、三維重構(gòu)、VR等技術(shù)的融合，無損檢（監(jiān)）測(cè)技術(shù)向著智能化、快速化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，檢測(cè)結(jié)果也向著自動(dòng)分析與定量評(píng)價(jià)的方向發(fā)展，未來，橋梁檢測(cè)過程將逐漸實(shí)現(xiàn)無人化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

云技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)

國(guó)家大力推廣“互聯(lián)網(wǎng)+”，為橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人工智能，提供了良好的外部環(huán)境。

云技術(shù)（Cloud technology）是基于云計(jì)算商業(yè)模式應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、整合技術(shù)、管理平臺(tái)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等的總稱，可以組成資源池，按需所用，靈活便利，具有即時(shí)性、降低人為誤差干擾、信息流轉(zhuǎn)便利等優(yōu)勢(shì)。

大數(shù)據(jù)解決了計(jì)算能力不足、數(shù)據(jù)分析方法低效等問題，使橋梁健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存在應(yīng)用的可能性。大數(shù)據(jù)具有4V（即Volume、Variety、Velocity和Value）特點(diǎn)，橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)信息符合大數(shù)據(jù)基本特征：橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)模大，信息的維度多，具備流轉(zhuǎn)快、增速快的特征，也存在價(jià)值密度較低的問題。

大型橋梁健康檢測(cè)監(jiān)測(cè)具有數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大的特點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、利用難度大。將物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)引入橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，在強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲(chǔ)和兼容能力支撐下，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大橋梁的網(wǎng)絡(luò)化、集約化管理，為橋梁養(yǎng)護(hù)決策提供有效的技術(shù)支撐。

云計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部可以看作是一組服務(wù)的集合，它可以分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器通過采集橋梁結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息，將采集數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)保存在云端。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般分為傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)、預(yù)警及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)，這4個(gè)子系統(tǒng)功能均可通過基于物聯(lián)網(wǎng)的云計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如表2所示。其中，傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)、預(yù)警及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能則由云平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。

表2 大數(shù)據(jù)的構(gòu)成要點(diǎn)

表2 大數(shù)據(jù)的構(gòu)成要點(diǎn)

除了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，云技術(shù)也逐漸應(yīng)用到橋梁施工信息管理、施工監(jiān)控和智能梁廠信息管理等多個(gè)方面。云平臺(tái)可通過終端將技術(shù)人員與管理人員連接起來，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)傳遞與快速分享，提高施工管理效率。

表3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)云的架構(gòu)體系

表3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)云的架構(gòu)體系