基于機(jī)器視覺的建筑結(jié)構(gòu)裂縫病害在線監(jiān)測系統(tǒng)

陳滿軍，張輝霖，吳玉龍，趙廣輝

（1.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 昆山 215337；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

0 引言

混凝土裂縫作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的病害形式，是反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、評估工程質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。對混凝土裂縫定期監(jiān)測，收集病害信息并及時(shí)檢修能有效避免災(zāi)害事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的裂縫檢測方法存在檢測效率低、人工成本高等不足，無法滿足龐大的混凝土裂縫檢測需求［1］。

隨著計(jì)算機(jī)理論技術(shù)、硬件性能、無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，將數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)分析技術(shù)，研究新型非接觸無損檢測技術(shù)并開發(fā)混凝土裂縫檢測系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于混凝土表面裂縫檢測過程中，具有工程應(yīng)用價(jià)值與社會(huì)效益［1］。

國外已有多家研究所、檢測公司著手研發(fā)路面裂縫自動(dòng)檢測系統(tǒng)，其中比較著名的包括英國的 Harris系統(tǒng)［2］、日本的 Komatsu 系統(tǒng)［3，4］、加拿大的 WiseCrax系統(tǒng)［5］、美國的 PCES 系統(tǒng)［6］、瑞典的 PAVUE 系統(tǒng)等等。這些裂縫檢測系統(tǒng)往往和工程檢測車?yán)変N售，在廣泛商業(yè)化應(yīng)用的同時(shí)，卻沒有表現(xiàn)出與其高昂的售價(jià)相匹配的檢測效率及穩(wěn)定性。本文將通過一種新型的裂縫檢測與管理平臺(tái)——裂縫網(wǎng)（www.crackeye.net）實(shí)現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)裂縫病害實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)來驗(yàn)證其魯棒性與精確性。

1 系統(tǒng)服務(wù)端與數(shù)據(jù)庫搭建

一個(gè)完善的 B/S 架構(gòu)軟件需要服務(wù)端算法和數(shù)據(jù)庫支撐核心的服務(wù)功能。本文基于傳統(tǒng)的 WEB 開發(fā)框架——在早期的 Java Bean 和 Servlet + JSP+Java Bean的 WEB 框架上進(jìn)行了一定改進(jìn)，將早期 MVC 框架中的模型層用業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)訪問層代替，形成了 Spring MVC 框架（見圖 1）。Spring MVC在 Spring 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了 Web MVC 設(shè)計(jì)模式的請求驅(qū)動(dòng)類型并具備輕量化優(yōu)點(diǎn)，借鑒 MVC 架構(gòu)模式的思想，將 Web 層進(jìn)行職責(zé)解耦，并管理應(yīng)用所需對象的生命周期，使其可以在業(yè)務(wù)層對數(shù)據(jù)訪問進(jìn)行操作，可大大提高 WEB 框架的效率。

圖1 Spring MVC 示意圖

在進(jìn)行軟件服務(wù)端開發(fā)時(shí)，需要先搭建好數(shù)據(jù)庫?？紤]各類數(shù)據(jù)庫的性能、通用性、安全性和成本，本系統(tǒng)選用 MySQL 進(jìn)行數(shù)據(jù)庫搭建。

2 裂縫監(jiān)測現(xiàn)場試驗(yàn)

鼎新樓地下停車場入口處坡道（見圖 2），為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。該建筑在 2019 年經(jīng)過維修改造工程后鑒定表明，該建筑在長時(shí)間的使用過程中，由于建筑體發(fā)生不均勻沉降，使得建筑結(jié)構(gòu)整體的硬度和剛度變差，使得結(jié)構(gòu)某些部位的抗剪切能力變差，從而產(chǎn)生垂直方向的裂縫；由于夏季和冬季、晝夜溫差大而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，產(chǎn)生較多處倒八字形裂縫。

圖2 鼎新樓地下停車場入口處坡道

因此，選擇以下三處裂縫測點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性。

1）停車場入口坡道東側(cè)裂縫；

2）停車場入口坡道南側(cè)裂縫；

3）停車場入口坡道北外墻裂縫。

將裂縫網(wǎng)專屬數(shù)字二維碼標(biāo)張貼在裂縫監(jiān)測點(diǎn)的兩側(cè)：兩張二維碼標(biāo)識(shí)關(guān)于裂縫監(jiān)測點(diǎn)呈現(xiàn)中心對稱，左右兩側(cè)二維碼標(biāo)識(shí)的外邊緣距離同側(cè)裂縫外輪廓的距離大約為兩倍的裂縫寬度。二維碼標(biāo)識(shí)上分布的黑白相間的小矩形用于記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息，在靠近標(biāo)識(shí)外邊緣的中點(diǎn)處設(shè)置一條水平短實(shí)線，用于輔助安裝二維碼標(biāo)識(shí)，兩個(gè)水平短線分別位于裂縫兩側(cè)，安裝標(biāo)識(shí)時(shí)使兩根水平短線位于同一水平線或豎直線上，兩個(gè)二維碼標(biāo)識(shí)水平短線的連線與裂縫相交的位置即是裂縫監(jiān)測點(diǎn)，如圖 3 所示。

圖3 現(xiàn)場裂縫圖像采集

裂縫監(jiān)測點(diǎn)處標(biāo)識(shí)安裝完成后，使用圖像傳感器進(jìn)行裂縫圖像信息采集工作，拍攝裂縫圖像時(shí)應(yīng)使得兩張二維碼標(biāo)識(shí)與裂縫信息完整，且裂縫大致位于圖像的中間位置，兩根用于輔助安裝的水平短線的連線應(yīng)大致與圖像傳感器的長邊方向平行。本次現(xiàn)場試驗(yàn)使用的圖像傳感器為移動(dòng)手機(jī) iphone 12，為保證試驗(yàn)過程中每次采集的裂縫圖像保持基本一致，提高云端深度學(xué)習(xí)裂縫檢測算法的魯棒性與準(zhǔn)確性，將照片的分辨率設(shè)置為4 032×3 024，現(xiàn)場裂縫圖像采集如圖 4 所示。

圖4 現(xiàn)場裂縫圖像采集

現(xiàn)場裂縫圖像采集完成后，將裂縫圖像上傳至裂縫在線監(jiān)測系統(tǒng)裂縫網(wǎng)（www.crackeye.net），監(jiān)測系統(tǒng)后端的深度學(xué)習(xí)算法會(huì)自動(dòng)識(shí)別裂縫病害的類型，獲取上傳裂縫圖片的裂縫測點(diǎn)處的裂縫寬度并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此外分別使用 100 倍裂縫觀測儀與刻度為 0.5 mm 的高精度軟尺（見圖 5）測量裂縫監(jiān)測點(diǎn)處的裂縫寬度作為對照試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與報(bào)表生成

打開計(jì)算機(jī)中的任意瀏覽器，進(jìn)入在線監(jiān)測系統(tǒng)裂縫網(wǎng)，經(jīng)過監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的建筑定義、裂縫定義與標(biāo)識(shí)定義功能，將裂縫測點(diǎn)處的裂縫圖像與該裂縫旁的二維碼標(biāo)識(shí)進(jìn)行綁定，以此實(shí)現(xiàn)裂縫測點(diǎn)與系統(tǒng)后端數(shù)據(jù)庫的一對一綁定，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裂縫圖像信息自動(dòng)處理打下基礎(chǔ)。云端在接受到處理上傳的裂縫圖片的請求后，會(huì)自動(dòng)解碼裂縫測點(diǎn)旁二維碼標(biāo)識(shí)信息，獲取該測點(diǎn)在此前定義好的建筑名稱、裂縫名稱和與之綁定的數(shù)字二維碼標(biāo)識(shí) ID。每一個(gè)裂縫測點(diǎn)與其旁邊的數(shù)字標(biāo)識(shí)逐一綁定，監(jiān)測系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)云端的解碼信息實(shí)現(xiàn)該裂縫測點(diǎn)的位置信息與裂縫標(biāo)識(shí)身份信息的自動(dòng)化歸屬，如表 1 所示。

建筑名稱 裂縫測點(diǎn) 裂縫標(biāo)識(shí)身份鼎新樓地下停車場入口處坡道 坡道東側(cè)裂縫 01000714鼎新樓地下停車場入口處坡道 坡道南側(cè)裂縫 01000899鼎新樓地下停車場入口處坡道 停車場入口坡道北外墻裂縫 01000716

后端嵌入的深度學(xué)習(xí)裂縫損傷識(shí)別算法在接受到處理請求后對上傳的裂縫圖片信息進(jìn)行處理，并進(jìn)行分析裂縫類型與裂縫寬度計(jì)算，獲得基于機(jī)器視覺的裂縫寬度計(jì)算結(jié)果，并與試驗(yàn)結(jié)果對比，并將 100 倍裂縫觀測儀所測量的裂縫寬度視作標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算在線監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的裂縫寬度值的準(zhǔn)確率，如表 2 所示。

裂縫寬度 /mm 在線監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確率 /%裂縫測點(diǎn) 在線監(jiān)測系統(tǒng)100 倍裂縫觀測儀0.5 mm 高精度軟尺坡道東側(cè)裂縫 3.29 3.21 3.25 97.51坡道南側(cè)裂縫 4.19 4.40 4.50 95.23停車場入口坡道北外墻裂縫 5.82 5.66 5.75 97.17

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的在線監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的裂縫測點(diǎn)處裂縫寬度的計(jì)算準(zhǔn)確率在 95 % 以上，依據(jù)規(guī)范本文所提出的基于機(jī)器視覺的在線裂縫監(jiān)測系統(tǒng)能滿足裂縫監(jiān)測需求。

對上述 3 個(gè)裂縫測點(diǎn)，從 2020 年 12 月 2 日－2021 年 1 月 7 日，進(jìn)行裂縫圖像的持續(xù)性采集工作，對每個(gè)裂縫測點(diǎn)共進(jìn)行 22 次拍攝，以模擬一段時(shí)間間隔內(nèi)的裂縫監(jiān)測任務(wù)。

基于在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能會(huì)自動(dòng)生成記錄裂縫監(jiān)測情況的報(bào)表。裂縫監(jiān)測情況的報(bào)表通過檢索云端數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)匹配并描述該裂縫測點(diǎn)的建筑名稱、建筑概況，并將該裂縫測點(diǎn)的裂縫寬度計(jì)算結(jié)果以表格和變化曲線圖的方式直觀體現(xiàn)，此外還會(huì)記錄每一次上傳的裂縫圖片的圖片名稱。以停車場入口坡道北外墻裂縫的監(jiān)測報(bào)表為例，對該裂縫測點(diǎn)的近一個(gè)月裂縫數(shù)據(jù)表如表 3 所示，該裂縫測點(diǎn)的裂縫寬度變化圖如圖 6 所示，報(bào)表的附件還會(huì)將用戶所上傳的裂縫圖片匯總成表格。

圖6 停車場入口坡道北外墻裂縫-裂縫寬度變化圖

裂縫名稱 時(shí)間 寬度/mm停車場入口坡道北外墻裂縫2020/12/03 5.82 2020/12/04 5.79 2020/12/07 5.75 2020/12/08 5.54 2020/12/09 5.81 2020/12/15 5.82 2020/12/16 5.88 2020/12/17 5.75 2020/12/18 5.78 2020/12/21 5.77 2020/12/22 5.78 2020/12/23 5.90 2020/12/24 5.90 2020/12/25 5.89 2020/12/28 5.80 2020/12/29 5.78 2020/12/30 5.81 2021/01/04 5.23 2021/01/05 5.05 2021/01/06 5.05 2021/01/07 5.58 2021/01/08 4.96

4 結(jié)語

本文提出了一個(gè)基于機(jī)器視覺的在線裂縫監(jiān)測系統(tǒng)，通過在裂縫測點(diǎn)處使用圖像傳感器進(jìn)行裂縫圖像采集工作后上傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)則能完成該裂縫測點(diǎn)的位置信息與裂縫標(biāo)識(shí)身份信息的自動(dòng)化歸屬任務(wù)，并計(jì)算每一次上傳的裂縫圖片中相應(yīng)裂縫測點(diǎn)的裂縫寬度?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，本文所提出的在線裂縫監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量裂縫寬度，在一段時(shí)間內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)對裂縫測點(diǎn)的高效監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了新型的無接觸式建筑結(jié)構(gòu)裂縫病害診斷，克服了傳統(tǒng)專業(yè)檢測人員使用專業(yè)儀器對建筑結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行逐一測量的劣勢，不僅大大節(jié)省了傳統(tǒng)裂縫病害檢測工作的人工成本與時(shí)間成本，還使得不具備專業(yè)檢測知識(shí)的人員也能及時(shí)、高效、快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行裂縫檢測。Q