基于機(jī)器視覺的橋梁路面破損率評估方法

摘要：針對橋梁路面破損率難以準(zhǔn)確評估的問題，提出了基于機(jī)器視覺的橋梁路面破損率評估方法。利用機(jī)器視覺采集了橋梁路面的數(shù)字圖像，并進(jìn)行圖像的轉(zhuǎn)換和調(diào)整，確定橋梁水泥混凝土路面的破損類型，識別路面破損；計(jì)算橋梁路面的豎向彈性支撐剛度和橫向沖擊支撐剛度，構(gòu)建沖擊碾壓荷載分布計(jì)算模型；在分析橋梁路面破損級別的基礎(chǔ)上，評估了橋梁路面破損率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法在評估橋梁路面結(jié)構(gòu)類損壞和功能性損壞時，可以將評估精度提高到85%以上，為橋梁路面破損養(yǎng)護(hù)策略提供新思路。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；破損；路面；分級評估；荷載分布

中圖分類號：U446" """"文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" """"文章編號：2096-2118（2024）05-0066-04

Machine Vision Based Evaluation Method for Bridge Pavement Damage Rate

DONG Yu

（Shanghai Tongji Testing Technology Co.，Ltd.，Shanghai" 200441，China）

Abstract：A machine vision based evaluation method for bridge pavement damage rate is proposed to address the issue of difficulty in accurately assessing bridge pavement damage rate.Digital images of bridge pavement were collected using machine vision，and the images were converted and adjusted to determine the type of damage to the cement concrete pavement of the bridge and identify the pavement damage；Calculate the vertical elastic support stiffness and lateral impact support stiffness of the bridge pavement，and construct a calculation model for the distribution of impact rolling loads；On the basis of analyzing the level of bridge pavement damage，the damage rate of bridge pavement was evaluated.The experimental results show that the method proposed in the article can improve the evaluation accuracy to over 85% when evaluating structural and functional damage to bridge pavement，providing new ideas for maintenance strategies for bridge pavement damage.

Keywords：machine vision；damage;pavement；graded evaluation；load distribution

0" 引言

如果不能及時地對橋梁路面破損進(jìn)行檢測和評估，將會對其使用壽命造成不可挽回的損害[1-2]，從而造成重大的經(jīng)濟(jì)利益損失[3]。高明星等[4]提出了一種創(chuàng)新的評估方法，該方法融合了分形維數(shù)與破損率指標(biāo)，用于量化水泥混凝土路面的破損程度。通過捕獲道路圖像，并巧妙地運(yùn)用紋理和灰度分析技術(shù)，精準(zhǔn)地提取出破損區(qū)域的二值圖像，利用路面狀況指數(shù)與分形維數(shù)這兩個評估參數(shù)，識別并評估不同等級的路面破損狀況。何必伍等[5]評估了舊水泥混凝土路面狀況，從精確性出發(fā)利用落錘式彎沉儀對路面強(qiáng)度狀況進(jìn)行檢測和評估?；谝陨涎芯勘尘?，總結(jié)以往研究經(jīng)驗(yàn)，提出了基于機(jī)器視覺的橋梁路面破損分級評估方法，以橋梁路面破損的形成原因與級別為依據(jù)，及時預(yù)測、延長橋梁的使用壽命。

1" 破損分級評估方法設(shè)計(jì)

1.1" 基于機(jī)器視覺識別路面破損

為了實(shí)現(xiàn)對橋梁路面破損的識別，利用橋梁路面破損的數(shù)字圖像矩陣，對造成路面破損的主要影響要素進(jìn)行分析。

利用機(jī)器視覺對橋梁路面破損的數(shù)字圖像進(jìn)行采集[6]，在計(jì)算的過程中，橋梁路面破損圖像用i（x，y）表示，其中x和y分別為破損圖像的坐標(biāo)，i為橋梁路面破損圖像在（x，y）處的數(shù)值，橋梁路面破損圖像矩陣為M×N，生成模板矩陣，公式如下：

I=

（1）

當(dāng)橋梁路面破損的離散影像上傳至計(jì)算機(jī)后，可以利用機(jī)器視覺對橋梁路面破損進(jìn)行識別，但是要考慮以下幾個條件：①因受周圍條件的限制，獲取的橋梁路面破損影像存在著灰色不均勻性；②因光照改變而產(chǎn)生的斑痕，難以判斷路面破損與周邊正常路面的邊界；③橋梁路面破損信息占總信息的比重很低，需要花費(fèi)很多時間對路面破損信息進(jìn)行提取。

在獲取橋梁路面破損的圖像函數(shù)i后，利用機(jī)器視覺對橋梁路面破損圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換[7]，公式如下：

i=0.12R+0.6G+0.05B（2）

式（2）中：R，G，B分別為橋梁路面破損的三元值。轉(zhuǎn)換后的路面破損圖像有可能存在較多的無效區(qū)域，因此需要對橋梁路面破損灰度圖進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的公式如下：

i=

（3）

式（3）中：a，b，L分別為橋梁路面破損的真實(shí)灰度值，α，β，γ分別為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

通過對橋梁路面破損圖像的分析處理，得到橋梁路面破損的測量公式如下：

+=（4）

式（4）中：F為識別因子；S為橋梁路面破損的強(qiáng)度，Pa。

完成橋梁路面破損灰度圖像處理后，需要對橋梁路面破損圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，利用模板I對其進(jìn)行匹配，得到結(jié)果K，公式如下：

K=I×f（5）

式（5）中：f為橋梁路面破損的模板函數(shù)，可以獲取路面破損圖像的像素值，輸出公式如下：

f（x，y）=median［i（x，y）］（6）

利用上式對橋梁路面破損圖像進(jìn)行銳化，并與實(shí)際的橋梁路面破損圖像進(jìn)行對比，公式如下：

?i=+（7）

根據(jù)銳化處理后的橋梁路面破損圖像，利用機(jī)器視覺，實(shí)現(xiàn)對橋梁路面破損的識別。首先，確定橋梁水泥混凝土路面的破損類型主要分為結(jié)構(gòu)類損壞（包括裂縫、錯臺）和功能性損壞（包括麻面、唧泥）；其次建立破損類型與典型圖像之間的關(guān)系，如圖1所示。

橋梁水泥混凝土路面經(jīng)常會發(fā)生裂縫、麻面、錯臺等破損，根據(jù)橋梁水泥混凝土路面的破損類型的圖像銳化特征，實(shí)現(xiàn)路面破損的識別，公式如下：

I′=+?i+ζ（8）

由此，通過橋梁路面破損圖像的銳化和調(diào)整，利用機(jī)器視覺識別出橋梁路面破損。

1.2" 構(gòu)建沖擊碾壓荷載分布計(jì)算模型

水泥混凝土路面是多層結(jié)構(gòu)體系，一般由混凝土面板、基層或墊層組成。路面面板直接承受車輪的沖擊碾壓荷載，荷載分布在水平和垂直兩個方向，因此在評估損失前需要進(jìn)行水泥混凝土路面應(yīng)力分析。本文力學(xué)分析的基本思想是將面板看作一組垂直支撐的連續(xù)梁，其水平和垂直拉力分別由縱向彈性支撐和橫向沖擊支撐兩種形式反映，其計(jì)算公式如下：

G=π

EL/l

G=π

ML/l

（9）

式（9）中：Gw為橫向沖擊支撐剛度，Pa；Gθ為縱向支撐剛度，Pa；E為橋梁路面荷載的彈性模量，Pa；M為橋梁路面荷載橫向剪切模量，Pa；L為面板慣性矩，m4；Lt為面板的橫向沖擊慣性矩，m4；l為橋梁的跨度，m。

通過計(jì)算橋梁的豎向彈性支撐剛度和橫向沖擊支撐剛度，構(gòu)建沖擊碾壓荷載下路面荷載分布計(jì)算模型。

1.3" 評估橋梁路面破損率

以橋梁路面破損構(gòu)件對橋梁路面破損進(jìn)行分級評估。計(jì)算橋梁路面破損程度即級別，計(jì)算公式如下：

Q=

Z

/（

Z

+

Z）

Q=

?

δ/（

δ

+

δ）（10）

式（10）中：QM和Qφ分別為橋梁路面破損的彎曲程度的需求比和變形程度需求比；Z，Z和Zdd分別為最小、最大和平均的橋梁路面破損彎曲程度，rad/m；?c為橋梁路面破損的彎曲程度，rad/m；δy為橋梁路面破損的彎曲率，rad/m；δ為破損彎曲度，rad/m；δdd為恒載曲率，rad/m。

橋梁路面破損需求比的公式如下：

Q=

W/（

W

+

W）

Q=

Δ/（

Δ

+

Δ）（11）

式（11）中：QW和QΔ分別為橋梁路面破損彎曲程度的需求比和變形程度比，rad/m；Wc為橋梁路面破損的彎曲程度，rad/m，W為最大抗載能力，N；Wdd為恒載剪力，N；Δc為橋梁路面破損的變形程度，rad/m；Δ為最大破損程度，rad/m；Δdd為恒載能力，N。

評估橋梁路面的破損性能，得出計(jì)算公式：

Sn=Sc+Ss+Sp（12）

式（12）中：Sn為橋梁路面的抗破損能力，rad/m；Ss為橋梁路面水平?jīng)_擊拉力下的破損強(qiáng)度，Pa；Sp為橋梁路面縱向碾壓力下抗破損能力，rad/m；Sc為橋梁路面的水泥混凝土破損強(qiáng)度，Pa，其計(jì)算公式如下：

S=0.8×?×ε×（13）

式（13）中：?g為橋梁路面破損的橫截面積，m3；λc為橋梁的混凝土破損強(qiáng)度，Pa；ε為橋梁路面的破損應(yīng)力系數(shù)，Pa。

在對橋梁路面破損進(jìn)行等級評估中，根據(jù)橋梁路面破損的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合彎曲程度的需求比和變形程度需求比，計(jì)算橋梁路面破損率評估結(jié)果為：

L=（14）

式（14）中：?max為橋梁路面破損的最大水平位移，m；Σt為橋梁路面破損的總面積，m3。

根據(jù)以上過程，評估了橋梁路面破損率，為破損修復(fù)提供了依據(jù)。

2" 實(shí)例分析

2.1" 測試對象及過程

選取重慶市車流量較大、開展路面養(yǎng)護(hù)維修工程的橋梁作為實(shí)驗(yàn)橋梁，如圖2所示。

該橋梁屬于三跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁，橋梁總長為1 758 m，雙向雙車道，利用Midas截面特性計(jì)算器，可以計(jì)算出該橋梁路面的截面慣性矩為0.84 m4，由于該橋梁的車流量較大，路面容易出現(xiàn)各種破損情況。相關(guān)部門已對橋梁路面破損進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，在施工企業(yè)公共數(shù)據(jù)集中采集該橋路面的養(yǎng)護(hù)維修歷史數(shù)據(jù)，作為實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

根據(jù)橋梁路面破損類型，將每一種破損劃分為10個等級，不同等級的破損程度各差異，詳見表1。

根據(jù)以上橋梁路面的破損類型及形成原因，結(jié)合表1，在結(jié)構(gòu)類損壞和功能性損壞下，測試了橋梁路面破損的評估精度。

2.2" 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證本文方法在評估橋梁路面破損時的評估精度，引入文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法作對比，對路面結(jié)構(gòu)類損壞和功能性損壞進(jìn)行評估。

橋梁路面結(jié)構(gòu)類破損下的評估精度測試結(jié)果如圖3所示。

圖3的結(jié)果顯示，采用文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法對橋梁路面結(jié)構(gòu)類破損的評估精度在70%以下，而本文方法的評估精度在85%以上，評估精度較高。這是因?yàn)槠渫ㄟ^確定破損類型，劃分橋梁路面破損等級，從而提高橋梁路面破損的評估精度。

三種方法對橋梁路面功能性破損的評估精度測試結(jié)果如圖4所示。

圖4的結(jié)果顯示，采用文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法對橋梁路面功能性破損的評估精度在80%以下，本文方法對橋梁路面功能性破損的評估精度同樣可以維持在85%以上，評估精度較高，提升了功能性破損的評估精度。

3" 結(jié)語

本文提出了基于機(jī)器視覺的橋梁路面破損率評估方法，通過引入先進(jìn)機(jī)器視覺技術(shù)，結(jié)合沖擊碾壓荷載分布計(jì)算模型，確定了破損類型，劃分橋梁路面破損等級，精確識別并量化路面的破損程度，該方法具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)不同橋梁類型和破損類型的檢測需求，在結(jié)構(gòu)類損壞和功能性損壞下，以其獨(dú)特的優(yōu)勢和潛力，正在成為橋梁檢測領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，為現(xiàn)代橋梁的安全運(yùn)營提供了強(qiáng)有力的保障。

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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編輯：楊" 洋

DOI：10.3969/j.issn.2096-2118.2024.05.014

收稿日期：2023-12-12

作者簡介：董" 玉（1981～），男，安徽省蚌埠市人，高級工程師，研究方向：道路與橋梁工程檢測。