大跨度橋梁高支模支架安全監(jiān)測技術(shù)

王衛(wèi)星，黃冠楊（.江蘇陽湖建設(shè)項目管理有限公司， 江蘇 常州 359；.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司， 上海0007）

對大型橋梁結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行動態(tài)位移監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的危害并及時采取相應(yīng)的維護(hù)措施，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。這對結(jié)構(gòu)物的安全施工和運(yùn)營損傷監(jiān)測具有非常重要的意義。但是，對于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法很難發(fā)揮應(yīng)有的作用。如果直接通過位移傳感器進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，一方面?zhèn)鞲衅鞯陌惭b位置無法很好解決，另一方面會對施工過程產(chǎn)生干擾；如果采用全站儀測量位移，雖然對施工過程干擾較少，但無法進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測；如果通過加速度傳感器間接采集結(jié)構(gòu)的位移信息，則需要進(jìn)行兩次積分，會導(dǎo)致誤差累積[1]。因此，如何及時有效地監(jiān)測支架施工變形情況，提高支架施工變形監(jiān)測的無人化、自動化，是亟待解決的重要問題[2]。

本文研究大跨度橋梁高支模支架施工變形監(jiān)測系統(tǒng)的原理與軟硬件系統(tǒng)的構(gòu)造組成，并通過江蘇常州地鐵 1號線高架橋梁施工項目進(jìn)行試驗(yàn)測試，以驗(yàn)證軟件算法的可靠性和測試系統(tǒng)的精度。

1 系統(tǒng)原理

橋梁高支模支架施工變形動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由軟硬件兩大部分組成。硬件部分包括圖像采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸處理模塊、LED 補(bǔ)光模塊、測量標(biāo)靶以及監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器等。施工過程中，圖像采集模塊自動采集監(jiān)測區(qū)間內(nèi)支架上測量標(biāo)靶的實(shí)時圖像。當(dāng)支架發(fā)生變形時，測量標(biāo)靶上的觀測點(diǎn)位置發(fā)生變化，監(jiān)測系統(tǒng)自動識別變形觀測點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器。夜間作業(yè)時，使用 LED 補(bǔ)光模塊進(jìn)行補(bǔ)光，提高識別率。支模支架施工變形動態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 高支模支架施工變形動態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)示意圖

軟件系統(tǒng)主要由云臺控制子系統(tǒng)、相機(jī)控制子系統(tǒng)、圖像識別子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲及處理子系統(tǒng)等組成。云臺控制子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收主系統(tǒng)的定位請求，然后向旋轉(zhuǎn)云臺發(fā)送旋轉(zhuǎn)指令；相機(jī)控制子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收主系統(tǒng)的采集指令，然后向數(shù)碼相機(jī)發(fā)送拍攝指令并接收照片數(shù)據(jù)；圖像識別子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對主系統(tǒng)得到的照片進(jìn)行識別，以獲取預(yù)設(shè)目標(biāo)在圖像中的位置、大小等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲及處理子系統(tǒng)駐留在遠(yuǎn)程服務(wù)器，負(fù)責(zé)接收和存儲來自主系統(tǒng)的目標(biāo)識別數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定預(yù)設(shè)目標(biāo)的相對位移量。軟硬件系統(tǒng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 變形監(jiān)測軟件與硬件系統(tǒng)關(guān)系圖

2 系統(tǒng)組成

2.1 橋梁高支模施工變形監(jiān)測硬件系統(tǒng)

橋梁施工支架變形監(jiān)測硬件系統(tǒng)關(guān)鍵部分由數(shù)字圖像采集設(shè)備、監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器兩大部分組成。

2.1.1 數(shù)字圖像采集設(shè)備

數(shù)字圖像采集設(shè)備由數(shù)碼相機(jī)、高倍率長焦距鏡頭、光學(xué)數(shù)控水平轉(zhuǎn)臺、豎直轉(zhuǎn)臺及設(shè)備殼體等 5 個部分組成。數(shù)碼相機(jī)通過 USB 接口線連接監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器，水平和豎直轉(zhuǎn)臺分別通過 RS232 串口線連接監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器，如圖3所示。

圖3 數(shù)字圖像采集設(shè)備

（1）數(shù)碼相機(jī)。選擇佳能 5Ds 單反數(shù)碼相機(jī)機(jī)身，傳感器為全畫幅尺寸（36 mm ×24 mm），最大圖像分辨率約為 5 030 萬像素。

（2）高倍率長焦距鏡頭。采用焦距 400～600 mm 長焦鏡頭，配合佳能 5Ds 機(jī)身，可以在 30 m 內(nèi)獲得 3 個/mm像素的圖像解析度。

（3）光學(xué)數(shù)控水平和垂直轉(zhuǎn)臺。監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器上運(yùn)行的監(jiān)測程序通過光學(xué)數(shù)控水平轉(zhuǎn)臺控制數(shù)碼相機(jī)的水平和垂直轉(zhuǎn)動。為了確保誤差滿足測量精度的要求，轉(zhuǎn)臺的定位和重現(xiàn)精度要求非常高。傳統(tǒng)的視頻伺服云臺難以達(dá)到所需的精度要求。硬件方案設(shè)計時，選擇美國 Aerotech 公司的納米運(yùn)動轉(zhuǎn)臺(ANT 95-R-PLUS)，如圖4所示。

圖4 納米運(yùn)動轉(zhuǎn)臺

納米運(yùn)動轉(zhuǎn)臺提供了很高的定位穩(wěn)定性（0.005 "）和0.010 " 遞增的運(yùn)動性能，并且提供兩個級別的精度等級。同時，系統(tǒng)可提供高動態(tài)性能，以確保光學(xué)系統(tǒng)動態(tài)捕捉和快速定位。

（4）設(shè)備殼體。為了確保設(shè)備在施工現(xiàn)場較為惡劣的環(huán)境條件下正常工作，設(shè)備必須考慮強(qiáng)光日照、高溫、暴雨和冰凍等不利因素條件下的耐久性。對設(shè)備殼體進(jìn)行設(shè)計，主要由上部殼體、底部基座和三腳架 3 部分組成。固定機(jī)位監(jiān)測時采用立柱安裝，不使用三腳架；臨時定點(diǎn)監(jiān)測時，采用三腳架設(shè)置。

2.1.2 監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器

監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器采用 Intel 酷睿高性能無風(fēng)扇工控機(jī)（MEC-5071），如圖5所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器

2.2 橋梁高支模支架施工變形監(jiān)測軟件系統(tǒng)

根據(jù)高架橋梁施工環(huán)境特點(diǎn)，在獲取變形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，編制了能夠?qū)Λ@取的圖像進(jìn)行自動識別、自動測量、自動報警的橋梁施工支架安全性監(jiān)控的軟件系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件以開放的方式進(jìn)行編制，可為施工中其他監(jiān)測項目提供支持，可為支架的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測與上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測提供數(shù)據(jù)錄入接口。系統(tǒng)對接收的信息進(jìn)行匯總、分析，建立特征曲線，與理論曲線實(shí)時對比，全面監(jiān)測施工過程中支架的安全情況。軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)流程

2.2.1 圖像自動獲取

采用云臺控制子系統(tǒng)接收主系統(tǒng)的定位請求，通過軟件編程控制向旋轉(zhuǎn)云臺發(fā)送旋轉(zhuǎn)指令；采用數(shù)字圖像控制與采集子系統(tǒng)接收主系統(tǒng)的采集指令，向數(shù)碼相機(jī)發(fā)送拍攝指令并接收照片數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)圖像自動獲取的功能。

2.2 2 圖像自動識別

首先加載包含靶標(biāo)的圖片到庫中，形成識別系統(tǒng)內(nèi)部的Mat 對象，將讀入的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖并進(jìn)行圖像的分割、特征檢測等操作，以便于計算圖像的直方圖，通過計算灰度圖對應(yīng)的直方圖，可以確定圖像的顏色分布情況以及灰度值的變化范圍；然后對灰度圖進(jìn)行閾值濾波，先前得到灰度圖像中，只有靶標(biāo)中的黑色區(qū)域依舊保留，除此之外其余像素均被清除；接著對閾值濾波后的圖像進(jìn)行膨脹處理，以增強(qiáng)靶標(biāo)區(qū)域的強(qiáng)度和范圍。對膨脹處理后的圖像進(jìn)行等值線提取，即可得到所有獨(dú)立黑色區(qū)域的外輪廓；對等值線計算最小外包圓，得到各靶標(biāo)中黑色區(qū)域的外輪廓后，需要將這些任意外輪廓換算為圓形，才能真正得到各靶標(biāo)的中心坐標(biāo)及半徑值。

2.2.3 變形自動測量及報警

為了保證項目的研究內(nèi)容有充分的科學(xué)依據(jù)，針對靶標(biāo)自動識別軟件算法，專門開發(fā)了自動測試軟件，對現(xiàn)場采集的 10 萬多幅數(shù)字圖像進(jìn)行識別測試，同時對超過限值的變形進(jìn)行報警處理。

3 監(jiān)測工程實(shí)例

為了驗(yàn)證和改進(jìn)該監(jiān)測系統(tǒng)的硬件平臺和軟件算法，進(jìn)行現(xiàn)場工程試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。現(xiàn)場施工工程為一個 30 m＋45 m＋30 m 的連續(xù)梁，墩身高為12.5 m，根據(jù)現(xiàn)場測量條件，在蓋梁東側(cè)布設(shè) 1號、2號靶標(biāo)，分別為觀測點(diǎn) 1、觀測點(diǎn) 2。

現(xiàn)場測試過程跟蹤混凝土澆筑全部過程，從晚 18∶00點(diǎn)開始，至次日22∶00 澆筑完成，每隔 30 min 進(jìn)行一次拍攝。測點(diǎn) 1、測點(diǎn) 2 支架變形（1號、2號標(biāo)靶偏移）實(shí)測數(shù)據(jù)分別如圖7與圖8所示。

圖7 測點(diǎn)1支架變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖8 測點(diǎn)2支架變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

2號靶標(biāo)在16次采樣時刻，人為移動了靶標(biāo)位置。從系統(tǒng)測試和記錄的曲線上看，變化十分明顯，達(dá)到預(yù)設(shè)的報警值，系統(tǒng)能夠自動響應(yīng)，產(chǎn)生一次系統(tǒng)報警事件。系統(tǒng)硬件價格不足現(xiàn)有測量機(jī)器人單價的 50%，可以實(shí)現(xiàn)無人化、智能化的橋梁支架自動監(jiān)測。與傳統(tǒng)人工監(jiān)測相比，提高監(jiān)測頻率100倍以上，能夠?qū)崿F(xiàn)7×24 h不間斷監(jiān)測，識別正確率達(dá)到98%以上。

4 結(jié) 語

本文針對大跨橋梁高支模支架現(xiàn)澆施工特點(diǎn)，基于機(jī)器視覺的相關(guān)軟硬件技術(shù)，研發(fā)無人化、智能化的支架變形自動監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁高支模支架現(xiàn)澆施工進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并通過實(shí)際工程測試試驗(yàn)，對系統(tǒng)正確率和實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證，從而形成一套較完整的可操作性強(qiáng)的橋梁高支模支架現(xiàn)澆施工變形實(shí)時監(jiān)測技術(shù)手段。