基于機器視覺的建筑結(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］。

隨著計算機理論技術(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)用價值與社會效益［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，卻沒有表現(xiàn)出與其高昂的售價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——裂縫網(wǎng)（www.crackeye.net）實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)裂縫病害實時監(jiān)測，并通過現(xiàn)場試驗來驗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 框架上進行了一定改進，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)上實現(xiàn)了 Web MVC 設(shè)計模式的請求驅(qū)動類型并具備輕量化優(yōu)點，借鑒 MVC 架構(gòu)模式的思想，將 Web 層進行職責(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)訪問進行操作，可大大提高 WEB 框架的效率。

圖1 Spring MVC 示意圖

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

2 裂縫監(jiān)測現(xiàn)場試驗

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進行試驗以驗證監(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)測點的兩側(cè)：兩張二維碼標(biāo)識關(guān)于裂縫監(jiān)測點呈現(xiàn)中心對稱，左右兩側(cè)二維碼標(biāo)識的外邊緣距離同側(cè)裂縫外輪廓的距離大約為兩倍的裂縫寬度。二維碼標(biāo)識上分布的黑白相間的小矩形用于記錄數(shù)據(jù)符號信息，在靠近標(biāo)識外邊緣的中點處設(shè)置一條水平短實線，用于輔助安裝二維碼標(biāo)識，兩個水平短線分別位于裂縫兩側(cè)，安裝標(biāo)識時使兩根水平短線位于同一水平線或豎直線上，兩個二維碼標(biāo)識水平短線的連線與裂縫相交的位置即是裂縫監(jiān)測點，如圖 3 所示。

圖3 現(xiàn)場裂縫圖像采集

裂縫監(jiān)測點處標(biāo)識安裝完成后，使用圖像傳感器進行裂縫圖像信息采集工作，拍攝裂縫圖像時應(yīng)使得兩張二維碼標(biāo)識與裂縫信息完整，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)場試驗使用的圖像傳感器為移動手機 iphone 12，為保證試驗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)算法會自動識別裂縫病害的類型，獲取上傳裂縫圖片的裂縫測點處的裂縫寬度并進行數(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)測點處的裂縫寬度作為對照試驗。

3 試驗結(jié)果分析與報表生成

打開計算機中的任意瀏覽器，進入在線監(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)識定義功能，將裂縫測點處的裂縫圖像與該裂縫旁的二維碼標(biāo)識進行綁定，以此實現(xiàn)裂縫測點與系統(tǒng)后端數(shù)據(jù)庫的一對一綁定，為實現(xiàn)自動化裂縫圖像信息自動處理打下基礎(chǔ)。云端在接受到處理上傳的裂縫圖片的請求后，會自動解碼裂縫測點旁二維碼標(biāo)識信息，獲取該測點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 ID。每一個裂縫測點與其旁邊的數(shù)字標(biāo)識逐一綁定，監(jiān)測系統(tǒng)則會根據(jù)云端的解碼信息實現(xiàn)該裂縫測點的位置信息與裂縫標(biāo)識身份信息的自動化歸屬，如表 1 所示。

建筑名稱 裂縫測點 裂縫標(biāo)識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)裂縫損傷識別算法在接受到處理請求后對上傳的裂縫圖片信息進行處理，并進行分析裂縫類型與裂縫寬度計算，獲得基于機器視覺的裂縫寬度計算結(jié)果，并與試驗結(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 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)測的裂縫測點處裂縫寬度的計算準(zhǔn)確率在 95 % 以上，依據(jù)規(guī)范本文所提出的基于機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 個裂縫測點，從 2020 年 12 月 2 日－2021 年 1 月 7 日，進行裂縫圖像的持續(xù)性采集工作，對每個裂縫測點共進行 22 次拍攝，以模擬一段時間間隔內(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)分析功能會自動生成記錄裂縫監(jiān)測情況的報表。裂縫監(jiān)測情況的報表通過檢索云端數(shù)據(jù)庫，自動匹配并描述該裂縫測點的建筑名稱、建筑概況，并將該裂縫測點的裂縫寬度計算結(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)測報表為例，對該裂縫測點的近一個月裂縫數(shù)據(jù)表如表 3 所示，該裂縫測點的裂縫寬度變化圖如圖 6 所示，報表的附件還會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

本文提出了一個基于機器視覺的在線裂縫監(jiān)測系統(tǒng)，通過在裂縫測點處使用圖像傳感器進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的位置信息與裂縫標(biāo)識身份信息的自動化歸屬任務(wù)，并計算每一次上傳的裂縫圖片中相應(yīng)裂縫測點的裂縫寬度?，F(xiàn)場試驗表明，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，在一段時間內(nèi)也能實現(xiàn)對裂縫測點的高效監(jiān)測，實現(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間成本，還使得不具備專業(yè)檢測知識的人員也能及時、高效、快速、準(zhǔn)確地進行裂縫檢測。Q