基于AR實景增強(qiáng)的橋梁輕量化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘""要：橋梁輕量化監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用為橋梁的運(yùn)營提供了有力保障。通過輕量化監(jiān)測，可以實時了解橋梁的健康狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)問題并實施保護(hù)措施。依托朝陽路橋，探討了基于AR實景增強(qiáng)的橋梁輕量化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)，將AR實景可視化技術(shù)與監(jiān)測分析數(shù)據(jù)深度融合，構(gòu)建了一個集現(xiàn)實場景模擬、多維度層次劃分、多元化功能集成、響應(yīng)敏捷以及信息即時共享于一體的智能可視化系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、科學(xué)的典型大橋監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：橋梁"""輕量化監(jiān)測"""基礎(chǔ)設(shè)施"""增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented"Reality，AR）

中圖分類號：TN948.6

Research"and"Application"of"Key"Technologies"for"Bridge"Lightweight"Monitoring"Based"on"AR"Reality"Enhancement

ZHANG"Tao""LI"Jie

Kunshan"Transportation"Engineering"Development"Center，"Kunshan，"Jiangsu"Province，"215300"China

Abstract："The"application"of"lightweight"monitoring"technology"for"bridges"provides"strong"support"for"the"operation"of"bridges."Through"lightweight"monitoring，"the"health"status"of"the"bridge"can"be"monitored"in"real-time，"problemsnbsp;can"be"detected"early"and"protective"measures"can"be"implemented."Based"onnbsp;the"Chaoyang"Road"Bridge，"this"article"explores"the"key"technologies"for"bridge"lightweight"monitoring"based"on"Augmented"Reality（AR）"reality"enhancement."The"AR"reality"visualization"technology"is"deeply"integrated"with"monitoring"analysis"data"to"construct"an"intelligent"visualization"system"architecture"that"integrates"real"scene"simulation，"multi-dimensional"hierarchical"division，"diversified"functional"integration，"agile"response，"and"real-time"information"sharing，"achieving"efficient，"accurate，"scientific"monitoring"of"typical"bridges.

Key"Words："Bridge;"Lightweight"monitoring;"Infrastructure;"Augmented"Reality"technology

橋梁作為公共交通中關(guān)鍵性設(shè)施，其安全性、穩(wěn)定性和耐久性成為城市管理中不可忽視的重要問題[1]。截至2023年末，全國公路橋梁已達(dá)107.93萬座，橋梁的安全管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測方法不僅效率低，且難以保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實時性[2]，嚴(yán)重威脅橋梁安全。在此背景下，提升橋梁監(jiān)測技術(shù)的智能化水平成為當(dāng)務(wù)之急[3]。近年來，增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented"Reality，"AR）技術(shù)在智慧交通等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力[4]，AR融合多媒體、三維空間建模、即時追蹤定位以及智能化交互界面等技術(shù)，將虛擬信息融入現(xiàn)實環(huán)境，達(dá)到對物理世界的“增強(qiáng)”[5]。本文旨在研究基于AR實景增強(qiáng)的橋梁輕量化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建橋梁AR實景可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)橋梁監(jiān)測的精準(zhǔn)化和科學(xué)化。

1""工程概況

青陽港段航道整治工程朝陽路橋全長549.54"m，路面標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為40"m，橋孔跨布置為"（6×30）m+（40+90+40）m+（6×30）m，主橋采用（40+90+40）m鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)，兩側(cè)引橋采用30"m跨徑組合箱梁設(shè)計，邊跨鋼箱梁橋面寬40"m，中跨鋼箱梁橋面寬度40～47"m。

基于低成本、低功耗、低復(fù)雜度、強(qiáng)針對性的監(jiān)測理念，以實時、直觀的橋梁信息可視化為目標(biāo)，形成一套基于AR實景增強(qiáng)的橋梁輕量化監(jiān)測技術(shù)體系，為橋梁的監(jiān)測和管理提供技術(shù)支撐。

2""輕量化監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.1""傳感器模塊

傳感器模塊由監(jiān)測元器件、附屬及保護(hù)設(shè)施組成。在關(guān)鍵部位安裝傳感裝置，獲取環(huán)境和橋梁響應(yīng)等變化數(shù)據(jù)。傳感器類型包括應(yīng)變、溫度、振動和圖像傳感器。應(yīng)變傳感器可以對橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布及響應(yīng)特性。溫度傳感器用于監(jiān)測因溫度造成的線形變化，為分析結(jié)構(gòu)變形提供依據(jù)。振動傳感器用于追蹤橋梁在風(fēng)載、交通荷載及地震等因素影響下產(chǎn)生的振動加速度，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測。圖像傳感器用于監(jiān)測橋墩裂縫情況，評價橋梁關(guān)鍵部位損傷。

2.2""數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)采集子站、線纜傳輸網(wǎng)絡(luò)和供配電子站組成。采集子站確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性；線纜傳輸網(wǎng)絡(luò)采用冗余環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證信號傳輸?shù)目煽啃裕还┡潆娮诱静捎秒娫碪PS+太陽能充電板對儀器供配電，保證系統(tǒng)供配電的質(zhì)量。

數(shù)據(jù)傳輸模塊包括硬件和軟件，接收來自傳感器的模擬信號，執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D），將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，使之能夠被計算機(jī)識別。隨后依托有線通信或無線網(wǎng)絡(luò)，安全、高效地傳輸至云端服務(wù)器及數(shù)據(jù)處理模塊，以供進(jìn)一步分析應(yīng)用。

2.3""數(shù)據(jù)處理與管理模塊

此模塊為云平臺與監(jiān)控中心的“數(shù)據(jù)中樞”，集成了云服務(wù)器資源以及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫運(yùn)維與接口軟件服務(wù)，是橋梁智能化管理的核心驅(qū)動力。依托云服務(wù)器與監(jiān)控中心的計算資源，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲、展示及長期保存等全方位管理功能。通過網(wǎng)絡(luò)配置與控制機(jī)制，可以遠(yuǎn)程調(diào)度橋梁現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)采集的及時性與準(zhǔn)確性。此外，它還肩負(fù)著橋梁全生命周期內(nèi)靜態(tài)基礎(chǔ)資料與動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合管理與長期儲存任務(wù)。

2.4""數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警模塊

基于橋梁監(jiān)測系統(tǒng)云服務(wù)器，提供數(shù)據(jù)圖形展示、分析和預(yù)警服務(wù)功能。多元化運(yùn)用靜態(tài)與動態(tài)結(jié)構(gòu)分析軟件，完成結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估和高效監(jiān)測預(yù)警工作，實現(xiàn)預(yù)測預(yù)判、快速響應(yīng)、長期跟蹤，有利于管理部門掌握橋梁重點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)動態(tài)情況、從容處理各類復(fù)雜事件。

3""AR實景增強(qiáng)監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

3.1""AR實景增強(qiáng)技術(shù)的意義

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，AR作為一種新興技術(shù)，在巡檢和維修領(lǐng)域取得了顯著成果。針對橋梁健康監(jiān)測技術(shù)可視化程度低的問題，本項目在建筑模型的基礎(chǔ)上采用AR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將傳統(tǒng)的圖表、三維虛擬模型轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)測目標(biāo)實景展示，將數(shù)字化信息融入實際環(huán)境，彌補(bǔ)了可視化管理平臺的空白，賦予了設(shè)計流程更高的靈活性，有利于實現(xiàn)精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

3.2""AR實景增強(qiáng)實現(xiàn)方法

AR技術(shù)由三大組件構(gòu)成，分別是虛擬與現(xiàn)實的深度融合、即時的用戶交互體驗以及精確的三維空間定位與注冊技術(shù)。本項目針對橋梁輕量化監(jiān)測可視化需求，設(shè)計如下AR技術(shù)實現(xiàn)流程（如圖2所示）。

AR系統(tǒng)核心部分在于三維跟蹤注冊，主要分為基于硬件設(shè)備傳感器的三維跟蹤注冊、基于計算機(jī)視覺的三維跟蹤注冊、基于混合方式的三維跟蹤注冊3種方式。本項目針對三維注冊進(jìn)行對比分析，優(yōu)選出適用于橋梁輕量化監(jiān)測的方案，3種方案對比情況如表1所示。

3.3""AR系統(tǒng)集成與用戶界面交互

實時顯示橋梁監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，如形變、位移、應(yīng)力等。使用AR技術(shù)將這些數(shù)據(jù)疊加在實際橋梁場景上，用戶能夠直觀地觀察橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。允許用戶選擇顯示不同層次的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從整體結(jié)構(gòu)到具體細(xì)節(jié)，考慮不同AR設(shè)備的兼容性，確保系統(tǒng)在Windows、Android等設(shè)備上都能夠提供一致的用戶交互體驗。

4""結(jié)語

本文將輕量化監(jiān)測技術(shù)與AR可視化技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，以朝陽路橋為依托，設(shè)計了典型大橋輕量化監(jiān)測方案，通過構(gòu)建橋梁AR實景可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的直觀展示與實時分析，顯著提升了橋梁監(jiān)測的效率。研究成果不僅豐富了橋梁監(jiān)測領(lǐng)域的技術(shù)手段，也為智慧交通與城市的建設(shè)提供了有力支持。隨著AR技術(shù)的進(jìn)步和橋梁監(jiān)測需求的增長，該技術(shù)有望在橋梁輕量化監(jiān)測中得到更廣泛的應(yīng)用，為橋梁的安全運(yùn)維和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更大力量。

參考文獻(xiàn)

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