一種橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置

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一種橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置\n技術(shù)領(lǐng)域\n[0001] 本發(fā)明涉及橋梁監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置。\n背景技術(shù)\n[0002] 建筑框架中混凝土是使用最為廣泛的建筑材料?，F(xiàn)代科學對混凝土的研究和應用實踐表明：在混凝土材料結(jié)構(gòu)的橋梁中，裂縫的產(chǎn)生是無法避免的。目前對此危險的檢測多停留在人工階段，通常使用近距離的檢測儀器將裂縫放大后對寬度進行檢測，裂縫的長度則是靠不精確的測量或者估計得到，這種方法需要檢測人員借助道路檢測或者搭架人工用設(shè)備定期進行檢測，工作強度大、檢測費用高且對人員安全要求很高；而且在人工檢測時雖然發(fā)現(xiàn)了橋梁部分符合混凝土裂縫限制標準的細小裂縫，經(jīng)過一段時間后，裂縫變化沒有引起重視，當惡劣環(huán)境和載荷加重突然變化時，這種細小裂縫受到瞬間強壓時裂縫突然擴大，由于不能實時進行檢測和快速預警而產(chǎn)生嚴重后果?，F(xiàn)有橋梁自動檢測主要有三種：一是基于超聲波的檢測技術(shù)，但對目標裂縫的位置識別不準確，而且受環(huán)境影響因素大、誤差大；二是基于單目視覺檢測技術(shù)，只能獲得二維坐標信息，無法獲得三維坐標信息；三是人工攜帶的移動裝置上安裝雙目視覺系統(tǒng)，但是只用一組雙目視覺，既耗費大量的人力物力，且檢測時間長、效率低。\n發(fā)明內(nèi)容\n[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，提供一種實時監(jiān)測、成本低、檢測信息準確、反應速度快的橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置。\n[0004] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：\n[0005] 一種橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置，包括雙目視覺傳感器、喇叭、安全欄桿和監(jiān)控系統(tǒng)，在橋梁的每兩個橋墩3之間的橋面下方安裝一個組合式雙目視覺傳感器部件8，橋梁護欄11頂部每隔一段距離安裝一個雙目視覺傳感器5，所有的組合式雙目視覺傳感器部件8和雙目視覺傳感器5的信息采集結(jié)果都通過無線遠程發(fā)送給監(jiān)控主機9；橋梁兩端各安裝一個安全欄桿2，每個安全欄桿2上安裝一個喇叭1。\n[0006] 所述喇叭1用于在事故發(fā)生時快速警告車輛及行人禁止通行。\n[0007] 所述安全欄桿2用于在事故發(fā)生時控制橋梁的車輛出入，在無事故發(fā)生時處于通行狀態(tài)，在危險發(fā)生時立即轉(zhuǎn)為禁止通行狀態(tài)。\n[0008] 所述雙目視覺傳感器5根據(jù)橋梁的長度每隔一定距離安裝于橋梁護欄11的頂部，用于檢測橋梁上層公路7的裂縫及裂縫變化。每個雙目視覺傳感器5的視角范圍都指向正前方區(qū)域，以便監(jiān)控范圍能最大程度地覆蓋橋面。\n[0009] 所述組合式雙目視覺傳感器部件8安裝于橋面下方的懸掛框架4上。\n[0010] 所述組合式雙目視覺傳感器部件8為球形結(jié)構(gòu)，包括4個圓弧形導軌；其中3個導軌位于上方用于監(jiān)控橋面底部狀況，每個導軌上安裝有3組雙目視覺傳感器，每個導軌上的雙目視覺傳感器之間的距離可調(diào)；另外1個導軌位于下方用于監(jiān)控橋墩狀況，導軌上安裝有1組雙目視覺傳感器。由于組合式雙目視覺傳感器部件8采用球形結(jié)構(gòu)，所以從受力角度看，無論組合式視覺傳感器部件8受到哪個方向的外力（例如風力），其整個球形結(jié)構(gòu)都是弧面受力，可以緩沖減小沖擊力，因此其受力比長方型結(jié)構(gòu)的表面受力小很多，而且受力后擺動小，雙目視覺傳感器獲得圖像清晰，受噪聲影響小。此外，由于組合式雙目視覺傳感器部件8采用了10組雙目視覺傳感器，可以大面積實時檢測兩個橋墩3之間橋梁底部最容易發(fā)生斷裂區(qū)域的細小裂縫及橋梁受到瞬間強壓時裂縫突然擴大的變化、并且可以實時檢測橋墩3的狀況，相比單一的雙目視覺傳感器具有更高的實時監(jiān)控效率。\n[0011] 所述監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控主機9和控制及無線收發(fā)裝置10。\n[0012] 所述雙目視覺傳感器5采集到的信息通過無線收發(fā)裝置發(fā)送給監(jiān)控主機9。\n[0013] 所述組合式雙目視覺傳感器部件8的中間安裝有控制及無線收發(fā)裝置10，用于控制雙目視覺傳感器的工作并將采集到的圖像信息發(fā)送給遠程的監(jiān)控主機9。\n[0014] 所述監(jiān)控主機9包括圖像庫和圖像分析系統(tǒng)；所述圖像庫，包括無裂縫圖的模板樣本、正常范圍內(nèi)的混凝土表面紋路模板樣本和混凝土裂縫圖像的模板樣本；所述圖像分析系統(tǒng)采集到組合式雙目視覺傳感器部件8和雙目視覺傳感器5的實時圖像信號后，利用模板匹配原理，將采集到的實時圖像信號與圖像庫中的模板樣本進行模板匹配監(jiān)測，以模板匹配法作為判斷橋梁表面有無裂縫的依據(jù)，判斷橋梁是否出現(xiàn)裂縫及分類劃定其危險程度。\n[0015] 所述的混凝土裂縫圖像的模板樣本，包括不同寬度大小的裂縫圖像模板、相同寬度不同長度的裂縫圖像模板，每個裂縫圖像模板均有危害和危險程度分類。其中，裂縫圖像模板的危險程度分類，是綜合兩方面，一方面是基于專家知識的裂縫分類，即根據(jù)檢測專家總結(jié)一個裂縫危害的經(jīng)驗來進行分類；另一方面同時參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對裂縫的寬度和長度進行分類，包括：GB50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：鋼筋混凝土在受拉區(qū)可以有小于0.2mm裂縫。\n[0016] 當采集到的圖像信號與圖像庫中無裂縫圖的模板樣本、正常范圍內(nèi)的混凝土表面紋路模板樣本相匹配時，圖像分析系統(tǒng)就能判斷橋梁在檢測范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)裂縫；當采集到的圖像信號與圖像庫中混凝土裂縫圖像的模板樣本相匹配時，圖像分析系統(tǒng)就能根據(jù)圖像庫中每個裂縫圖像模板的危害和危險程度分類情況來判斷橋梁裂縫的危險程度。圖像分析系統(tǒng)的判斷時間在0.2至0.5秒時間內(nèi)完成。當圖像分析系統(tǒng)判斷到有裂縫時，橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置會通過監(jiān)控主機9報告控制人員對裂縫進行維修工作；當細小裂縫突然擴大并極有可能引起橋梁斷裂時，系統(tǒng)會直接發(fā)送控制信號到安全欄桿2禁止后方上橋的車輛和行人通行，同時喇叭1放出禁止車輛或人群繼續(xù)前進的警告。\n[0017] 由于基于雙目視覺的裂縫檢測的圖像匹配與圖像處理算法復雜，現(xiàn)有研究較少關(guān)注圖像處理的時間問題，在目前的硬件條件下，檢測速度有時超過1秒，更復雜的算法甚至需要30秒。而現(xiàn)實中瞬間突發(fā)性的裂縫擴大，需要在小于1秒時間內(nèi)的快速檢測，才能對運動在橋梁上的車輛起到報警作用。本發(fā)明采用模板匹配原理，將采集到的實時圖像信號與圖像庫中的模板樣本進行模板匹配監(jiān)測，分析判斷的計算過程僅需0.2至0.5秒，極大地提高了算法的速度和分析判斷的快速性，更好地適應橋梁裂縫實時檢測的特殊要求。\n[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點和效果：\n[0019] （1）本發(fā)明可以實時監(jiān)測橋梁裂縫，而且在橋梁受到瞬間強壓時裂縫突然擴大等緊急情況下進行快速預警。\n[0020] （2）本發(fā)明能實現(xiàn)全自動化并具有遠程監(jiān)控及操作功能，所有功能均由計算機監(jiān)控，可長時間連續(xù)工作，且通用性強，適用于各種結(jié)構(gòu)形式的混凝土橋梁；與現(xiàn)有的攝像檢測技術(shù)相比，本發(fā)明有更精確的檢測能力；與現(xiàn)有的基于超聲波的檢測方法相比，本發(fā)明的誤差更?。慌c傳統(tǒng)的人工定期監(jiān)測相比，本發(fā)明減少了很多人力，并有更高效的危險預警能力。\n[0021] （3）本發(fā)明采用模板匹配原理，這種方法的優(yōu)點在于匹配算法較為簡單、數(shù)據(jù)處理能力強、在圖像變化微弱的情況下識別率高，圖像處理時間和速度很快，因此，對于細小裂縫的識別和預警有著更大的優(yōu)勢。\n[0022] （4）本發(fā)明的組合式雙目視覺傳感器部件為球形結(jié)構(gòu)，其受力小，擺動小或無擺動，雙目視覺傳感器獲得圖像清晰，噪聲影響小，可以大面積收集到橋面最容易發(fā)生斷裂的兩橋墩之間的區(qū)域，相比單一的雙目視覺傳感器有更高的實時監(jiān)控效率。\n附圖說明\n[0023] 圖1是安裝有橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置的橋梁主視結(jié)構(gòu)示意圖。\n[0024] 圖2是安裝有橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置的橋梁俯視結(jié)構(gòu)示意圖。\n[0025] 圖3是組合式雙目視覺傳感器部件的結(jié)構(gòu)示意圖。\n[0026] 圖4是橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置的監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。\n[0027] 圖5是橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置中的模板匹配法檢測圖像信號流程圖。\n[0028] 圖6是本發(fā)明的模板匹配原理流程圖及算法。\n[0029] 圖中，1、喇叭；2、安全欄桿；3、橋墩；4、懸掛框架；5、雙目視覺傳感器；6、橋梁下層鐵路；7、橋梁上層公路；8、組合式雙目視覺傳感器部件；9、監(jiān)控主機；10、控制及無線收發(fā)裝置；11、橋梁護欄。\n具體實施方式\n[0030] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。\n[0031] 實施例\n[0032] 如圖1、圖2所示，本橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置包括：喇叭1、安全欄桿2、雙目視覺傳感器5、組合式雙目視覺傳感器部件8。橋梁結(jié)構(gòu)包括：橋墩3、橋梁下層鐵路6、橋梁上層公路7、橋梁護欄11，為了便于表達整個發(fā)明各部件的位置，圖1中的橋梁簡化了橋身剩余的長度，橋梁兩端各安裝一個安全欄桿2，每個安全欄桿2上安裝一個喇叭1。\n[0033] 橋梁護欄11頂部每隔一段距離安裝一個雙目視覺傳感器5，間隔距離視橋梁整體結(jié)構(gòu)和雙目視覺傳感器5的攝像頭可接受的視覺最大距離而定，如橋梁護欄高度為10米、橋梁寬度為12米，攝像頭可接受的視覺最大距離為15米，為了保證雙目視覺傳感器5能發(fā)揮其最佳效果，使攝像頭的視野范圍能監(jiān)控以橋面豎直方向?qū)ΨQ軸左右4米內(nèi)最容易發(fā)生斷裂的區(qū)域，則雙目視覺傳感器5的安裝間距為 米，用于檢測橋梁上\n層公路7的裂縫及裂縫變化。每個雙目視覺傳感器5的視角范圍都指向正前方區(qū)域，以便監(jiān)控范圍能最大程度上覆蓋橋面。\n[0034] 在橋梁的每兩個橋墩3之間的橋面下方通過懸掛框架4安裝一個組合式雙目視覺傳感器部件8。如圖3所示，所述組合式雙目視覺傳感器部件8為球形結(jié)構(gòu)，包括4個圓弧形導軌；其中3個導軌位于上方用于監(jiān)控橋面底部狀況，每個導軌上安裝有3組雙目視覺傳感器，每個導軌上的雙目視覺傳感器之間的距離可調(diào)；另外1個導軌位于下方用于監(jiān)控橋墩狀況，導軌上安裝有1組雙目視覺傳感器。由于組合式雙目視覺傳感器部件8采用球形結(jié)構(gòu)，所以從受力角度看，無論組合式視覺傳感器部件8受到哪個方向的外力（例如風力），其整個球形結(jié)構(gòu)都是弧面受力，可以緩沖減小沖擊力，因此其受力比長方型結(jié)構(gòu)的表面受力小很多，而且受力后擺動小，視覺獲得圖像清晰，受噪聲影響小。此外，由于組合式雙目視覺傳感器部件8采用了10組雙目視覺傳感器，可以大面積實時檢測兩個橋墩3之間橋梁底部最容易發(fā)生斷裂區(qū)域的細小裂縫及橋梁受到瞬間強壓時裂縫突然擴大的變化、并且可以實時檢測橋墩3狀況，相比單一的雙目視覺傳感器具有更高的實時監(jiān)控效率。\n[0035] 如圖4所示，所有的組合式雙目視覺傳感器部件8和雙目視覺傳感器5的信息采集結(jié)果都通過無線遠程發(fā)送給監(jiān)控主機9。組合式雙目視覺傳感器部件8的中間安裝有控制及無線收發(fā)裝置10，用于控制雙目視覺傳感器的工作并將采集到的圖像信息發(fā)送給遠程的監(jiān)控主機9。\n[0036] 所述監(jiān)控主機9包括圖像庫和圖像分析系統(tǒng)；所述圖像庫，包括無裂縫圖的模板樣本、正常范圍內(nèi)的混凝土表面紋路模板樣本和混凝土裂縫圖像的模板樣本；所述圖像分析系統(tǒng)采集到組合式雙目視覺傳感器部件8和雙目視覺傳感器5的實時圖像信號后，利用模板匹配原理，將采集到的實時圖像信號與圖像庫中的模板樣本進行模板匹配監(jiān)測，以模板匹配法作為判斷橋梁表面有無裂縫的依據(jù)，判斷橋梁是否出現(xiàn)裂縫及分類劃定其危險程度。所述的混凝土裂縫圖像的模板樣本，包括不同寬度大小的裂縫圖像模板、相同寬度不同長度的裂縫圖像模板，每個裂縫圖像模板均有危害和危險程度分類。其中，裂縫圖像模板的危險程度分類，是綜合兩方面，一方面是基于專家知識的裂縫分類，即根據(jù)檢測專家總結(jié)一個裂縫危害的經(jīng)驗來進行分類；另一方面同時參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對裂縫的寬度和長度進行分類，包括：GB50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：鋼筋混凝土在受拉區(qū)可以有小于0.2mm裂縫。采集到的圖像信號與圖像庫中無裂縫圖的模板樣本、正常范圍內(nèi)的混凝土表面紋路模板樣本相匹配時，圖像分析系統(tǒng)就能判斷所檢測到的橋梁范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)裂縫；當采集到的圖像信號與圖像庫中混凝土裂縫圖像的模板樣本相匹配時，圖像分析系統(tǒng)就能根據(jù)圖像庫中每個裂縫圖像模板的危害和危險程度分類情況來判斷橋梁裂縫的危險程度。\n[0037] 如圖5所示，橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置的圖像信息處理流程包括：采集橋梁圖像、圖像預處理、圖像目標匹配、閾值檢測、裂縫圖像邊緣提取及圖像二次處理、分類與決策是否裂縫突然變大。其中圖像預處理主要包括均值濾波降噪。其中二次處理主要為對邊緣圖像進行垂直和水平的投影處理。\n[0038] 如圖6所示，本發(fā)明的圖像信息處理中模板匹配算法的流程包括：對圖像進行均勻濾波降噪、在目標圖像上逐行移動模板計算歸一化互相關(guān)系矩陣R、分析矩陣在每個點*\n33的區(qū)域進行最大值抑制、判斷歸一化互相關(guān)系矩陣R>threshold的數(shù)量是否大于零，大于零則目標圖像與模板匹配，否則不匹配。\n[0039] 圖像分析系統(tǒng)的判斷時間在0.2至0.5秒時間內(nèi)完成。當圖像分析系統(tǒng)判斷到有裂縫時，橋梁裂縫實時監(jiān)測及快速預警裝置會通過控制及無線收發(fā)裝置10遠程通信報告控制人員對裂縫進行維修工作；當細小裂縫突然擴大并極有可能引起橋梁斷裂時，系統(tǒng)會直接發(fā)送控制信號到安全欄桿2禁止后方上橋的車輛和行人通行，同時喇叭1放出禁止車輛或人群繼續(xù)前進的警告。\n[0040] 如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明，上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護的范圍所涵蓋。