摘要：本文主要阐述了一种基于物联网技术应用，结合相对位移原理和图像识别技术，针对中小跨境桥梁挠度监测系统的开发过程以及应用。
关键词：桥梁挠度监测，桥梁健康监测，物联网应用
一、设计背景
频发的桥梁事故使桥梁工程师开始寻找桥梁结构监测的手段，能够在桥梁结构损伤时发出预警，评定承载能力状态，同时提供养护维修策略。这种需求间接推动了桥梁健康监测相关问题的研究，使桥梁健康监测成为桥梁工程领域研究的前沿和热点。
根据2016年统计结果，我国中小桥数量已经超过了70万座，占了全国桥梁总数的88%，但遗憾的是目前已有的桥梁监测系统主要应用于特大桥梁。国内关于中小桥梁健康监测的研究还非常少。
挠度作为桥梁在荷载作用下变形的一种描述形式，可以评价桥梁质量及运营状态，反映桥梁的刚度，是桥梁整体变形最明显的反映，是桥梁在车辆荷载作用下最为真实的反应。挠度测量主要通过对桥梁轴线在竖平面内位置的测量来实现，能够直接反映桥梁结构形变是否超出安全范围，在桥梁检定、危桥改造和新桥验收等方面都需要准确测量桥梁的挠度值。而在中小桥梁的健康指标中，挠度值是最为直观，也是管理者最为关注的技术指标。
我们有针对性地研制了一套用于中小跨境桥梁挠度变化监测的高效系统。大致原理为：在桥梁跨中挠度变化最明显的位置安装一把刻度标尺，在相对稳定的墩台立柱上安装激光发射器，并将激光束投射到标尺上。当桥梁发生震动或挠度产生变化时，会带动标尺同步运动。此时标尺与光斑产生相对位移，一旁的摄像机就会将图像进行记录，通过像素比例尺的对比进行图像识别，得出相对位移量。此方式优势在于，除图像识别环节外，测量过程高效直接，无需复杂的换算，极大规避了测量过程中产生误差的可能。测量的出的结果通过互联网上传至云端数据库，能够在多平进行实时展示。
为实现系统整体封装，将系统分为现场监控中心以及远程监控中心两个部分：其中，现场控制中心完成视频图像采集、图像预处理、激光斑点提取、标尺刻度数字化、溢出报警和视频图像数据的发送功能；远程监控中心完成视频图像的接收功能。
二、硬件结构设计
本系统的硬件主要由激光器、工业相机、标尺、工控机和安装支架构成。（硬件结构如图1 所示）。
图1 挠度监测系统硬件结构
1.激光器选取方案
激光器的选择是整个设备最重要的部分，激光的光斑形状、亮度、射程、扩散都需要进行对比选择。经过对比，本方案拟选用635nm光波波长的5mW平行光亮度可调激光器。在激光器的前端，有4片光路会聚透镜，采用外调旋钮式调节，以缩小激光斑点。在20米测量范围内，激光斑点缩小到3mm以内。
2.工业相机选取方案
在本系统中，工业相机主要是用于获取图像数据并传输给工控机用于数据处理的。系统需要长时间连续工作，对于相机的稳定性要求较高。选择了德国Basler acA640-90gc千兆网口工业相机。
4.工控机选取方案
在本系统中，主要的数据处理工作都在工控机上进行，包括图像数据的获取、光斑的计算、图像的传输等。考虑到工控机安装于桥梁腹板外侧位置，环境多尘、温差大。选用搭载了固态硬盘的低功耗无风扇被动散热工控机。
三、软件结构设计
1、激光测点感知
首先，对从摄像机获取的彩色图像进行包括滤波处理、去雾算法、直方图增强算法以及彩色特征提取算法等预处理，提高图像质量。根据RGB三原色对图像分量进行分解。通过计算图像彩色特征，来提取特征图像。用阈值分割的方法分割图像，将图像消去彩色部分，编程灰白色。对图像进行去噪，消除小面积区域图像。再进行形态学处理，将分块合并为大块，并填补图像空洞。最后根据二值化版块，提取原始图像中激光斑快。就完成了对斑点的提取。
2、标尺读数数字化
为了改变现有光学仪器读数系统中目视读数误差大或光栅系统抗干扰能力差的缺陷，本系统使用绝对码形式的线段刻划标尺刻度线，利用摄像机检测标尺信号。采集的图像经处理电路送入计算机，由计算机对信号进行平滑去噪、边缘提取、边缘拟合、自动阈值、二值化、刻线识别等一系列图像处理过程，最终获得当前的标尺数值，并将该数值送给测量程序显示出来。
3、数据上传、推送
服务器推送技术的基本思想是在客户端与服务端建立长连接，服务器端主动将更新的数据及时发送到客户端，不需要客户端发送请求。
数据推送采用基于 WebSocket协议的服务器推送技术。连接成功后，客户端浏览器和服务器端就可以通过 WebSocket连接直接进行数据交换。服务器在接收消息的同时触发推送机制将消息推送到客户端浏览器，呈现在客户面前。而服务器方面则采用阿里云服务器。
四、数据呈现
数据上传至云端服务器后，通过客户端进行展示。分为PC客户端和APP手机客户端。
PC客户端界面分为两个模块。历史数据查询模块，可以根据客户选择的桥梁名称以及数据的时间来查询指定桥梁指定时间的数据，并在指定图像的显示框内显示；实时数据显示模块，显示当前指定桥梁的实时挠度值。设备每天可记录14400次！精度0.01mm，除了纯数据记录和生成曲线图外，还将挠度值覆写在挠度标尺的画面上，便于复核。（PC客户端界面如图2所示）。
图2 PC客户端界面
APP手机客户端同样可以展示桥梁挠度实时状况或历史状况以及某个时间区间内的挠度值变化曲线。
五、总结
该系统研制成功后，在某高速公路的3座预应力连续箱梁桥进行了安装，截止本文投稿，已连续工作15个月。性能稳定，数据准确。目前申请了两项国家发明专利，均已受理，目前处于审核期。
现阶段国内适用于中小跨径桥梁的自动化健康监测手段几乎空白，本系统恰好填补了这一空白。技术层面上，本系统检测的精度和速度，完全满足并高于桥梁各个级别的挠度检测需求。经济层面上，由于设计巧妙，单套设备的生产成本不到两万。最重要的是我们的检测数据与当前画面一同保存，做到了可追溯可倒查，此功能业内也是首创。
参考文献
[1]罗剑.地面干涉雷达技术在公路桥梁动态检测中的应用[J].工程与建设,2019,33(04):564-566.
[2]李星星,梁宗保,席源江,黄居华.桥梁挠度检测实验系统设计[J].实验技术与管理,2019,36(05):98-100+110.
论文作者:唐茗
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/8
标签：桥梁论文; 挠度论文; 图像论文; 标尺论文; 客户端论文; 数据论文; 测量论文; 《基层建设》2019年第22期论文;