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1、大型土木工程結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移遠距離實時檢測系統(tǒng)陳俊峰 趙文廣 羅洪斌 李鵬輝 溫陰平A Real-Time System for Monitoring Distant Dynamic Displacement of StructuresCHEN Jun-Feng ZHAO Wen-guang LUO Hong-bin LI Peng-hui WEN Yin-ping摘要：基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，實時監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和檢測工程結(jié)構(gòu)動態(tài)位移。通過與自我編程軟件處理系統(tǒng)實時協(xié)調(diào)，和一定坐標系統(tǒng)可以得到進一步的動態(tài)位移數(shù)據(jù)和曲線。也就是說，自動采集和實時數(shù)據(jù)的處理可以通過該系統(tǒng)進行了同步。對于這個系

2、統(tǒng)，首先，采用非接觸監(jiān)測技術(shù)，它可以監(jiān)測或檢測對象在幾米到幾百米外，第二，它具有靈活的安裝條件和亞毫米度良好的監(jiān)測精度;第三，它適合動態(tài)，準動態(tài)和靜態(tài)監(jiān)測大型工程結(jié)構(gòu)。通過多次試驗和大型橋梁監(jiān)測，良好的可靠性和系統(tǒng)優(yōu)勢得到證明。關(guān)鍵詞：動態(tài)位移 實時監(jiān)控和檢測 次像素 系統(tǒng)校準 動態(tài)跟蹤CLC number TP751.1; TU196.4概述（Introduction）測量結(jié)構(gòu)位移動態(tài)，數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測，檢測和分析1-3價值。然而，它是一個困難的問題，由于現(xiàn)有的測量設(shè)備和技術(shù)的限制，目前，實時監(jiān)測和大型工程結(jié)構(gòu)動態(tài)位移檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，現(xiàn)有的檢測方法動態(tài)位移可分為兩類：直接法和間接法4。對于前

3、一種方法，一個基準點，加以控制，這是相對固定的動態(tài)點，動態(tài)和固定點之間的相對位移檢測的傳感器。由空間較小的微型結(jié)構(gòu)占用，固定基準點，可以發(fā)現(xiàn)所有的時間的測量精度和動態(tài)響應(yīng)程度，因此自動處理和實時輸出可以進行。這時很難找到周圍的大型機構(gòu)，如大跨度橋梁，高層建筑等，動態(tài)點的固定基準點。隨著對被測物體變形的增加，傳感器可能會失效，動態(tài)測量失敗。對于后一種方法，測量儀器體積小，方便，但它有一個較低的測量精度和可靠性低的致命缺陷。至于動位移的監(jiān)測和檢測，由于信息，測量儀器和數(shù)據(jù)處理，昂貴的設(shè)備和嚴謹?shù)墓ぷ?，新技術(shù)條件的復(fù)雜性，也存在實現(xiàn)自動處理和實時輸出時的許多問題。在上述情況的基礎(chǔ)上，直接法，實時系統(tǒng)

4、的開發(fā)，監(jiān)測和檢測大型工程結(jié)構(gòu)動態(tài)位移。對于這個系統(tǒng)，遠程監(jiān)控技術(shù)是通過實時處理數(shù)據(jù)和輸出實現(xiàn)的，它具有靈活的安裝條件，良好的監(jiān)測精度，降低成本，操作方便。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（System structure）實時監(jiān)控和檢測系統(tǒng)分為兩部分：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。1.1硬件系統(tǒng)（Hardware system）該實時監(jiān)控和檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由圖像采集設(shè)備，計算機和系統(tǒng)校準板（圖1）組成。工業(yè)CCD相機和圖像采集卡是圖像采集設(shè)備。不同的鏡頭可以達到不同的觀測距離，特別是中，長焦距鏡頭可以看到幾百米。一般來說，圖像采集卡可以達到每秒25幀以上。由于大型結(jié)構(gòu)的幾個頻率，可滿足大型結(jié)構(gòu)的低頻振動檢測的要求。由

5、于電腦的整體性能有了很大提高，而且具有良好的普遍性。該系統(tǒng)可以使用的校準板有木鉗板，塑料板或薄金屬板。有一個特別設(shè)計的黑色和白色的幾何圖是25平方米的積點版。它不需要電子設(shè)備和電源，只通過適配器上的測量結(jié)構(gòu)固定。Fig.1 Diagram of system structure（圖 1）1.2軟件系統(tǒng)（Software system）該實時監(jiān)控和檢測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要由一個實時操作系統(tǒng)和實時圖像采集和分析系統(tǒng)組成。目前，Windows XP的使用和更成熟的平臺，是這個系統(tǒng)運行該軟件采用的操作平臺。在這個平臺上，用VC +編程語言來實現(xiàn)圖像采集。通過使用多線程編程技術(shù)，在緩存中進行照片處理。此外，

6、自動跟蹤和識別物體得以實現(xiàn)。最后，確保該系統(tǒng)在實際時間。2 工作原理和實現(xiàn)流程（Working principle and realization flow）2.1系統(tǒng)安裝（System installation）該系統(tǒng)校準板固定在被測結(jié)構(gòu)上。 “XY” 校準板軸坐標系統(tǒng)和工程系統(tǒng)有相似之處。例如，“側(cè)向垂直橫”的大型橋梁是“某某”的工程坐標系，主體上的高層建筑軸線是“XY”的工程坐標系，其鉛垂線方向是Z軸。為監(jiān)測橋梁，為圖像采集所用的設(shè)備都設(shè)置一個固定點沿大橋軸線。這一點可在地面上，橋墩或平臺，聚集在那里的攝像機可以對系統(tǒng)的名義板采集圖像。攝像機的主要光軸可調(diào)節(jié)成兼姿勢，如仰角，抑郁和偏轉(zhuǎn)角

7、（圖2）角。在動態(tài)位移監(jiān)測時，一旦系統(tǒng)被校準，相機的主光軸應(yīng)該是固定的。Fig.2 Diagram of system installation（圖 2）2.2系統(tǒng)校準（System calibration）系統(tǒng)標量正在創(chuàng)建圖像之間的對應(yīng)關(guān)系協(xié)調(diào)的CCD相機和工程體系。通過使用子像素技術(shù)重心法，對象點的數(shù)據(jù)抽象。首先，將圖像轉(zhuǎn)化為二進制。然后，將確定目標區(qū)域。由于圖像中噪聲的存在，它可能會帶來一些錯誤時，圖像為二進制改變。此外，該目標區(qū)域的邊界將有一個模糊。為了消除其對算法的精度影響，目標點進行預(yù)處理與開啟和關(guān)閉。如果該目標區(qū)域選擇得當，像素精度可以達到0.2-0.5 5-7。該圖像是由CCD

8、攝像頭采集，這是一個在校準板圖的映射。映射功能取決于相機的坐標系統(tǒng)和工程系統(tǒng)圖像的幾何關(guān)系。這是一個理想的光學(xué)系統(tǒng)的線性關(guān)系。但是，也有許多復(fù)雜的錯誤，在實際光學(xué)系統(tǒng)，如圖像錯誤，扭曲誤差，影響面粗糙的登記等。他們在一個復(fù)雜的非線性關(guān)系的結(jié)果8,9。在這項研究中，三次多項式擬合的方法是通過建立兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。其中X，Y是工程的目標點坐標，U和V是對應(yīng)的圖像坐標ij一，ij B是多項式的系數(shù)。有25個分界點，董事會的組成正方形點陣間距。他們的工程坐標已知，圖像的對應(yīng)點坐標的圖像可以得到。根據(jù)最小二乘法，它要求的誤差平方和最小的是25積點。有兩個是10個方程組成的線性方程組，每個系統(tǒng)包含10個

9、未知的數(shù)字。解決了單獨的公式，然后在參數(shù)a和b可以得到。這就是說，協(xié)調(diào)兩者之間的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)。為了保證該系統(tǒng)，采用區(qū)域生長算法，它可以標記控制點，計算像素的實時性。然后，自動校準，實現(xiàn)工程坐標之間的坐標和圖像。一般情況下，通過使用攝像頭捕捉到的圖像校準板，它可以在動態(tài)測量前完成系統(tǒng)校準。也就是說，用這兩個關(guān)系，可建立坐標。2.3自動跟蹤運動物體的圖像系列（Automatic tracking of moving object in image series）運動目標跟蹤的目的是分析圖像傳感器和一系列為每個圖像中的對象戶口所在地篩選?？煽啃院途仁莾蓚€在跟蹤過程中的重要指標8。在不遠的距離，該

10、對象具有一定的區(qū)域，因此Windows中心跟蹤或匹配跟蹤用來保證穩(wěn)定性和跟蹤精度。窗戶中心跟蹤子像素中介紹了基于這項研究，所以可以順利的跟蹤窗口的對象和帳戶在Windows對象的中心10,11。跟蹤過程中噪聲干擾的主要因素是影響跟蹤精度。在目標跟蹤，噪聲主要來源于兩個途徑：一個是系統(tǒng)和傳感器的固有噪聲，另一個是圍繞物體周圍的干擾，這將帶來錯誤當會計的對象中心。該中心估計精度的對象是非常敏感的對象窗口的中心位置。當影像和分裂算法和對象的窗口尺寸是肯定的，估計平均錯誤對象的中心，以期對象的中心和窗口中心實際位置差成正比。這就是說，越靠近中心窗口對象到對象的中心，平均誤差更小。在此基礎(chǔ)上的財產(chǎn)，而估

11、計對象的中心，窗口之間的中心位置和對象的中心距離可以用來作為反饋修改了Windows中心的地位。這使我們接近對象的中心，靠近最接近對象中心，以減少錯誤離散值。圖3顯示了跟蹤遞歸計算過程。2.4動態(tài)觀察（Dynamic observation）照相機是用來不斷收集校準板，這與結(jié)構(gòu)振動的圖像。通過處理照片，圖像坐標得到，那么對象的動態(tài)點坐標是解決了這一點。根據(jù)圖像采集速度，動態(tài)曲線的點和時間間隔的二維位移數(shù)據(jù)被導(dǎo)出?？紤]到圖像序列之間的時間間隔，結(jié)構(gòu)速度，加速度等參數(shù)，可以得到12。圖4顯示了其經(jīng)營的流程圖。3試驗和工程實例（Tests and engineering instances）為了評估

12、系統(tǒng)的檢測精度，我們已經(jīng)進行了多次多距離靜態(tài)和動態(tài)的現(xiàn)場測試。3.1靜態(tài)測試（Static tests）在距離50米和70米上，25個已知點坐標設(shè)計在校準板。然后，該圖像處理結(jié)果與給定值和測量誤差可以得到。 50米距離的測量誤差為± 0.194毫米，70米的距離為±0.226毫米。3.2圓周運動測試（Circular motion tests）電機取物點在不同的速度進行圓周運動。圖5和圖6顯示了兩個50米遠處的圓形運動位移軌跡圖種。Fig.5 50 distance displacement locusdiagrams Fig.6 50 distance displacem

13、ent locus diagramsOf20 r/min (圖 5) of 70 r/min（圖 6）3.3工程實例（Engineering instances）橋梁檢測（Bridge detection）近年來，交通運輸在我國得到迅速發(fā)展。在不同年份建成的橋梁承擔(dān)日益增加的交通車流。大橋的安全檢測得到普遍的關(guān)注。幾座橋梁被檢測用該系統(tǒng)。圖7和圖8顯示了動態(tài)位移隨時間變化的兩座橋梁曲線，跳躍測試分開。覆冰的高壓電纜試驗檢測（Icing test detection of high-voltage cables）隨著電力工業(yè)的發(fā)展，750千伏和1100千伏特高壓項目已在我國實現(xiàn)。在冬天，北部和中

14、國西部地區(qū)經(jīng)常遭受高壓電纜結(jié)冰的危害。積冰會吸引大量的電流，從而導(dǎo)致了一種張力的絕緣子串，電動裝置和塔變電站危害。這可能會導(dǎo)致事故。當電纜是跳躍，電纜之間的差距正在減少。它可能會導(dǎo)致相間閃絡(luò)。因此，電纜的積冰跳被認為是由在重冰區(qū)輸電線路設(shè)計。它的相關(guān)理論，研究在國內(nèi)和國外，并取得了經(jīng)驗公式。然而，沒有先例遵循高電壓750千伏及以上參數(shù)由模擬試驗獲得。為驗證這是非常重要的理論分析。在武漢研究院，我們提出了一系列的模擬測試，積冰，在一個大型戶外試驗場大跨度斜拉橋。跳躍的動態(tài)位移數(shù)據(jù)電纜，獲得了這個制度，包括了最大的跳躍幅度，位移時間變化曲線，周期，衰減過程，絕緣子串運動等。圖9顯示了動態(tài)位移在一個

15、320米的跨度在100卸貨線中點時間變化曲線。Fig.7 Lateral and vertical displacement time-travel curves of a bridge racing test (20 km/h)（圖 7）Fig.8 Lateral and vertical displacement time-travel curves of a bridge jumping test (20 km/h)（圖 8）Fig.9 Vertical displacement time-travel curves of midpoint of a 320 m span cable u

16、nloading at 100%（圖 9）4結(jié)論（Conclusions）1）來檢測特定點位移，實際校準和動態(tài)跟蹤方法，采用該系統(tǒng)不僅能控制非線性失真，而且有效地克服了問題所帶來的圖像平面之間和對象平面由于傾角和偏轉(zhuǎn)角的和不可避免的影響大氣中。如果不使用電源，系統(tǒng)校準板如此簡單，安裝方便，迅速，它被廣泛應(yīng)用于許多復(fù)雜的實際工程應(yīng)用實例。2）二維和遠程距離的動態(tài)位移監(jiān)測技術(shù)的非接觸檢測。測量距離，精度和響應(yīng)速度可以達到低頻率振動大的結(jié)構(gòu)檢測方法的要求。實時數(shù)據(jù)可以被處理和數(shù)字信息，數(shù)據(jù)表和時間變化曲線將同時獲得。3）除了我們自主開發(fā)的軟件，其他設(shè)備，如照相機，鏡頭和采集卡采用通用標準的產(chǎn)品的形象

17、。以下優(yōu)點得到：確保系統(tǒng)的高可靠性;根據(jù)工程要求，可以選擇相應(yīng)的設(shè)備和開發(fā)新的方案，以擴大應(yīng)用范圍;大大降低了這一綜合系統(tǒng)成本，安裝簡單，方便。4）目前的數(shù)據(jù)采集速度為25幀每秒，這是由于我們的視頻CCD攝像頭。一階振動的大型結(jié)構(gòu)信息將得到徹底。在未來的研究，以獲得高的訂單信息，數(shù)據(jù)采集速度應(yīng)改進，高速圖像采集卡或相機應(yīng)該使用。最后，速度和加速度信息也將獲得。參考文獻（References）1朱康平，Sima Y（2002）在結(jié)構(gòu)損傷檢測的改進反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究J,固體力學(xué)學(xué)報，25（4）：358-370（中文）2朱虹平，李霖（2003）由損傷的敏感性測定自然頻率結(jié)構(gòu)評估和轉(zhuǎn)移矩陣為基礎(chǔ)的方

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