第11章 橋梁工程結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測的前沿技術(shù)

第11章

橋梁工程結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測的前沿技術(shù)橋梁工程結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測——理論與實(shí)踐11.111.211.3人工智能在全橋面交通流荷載監(jiān)測中應(yīng)用橋梁智慧監(jiān)測的數(shù)字孿生技術(shù)橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)接入CONTENTS11.1人工智能在全橋面交通流荷載監(jiān)測中的應(yīng)用對(duì)交通荷載進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括對(duì)全橋面范圍內(nèi)所有移動(dòng)車輛的荷載大小、即時(shí)位置和車輛空間信息等多個(gè)參數(shù)的連續(xù)偵測和識(shí)別。重要性：1、解決了長期困擾橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域的活荷載未知的難題；2、對(duì)橋梁、道路的長期荷載觀測、橋梁結(jié)構(gòu)超載超限監(jiān)控等任務(wù)來說也是具有非常重要的意義。交通荷載監(jiān)測交通荷載監(jiān)測不僅應(yīng)該實(shí)時(shí)地進(jìn)行，而且應(yīng)該持續(xù)、長期的進(jìn)行。尋找一種兼具實(shí)時(shí)計(jì)算能力和穩(wěn)定識(shí)別效果的精確移動(dòng)荷載識(shí)別方法就成為關(guān)鍵問題。全橋面交通荷載監(jiān)測系統(tǒng)框架現(xiàn)場硬件系統(tǒng)遠(yuǎn)程云端系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)路面動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件子系統(tǒng)全橋面交通荷載監(jiān)測系統(tǒng)框架硬件子系統(tǒng)Youlookonlyonceversion3(YOLO-v3)是一種單階段的目標(biāo)檢測深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是由YOLO和YOLOv2改進(jìn)而來。YOLO網(wǎng)絡(luò)通過回歸直接獲得邊界框的坐標(biāo)和每個(gè)種類的概率。Yolov3車輛及車尾檢測模型YOLO檢測原理Yolov3車輛及車尾檢測模型Yolov3車輛及車尾檢測模型YoloV3車輛及車尾檢測模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Yolov3車輛及車尾檢測模型車輛-車尾檢測模型檢測效果（左：白天右：夜間）荷載分布精確識(shí)別實(shí)橋應(yīng)用應(yīng)用混合高斯模型（GMM）計(jì)算車輛中心位置以獲得橋面荷載分布，并已證明當(dāng)車輛距離較近時(shí)該方法存在較大的橫向識(shí)別誤差。為進(jìn)一步分析橫向識(shí)別誤差的特點(diǎn)，針對(duì)實(shí)際使用的實(shí)測視頻，以全車檢測邊框的中心點(diǎn)來表征車輛位置，分別應(yīng)用GMM方法和YOLO-v3跟蹤并識(shí)別車輛位置。GMMYOLO-v3荷載分布精確識(shí)別實(shí)橋應(yīng)用利用動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)融合技術(shù)對(duì)橋面交通荷載進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不僅需要準(zhǔn)確識(shí)別全橋面內(nèi)所有移動(dòng)車輛的重量，而且需要精確識(shí)別各車在橋面的加載方式，包括位置和軸重分布。對(duì)于多數(shù)應(yīng)用場合而言，問題的關(guān)鍵在于如何利用機(jī)器視覺精確估計(jì)車輛重心位置和車輛外形尺寸。本章提出的基于YOLO-v3網(wǎng)絡(luò)的橋面交通荷載雙目標(biāo)探測模型，可實(shí)現(xiàn)更緊致、更精確的整車和車尾的輪廓探測。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出更精確的車輛重心位置和輪廓尺寸估計(jì)方法，并利用建立的光學(xué)測量方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛加載方式的精確、實(shí)時(shí)識(shí)別。11.2

橋梁智慧監(jiān)測的數(shù)字孿生技術(shù)伴隨著橋梁結(jié)構(gòu)性能退化、車輛超載等問題，橋梁的安全性越來越得不到保障；隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，橋面實(shí)際的移動(dòng)荷載與設(shè)計(jì)階段車道荷載有很大的不同。超載車輛和異常交通車隊(duì)已經(jīng)成為影響橋梁運(yùn)行安全和縮短橋梁壽命的主要原因。傳統(tǒng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)數(shù)量有限，不能得到橋梁結(jié)構(gòu)的全部力學(xué)響應(yīng)，只能得到離散點(diǎn)上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性判斷和預(yù)測上具有明顯的局限性。將有限元與移動(dòng)荷載識(shí)別結(jié)合在一起，在云端構(gòu)建與實(shí)橋?qū)?yīng)的在線有限元模型。本節(jié)將建立面向?qū)崟r(shí)監(jiān)測的云端有限元模型，研究了它的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合識(shí)別的移動(dòng)荷載，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)計(jì)算全橋結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、預(yù)警危情發(fā)生的目的，并將其與橋梁群的健康監(jiān)測結(jié)合在一起。數(shù)字孿生的概念及應(yīng)用數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)。概念：應(yīng)用：基于Opensees的斜拉橋云端有限元模型及其云端部署某斜拉橋建于1992年5月，是溝通某市內(nèi)江北、江東兩區(qū)的一座城市橋梁。主橋?yàn)?05(m)+97(m)不等跨的預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔雙索面斜拉橋，為塔、墩、梁固結(jié)體系，主橋橋面總寬26m，其中車行道寬15m，兩側(cè)人行道各寬3m，車行道和人行道之間設(shè)有2.25m的護(hù)索帶?；贠pensees的斜拉橋云端有限元模型及其云端部署利用MIDAS方便的模型參數(shù)導(dǎo)出功能，用OpenSees重新建立有限元模型。通過OpenSees命令，定義模型的自由度、節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)集中質(zhì)量、材料本構(gòu)、截面恢復(fù)力模型、單元類型、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣、節(jié)點(diǎn)約束、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣等。結(jié)果輸出是用來定義記錄OpenSeeS數(shù)據(jù)的命令Recorder。本模型采用理想彈性材料對(duì)主梁和主塔的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，彈性材料沒有開裂、屈服及破壞等過程。主梁采用彈性梁柱單元。局部坐標(biāo)軸指截面的主軸方向，在實(shí)際的三維空間中指向的方向。拉索采用桁架單元，需要提供桿件的剛度、截面積和切線模量E。斜拉橋塔底和梁端的自由度約束通過FIX命令進(jìn)行，塔梁固結(jié)用equdof命令?；贠pensees的斜拉橋云端有限元模型及其云端部署橋梁的幾何模型有限元分析模型傳感器數(shù)據(jù)基于云的信息存儲(chǔ)庫動(dòng)態(tài)稱重和多視頻信息融合識(shí)別移動(dòng)荷載間接法：通過結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測量信息反過來識(shí)別移動(dòng)荷載；直接法：直接對(duì)車輛荷載的大小和位置進(jìn)行識(shí)別。移動(dòng)荷載的識(shí)別：動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)獲取車輛的重量、軸數(shù)和車速等信息準(zhǔn)確實(shí)時(shí)識(shí)別所有移動(dòng)荷載的大小和位置機(jī)器視覺技術(shù)識(shí)別移動(dòng)荷載的時(shí)間-空間分布卡爾曼濾波技術(shù)視野分界線法基于實(shí)測車輛荷載的有限元計(jì)算——數(shù)字空間和物理世界的交聯(lián)將移動(dòng)集中力等效為節(jié)點(diǎn)力的步驟：1.將集中力從作用點(diǎn)平移到主梁節(jié)點(diǎn)連線上，附加一個(gè)扭矩；2.判斷集中力作用的節(jié)點(diǎn)區(qū)間；3.求集中力和扭矩作用下的支反力；4.得到移動(dòng)集中力作用下節(jié)點(diǎn)的等效力，把這個(gè)力加載到有限元模型上就可以模擬移動(dòng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。一個(gè)原型系統(tǒng)例子11.3橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)接入物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)和泛在網(wǎng)在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知能力、計(jì)算能力或執(zhí)行能力的各種信息傳感設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）：國際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義：通過二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品與物品（ThingtoThing,T2T），人與物品（HumantoThing,H2T），人與人（HumantoHuman,H2H）之間的互連。物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)和泛在網(wǎng)利用各種傳感器（光、電、溫度、濕度、壓力等）加上中低速的近距離無線通信技術(shù)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),是由多個(gè)具有有線或無線通信與計(jì)算能力的低功耗、小體積的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它一般提供局域或小范圍物與物之間的信息交換功能。傳感網(wǎng)（SensorNetwork）：基于個(gè)人和社會(huì)的需求，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進(jìn)行的信息獲取、傳遞、存儲(chǔ)、認(rèn)知、決策、使用等服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)超強(qiáng)的環(huán)境感知、內(nèi)容感知及其智能性，為個(gè)人和社會(huì)提供泛在的、無所不含的信息服務(wù)和應(yīng)用。泛在網(wǎng)絡(luò)（UbiquitousNetworking）：物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)和泛在網(wǎng)傳感器網(wǎng)是泛在/物聯(lián)網(wǎng)的組成部分，物聯(lián)網(wǎng)是泛在網(wǎng)發(fā)展的物聯(lián)階段，通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)之間相互協(xié)同融合是泛在網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)。傳感器網(wǎng)最主要的特征是利用各種各樣的傳感器加上中低速的近距離無線通信技術(shù)。泛在網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)的各有定位：M2M：人到人（MantoMan）、人到機(jī)器（MantoMachine）、機(jī)器到機(jī)器（MachinetoMachine）。從本質(zhì)上而言，在人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的交互，大部分是為了實(shí)現(xiàn)人與人之間的信息交互。橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)接入方式1.傳感器層接入方式。在傳感器端直接配置網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，并賦予其唯一通訊標(biāo)識(shí)（E.164號(hào)碼、IP地址）。此時(shí)，該傳感器就同時(shí)擁有通訊標(biāo)識(shí)和對(duì)象標(biāo)識(shí)。2.采集節(jié)點(diǎn)（采集工作站）層接入方式。利用采集工作站的網(wǎng)卡或無線通訊模塊直接入網(wǎng)，并賦予其唯一通訊標(biāo)識(shí)；3.監(jiān)測模式（傳感器邏輯組）層接入方式。將每一個(gè)監(jiān)測模式映射到一個(gè)入網(wǎng)硬件設(shè)備，賦予其唯一通訊標(biāo)識(shí)；4.結(jié)構(gòu)數(shù)值模型層接入方式。將結(jié)構(gòu)數(shù)值模型映射到一個(gè)獨(dú)立的入網(wǎng)硬件設(shè)備，賦予其唯一通訊標(biāo)識(shí)；5.監(jiān)測系統(tǒng)層接入方式。利用系統(tǒng)的監(jiān)控中心的web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)，賦予其唯一通訊標(biāo)識(shí)。橋梁監(jiān)測系統(tǒng)要素的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)在M2M概念下的物聯(lián)網(wǎng)世界，欲實(shí)現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與其它元素之間的信息互聯(lián)互通，必須首先設(shè)計(jì)一個(gè)合理的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)體系。該體系可以分為三類，即對(duì)象標(biāo)識(shí)、通信標(biāo)識(shí)和應(yīng)用標(biāo)識(shí)。1、對(duì)象標(biāo)識(shí)接入物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)成系統(tǒng)的每一個(gè)物理的、邏輯的或數(shù)字的信息節(jié)點(diǎn)，均可以成為一個(gè)獨(dú)立標(biāo)識(shí)的對(duì)象。傳感器采集工作站結(jié)構(gòu)數(shù)值模型監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測模式橋梁結(jié)構(gòu)其它橋梁監(jiān)測系統(tǒng)要素的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)2、通訊標(biāo)識(shí)根據(jù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)的不同，其相應(yīng)的對(duì)象標(biāo)識(shí)的基本數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容也應(yīng)該不同。每一個(gè)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主接入點(diǎn)都應(yīng)該具有一個(gè)唯一的通信標(biāo)識(shí)，可以采用E.164號(hào)碼、IP地址等。它以相對(duì)或絕對(duì)地址的方式建立到通信節(jié)點(diǎn)連接，進(jìn)行通信或?qū)ぶ?。橋梁監(jiān)測系統(tǒng)要素的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)3、應(yīng)用標(biāo)識(shí)對(duì)于需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程展開的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，可以為期賦予唯一的應(yīng)用標(biāo)識(shí)。1、對(duì)象標(biāo)識(shí)：對(duì)象標(biāo)識(shí)主要用于識(shí)別物聯(lián)網(wǎng)中被感知的物理或邏輯對(duì)象；2、通信標(biāo)識(shí)：通信標(biāo)識(shí)主要用于識(shí)別物聯(lián)網(wǎng)中具備通信能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；3、應(yīng)用標(biāo)識(shí)：應(yīng)用標(biāo)識(shí)主要用于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行識(shí)別橋梁監(jiān)測系統(tǒng)要素的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)4、對(duì)象標(biāo)識(shí)的讀取方式和設(shè)備1、通過硬件設(shè)備方式，如通過依附于硬件設(shè)備的條形碼、二維碼閱讀器讀取存儲(chǔ)于標(biāo)簽中的對(duì)象標(biāo)識(shí)，通過RFID閱讀器來閱讀移動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的標(biāo)識(shí)；2、通過圖像識(shí)別程序，通過識(shí)別電子化的條碼、二維碼表示圖片，來閱讀對(duì)象標(biāo)識(shí)；3、通過程序，來解析約定好格式的字符串，或者先通過約定好格式的簡單標(biāo)識(shí)符字符串，查詢其映射數(shù)據(jù)庫或配置文件，來閱讀標(biāo)識(shí)對(duì)象及訪問依附于對(duì)象的基本數(shù)