中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
馮東明博士
對(duì)于大型工程、基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目，沒聽說是建設(shè)完成就了事的。竣工之后需要由運(yùn)維部門對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期的檢測(cè)和維護(hù)，以確保結(jié)構(gòu)物在相當(dāng)長(zhǎng)的服役期內(nèi)處于安全、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
目前最常使用的維護(hù)方法，還是靠肉眼的人工巡檢。這種方式效率低下，關(guān)鍵還效果有限，且工程經(jīng)驗(yàn)告訴我們依靠工作人員責(zé)任心和職業(yè)素養(yǎng)來完成的工作通常沒有機(jī)器自動(dòng)獲取的數(shù)據(jù)更靠譜。于是全世界的科學(xué)家開始就研發(fā)基于無損評(píng)估(Nondestructive evaluation , NDE) 的結(jié)構(gòu)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)，投入了大量的精力。但與實(shí)驗(yàn)室條件不同，需要進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)往往都具有體量大，所處環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，這給需要通過局部觀測(cè)來反映結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的工作帶來很大挑戰(zhàn)。
近20年來，研究熱點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向基于針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)以及基于傳感器探測(cè)(尤其是加速度傳感器)的結(jié)構(gòu)完整性測(cè)定，例如通過基于頻域模態(tài)特性的變化，如自振頻率、振型、彎曲曲率、模態(tài)彈性及其導(dǎo)數(shù)，模態(tài)應(yīng)變能、頻率響應(yīng)函數(shù)等，來進(jìn)行損傷探測(cè)——這樣做的確可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，省去了人工，但依然難以推廣——因?yàn)閭鞲衅飨到y(tǒng)的安裝非常復(fù)雜和耗時(shí)，硬件成本昂貴，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)服役期間的長(zhǎng)期維護(hù)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立，這些都不是輕松的工作。于是只能在一些經(jīng)費(fèi)寬裕的項(xiàng)目上采用，且這整套系統(tǒng)的“項(xiàng)目之間可遷移性”往往不高，到另一個(gè)項(xiàng)目上還需要把工作重來一遍。
為了克服這些局限，研究者們開始尋找其他更好的解決方案，包括：
視覺傳感系統(tǒng)——本文從這里展開
視覺傳感系統(tǒng)(vision sensor systems)是一種由攝像機(jī)、視覺傳感器( computer vision-based sensors，或簡(jiǎn)稱為 vision sensor)為主要組成部件，以計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別與跟蹤算法為核心的，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸、無損傷監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
和現(xiàn)有的各種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，視覺傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)如下：
1.與結(jié)構(gòu)加速度傳感系統(tǒng)相比。視覺傳感系統(tǒng)可直接對(duì)結(jié)構(gòu)整體位移進(jìn)行實(shí)測(cè)，而相對(duì)于由許多(通常也不是很多)局部測(cè)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)的整體位移更直接地反應(yīng)了結(jié)構(gòu)總體剛度的變化，因此可以更準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)；
2.與傳統(tǒng)的接觸型位移傳感器相比。傳統(tǒng)的接觸型位移傳感器，如線性可變差動(dòng)變壓器 (linear variable differential transducer , LVDT)，需要一個(gè)不動(dòng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，這在實(shí)際結(jié)構(gòu)中很難做到。尤其在量測(cè)主梁跨中撓度的時(shí)候，長(zhǎng)期在梁下假設(shè)一個(gè)架子基本是不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。視覺傳感系統(tǒng)就可以規(guī)避這個(gè)問題，通過攝像機(jī)的鏡頭和計(jì)算機(jī)圖像處理算法，利用非接觸的視覺傳感器技術(shù)進(jìn)行位移量測(cè)，可以完美解決“找不到安裝傳感器的固定點(diǎn)”這個(gè)問題；
3.與傳統(tǒng)傳感器相比，視覺傳感系統(tǒng)不需要大量時(shí)間用于傳感器的安裝，其安裝成本相對(duì)也很低。視覺傳感器不需要與結(jié)構(gòu)物的物理接觸，可以遠(yuǎn)程控制，可節(jié)約時(shí)間和器材成本，尤其對(duì)于橋梁而言，安裝的時(shí)候不需要交通管制；
4.與GPS相比，視覺傳感器雖然也需要在結(jié)構(gòu)物上安裝標(biāo)靶，但其監(jiān)測(cè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比GPS(誤差5~10mm)高多了；
5.與非接觸的激光測(cè)振儀相比，測(cè)試儀器可以安放得更遠(yuǎn)，甚可以達(dá)到幾百米之外，同樣達(dá)到想要的精度；
6.對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器而言，視覺傳感器可以是非接觸分布傳感器技術(shù)，同時(shí)在很長(zhǎng)的距離上跟蹤多個(gè)變化的目標(biāo)，獲取同步數(shù)據(jù)。
目前，視覺傳感器系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際工程中都得到了驗(yàn)證，這個(gè)系統(tǒng)的核心是數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital Image Correlation，DIC) ，這是一種基于灰度數(shù)字圖像的全視野圖像分析方法，可以在三維空間中確定物體的輪廓和位移。
有了這個(gè)利器，就可以在力學(xué)試驗(yàn)中，將拍攝圖像中的構(gòu)件物理位移轉(zhuǎn)變?yōu)橄袼丶?jí)、亞像素級(jí)別的應(yīng)變。研究者通常將帶有人工斑塊圖案或其他紋理的圖案安裝到構(gòu)件表面來提高視覺識(shí)別的精度，基于由圖像得到的構(gòu)件應(yīng)變場(chǎng)，可以量測(cè)并計(jì)算出多種結(jié)構(gòu)參數(shù)，如：楊氏模量、泊松比、應(yīng)力強(qiáng)度因子、殘余應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)等等。
在結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型可以方便地從一個(gè)或多個(gè)鏡頭實(shí)測(cè)的位移計(jì)算得到。
傳感器系統(tǒng)通常包括一個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)，長(zhǎng)焦鏡頭和計(jì)算機(jī)，如果有在夜間進(jìn)行監(jiān)測(cè)的需求，就還需要安裝燈具器材。
詳細(xì)地，可把視覺傳感系統(tǒng)的組成分為以下幾個(gè)部分：
1.攝像機(jī)。攝像機(jī)通常安放在較遠(yuǎn)的地方，因此需要使用長(zhǎng)焦鏡頭。機(jī)身用三腳架固定，在無視線遮擋的遠(yuǎn)處，且攝像機(jī)需要與進(jìn)行圖像處理的計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，攝像機(jī)的常用配件見下表：
2.標(biāo)靶。標(biāo)靶指的是用攝像機(jī)捕捉圖像用的參照物，可以在結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)，任何結(jié)構(gòu)物上的自然物體都可以當(dāng)作標(biāo)靶，但為了達(dá)到視覺識(shí)別精度的要求，需要在捕捉到的圖像中標(biāo)靶與周圍環(huán)境有明顯的區(qū)分，對(duì)比度強(qiáng)烈。因此通常會(huì)安裝人造的，紋理清晰的黑白紋理板，如圖中的這種：
3.計(jì)算機(jī)與圖像處理軟件。如果使用的圖像軟件具有實(shí)時(shí)處理能力，這需要將計(jì)算機(jī)與攝像機(jī)相連，被量測(cè)的位移時(shí)變曲線就會(huì)在電腦屏幕中實(shí)時(shí)自動(dòng)顯示，否則，圖像就會(huì)存儲(chǔ)在攝像機(jī)或電腦中以備以后處理，如下面的軟件界面：
圖像處理軟件需要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)核心功能，包括：
利用模板匹配算法(template matching algorithm) ，與子像素技術(shù)結(jié)合，從圖像(尤其是動(dòng)態(tài)圖像)中提取到與結(jié)構(gòu)匹配的位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)靶目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。為了減少計(jì)算時(shí)間，可將每個(gè)視頻幀的某個(gè)預(yù)定區(qū)域(部分圖像)作為搜索目標(biāo)，如圖：
坐標(biāo)變換算法。為了從捕捉到的圖像中得到目標(biāo)的物理位移，實(shí)際結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系與圖像像素級(jí)別的坐標(biāo)系之間的關(guān)系需要建立：
上圖中就是一個(gè)完整的視覺傳感系統(tǒng)，以后我們?cè)儆龅筋愃频膱?chǎng)景，便會(huì)想到除了拍攝橋梁美景的攝影師之外，還可能是東明兄正在海風(fēng)中苦苦地搜集數(shù)據(jù)呢
盡管視覺傳感系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用算是剛剛起步，但已經(jīng)有了不少可喜的嘗試：
結(jié)構(gòu)模態(tài)特性識(shí)別：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)通常都是通過振動(dòng)測(cè)量來進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)屬性識(shí)別的，然而利用拾振器開展的測(cè)量，只能在結(jié)構(gòu)上布置為數(shù)不多的測(cè)點(diǎn)，而視覺傳感系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)用一套攝像機(jī)設(shè)備同時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上多個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)行為，從而在模態(tài)識(shí)別方面得到更精確、更符合實(shí)際結(jié)構(gòu)情況的結(jié)果。
模型更新和損傷檢測(cè)：通過視覺傳感系統(tǒng)，可以采集結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比等參數(shù)，用于結(jié)構(gòu)的有限元模型的更新，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷的模擬和識(shí)別。
預(yù)測(cè)索力：對(duì)于采用拉索為主要受力構(gòu)件的斜拉橋來說，索力的準(zhǔn)確測(cè)量非常重要。傳統(tǒng)的索力測(cè)量方法是采用基于振動(dòng)原理的索力儀，這種設(shè)備安裝繁瑣，價(jià)格昂貴，而且并不是每次測(cè)試都能達(dá)到理想的精度。然而采用視覺傳感系統(tǒng)，則可以顯著降低量測(cè)系統(tǒng)的成本。
除了結(jié)構(gòu)位移遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及上述的幾個(gè)應(yīng)用之外，視覺傳感系統(tǒng)還在這些領(lǐng)域有不小的應(yīng)用潛力：
監(jiān)測(cè)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施中的軌道交通車輛的運(yùn)行情況；
搜集橋梁運(yùn)營(yíng)期間車輛荷載的作用(車輛類型與流量等信息)；
橋梁荷載試驗(yàn)；
在無需于橋上安裝稱量設(shè)備的條件下，建立車輛稱重系統(tǒng)；
橋梁裂縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)
馮東明博士在介紹了視覺傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還對(duì)其中的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行了探討和總結(jié)，例如：
圖像跟蹤和處理的計(jì)算機(jī)算法如何實(shí)現(xiàn)；
像素級(jí)和子像素級(jí)解決方案對(duì)計(jì)算精度的貢獻(xiàn)；
單點(diǎn)與多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方式；
坐標(biāo)變換與比例因子法的應(yīng)用；
2D測(cè)量與3D測(cè)量的不同選擇；
人工標(biāo)靶與自然標(biāo)靶的實(shí)際差異；
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法的技術(shù)實(shí)現(xiàn)；
