1、大型土木工程結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)協(xié)調(diào)，和一定坐標(biāo)系統(tǒng)可以得到進(jìn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理可以通過該系統(tǒng)進(jìn)行了同步。對于這個(gè)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(zhǔn)動態(tài)和靜態(tài)監(jiān)測大型工程結(jié)構(gòu)。通過多次試驗(yàn)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(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測 次像素 系統(tǒng)校準(zhǔn) 動態(tài)跟蹤C(jī)LC 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(jià)值。然而，它是一個(gè)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(shí)時(shí)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(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，加以控制，這是相對固定的動態(tài)點(diǎn)，動態(tài)和固定點(diǎn)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(zhǔn)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)所有的時(shí)間的測量精度和動態(tài)響應(yīng)程度，因此自動處理和實(shí)時(shí)輸出可以進(jìn)行。這時(shí)很難找到周圍的大型機(jī)構(gòu)，如大跨度橋梁，高層建筑等，動態(tài)點(diǎn)的固定基準(zhǔn)點(diǎn)。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(gè)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(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳎录夹g(shù)條件的復(fù)雜性，也存在實(shí)現(xiàn)自動處理和實(shí)時(shí)輸出時(shí)的許多問題。在上述情況的基礎(chǔ)上，直接法，實(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是通過實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)和輸出實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)和系統(tǒng)校準(zhǔn)板（圖1）組成。工業(yè)CCD相機(jī)和圖像采集卡是圖像采集設(shè)備。不同的鏡頭可以達(dá)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(dá)到每秒25幀以上。由于大型結(jié)構(gòu)的幾個(gè)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(zhǔn)板有木鉗板，塑料板或薄金屬板。有一個(gè)特別設(shè)計(jì)的黑色和白色的幾何圖是25平方米的積點(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要由一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行該軟件采用的操作平臺。在這個(gè)平臺上，用VC +編程語言來實(shí)現(xiàn)圖像采集。通過使用多線程編程技術(shù)，在緩存中進(jìn)行照片處理。此外，

6、自動跟蹤和識別物體得以實(shí)現(xiàn)。最后，確保該系統(tǒng)在實(shí)際時(shí)間。2 工作原理和實(shí)現(xiàn)流程（Working principle and realization flow）2.1系統(tǒng)安裝（System installation）該系統(tǒng)校準(zhǔn)板固定在被測結(jié)構(gòu)上。 “XY” 校準(zhǔn)板軸坐標(biāo)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(biāo)系，主體上的高層建筑軸線是“XY”的工程坐標(biāo)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(gè)固定點(diǎn)沿大橋軸線。這一點(diǎn)可在地面上，橋墩或平臺，聚集在那里的攝像機(jī)可以對系統(tǒng)的名義板采集圖像。攝像機(jī)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(shí)，一旦系統(tǒng)被校準(zhǔn)，相機(jī)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(zhǔn)（System calibration）系統(tǒng)標(biāo)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(jī)和工程體系。通過使用子像素技術(shù)重心法，對象點(diǎn)的數(shù)據(jù)抽象。首先，將圖像轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制。然后，將確定目標(biāo)區(qū)域。由于圖像中噪聲的存在，它可能會帶來一些錯(cuò)誤時(shí)，圖像為二進(jìn)制改變。此外，該目標(biāo)區(qū)域的邊界將有一個(gè)模糊。為了消除其對算法的精度影響，目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理與開啟和關(guān)閉。如果該目標(biāo)區(qū)域選擇得當(dāng)，像素精度可以達(dá)到0.2-0.5 5-7。該圖像是由CCD

8、攝像頭采集，這是一個(gè)在校準(zhǔn)板圖的映射。映射功能取決于相機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)和工程系統(tǒng)圖像的幾何關(guān)系。這是一個(gè)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(cuò)誤，在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)，如圖像錯(cuò)誤，扭曲誤差，影響面粗糙的登記等。他們在一個(gè)復(fù)雜的非線性關(guān)系的結(jié)果8,9。在這項(xiàng)研究中，三次多項(xiàng)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(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，U和V是對應(yīng)的圖像坐標(biāo)ij一，ij B是多項(xiàng)式的系數(shù)。有25個(gè)分界點(diǎn)，董事會的組成正方形點(diǎn)陣間距。他們的工程坐標(biāo)已知，圖像的對應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)。有兩個(gè)是10個(gè)方程組成的線性方程組，每個(gè)系統(tǒng)包含10個(gè)

9、未知的數(shù)字。解決了單獨(dú)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(shí)現(xiàn)。為了保證該系統(tǒng)，采用區(qū)域生長算法，它可以標(biāo)記控制點(diǎn)，計(jì)算像素的實(shí)時(shí)性。然后，自動校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)工程坐標(biāo)之間的坐標(biāo)和圖像。一般情況下，通過使用攝像頭捕捉到的圖像校準(zhǔn)板，它可以在動態(tài)測量前完成系統(tǒng)校準(zhǔn)。也就是說，用這兩個(gè)關(guān)系，可建立坐標(biāo)。2.3自動跟蹤運(yùn)動物體的圖像系列（Automatic tracking of moving object in image series）運(yùn)動目標(biāo)跟蹤的目的是分析圖像傳感器和一系列為每個(gè)圖像中的對象戶口所在地篩選。可靠性和精度是兩個(gè)在跟蹤過程中的重要指標(biāo)8。在不遠(yuǎn)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(xiàng)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(biāo)跟蹤，噪聲主要來源于兩個(gè)途徑：一個(gè)是系統(tǒng)和傳感器的固有噪聲，另一個(gè)是圍繞物體周圍的干擾，這將帶來錯(cuò)誤當(dāng)會計(jì)的對象中心。該中心估計(jì)精度的對象是非常敏感的對象窗口的中心位置。當(dāng)影像和分裂算法和對象的窗口尺寸是肯定的，估計(jì)平均錯(cuò)誤對象的中心，以期對象的中心和窗口中心實(shí)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(cái)產(chǎn)，而估

11、計(jì)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(cuò)誤離散值。圖3顯示了跟蹤遞歸計(jì)算過程。2.4動態(tài)觀察（Dynamic observation）照相機(jī)是用來不斷收集校準(zhǔn)板，這與結(jié)構(gòu)振動的圖像。通過處理照片，圖像坐標(biāo)得到，那么對象的動態(tài)點(diǎn)坐標(biāo)是解決了這一點(diǎn)。根據(jù)圖像采集速度，動態(tài)曲線的點(diǎn)和時(shí)間間隔的二維位移數(shù)據(jù)被導(dǎo)出。考慮到圖像序列之間的時(shí)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(yàn)和工程實(shí)例（Tests and engineering instances）為了評估

12、系統(tǒng)的檢測精度，我們已經(jīng)進(jìn)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(gè)已知點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)計(jì)在校準(zhǔn)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(yùn)動測試（Circular motion tests）電機(jī)取物點(diǎn)在不同的速度進(jìn)行圓周運(yùn)動。圖5和圖6顯示了兩個(gè)50米遠(yuǎn)處的圓形運(yùn)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(shí)例（Engineering instances）橋梁檢測（Bridge detection）近年來，交通運(yùn)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(shí)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(yàn)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(xiàng)目已在我國實(shí)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(dāng)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(rèn)為是由在重冰區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)。它的相關(guān)理論，研究在國內(nèi)和國外，并取得了經(jīng)驗(yàn)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(yàn)獲得。為驗(yàn)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(gè)大型戶外試驗(yàn)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(gè)制度，包括了最大的跳躍幅度，位移時(shí)間變化曲線，周期，衰減過程，絕緣子串運(yùn)動等。圖9顯示了動態(tài)位移在一個(gè)

15、320米的跨度在100卸貨線中點(diǎn)時(shí)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(diǎn)位移，實(shí)際校準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)際工程應(yīng)用實(shí)例。2）二維和遠(yuǎn)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(dá)到低頻率振動大的結(jié)構(gòu)檢測方法的要求。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以被處理和數(shù)字信息，數(shù)據(jù)表和時(shí)間變化曲線將同時(shí)獲得。3）除了我們自主開發(fā)的軟件，其他設(shè)備，如照相機(jī)，鏡頭和采集卡采用通用標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的形象

17、。以下優(yōu)點(diǎn)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(kuò)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(jìn)，高速圖像采集卡或相機(jī)應(yīng)該使用。最后，速度和加速度信息也將獲得。參考文獻(xiàn)（References）1朱康平，Sima Y（2002）在結(jié)構(gòu)損傷檢測的改進(jìn)反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究J,固體力學(xué)學(xué)報(bào)，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

18、法J，國際期刊結(jié)構(gòu)工程與力學(xué)，16（1）:17- 343朱康平，許優(yōu)鄰（2005）Maxwell模型定義用來連接相鄰的研究J阻尼器最優(yōu)參數(shù)。聲音與振動，279（1 / 2）：253- 2744劉資鳴（2002）大橋項(xiàng)目手冊測試M。北京：人民交通出版社（中文）5羅洪斌，趙文廣，溫陰平，等。（2006）應(yīng)用CCD圖像檢測橋梁結(jié)構(gòu)研究J監(jiān)測系統(tǒng)，華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（城市科學(xué)版），23（S1）：91-93（中文）6于奇峰，盧轟委，劉曉林（2002）精密測量和動態(tài)測量基于圖像處理M，北京：科學(xué)出版社（中文）7陳銀（2003）遠(yuǎn)程數(shù)字?jǐn)z影測量M遙感圖像。上海：同濟(jì)大學(xué)出版社（中文）8胡建軍，趙文廣，溫陰平，等