一种大跨度铁路桥梁挠度与线形同步动态测量方法及系统与流程

本发明涉及桥梁健康监测，特别是涉及一种大跨度铁路桥梁挠度与线形同步动态测量方法及系统。

背景技术：

1、大跨度铁路桥梁在列车高速通行动荷载作用下会产生瞬时竖向挠度、主梁整体线形变化，挠度反映单点竖向变形，线形反映全跨主梁空间形态，二者是评估桥梁刚度、行车安全、结构服役状态的核心指标。随着计算机技术的兴起与发展，机器视觉测量方法凭借其成本低、非接触、精度高以及能够多点监测等优势被应用于桥梁挠度测量、承载力评估、损伤诊断、模态分析等多项任务。然而，机器视觉方法的测量精度与测距成反比，在实际桥梁位移监测中可能会出现相机架设点距离结构较远的情况导致测量精度下降。无人机摄影测量有效弥补了固定相机视觉测量的局限，它可以近距离悬停在被测结构附近对桥梁进行安全高效地检测。然而，无人机作为一种动态飞行平台在测量结构位移时会受到自身基点运动干扰，因此，如何在大跨度铁路桥梁运营工况下高效精准获取被测结构的挠度与线形是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种大跨度铁路桥梁挠度与线形同步动态测量方法及系统，以解决背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一方面，提供一种大跨度铁路桥梁挠度与线形同步动态测量方法，具体步骤包括如下：

3、现场踏勘桥梁周边空域与环境，根据桥梁结构和测量需求，规划无人机航线；

4、在测量区域建立独立于桥梁结构的固定参考基准，所述固定参考基准由地面固定支架及投射向桥梁的激光基准点或固定视觉标志点构成；

5、无人机搭载高频工业相机与惯性测量单元悬停于预设点位，在无列车通行时采集静态图像，结合所述固定参考基准解算各测点的初始空间坐标；

6、在列车通过时，同步采集桥梁的高频视频流、无人机平台的惯性姿态数据以及所述固定参考基准的实时位移数据；

7、基于所述惯性姿态数据与所述固定参考基准的实时位移数据，构建无人机平台运动伪位移补偿模型，对视频流中的靶标像素坐标进行修正，解算得到各测点的绝对动态挠度时程曲线；

8、获取全桥所有测点的实时位移数据，引入桥梁结构的刚度矩阵作为物理约束条件，对测点数据进行力学拟合，同步生成全桥动态线形。

9、优选的，所述固定参考基准的建立方法为：在桥址区域地面稳定位置架设固定支架，在所述固定支架上安装激光发射装置，向桥梁结构表面投射激光光斑或激光十字图案作为静态参考基准，或在地面稳定位置布设具有已知空间坐标的固定视觉标志点。

10、优选的，所述结合固定参考基准解算各测点初始空间坐标的步骤为：通过图像处理算法提取靶标及固定参考基准在图像中的像素坐标，基于透视变换模型建立像素坐标系与世界坐标系的映射关系，反算各测点的初始空间坐标。

11、优选的，所述高频工业相机的采样频率不低于100hz，所述惯性测量单元的采样频率不低于500hz，并且所述高频工业相机与所述惯性测量单元之间通过硬件触发信号进行时间戳同步。

12、优选的，利用所述无人机平台运动伪位移补偿模型对视频流中的靶标像素坐标进行修正的具体过程为：

13、利用所述惯性测量单元获取的无人机滚转、俯仰、偏航角数据，结合相机成像几何模型，计算由无人机姿态抖动引起的靶标像素偏移量；

14、利用追踪所述固定参考基准中激光基准点或固定视觉标志点的像素轨迹，计算由无人机位置平移引起的视差位移；

15、将所述靶标像素偏移量与所述视差位移从原始视频流数据中剔除，得到修正后的靶标位移。

16、通过采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：采用100hz高频工业相机与500hz惯性测量单元通过硬件触发实现微秒级时间戳同步，结合双重无人机运动伪位移补偿模型，可大幅度消除无人机悬停晃动引入的测量误差，即使在跨河、峡谷等强风复杂环境下，也能保证列车高速通过全过程动态挠度数据的连续稳定输出，不会出现数据跳变或中断问题。

17、优选的，在解算得到各测点的绝对动态挠度时程曲线之前，还包括对视频流进行预处理操作，具体步骤为：

18、首先对视频流进行逐帧解码、时间顺序排序，并统一转换为灰度图像；

19、其次进行去噪和亮度归一化处理，利用自适应阈值算法提取靶标中心像素坐标；

20、最后采用卡尔曼滤波算法对靶标中心坐标序列进行平滑去噪处理。

21、优选的，引入桥梁结构的刚度矩阵作为物理约束条件具体包括：

22、基于桥梁设计参数或实测参数建立桥梁结构的有限元模型，提取结构整体刚度矩阵；

23、以各测点的实时位移数据作为观测值，以所述刚度矩阵作为正则化约束项，构建目标函数；

24、求解所述目标函数，得到满足结构力学合理性的全桥位移场分布。

25、优选的，生成全桥动态线形之后还包括数据校验步骤：将生成的全桥动态线形与桥梁设计的理论线形及历史静态线形数据进行比对，若动态线形的最大变形值或变形曲率超出预设的安全阈值，则触发异常报警并标记对应测点的数据进行人工复核。

26、优选的，还包括建立历史数据库，将每次列车通过时采集的绝对动态挠度时程曲线、全桥动态线形以及对应的环境参数进行结构化存储。

27、通过采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：将每次列车通过时的绝对动态挠度时程曲线、全桥动态线形与对应环境参数进行关联存储，能够为桥梁长期变形分析、隐性损伤识别、结构性能演化规律研究提供连续完整的全工况动态数据支撑，填补了传统监测手段难以长期积累大跨度铁路桥梁全工况同步动态数据的行业空白。

28、另一方面，提供一种大跨度铁路桥梁挠度与线形同步动态测量方法，包括无人机航线规划模块、基准确定模块、静态采集模块、动态采集模块、伪位移补偿模块、线形生成模块；其中，

29、所述无人机航线规划模块，用于现场踏勘桥梁周边空域与环境，根据桥梁结构和测量需求，规划无人机航线；

30、所述基准确定模块，用于在测量区域建立独立于桥梁结构的固定参考基准，所述固定参考基准由地面固定支架及投射向桥梁的激光基准点或固定视觉标志点构成；

31、所述静态采集模块，用于通过无人机搭载高频工业相机与惯性测量单元悬停于预设点位，在无列车通行时采集静态图像，结合所述固定参考基准解算各测点的初始空间坐标；

32、所述动态采集模块，用于在列车通过时，同步采集桥梁的高频视频流、无人机平台的惯性姿态数据以及所述固定参考基准的实时位移数据；

33、所述伪位移补偿模块，用于基于所述惯性姿态数据与所述固定参考基准的实时位移数据，构建无人机平台运动伪位移补偿模型，对视频流中的靶标像素坐标进行修正，解算得到各测点的绝对动态挠度时程曲线；

34、所述线形生成模块，用于获取全桥所有测点的实时位移数据，引入桥梁结构的刚度矩阵作为物理约束条件，对测点数据进行力学拟合，同步生成全桥动态线形。

35、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

36、（1）通过独立于桥梁结构的固定参考基准设计，彻底隔离列车通行引发的桥梁振动对基准点的干扰，从根源上消除了常规无人机视觉测量中基准漂移的系统性误差，提升动态挠度的测量精度和稳定性。

37、（2）在全桥动态线形生成环节，摒弃传统无约束空间插值方法，引入桥梁结构有限元预提取的整体刚度矩阵作为正则化物理约束，以实测测点位移作为观测值构建目标函数求解全桥位移场，可有效抑制离散测点噪声引发的线形局部畸变，避免普通视觉测量方案出现的线形失真问题。‌‌