一种基于机器视觉技术的箱梁顶推施工装置及施工方法与流程

本发明涉及箱梁施工，具体为一种基于机器视觉技术的箱梁顶推施工装置及施工方法。

背景技术：

1、钢箱梁顶推施工技术凭借无需大规模搭设满堂支架、施工周期短、对桥下交通及环境干扰小的优势，被广泛应用于大跨度连续钢箱梁桥梁、城际铁路桥梁及城市高架桥梁施工中。顶推施工过程中，钢箱梁需沿预设滑道逐段滑移就位，其轴线偏移、竖向高差偏差是影响桥梁施工精度、结构安全及成型质量的核心控制指标。

2、目前钢箱梁顶推纠偏施工普遍采用人工监测、定点标尺观测结合手动调节顶推设备的作业模式，部分现有技术采用固定传感器定点采集位移数据实现简易纠偏，但在实际施工中存在诸多固有缺陷：

3、监测精度低、实时性差。人工监测依赖施工人员经验，仅能实现间隔式定点检测，无法全程连续捕捉钢箱梁顶推过程中的微小偏移、动态偏斜及颠簸偏差，且数据采集、记录、反馈存在滞后性，极易导致偏差累积，当偏移量超出阈值后再进行纠偏，易造成钢箱梁局部应力集中、滑道磨损、支座偏移等问题。

4、纠偏调节滞后、适配性差。现有半自动纠偏技术多采用固定阈值触发纠偏的控制逻辑，仅能对单一水平偏移量进行校正，无法同步识别竖向高差、扭转偏差及动态滑移偏差，针对顶推速度变化、滑道不均匀沉降、环境风力干扰等复杂工况，无法实现自适应动态调节，纠偏精度难以匹配大跨度、长距离顶推施工要求。

5、人工干预量大、施工风险高。传统施工模式需专人全程值守监测、手动调控顶推油缸及纠偏装置，人工操作误差大、劳动强度高，且夜间、大风、阴雨等恶劣施工环境下，监测视野受限、操作难度激增，极易出现纠偏不及时、调节过度等问题，引发钢箱梁轴线超标、结构变形，严重时会影响桥梁整体线形及施工安全。

6、数据追溯性差、智能化程度低。传统施工无全程可视化数据采集与记录体系，偏差产生过程、纠偏调节参数无完整数据支撑，无法实现施工过程溯源、工况分析及参数优化，难以满足现代化桥梁智慧施工、精细化质控的行业发展需求。

7、综上，现有钢箱梁顶推纠偏技术存在监测不连续、纠偏不自适应、工况适配性弱、智能化水平低的技术短板，亟需一种高精度、实时化、自适应的智能纠偏施工技术，解决现有施工工艺的诸多缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于机器视觉技术的箱梁顶推施工装置及施工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于机器视觉技术的箱梁顶推施工装置，包括机器视觉采集模块、数据处理与控制模块、执行纠偏模块以及状态监测模块，四个模块通过工业总线与无线传输单元实现双向数据交互，形成闭环协同控制架构；

3、所述机器视觉采集模块布设于箱梁顶推施工全域范围内，用于实时采集箱梁动态位移影像，获取箱梁轮廓与基准靶标的高清图像数据；

4、所述数据处理与控制模块用于接收视觉采集图像与状态监测数据，完成图像预处理、特征提取与多维度偏差计算，运行自适应纠偏算法生成精准控制指令；

5、所述执行纠偏模块用于响应控制指令，同步完成箱梁水平轴线校正、竖向高差调平与滑移速度调控；

6、所述状态监测模块用于采集箱梁滑移位移、倾斜角度与油缸顶推力参数，与机器视觉识别结果进行双向校验，消除单一视觉识别的误差隐患。

7、优选的，所述机器视觉采集模块包含多组分区域布设的高清工业相机、自适应补光光源与基准标定靶标；高清工业相机分别安装于箱梁顶推前端、两侧翼缘板外侧与尾部端面位置，相机视野拼接覆盖箱梁顶推全行程施工区域，无识别盲区；基准标定靶标固定于预设施工基准轴线点位与滑道基准高程点位表面，靶标表面设置高对比度圆形识别特征点，作为图像识别与坐标换算的绝对基准参照；自适应补光光源搭载光敏传感器，可根据环境光照强度自动调节亮度与启停状态，适配昼夜施工、阴雨雾天等低光工况，避免环境光线干扰图像识别精度。

8、优选的，所述数据处理与控制模块包含高性能工业工控机、多路图像采集卡与5g数据传输单元；所述图像采集卡支持同步接入8路以上工业相机的影像数据，单帧图像传输延迟低于20ms；工业工控机内置图像预处理程序、特征识别算法与模糊pid自适应纠偏程序，可实时完成箱梁轴线位置、竖向高程、扭转角度与滑移速度的参数解算；工控机配套设置10英寸触控显示终端，可实现施工状态实时可视化展示，同时搭载声光报警装置，当任意维度偏差超出预设阈值时立即触发超限预警。

9、优选的，所述执行纠偏模块包含多组分布式布设的顶推主油缸、横向微调纠偏油缸、竖向调平千斤顶与电液比例流量调节阀；顶推主油缸沿箱梁底部纵向等距布设，用于控制箱梁整体顶推滑移速度与累计位移；横向微调纠偏油缸对称安装于箱梁两侧滑道位置，单缸行程设置为±50mm，用于精准校正箱梁水平轴线偏移；竖向调平千斤顶布设于箱梁底部四个角点位置，用于同步修正箱梁四点竖向高差偏差；电液比例流量调节阀与各组油缸一一对应连接，可根据控制指令动态调节油缸伸缩速率与行程精度，实现毫米级精细化微调。

10、优选的，所述状态监测模块包含高精度拉线式位移传感器、双轴倾角传感器与高频压力传感器；位移传感器安装于油缸端部，实时采集油缸实际伸缩位移数据；双轴倾角传感器固定于箱梁顶面中心位置，采集箱梁纵向倾斜角度与平面扭转角度参数；压力传感器安装于油缸进油管路，实时采集油缸顶推力数值，所有监测数据采样频率不低于100hz，与机器视觉识别结果进行实时比对校验，当数据偏差超过3%时自动触发二次识别流程。

11、优选的，所述基准标定靶标包括基板，基板的前侧固定有靶标标识，基板的背侧滑动连接有安装架，安装架的表面开设有导向槽，导向槽中插接有螺栓，螺栓贯穿基板后锁紧。

12、优选的，基板的背侧开设有滑槽，滑槽呈“凸”字形槽，滑槽的内部插接有衔接条，衔接条呈“凸”字形条，衔接条固定在安装架的表面，安装架呈“l”形板状结构，安装架的一端开设有螺栓孔。

13、优选的，所述导向槽设有两个，两个导向槽关于衔接条呈上下对称分布，基板的表面开设有两个穿孔，穿孔和导向槽一一对应，安装架的表面固定有两个橡胶垫条，螺栓锁紧后，橡胶垫条夹持在基板和安装架之间发生形变。

14、优选的，所述基板的表面开设有四组风口，四组风口分布在靶标标识的四个边角外侧。

15、一种基于机器视觉技术的箱梁顶推施工方法，包含以下步骤：

16、步骤一：施工前期标定与系统初始化，在箱梁预制拼装完成、滑道铺设就位后，固定所有基准标定靶标，标定工业相机的内参参数、外参坐标与像素比例尺，建立箱梁顶推施工全局基准坐标系，调试各模块通讯链路，预设顶推速度阈值、轴线偏移阈值、竖向高差阈值与扭转角度阈值，完成系统精度校验；

17、步骤二：全域动态图像同步采集，启动箱梁顶推施工后，多组工业相机以每秒15帧以上的频率连续采集箱梁顶推全过程的动态影像，补光光源根据环境光照自动调节输出亮度，同步通过状态监测模块采集油缸压力、箱梁倾角与滑移位移辅助数据；

18、步骤三：图像预处理与特征精准识别，工控机对原始图像依次进行高斯去噪、镜头畸变校正与直方图增强处理，消除环境噪点与设备成像误差，通过边缘检测算法提取箱梁轮廓特征与靶标特征点，匹配全局基准坐标系，解算出箱梁实时轴线位置、竖向高程、扭转角度与滑移速度核心参数；

19、步骤四：多维度偏差分级判定，将实时识别参数与预设基准参数进行比对，分别计算水平轴线偏移量、竖向高差偏差值、平面扭转角度偏差值与速度波动偏差值，根据偏差占阈值的比例，将工况划分为微小偏差、常规偏差、超限偏差三个等级；

20、步骤五：自适应纠偏策略智能匹配，基于模糊pid算法，根据偏差等级、偏差大小与偏差变化速率动态生成对应纠偏方案：微小偏差工况采用微量慢速微调模式，单次纠偏量不超过2mm，避免过度纠偏引发结构应力波动；常规偏差工况采用匀速精准校正模式，以恒定速率同步调节对应油缸，在预设行程内快速消除偏差；超限偏差工况立即触发声光预警，自动将顶推速度降低至原速度的30%以下，采用分级递进纠偏模式，分3-5步逐步修正偏差，杜绝箱梁局部应力突变；

21、步骤六：闭环纠偏动态调控，工控机将纠偏参数转换为电液控制指令，同步联动横向纠偏油缸、竖向调平千斤顶与顶推主油缸，并行完成水平偏移校正、竖向高差调平与滑移速度校准，纠偏过程中机器视觉模块持续实时采集图像，动态反馈纠偏效果，形成“采集-分析-纠偏-反馈”的闭环控制流程，直至所有偏差参数回归预设安全阈值范围内；

22、步骤七：全流程数据归档与施工收尾，箱梁顶推全过程实时存储原始图像数据、偏差记录、纠偏参数与设备运行数据，生成可追溯的施工日志报表，单段箱梁顶推就位后，人工核验箱梁整体线形精度，确认满足桥梁施工规范要求后，停止所有设备运行，完成单次顶推纠偏施工，进入下一段箱梁顶推工序。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、本发明提出的基于机器视觉技术的箱梁顶推施工装置及施工方法，通过机器视觉实时全域采集钢箱梁顶推动态偏差数据，结合智能算法实现多维度偏差精准分析与自适应纠偏调控，无需人工频繁干预，大幅提升顶推施工纠偏精度、实时性与工况适配性，消除偏差累积隐患，保障钢箱梁顶推线形精度与施工安全，实现钢箱梁顶推施工的智能化、精细化、可视化管控。

25、通过机器视觉全域连续成像监测，偏差识别精度可达±0.5mm，远高于传统人工监测±3mm的精度标准，且无监测滞后性，可实时捕捉动态微小偏差，彻底解决传统施工偏差累积、后期纠偏难度大的问题，有效保障钢箱梁顶推线形精度。

26、摒弃传统人工手动纠偏、固定阈值被动纠偏模式，通过智能算法动态适配不同施工工况，自动匹配最优纠偏策略，可有效应对滑道沉降、风力干扰、顶推速度波动等复杂工况，纠偏稳定性与适配性显著提升，杜绝过度纠偏、纠偏不彻底等问题。

27、大幅减少现场值守、监测、操作人工，降低人工劳动强度与人工操作误差；恶劣施工环境下仍可稳定精准作业，避免人工监测视线受限、操作失误引发的施工安全隐患，降低钢箱梁结构变形、滑道损坏、支座偏移等质量缺陷发生率。

28、全程自动采集、存储、上传施工数据与图像信息，实时可视化展示施工状态，实现施工过程全溯源，便于后期工况分析、工艺优化，契合桥梁工程智慧建造、精细化施工的行业发展趋势，显著提升桥梁施工成型质量与结构耐久性。

29、无需中断顶推施工即可完成动态纠偏，避免传统纠偏需停机调试的工序延误，有效缩短单段顶推施工周期，整体提升钢箱梁顶推施工效率，缩短项目工期。