基于EMD的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法与流程

基于emd的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法
技术领域
1.本技术涉及桥梁结构技术领域，特别是涉及一种基于emd的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法。


背景技术：

2.为保证混凝土组合箱梁的拼装质量，防止由于生产施工误差引起的拼装施工困难，一般采用虚拟预拼装方式进行事先拼装仿真，校验拼装质量。虚拟仿真拼装的基础是借助三维激光点云技术获取梁体形状特征，然后采用虚拟预拼装技术拼装梁体，并对其拼装质量进行评估。
3.然而，目前混凝土结构预拼装的质量评估仅有规范中的各个独立的检测项目，大多数仅仅考虑了部分节点处的局部几何偏差，这样的方法具有很大的局限性：第一，无法全面地反映拼装体整体的质量情况；第二，计算区域的噪声有可能会对结果产生较大的影响；第三，实际扫描过程中由于遮挡等产生的数据缺失可能造成结果无法获取。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决上述缺点的基于emd的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法。
5.一种基于emd的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法，所述方法包括：
6.输入桥墩以及梁体有关预拼装质量评估的梁体数据和桥墩数据；
7.将梁体数据与桥墩数据按照默认拼装方案进行虚拟拼装，得到拼装后的各项数据；
8.根据所述拼装后的各项数据采用评估函数进行分析，以概率统计的方式描述质量检测分项在整体区域内的情况，再计算加权和，以计算基于emd的预拼装质量评估值，获得整体拼装质量的整体性评估结果。
9.在其中一个实施例中，所述将梁体数据与桥墩数据按照默认拼装方案进行虚拟拼装，得到拼装后的各项数据的步骤，包括：
10.当所有梁底面纵向中线与对应计入支座数据的垫石中心点连线重合，并在横向方向保持水平时，梁体底面纵向中线中点与对应计入支座数据的垫石中心点连线中点重合，获得拼装后的各项数据。
11.在其中一个实施例中，所述根据所述拼装后的各项数据采用评估函数进行分析，再计算加权和，以计算基于emd的预拼装质量评估值，获得整体拼装质量的整体性评估结果的步骤，包括：
12.基于所述拼装后的各项数据的点云数据，采用评估函数进行分析，再计算加权和，以计算基于emd的预拼装质量评估值，描述质量评估项目在概率分布形式上的偏差，获得由点云数据计算得到的具有统计意义的整体拼装质量的整体性评估结果。
13.在其中一个实施例中，所述预拼装质量评估值的评估参数至少包括湿接缝分项评
估值，支承偏位分项评估值以及对应面匹配度分项评估值。
14.上述基于emd的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法，通过输入桥墩以及梁体有关预拼装质量评估的梁体数据和桥墩数据；将梁体数据与桥墩数据按照默认拼装方案进行虚拟拼装，得到拼装后的各项数据；根据拼装后的各项数据采用评估函数进行分析，以概率统计的方式描述质量检测分项在整体区域内的情况，再计算加权和，以计算基于emd的预拼装质量评估值，获得整体拼装质量的整体性评估结果，使之能够反映整体区域的拼装质量，同时能够考虑多种因素对最终预拼装质量评估的综合影响，避免了单纯利用点云数据计算规范检测内容的局限性。该方法利用点云数据提出了对应面匹配度的检测项目，以全面反映相邻梁体之间的相对偏位。
附图说明
15.图1为一个实施例中基于emd的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法的流程示意图；
16.图2为一个实施例中梁体侧面点云及其实施例数据示意图；
17.图3为一个实施例支座支承点坐标示意图及其实施例数据示意图；
18.图4为一个实施例中默认的拼装规则示意图；
19.图5为一个实施例中拼装效果示意图；
20.图6为另一个实施例中基于emd的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法的流程示意图；
21.图7为一个实施例中湿接缝宽度分项评估值计算中区域划分的示意图；
22.图8为一个实施例中代表点集匹配方法的示意图；
23.图9为一个实施例中边界点判定方法的示意图；
24.图10为一个实施例中对应面匹配度分项评估值计算中区域划分的示意图；
25.图11为一个实施例中对应面匹配度分项评估值计算中侧面点云投影方法的示意图；
26.图12为一个实施例中离散概率分布的emd定义示意图。
具体实施方式
27.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
28.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于emd的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法，包括以下步骤：
29.步骤s220，输入桥墩以及梁体有关预拼装质量评估的梁体数据和桥墩数据。
30.其中，根据jtg f80-1-2017《公路工程质量检验评定标准(第一册土建工程)》中表8.7.2-1与表8.7.2-2，取如下有关混凝土桥梁的拼装检验项目：湿接缝宽度、支承中心偏位和相邻梁顶面高差共计三个项目。依据这三个项目，输入的梁体数据包括：各梁体侧面的所有点云数据和梁体上设计的支座支承点坐标，输入的桥墩数据包括：计入支座数据的垫石中心点坐标共计三组数据，各组数据的几何含义示意与实施例中的部分数据示例如图2至
图3所示。从墩柱以及梁体点云中提取出梁体数据和桥墩数据，并作为初始数据输入。
31.步骤s240，将梁体数据与桥墩数据按照默认拼装方案进行虚拟拼装，得到拼装后的各项数据。
32.在一个实施例中，将梁体数据与桥墩数据按照默认拼装方案进行虚拟拼装，得到拼装后的各项数据的步骤，包括：当所有梁底面纵向中线与对应计入支座数据的垫石中心点连线重合，并在横向方向保持水平时，梁体底面纵向中线中点与对应计入支座数据的垫石中心点连线中点重合，获得拼装后的各项数据。
33.其中，默认拼装方案即指依据梁体编号，按照设计的顺序将梁体放置在适当的梁位上的方案。拼装规则示意如图4所示，即此处假设所有梁底面纵向中线与对应计入支座数据的垫石中心点连线重合，并在横向方向保持水平。同时，梁体底面纵向中线中点与对应计入支座数据的垫石中心点连线中点重合。拼装规则示意如图4所示，本技术的一个实施例中的拼装效果如图5所示。进一步地，如图6所示，根据拼装后的各项数据和梁体侧面点云数据进行虚拟预拼装质量评估，获得湿接缝分项评估值，支承偏位分项评估值以及对应面匹配度分项评估值。
34.步骤s260，根据拼装后的各项数据采用评估函数进行分析，以概率统计的方式描述质量检测分项在整体区域内的情况，再计算加权和，以计算基于emd的预拼装质量评估值，获得整体性的拼装质量评估结果。
35.在一个实施例中，所述根据所述拼装后的各项数据采用评估函数进行分析，再计算加权和，以计算基于emd的预拼装质量评估值，获得整体拼装质量的整体性评估结果的步骤，包括：基于所述拼装后的各项数据的点云数据，采用评估函数进行分析，再计算加权和，以计算基于emd的预拼装质量评估值，描述质量评估项目在概率分布形式上的偏差，获得由点云数据计算得到的具有统计意义的整体拼装质量的整体性评估结果。
36.其中，所述预拼装质量评估值的评估参数至少包括湿接缝分项评估值，支承偏位分项评估值以及对应面匹配度分项评估值。为了反映整体的拼装质量情况，同时为了利用点云数据的数据量所包含的丰富信息，故在本技术中可依据大量点云数据，采用统计方法描述拼装质量。
37.首先，将拼装完成状态下各梁体侧面的点云数据按区域划分后进行统计分析。将每个区域中所有点云数据点坐标取均值作为该区域的代表点，即可将整个梁体侧面转化为数量相对更少，分布相对更均匀的代表点集，如图7所示(为保证展示效果，图7中点云密度已做稀疏处理)。同时，区域的划分尺度可根据所需精度调整，建议取值在点云平均间距的5～10倍以保证区域内有足够多的数据点。针对同一湿接缝的两侧梁体侧面的点云，将两者的代表点集进行匹配，使得两个代表点集内的点尽可能一一对应，且匹配的代表点之间距离和最小，其示意图如图8所示。此时该两者的代表点集进行匹配转化为二分图的最小权匹配问题，故采用常规的km算法求解该二分图的最小权匹配问题。至此，便可以通过计算对应点之间的水平距离得到整个区域上各处的湿接缝宽度。而从统计意义上，整个宽度数据的分布满足围绕其均值的正态分布，故计算其均值与方差，将整个区域上离散的湿接缝宽度值转化为连续的正态分布模型进行描述。
38.其次，引入对应面匹配度来描述相邻两梁体侧面在空间位置上的对应程度，用于反映对应拼装的梁体侧面在纵向和竖向方向的对应偏差。此时，内部的点云对于对应关系
的评估没有影响，故需要提取出边界点来进行评估。边界点的分类识别主要是通过某点与其近邻点的连线形成的最大夹角来判定的，当最大夹角大于某一阈值(该阈值一般接近180
°
)时，则将该点判定为边界点，如图9所示。再按照上述计算湿接缝的方法，对各梁体侧面的边界点数据进行区域划分，每个区域内的边界点拟合为区域内的一条线段，取该线段中点为区域的代表点，形成该区域的代表点集，如图10所示(为保证展示效果，图10中点云密度已做稀疏处理)。与湿接缝宽度计算不同的是，在计算对应面匹配度时，两相邻梁体侧面应投影到同一平面内，并扣除横坡在纵向方向上的影响后，在同一种区域划分方式下进行分割，如图11所示，此时的匹配不再需要使用km算法，仅将同区域内的两梁体侧面的代表点匹配即可，而后将纵向和竖向的坐标偏差转化为连续的二维正态分布模型进行描述。
39.在得到湿接缝宽度和对应面匹配度的正态分布描述后，根据jtg f80-1-2017《公路工程质量检验评定标准(第一册土建工程)》中表8.7.2-1与表8.7.2-2的规范要求，设定阈值分布作为上述两种正态分布描述的参考标准。如针对湿接缝宽度，jtg f80-1-2017《公路工程质量检验评定标准(第一册土建工程)》中表8.7.2-1与表8.7.2-2的规范中规定其误差应在
±
20mm范围内，假定20mm为该阈值分布的95％分位点即1.96σ＝20mm，0mm为该标准分布的中心，则可得到湿接缝宽度阈值分布n(μ,σ2)＝n(0,104)；针对对应面匹配度，jtg f80-1-2017《公路工程质量检验评定标准(第一册土建工程)》中表8.7.2-1与表8.7.2-2的规范中关于纵向与竖向方向的尺寸偏差均采用
±
10mm作为限制，故取10mm为该阈值分布的95％分位点，得到对应面匹配度阈值分布n(μ1,μ2,σ
12
,σ
22
,ρ)＝n(0,0,26,26,0)。
40.最后，估计两概率分布的广义“距离”，可采用emd(earth mover’sdistance)进行度量，emd距离即两个概率分布之间的wasserstein距离，对于离散的概率分布而言，相当于将概率分布的柱状图看作土堆，而将一个土堆形式以最小的搬运代价转换到另一个土堆形式，也称推土距离，如图12所示。而对于连续的正态分布，其emd为w＝((μ-μ’)2 (σ-σ’)2)
1/2
。此时假设理想分布n(0,0)，即完全没有偏差的状态。通过分别求实际分布与阈值分布到理想分布的emd，将两者相除，则可对湿接缝宽度和对应面匹配度计算统计意义上的分项评估值e
width
和e
match
。当相除之后的分项评估值小于1，则认为整体的分布情况优于规范要求，且越小越优；反之，则认为整体的分布情况劣于规范要求，且分项评估值越大越劣。
41.进一步地，jtg f80-1-2017《公路工程质量检验评定标准(第一册土建工程)》中表8.7.2-1与表8.7.2-2的规范中要求的三项检测项目：湿接缝宽度、支承中心偏位和相邻梁顶面高差。由于支承中心偏位的数据一般较少，故取统计结果的意义不大，采用直接求平均值的方式，与规范要求的5mm相除，得到分项评估值e
bear
。同上，该分项评估值小于1，则认为整体的分布情况优于规范要求，且越小越优；反之，则认为整体的分布情况劣于规范要求，且分项评估值越大越劣。至此，三项检测项目都有相应的分项评估值。一方面，三项分项评估值均可以反映各个分项的质量检测结果；另一方面，设计评估函数f(e
width
,e
match,ebear
)＝αe
width
βe
match
γe
bear
。其中α，β，γ分别为三个分项评估值的权重系数，按照需要取三者的值，使得α β γ＝1，则可获得梁体整体拼装质量检测的评估值。且该值同样具有以上分项评估值的性质，与拼装质量呈负相关关系。
42.上述基于emd的混凝土组合箱梁预拼装质量评估方法，通过输入桥墩以及梁体有关预拼装质量评估的梁体数据和桥墩数据；将梁体数据与桥墩数据按照默认拼装方案进行虚拟拼装，得到拼装后的各项数据；根据拼装后的各项数据采用评估函数进行分析，以概率
统计的方式描述质量检测分项在整体区域内的情况，再计算加权和，以计算基于emd的预拼装质量评估值，获得整体拼装质量的整体性评估结果，使之能够反映整体区域的拼装质量，同时能够考虑多种因素对最终预拼装质量评估的综合影响，避免了单纯利用点云数据计算规范检测内容的局限性。该方法利用点云数据提出了对应面匹配度的检测项目，以全面反映相邻梁体之间的相对偏位。
43.应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
44.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
45.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。