一种基于机器视觉和模型修正的桥梁承载力快速评估方法

1.本发明涉及一种基于机器视觉和模型修正的桥梁承载力快速评估方法，属于桥梁检测评定技术领域。


背景技术：

2.桥梁评估是利用应变、变位等静力参数，或者频率、阻尼、振型等动力参数，对既有桥梁的安全性和可靠性进行评估计并做出工程决策的过程。目前常用的桥梁承载力评估方法主要有外观检测评定法、荷载试验评定法、基于设计规范评定法、专家系统评估法等，以上评估方法均有自身的局限性：外观评定法和专家系统评估法简单且依赖于工程师的经验和专家的专业水平，评估过程中包含许多不确定性因素；荷载试验需要中断交通，耗时费力；基于设计规范评定法不能真实可靠地反映桥梁的实际劣化状况，且需要面对设计规范更新、荷载模式变化等问题，一定程度上影响了评估的准确性。
3.桥梁检测工作经历了由人工检测、桥检车检测发展到各种无损检测，近年来，随着计算机科学、光学的快速发展和广泛应用，出现了非接触式的智能检测技术，为桥梁检测提供了更优的选择，其中机器视觉方法是目前备受关注的桥梁检测方法。该方法基于机器视觉理论，目的是让计算机代替人工，对桥梁进行远距离、高精度、低成本的自动检测识别。机器视觉方法避免了人工检测和桥检车检测速度慢、效率低、实时性差、影响交通的缺点。
4.桥梁现场测试包括动力测试和静力测试，动力测试中，结构的频率测试精度较高且能反映结构的整体效应；静力测试中，结构的挠度测试精度较高且反映结构整体效应，而应变测试数据主要反映局部效应。因此，本发明选择挠度和频率两个指标进行测量，能够反映桥梁总体的静动力性能。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种能够实现桥梁承载力快速评估的方法。
6.本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于机器视觉和模型修正的桥梁承载力快速评估方法，其特征是：包括两部分：
7.第一部分为桥梁跨中截面测点振动数据采集和有限元模型修正，其包括如下步骤：
8.步骤一：按照设计图纸和相关规范建立桥梁的初始有限元模型，采用静力法模拟一辆加载车移动驶过桥面，计算桥梁跨中截面的理论挠度影响线和桥梁前2-3阶理论频率；
9.步骤二：利用有限元软件对桥梁设计参数进行敏感性分析，选择对挠度和频率影响较大的桥梁结构参数作为待修正参数；
10.步骤三：采用一辆加载车以一定速度缓慢行驶通过实际桥梁，在跨中截面选择与有限元模型位置相同的挠度测点，作为机器视觉测量点，应用高分辨率高帧率相机测量车辆移动过程中桥梁跨中截面测点的振动图像和车辆驶离桥梁后桥梁跨中截面测点的振动
图像，编制动态图像识别程序，采用双边滤波算法对图像进行降噪处理，利用ace图像增强算法提高图像对比度，将rgb三通道图像转换为单通道图像，实现图像灰度处理；采用图像识别跟踪算法识别提取车辆移动过程中桥梁跨中截面测点的挠度时程曲线和车辆驶离桥梁后桥梁跨中截面测点的自由振动挠度时程曲线，分别计算识别得到桥梁实测挠度影响线和频率；
11.步骤四：将步骤二中得到的桥梁待修正参数作为设计变量，将步骤三中得到的实测挠度影响线和实测频率作为状态变量，利用实测值与理论值的差值构造目标函数如式(1)：
[0012][0013]
式中，ωi、分别为桥梁第i阶自振频率的计算值和实测值，ui、分别为桥梁第i个测点的静力挠度计算值和实测值；wi、w
′i为权重系数；f为实测与理论值差值目标函数；
[0014]
步骤五：进行有限元计算结果后处理：分析整理步骤一中所得桥梁理论自振频率和跨中挠度数据,并与静动载试验的实测值进行比较,代入目标函数进行计算；
[0015]
步骤六：判断目标函数和桥梁结构的响应是否满足优化精度要求：若满足要求则所采用的计算参数就是最优的参数值并结束模型修正过程，用优化后的设计变量修正桥梁初始有限元模型，得到能够代表桥梁实际工作状态的基准有限元模型；若不满足要求则改变桥梁设计参数值继续进行循环迭代分析直到满足精度要求为止；
[0016]
第二部分为桥梁承载力评估，其包括如下步骤：
[0017]
步骤一：根据《公路桥梁荷载试验规程》制定桥梁静载试验方案，使加载效率在0.95至1.05之间，加载车可采用三轴货车，基于初始有限元模型计算试验荷载下桥梁的理论设计挠度；
[0018]
步骤二：依据静载试验方案的试验荷载，基于基准有限元模型预测得到试验荷载下桥梁跨中截面的实测挠度，该挠度即反映了实际桥梁的结构变形；
[0019]
步骤三：采用下面的公式计算桥梁挠度校验系数利用挠度校验系数评定桥梁的承载能力：
[0020][0021]
式中：se为试验荷载作用下基准有限元模型主要测点的实测弹性变位或应变值；ss为试验荷载作用下初始有限元模型主要测点的理论计算变位或应变值。
[0022]
静力荷载试验结构校验系数是试验荷载作用下测点的实测弹性变位与相应理论值的比值。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》的规定，值小于1时，代表桥梁的实际状况要优于设计理论状况，说明桥梁承载能力满足设计要求。
[0023]
本发明是利用有限元模型修正优化算法，采用由机器视觉技术测得的桥梁挠度影响线和频率两个指标实测数据与有限元模型计算的理论数据进行模型修正，基于修正后的基准有限元模型进行桥梁承载能力评估，是一种联合静动力实测数据的有限元模型修正，
能够增加修正后有限元模型的可靠性。
[0024]
进一步的，步骤三中所述的图像识别算法是模板匹配法或光流法或特征点匹配法或基于形状的匹配或基于深度学习的目标跟踪法。其中模板匹配算法识别提取桥梁位移的原理如下：
[0025]
用空间位置固定的数字相机去获取含有预设目标的灰度图像，首先，在第一帧图像中，所有包含预设的被测目标都会以“模板”的形式抽取出来，这个模板是图像中包含被测目标一个子集。模板匹配的过程即为在数码相机拍摄到的后续图像中用预设的模板去搜索目标在该图像中的位置。搜索过程一般是将模板从图像的左上角向右逐行进行扫描，直到找到最佳匹配位置。扫描过程中模板与图像重合的位置会进行二维图像相关运算，得到一个相关系数。当相关系数达到最大值时，认为在图像中找到了目标的最佳匹配位置。
[0026]
如图1所示，从尺寸为m
×
n初始(第一帧)图像g0(x,y)中抽取的矩形图像子集fk(x,y)作为第k个目标的模板。第k个模板的中心坐标记为(x
k0
,y
k0
)，则模板fk(x,y)和g0(x,y)的相关系数为：
[0027][0028]
式中，i＝0,1,...,m-1,j＝0,1,...,n-1，t为图像拍摄时刻；
[0029]
假设图像的坐标原点在左上角，相关计算的过程就是模板从图像的左上角开始对模板与图像的重合部分进行计算，得到相关系数ck(i,j)，计算完毕之后在模板此行向右移动一个像素再进行计算。当到达最右边之后向下移动一个像素进入第二行，继续从左移到最右，直至每个位置都进行一遍相关计算。当第k个模板在第t时刻的图像上完成所有的相关计算之后会得到一个关于相关系数的集合ck，集合ck中的最大值所代表的含义就是第k个目标的模板与图像上的某个子集达到了最佳匹配，目标位置确定。此时定位的目标图像子集的中心坐标记为(x
tk
,y
tk
)。
[0030]
由于上述相关系数ck(i,j)对于模板和图像的几何大小及像素灰度值变化较为敏感，这对于同一个模板在同一个图像中进行匹配时没有影响。但是当模板和图像变化之后，其几何大小和灰度值随之变化，所以需要建立统一的标准评价体系，使得所有的匹配被划定在-1到1的范围内，匹配效果可以以统一之后的相关系数的大小值来比较。这样无论图像和模板的尺寸大小、像素范围如何变化，所有的匹配都会用同一个标准来评价，同一个目标在时间序列中不同时刻(即不同帧上)的匹配精度、不同目标在同一时刻(即同一帧上)的匹配精度都能进行衡量，这个衡量指标就是归一化相关系数。
[0031]
由于工程结构的监测目标点在一定工作范围内不会“游离出”某个区域(图像中的某个子集)，w
t
(x,y)，而这个区域也就是感兴趣区域(roi)，通过框定roi，使得搜索和匹配任务只在roi小范围而不是在整张图像中进行，减少不必要的无关匹配过程，既能节省计算机占用的内存，又能减少匹配时间。这里归一化相关系数修正为：
[0032][0033]
式中，为模板fk(x,y)中所有像素点上的灰度值均值，为图像子集即感兴趣区域roi内所有像素点上灰度值的均值。
[0034]
当模板匹配完成之后，目标在t时刻图像上的位置坐标已经确定，但是要得到目标的位移则需要将目标位置在图像坐标中的变化转换为在实际空间尺度坐标中的变化。这里假定相机拍摄方向与目标的二维运动平面是垂直的，此时图像上相距h个像素的两点在实际空间中的距离为h，则定义图像-空间尺度转换比例系数为：
[0035][0036]
在获得了第k个目标的模板中心初始坐标与t时刻图像上目标最佳匹配时的图像子集中心坐标(x
tk
,y
tk
)之后，第k个目标在t时刻的水平位移xk(t)和竖向位移为yk(t)分别为：
[0037][0038]
根据此原理，由车辆移动过程中桥梁跨中截面的挠度时程提取桥梁实测挠度影响线。
[0039]
进一步的，基于车辆驶离桥梁后桥梁跨中截面测点的自由振动挠度时程数据，采用结构模态参数识别方法计算识别桥梁的前2-3阶自振频率，结构模态参数识别方法包括随机子空间识别法或最小二乘复频域法或频域分解方法或峰值提取法。
[0040]
本发明的有益效果是：对于桥梁承载力的验算，本发明利用有限元模型修正结果进行桥梁承载能力验算，实质上是验算法和基于有限元模型修正方法的结合，这种方法的计算参数均根据桥梁现场实测数据修正而来，其准确度较高，具有较好的可行性和较高的可靠性。对于桥梁荷载试验，本发明利用校验系数，可以快速高效地评估桥梁承载力，降低了传统荷载试验造成的经济损失。本发明采用机器视觉的动态挠度测量方法来获得实测挠度参数和自振频率参数，该方法具有非接触、低成本、高精度的优点，该方法能够获取桥梁结构的二维和三维位移值，弥补静载数据量小、动载试验结果不精确的缺陷，且采集过程所需时间少，能够避免传统动静载试验需要大量人力物力、影响交通的缺陷，且该方法不需要在桥梁上安装传感器，除去了传感器本身的测量误差，以及传感器与桥面接触碰撞产生的误差，视频录制设备本身不易受噪音、风等周围环境影响，使得检测结果能够准确反映桥梁的实际工作状态。本发明的桥梁承载能力快速评估方法，不需要中断交通进行静载试验，只需利用社会车辆行驶间隙的短暂几分钟，避免了静载试验费时费力的大量传感器安装工序和传统挠度测量时桥下支架搭设工序，实测挠度影响线和频率时只需利用桥面暂时无车的几分钟时间，节省了桥梁荷载试验的时间成本。本发明方法试验过程简单快捷，能够显著提
高桥梁检测的效率，在公路和城市桥梁检测中具有重大工程应用价值。
附图说明
[0041]
图1是图像相关运算与模板匹配图；
[0042]
图2是本发明具体实施方式中的桥梁有限元模型示意图；
[0043]
图3是本发明具体实施方式中的优化后跨中测点的挠度影响线对比图；
[0044]
图4是本发明具体实施方式中桥梁静载试验中的理论挠度值图；
[0045]
图5是本发明具体实施方式中桥梁静载试验的实测挠度值图。
具体实施方式
[0046]
下面通过非限定性的实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：
[0047]
下面通过一座3跨连续箱梁桥对本发明进行详细说明。该桥梁为一座预应力混凝土连续箱梁桥，桥梁全长90米，上部结构为3
×
30m的c50预应力混凝土单箱单室箱梁，梁髙1.8m，桥面总宽8.0m，0.5m(防护撞栏) 7.0m(车行道) 0.5m(防护撞栏)，支座采用盆式橡胶支座，铺装层采用80mmc40混凝土 桥面防水层 50mm中粒式沥青混凝土 40mm沥青马蹄脂碎石混合料，护栏采用c25混凝土，伸缩缝采用120型梳齿板伸缩缝，桥梁设计汽车荷载等级为城-a级。
[0048]
桥梁承载能力评估步骤如下：
[0049]
(1)建立桥梁有限元初始模型，如图2所示，在一辆36吨的加载车作用下计算得到跨中截面的理论挠度影响线和桥梁理论频率。
[0050]
(2)采用一辆36吨的加载车驶过桥梁，在每跨跨中截面选择挠度测点，应用高分辨率相机测量识别车辆在桥面行驶过程中桥梁跨中截面的挠度时程曲线；同时应用高帧率相机测量识别车辆驶离桥梁后桥梁跨中截面的自由振动挠度时程曲线。试验中，视频录制相机的帧率为60帧/秒，视觉系统的采样频率为60hz，将视频导入计算机，按帧数截成多幅图片，将彩色图片转为灰度图像，运用多项式拟合其亚像素边缘，得到各时刻主梁边缘各点位置。选择灰度模板匹配算法方法进行结构挠度计算，对车辆在桥上行驶时间段的时程数据离散后提取桥梁不同测点的实测挠度影响线数据，采用随机子空间法进行桥梁自振频率计算，对车辆驶离桥梁时间段的时程数据识别得到桥梁的前2-3阶实测自振频率。采用单反数码相机获得跨中截面测点的运动轨迹，相机型号为尼康d3400，由株式会社尼康厂家生产。
[0051]
(3)利用有限元软件对主要设计参数进行敏感性分析，确定对挠度和频率影响较大的敏感设计参数，如：混凝土弹性模量、桥梁截面惯性矩，作为模型修正时的设计变量，结合实测挠度影响线和桥梁自振频率进行模型优化设计，优化分析后得到能够代表桥梁实际工作状态的基准有限元模型，设计变量优化后数值如表1所示。然后计算绘制在一辆36吨加载车作用下桥梁基准有限元模型的挠度影响线，此时优化后的桥梁影响线非常接近实测影响线。桥梁第二跨跨中截面测点的理论挠度影响线、实测挠度影响线、优化后挠度影响线如图3所示。
[0052]
表1设计变量优化前后数值
[0053][0054]
根据步骤(1)、(2)、(3)，计算得到跨中截面最大挠度值、桥梁前2阶频率，如表2：
[0055]
表2模型修正前后挠度值与频率值对比
[0056][0057]
(4)进行桥梁静载试验方案设计，选择第二跨中间跨的跨中截面作为控制截面，以最不利弯矩控制，计算加载效率为1.009，符合规范中加载效率在0.95至1.05之间的要求，计算静载试验工况下初始有限元模型中间跨跨中测点最大挠度值，如图4所示。
[0058]
(5)利用步骤(3)中所得到的优化参数对桥梁初始有限元模型进行修正，修改桥梁的截面惯性矩、混凝土弹性模量等设计参数，计算静载试验工况下基准有限元模型中间跨跨中测点的最大挠度值，即为实测挠度，如图5所示。
[0059]
(6)根据步骤(4)、(5)计算的se为6.99mm，ss为6.25mm，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》中结构校验系数计算方法计算挠度校验系数，根据计算公式计算得到实际桥梁的挠度校验系数为1.1，说明桥梁的实际工作状况比原设计理论状况差，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》判定该桥的承载能力不满足设计要求。
[0060]
本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。