車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種車載橋面形態(tài)-結構安全監(jiān)測方法及系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)包括3D相機、若干激光儀、用于安裝3D相機和激光儀的檢測架以及橋面信號處理裝置，通過監(jiān)測橋面曲面變化來判斷橋梁安全的結構性危害，并且可以同時測出橋面的橫斷面信息和縱斷面信息，從而構成數(shù)字化的橋面空間曲面，提高橋梁安全監(jiān)測的準確性。
【專利說明】 車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及土木工程領域，尤其涉及一種車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)及方法。

【背景技術】
[0002]橋梁是道路交通的重要組成部分，我國擁有的道路橋梁更是多達數(shù)百萬，由于技術、經(jīng)濟等各方面原因，很多橋梁由于長期的超負荷運行，已經(jīng)進入老年期，但鑒于目前我國的經(jīng)濟條件和社會需要，這些進入老年期的橋梁在今后很長時期還要繼續(xù)運行，如果不及時發(fā)現(xiàn)并消除這些橋梁中的安全隱患，勢必會造成重大的安全事故。
[0003]在現(xiàn)有技術中，橋梁檢查分為傳統(tǒng)的病害檢測方法、常規(guī)橋檢車檢測以及遠程健康監(jiān)測系統(tǒng)等，但它們在實際應用中都存在各自的局限性。
[0004]目前，國內(nèi)多數(shù)地區(qū)、多數(shù)橋梁仍依靠望遠鏡、支架等輔助儀器、設施來進行橋梁的日常檢查，這種傳統(tǒng)的橋梁檢測方法存在手段落后、機動性差、成本高、耗時長、交通影響大、安全度較小、檢測范圍小等一系列的問題。而利用常規(guī)橋梁檢測車進行檢測其局限性主要有車體龐大笨重，費用高、效率低、存在人員安全隱患，明顯影響正常交通的問題。遠程健康監(jiān)測是在橋梁結構關鍵部位安裝傳感器或視頻監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)點是可望及時發(fā)現(xiàn)病害，缺陷是一次性投入大，且維護成本高，觀測點有限，很難實用于量大面廣的眾多橋梁。
[0005]激光路面檢測車用于進行道路路面檢測，技術相對較為成熟。這種檢測車利用激光測距的原理，對每一個道路橫斷面進行掃描，從而計算得到路面平整度等信息。這種測量方法在橫斷面上能夠保持較高的精度，而在道路的縱斷面方向上，依靠車載的慣性參照系統(tǒng)進行車輛顛簸信息的校正，精度較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供一種車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)，通過橋面表觀及橋面空間曲面變化的監(jiān)測來判別當前橋梁結構的安全性，以克服現(xiàn)有橋梁檢測技術的不足。
[0007]本發(fā)明提供的車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)，包括檢測車和檢測裝置，所述檢測裝置至少包括:所述檢測裝置至少包括:檢測架和橋面信號處理裝置以及安裝在檢測架上的3D相機、激光儀；所述激光儀向橋面發(fā)射激光束,所述3D相機對激光束進行掃描并采集橋面數(shù)據(jù)，并將采集到的橋面數(shù)據(jù)傳到橋面信號處理裝置。所述激光儀向橋面方向發(fā)射激光束，所述3D相機安裝于檢測架后端，3D相機對激光束進行掃描并采集橋面數(shù)據(jù)，并將采集到的橋面數(shù)據(jù)傳到橋面信號處理裝置。
[0008]進一步，所述的車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述激光儀的數(shù)量至少為四個。
[0009]進一步，所述的車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)，檢測架安裝在檢測車尾部，車廂內(nèi)部設有滑軌，檢測架安裝在滑軌上，通過滑動收納于檢測車車廂內(nèi)部
[0010]進一步，一種利用車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)對橋面進行安全檢測的方法，包括如下步驟:
[0011]S1.控制安裝在檢測車尾部檢測架的四個激光儀分別向橋面方向發(fā)射激光束并形成第一檢測區(qū)域，同時控制3D相機對檢測區(qū)域進行拍照掃描并采集橋面信號數(shù)據(jù)；
[0012]S2.控制檢測車運行至第二個數(shù)據(jù)采集點，重復步驟SI ；
[0013]S3.重復步驟S2，直至獲取全橋橋面的信號數(shù)據(jù)，并傳輸至信號處理裝置。
[0014]進一步，所述步驟S2包括:控制檢測車運行至第二個數(shù)據(jù)采集點，使射向橋面的激光束的前三條與在第一個數(shù)據(jù)采集點發(fā)射的激光束的后三條重合，形成第二檢測區(qū)域，3D相機對第二檢測區(qū)域進行掃描并采集信號數(shù)據(jù)。
[0015]進一步，通過3D相機掃描數(shù)據(jù)，將激光束形成的監(jiān)測區(qū)域按檢測順序進行拼疊，獲得整橋橋面曲面數(shù)據(jù)。
[0016]進一步，3D相機通過三角測量原理對拍攝掃描數(shù)據(jù)進行處理，獲取橋梁橫斷面到激光儀的距離數(shù)據(jù)。
[0017]進一步，將整橋橋面曲面數(shù)據(jù)進行消噪處理，獲取橋面結構的曲面的起伏曲線。
[0018]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供車載橋面形態(tài)-結構安全檢測方法及系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有橋梁檢測技術的不足，通過橋面表觀及橋面空間曲面變化的監(jiān)測來判別當前橋梁結構的安全性。并且可以同時測出橋面的橫斷面信息和縱斷面信息，從而構成數(shù)字化的橋面空間曲面，本方法和系統(tǒng)可以讓檢測者快速、安全的檢測橋梁的全面的安全狀況，降低了對橋梁管理人員的技術要求，消除橋梁管理人員由人工觀察而產(chǎn)生的個體觀察誤差，對公共交通的影響小，提高了日常檢測精度，可實現(xiàn)大量銷量的安全評估及預警，為橋梁安全運行提供了有力的保障。同時，還降低了橋梁運行的人力成本和物力成本，提高了社會效益和經(jīng)濟效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述:
[0020]圖1是本發(fā)明的橋面空間曲面檢測原理圖。
[0021]圖2是本發(fā)明的3D相機與激光儀的結構示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明的激光儀縱橋向偏移圖。
[0023]圖4是本發(fā)明的激光儀橫橋向偏移圖。
[0024]圖5是本發(fā)明的激光平面偏轉圖。
[0025]圖6是本發(fā)明的橋梁縱向曲面變化示意圖。

【具體實施方式】
[0026]車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)，包括檢測車和檢測裝置，檢測裝置至少包括:3D相機2、若干激光儀、用于安裝3D相機2和激光儀I的檢測架以及橋面3信號處理裝置。其中檢測車可以為一般車輛，或者專用車輛。檢測架至少包括一根橫梁，所述橫梁安裝于檢測車尾部，形成懸臂梁結構，為方便使用，車廂內(nèi)部可以安裝一個滑軌，檢測架安裝在滑軌上，可以通過滑動將檢測架收納與檢測車內(nèi)部(其中滑軌與檢測架之間的連接結構為現(xiàn)有技術，因此附圖中沒有對滑軌及檢測架的結構進行表述)，也可以通過折疊、伸縮等方式來實現(xiàn)，這樣可以在橋面3檢測工作完成時，將檢測架收納至檢測車內(nèi)部，避免由于檢測車車體過長而影響交通，也避免了檢測裝置遭受不必要的損耗，同時也有助于檢測裝置的維護與保養(yǎng)。信號處理裝置可以為微型計算機或者由其他具有處理功能的元器件如單片機集成電路等，均可以實現(xiàn)本發(fā)明目的。
[0027]車載橋面形態(tài)-結構安全檢測原理如圖1所示，安裝在監(jiān)測車底部尾端的激光儀I器向橋面3發(fā)射激光束，并在橋面3形成檢測區(qū)域，3D相機2對檢測區(qū)域進行拍照掃描，獲取橋面3橫斷面高差數(shù)據(jù)等，并將數(shù)據(jù)傳至信號處理裝置，為了保證測量的準確，也考慮到成本等其他因素，安裝的激光儀I至少為4個，如圖1所示，本實施例中采用4個激光儀I進行檢測，激光儀I等距安裝在檢測架上。激光儀I發(fā)出的激光束投射到橋面3上形成一條橫向的線(車輛沿橋面的通行方向為縱向，橋面寬度方向為橫向)，3D相機2對其進行拍照。依靠基于3D相機2三角測量原理的處理程序?qū)D片進行處理，求得橋梁橋面曲面起伏數(shù)據(jù)，本實施例中3D相機采用CCD相機，如圖2所示，三角測量原理是激光線從一側以一設定角度投射到被測對象表面，CCD相機從另一側以一設定角度采集被測對象表面圖像，在CCD相機的傳感器上激光線顯示為被測對象的一個斷面。如果對象表面有起伏，激光線也相應的因被測對象表面的起伏而形成曲線，從圖像中提取出沿橫向(寬度方向)的曲線，得到在圖像上曲線的行列信息，列為在圖像上的高度，即被測對象起伏的高度。在測量前對相機進行像素的標定，形成像素級標定表，利用標定表換算像素到物坐標，即可計算出曲線對應物的實際坐標，從而獲得被測橋面的3D斷面起伏數(shù)據(jù)。
[0028]在本實施例中，考慮到橋面3的不平整，車輛在橋面3上行駛時必然會出現(xiàn)起伏顛簸，固定3D相機2的架會出現(xiàn)不同程度上的震動，所以實際中3D相機2測得的數(shù)據(jù)并不是連續(xù)的，必須進行后期處理才具有可用性。
[0029]在本實施例中，為了獲得連續(xù)的橋面3采集數(shù)據(jù)，對車載平臺的構造進行了特殊處理，如圖1所示。在車尾處的檢測架上安裝了 4個激光儀1，激光儀I向橋面3上打上四條激光束，同時3D相機2分別對其掃描采集數(shù)據(jù)，即每一個參考點可以獲得四組數(shù)據(jù)。在該數(shù)據(jù)采集點采集數(shù)據(jù)完畢后，車輛行駛到下一個數(shù)據(jù)采集點，同樣由激光儀I打出四條激光束，并且這四條激光束的前三條與上一數(shù)據(jù)采集點的后三條線重合，然后由3D相機2進行數(shù)據(jù)采集。因此在相鄰兩個數(shù)據(jù)采集點采集的數(shù)據(jù)中就各有三組數(shù)據(jù)來自于同一位置。使這三個位置上兩次采集的數(shù)據(jù)能夠完全重合即可把前后兩個數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)連起來，重復此過程就能獲得全橋橋面3的數(shù)據(jù)。
[0030]在實際的檢測過程中，由于各種因素的影響，采集的數(shù)據(jù)在上述三個重合位置上并不是相同的，會出現(xiàn)不同形式偏差，如圖3、4、5所示的水平位置上的縱橋向偏移、橫橋向偏移和平面偏轉，以及在垂直方向上的高差。因此需要對偏差的數(shù)據(jù)進行處理，使其能夠連續(xù)。
[0031]在本實施例中，采用相對于上一次采集的數(shù)據(jù)，對下一次采集的數(shù)據(jù)進行處理，這種處理需根據(jù)兩次數(shù)據(jù)的偏差形式而定，利用最小二乘原理保證在中間三個位置上的數(shù)據(jù)的偏差控制在可接受的范圍內(nèi)，以使前后兩次采集的數(shù)據(jù)能夠拼接起來，最終能夠獲得足夠真實的橋面3采集數(shù)據(jù)。即將所有采集到的激光橫斷面數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系統(tǒng)下，完成所有數(shù)據(jù)的參考系統(tǒng)一。最小二乘法(又稱最小平方法)是一種數(shù)學優(yōu)化技術。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。
[0032]在得到完整全橋橋面3空間曲面數(shù)據(jù)后，整個路面沿橋梁縱向的橋面3曲面變化如圖6所示，由于橋面3鋪裝局部的不平整性可能引起橋面3曲面實測數(shù)據(jù)的非平穩(wěn)震蕩，對橋面3曲面實測數(shù)據(jù)進行消噪處理后得到的擬合曲線可視為橋面3結構的縱向曲面曲線。通過對歷次面相監(jiān)測得到的橋面3結構空間曲面進行分析比較可以判別當前橋梁結構的安全性。
[0033]本實施例中，圖3、圖4和圖5中，細實線表示前次檢測的激光束，粗實線表示后次檢測的激光束。
[0034]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括檢測車和檢測裝置，所述檢測裝置至少包括:用于采集橋面狀態(tài)的采集單元和與采集單元連接的信號處理單元，所述采集單元包括3D相機以及激光儀，所述采集單元設置于一檢測架，所述檢測架安裝于檢測車； 所述激光儀向橋面發(fā)射激光束并在橋面形成檢測區(qū)域，且3D相機對橋面檢測區(qū)域進行掃描獲取檢測數(shù)據(jù)，并將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧?br> 2.根據(jù)權利要求1所述的車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述向橋面發(fā)射激光束的激光儀的數(shù)量至少為四個。
3.根據(jù)權利要求2所述的車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述檢測架至少包括一根橫梁，所述橫梁安裝在檢測車尾部形成懸臂梁結構。
4.一種利用權利要求1-3任一權利要求所述的車載橋面形態(tài)-結構安全檢測系統(tǒng)對橋面進行安全檢測的方法，其特征在于:所述方法包括如下步驟: 51.控制安裝在檢測車尾部檢測架的四個激光儀分別向橋面方向發(fā)射激光束并形成第一檢測區(qū)域，同時控制3D相機對檢測區(qū)域進行拍照掃描并采集橋面信號數(shù)據(jù)； 52.控制檢測車運行至第二個數(shù)據(jù)采集點，重復步驟SI； 53.重復步驟S2，直至獲取全橋橋面的信號數(shù)據(jù)，并傳輸至信號處理裝置。
5.根據(jù)權利要求4所述的對橋面進行安全檢測的方法，其特征在于:所述步驟S2包括:控制檢測車運行至第二個數(shù)據(jù)采集點，使射向橋面的激光束的前三條與在第一個數(shù)據(jù)采集點發(fā)射的激光束的后三條重合，形成第二檢測區(qū)域，3D相機對第二檢測區(qū)域進行掃描并采集信號數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權利要求5所述的對橋面進行安全檢測的方法，其特征在于:通過3D相機掃描數(shù)據(jù)，將激光束形成的監(jiān)測區(qū)域按檢測順序進行拼疊，獲得整橋橋面曲面數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權利要求6所述的對橋面進行安全檢測的方法，其特征在于:3D相機通過三角測量原理對拍攝掃描數(shù)據(jù)進行處理，獲取橋梁橫斷面到激光儀的距離數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權利要求7所述的對橋面進行安全檢測的方法，其特征在于:將整橋橋面曲面數(shù)據(jù)進行消噪處理，獲取橋面結構的曲面的起伏曲線。
【文檔編號】G01B11/16GK104197851SQ201410406393
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權日:2014年8月18日
【發(fā)明者】唐亮, 周志祥, 周勁宇, 張曉艷 申請人:重慶交通大學