本發(fā)明涉及橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)，具體為一種裝配式橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、由于日益增長(zhǎng)的交通量與環(huán)境因素的影響，許多使用年限較長(zhǎng)，例如使用二十年以上的橋梁，會(huì)出現(xiàn)混凝土裂縫、剝落等病害，尤其裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷。即使主流的橋梁定檢可以較為全面地排查出橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的病害，并實(shí)施相應(yīng)的維修加固措施，但是檢查頻次較低，效率與經(jīng)濟(jì)性較差，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的識(shí)別滯后性較大。

2、現(xiàn)有技術(shù)中的，公開(kāi)號(hào)為cn117291072a的一種橋梁損傷識(shí)別方法，包括步驟：s1、建立目標(biāo)橋梁的初始有限元模型以進(jìn)行車(chē)橋耦合分析得到仿真撓度響應(yīng)，結(jié)合實(shí)測(cè)撓度響應(yīng)對(duì)初始有限元模型進(jìn)行優(yōu)化得到修正有限元模型；s2、采集一定時(shí)間內(nèi)目標(biāo)橋梁的交通流車(chē)輛荷載數(shù)據(jù)，數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析確定各車(chē)型車(chē)輛的物理參數(shù)信息并建立標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛物理模型，利用采樣方法進(jìn)行隨機(jī)采樣，生成隨機(jī)車(chē)流樣本序列；s3、設(shè)計(jì)目標(biāo)橋梁的不同損傷工況，根據(jù)不同的損傷工況、修正有限元模型進(jìn)行隨機(jī)車(chē)流下的車(chē)橋耦合分析，得到橋梁仿真撓度響應(yīng)數(shù)據(jù)；s4、以不同的損傷工況及對(duì)應(yīng)的橋梁仿真撓度響應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集建立損傷識(shí)別模型以對(duì)目標(biāo)橋梁進(jìn)行損傷識(shí)別，本方法能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線的橋梁損傷定位與量化。

3、但是還存在如下不足：由上述的陳述可知，現(xiàn)有技術(shù)中，主要依賴(lài)于撓度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷識(shí)別，要求大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并且在進(jìn)行車(chē)輛荷載數(shù)據(jù)采集和分析時(shí)存在較大的不確定性和復(fù)雜性；此外，該方法在實(shí)時(shí)性和精確性上存在一定的局限，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷的快速、準(zhǔn)確定位和量化。尤其是對(duì)于裝配式橋梁結(jié)構(gòu)，由于其連接點(diǎn)多、節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，傳統(tǒng)的損傷識(shí)別方法難以高效、準(zhǔn)確地識(shí)別連接點(diǎn)處的損傷情況，不能滿足快速、實(shí)時(shí)的橋梁健康監(jiān)測(cè)需求。

4、在所述背景技術(shù)部分公開(kāi)的上述信息僅用于加強(qiáng)對(duì)本公開(kāi)的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種裝配式橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法及系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種裝配式橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，具體步驟包括：

4、s1.獲取裝配段節(jié)段梁間連接點(diǎn)的圖像，并對(duì)裝配段連接點(diǎn)的圖像進(jìn)行圖像縮放，將圖像的圖像尺寸統(tǒng)一調(diào)整為224*224大小，對(duì)裝配段連接點(diǎn)的圖像進(jìn)行灰度化處理，獲得識(shí)別圖像；

5、s2.使用sobel算子計(jì)算識(shí)別圖像在水平和垂直方向上的梯度，得到梯度幅值，對(duì)梯度幅值進(jìn)行閾值邊緣檢測(cè)，獲取邊緣像素點(diǎn)和非邊緣像素點(diǎn)，連接所有的邊緣像素點(diǎn)形成邊緣圖像，對(duì)邊緣圖像進(jìn)行檢測(cè)并提取所有的輪廓線，分析提取到的所有輪廓線，篩選出連接點(diǎn)的輪廓；

6、s3.根據(jù)連接點(diǎn)的輪廓，計(jì)算輪廓的圓形度、長(zhǎng)寬比和頂點(diǎn)數(shù)，根據(jù)輪廓的圓形度、長(zhǎng)寬比和頂點(diǎn)數(shù)的數(shù)值范圍，初步識(shí)別輪廓的形狀；

7、s4.對(duì)輪廓使用最小二乘法擬合圓形，獲取輪廓的中心點(diǎn)和半徑，并根據(jù)輪廓的半徑，獲取擬合輪廓面積和擬合圓面積，根據(jù)擬合輪廓面積和擬合圓面積，獲取輪廓的圓度，計(jì)算輪廓點(diǎn)到擬合圓之間的偏差，依據(jù)輪廓點(diǎn)到擬合圓之間的偏差，獲取平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差，獲取輪廓的離散度，當(dāng)輪廓的圓度、離散度落入圓形的圓度、離散度的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，確定輪廓的形狀為圓形；

8、s5.將圓形輪廓的半徑、擬合圓面積、平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)差和初始半徑、初始擬合圓面積、初始平均偏差、初始標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成半徑變化量、擬合圓面積變化量、平均偏差變化量和標(biāo)準(zhǔn)差變化量，將半徑變化量、擬合圓面積變化量、平均偏差變化量和標(biāo)準(zhǔn)差變化量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析，生成綜合損傷指數(shù)，根據(jù)半徑變化量、面積變化量、平均偏差變化量和標(biāo)準(zhǔn)差變化量，判斷裝配段節(jié)段梁連接點(diǎn)的損傷類(lèi)型，依據(jù)綜合損傷指數(shù)所處的區(qū)間范圍，判斷裝配段節(jié)段梁間連接點(diǎn)的損傷程度。

9、進(jìn)一步地，對(duì)裝配段連接點(diǎn)的圖像進(jìn)行灰度化處理，獲得識(shí)別圖像的過(guò)程如下：

10、對(duì)連接點(diǎn)的圖像進(jìn)行灰度化處理獲得識(shí)別圖像，依據(jù)的公式如下：

11、；

12、其中，是像素在識(shí)別圖像中的灰度值，、、分別為圖像縮放后連接點(diǎn)的圖像的像素紅分量值、綠分量值和藍(lán)分量值。

13、進(jìn)一步地，使用sobel算子計(jì)算識(shí)別圖像在水平和垂直方向上的梯度，得到梯度幅值的過(guò)程如下：

14、將像素點(diǎn)的灰度值及其相鄰像素點(diǎn)的灰度值與sobel算子的水平方向梯度模板進(jìn)行乘積，并將所有乘積的結(jié)果相加，得到該像素的水平方向梯度值，將像素點(diǎn)的灰度值及其相鄰像素點(diǎn)的灰度值與sobel算子的垂直方向梯度模板進(jìn)行乘積，并將所有乘積的結(jié)果相加，得到該像素的垂直方向梯度值，計(jì)算水平方向梯度值和垂直方向梯度值所依據(jù)的公式為：

15、；

16、；

17、其中，、分別為第行、第列像素點(diǎn)的水平方向梯度值和垂直方向梯度值，為第行、第列像素點(diǎn)的灰度值；

18、生成像素點(diǎn)的梯度幅值所依據(jù)的公式為：

19、；

20、其中，為第行、第列像素點(diǎn)的梯度幅值。

21、進(jìn)一步地，對(duì)梯度幅值進(jìn)行閾值邊緣檢測(cè)，獲取邊緣像素點(diǎn)和非邊緣像素點(diǎn)的過(guò)程如下：

22、設(shè)置閾值，將梯度幅值圖中的像素點(diǎn)分類(lèi)為邊緣像素點(diǎn)和非邊緣像素點(diǎn)；

23、當(dāng)，則將該像素點(diǎn)標(biāo)記為邊緣像素點(diǎn)；

24、當(dāng)，則將該像素點(diǎn)標(biāo)記為非邊緣像素點(diǎn)。

25、進(jìn)一步地，對(duì)邊緣圖像進(jìn)行檢測(cè)并提取所有的輪廓線，分析提取到的所有輪廓線，篩選出連接點(diǎn)的輪廓的過(guò)程如下：

26、使用輪廓檢測(cè)算法從邊緣圖像中提取所有的輪廓線，輪廓檢測(cè)被看作是一種連通區(qū)域標(biāo)記的過(guò)程，根據(jù)輪廓的面積對(duì)其進(jìn)行初步篩選，輪廓的面積通過(guò)計(jì)算其包含的像素點(diǎn)數(shù)量來(lái)獲得，面積的公式如下：

27、；

28、其中，表示一個(gè)輪廓，表示輪廓中的某一個(gè)像素點(diǎn)，表示輪廓的面積，“1”實(shí)際上表示對(duì)所有屬于輪廓的像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)定一個(gè)面積閾值，篩選出面積大于該閾值的輪廓：

29、；

30、其中，為篩選后的第一輪廓集合，包含所有面積大于閾值的輪廓；

31、分析輪廓的形狀特征，即長(zhǎng)寬比、圓形度，以確定它們是否包含連接點(diǎn)，輪廓的外接矩形用來(lái)計(jì)算長(zhǎng)寬比，外接矩形的長(zhǎng)寬比公式如下：

32、；

33、其中，為輪廓的長(zhǎng)寬比，和分別表示輪廓的外接矩形的寬度和高度，設(shè)定長(zhǎng)寬比的最小值和最大值，篩選出滿足條件的輪廓：

34、；

35、其中，為篩選后的第二輪廓集合，包含所有長(zhǎng)寬比在設(shè)定范圍內(nèi)的輪廓；

36、對(duì)于每一個(gè)輪廓，檢查其與其它輪廓的距離，如果兩個(gè)輪廓點(diǎn)之間的最小距離小于閾值，則認(rèn)為它們包含連接點(diǎn)；

37、輪廓之間的最小距離用公式表示為：

38、；

39、其中，、為第二輪廓集合中兩個(gè)不同的輪廓，表示輪廓中的某一個(gè)像素點(diǎn)，表示輪廓中的某一個(gè)像素點(diǎn)，為指輪廓中的某一個(gè)具體像素點(diǎn)的索引，為指輪廓中的某一個(gè)具體像素點(diǎn)的索引；

40、篩選出滿足條件的輪廓對(duì)：

41、；

42、其中，為包含連接點(diǎn)的輪廓對(duì)集合，為最小距離閾值。

43、進(jìn)一步地，根據(jù)連接點(diǎn)的輪廓，計(jì)算輪廓的圓形度、長(zhǎng)寬比和頂點(diǎn)數(shù)，根據(jù)輪廓的圓形度、長(zhǎng)寬比和頂點(diǎn)數(shù)的數(shù)值范圍，初步識(shí)別輪廓的形狀，具體的步驟如下：

44、圓形度的公式如下：

45、；

46、其中，、、分別為輪廓對(duì)集合中輪廓的圓形度、面積、周長(zhǎng)；

47、；

48、其中，為輪廓的頂點(diǎn)數(shù)，表示對(duì)輪廓進(jìn)行多邊形逼近，并返回逼近后的多邊形頂點(diǎn)數(shù)，為誤差參數(shù)，表示逼近的精度，值越小，逼近的精度越高，頂點(diǎn)數(shù)越多；值越大，逼近的精度越低，頂點(diǎn)數(shù)越少；

49、當(dāng)、，則輪廓的形狀為圓形；

50、當(dāng)、，則輪廓的形狀為正方形；

51、當(dāng)、、，則輪廓的形狀為矩形；

52、當(dāng)、或、，則輪廓的形狀為三角形。

53、進(jìn)一步地，對(duì)輪廓使用最小二乘法擬合圓形，獲取輪廓的中心點(diǎn)和半徑，并根據(jù)輪廓的半徑，獲取輪廓面積和擬合圓面積，根據(jù)輪廓面積和擬合圓面積，獲取輪廓的圓度的過(guò)程如下：

54、最小二乘法擬合圓形的目標(biāo)是找到一個(gè)圓，使得其與所有輪廓點(diǎn)的距離平方和最小，圓的方程為：

55、；

56、其中，(a,b)是圓心坐標(biāo)，r是半徑；

57、將圓的方程轉(zhuǎn)換為線性形式，以便使用最小二乘法：

58、；

59、設(shè)，則有：

60、；

61、令、、，則方程變?yōu)椋?/p>

62、；

63、對(duì)于每個(gè)輪廓點(diǎn)，則有：

64、；

65、其中，為輪廓點(diǎn)的索引；

66、將所有點(diǎn)的方程表示為矩陣形式：

67、；

68、其中，為輪廓點(diǎn)的數(shù)量；

69、記為：

70、；

71、其中：

72、，，；

73、最小二乘解通過(guò)求解以下方程獲得：

74、；

75、；

76、其中，為轉(zhuǎn)置；

77、得到后，計(jì)算出圓心和半徑：

78、，，；

79、擬合輪廓的面積通過(guò)輪廓點(diǎn)的多邊形面積公式計(jì)算：

80、；

81、擬合圓的面積根據(jù)半徑計(jì)算：

82、；

83、輪廓的圓度是衡量其與擬合圓形狀接近程度的指標(biāo)，獲取輪廓的圓度的公式如下：

84、。

85、進(jìn)一步地，計(jì)算輪廓點(diǎn)到擬合圓之間的偏差，獲取平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差，獲取輪廓的離散度的過(guò)程如下：

86、已知擬合圓的方程為：

87、；

88、對(duì)于每個(gè)輪廓點(diǎn)，計(jì)算其到圓心的歐幾里得距離：

89、；

90、計(jì)算每個(gè)輪廓點(diǎn)到擬合圓的距離與半徑之間的偏差：

91、；

92、計(jì)算所有偏差的平均值以得到平均偏差：

93、；

94、計(jì)算所有偏差的標(biāo)準(zhǔn)差：

95、；

96、計(jì)算輪廓的離散度：

97、；

98、其中，為權(quán)重因子；

99、當(dāng)輪廓的圓度、離散度落入圓形的圓度、離散度的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，確定輪廓的形狀為圓形的具體過(guò)程如下：

100、當(dāng)輪廓的圓度在、離散度時(shí)，認(rèn)為輪廓為圓形。

101、進(jìn)一步地，將圓形輪廓的半徑、面積、平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)差和初始半徑、初始擬合圓面積、初始平均偏差、初始標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成半徑變化量、擬合圓面積變化量、平均偏差變化量和標(biāo)準(zhǔn)差變化量，將半徑變化量、擬合圓面積變化量、平均偏差變化量和標(biāo)準(zhǔn)差變化量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析，生成綜合損傷指數(shù)，依據(jù)的公式如下：

102、半徑變化量：

103、；

104、擬合圓面積變化量：

105、；

106、平均偏差變化量：

107、；

108、標(biāo)準(zhǔn)差變化量：

109、；

110、、、、分別為初始半徑、初始擬合圓面積、初始平均偏差、初始標(biāo)準(zhǔn)差；

111、；

112、其中，為綜合損傷指數(shù)，為半徑變化量的權(quán)重系數(shù)，為面積變化量的權(quán)重系數(shù)，為平均偏差變化量的權(quán)重系數(shù)，為標(biāo)準(zhǔn)差變化量的權(quán)重系數(shù)，，；

113、根據(jù)半徑變化量、擬合圓面積變化量、平均偏差變化量和標(biāo)準(zhǔn)差變化量，判斷裝配段連接點(diǎn)的損傷類(lèi)型，依據(jù)綜合損傷指數(shù)所處的區(qū)間范圍，判斷裝配段連接點(diǎn)的損傷程度，具體的過(guò)程如下：

114、當(dāng)半徑變化量不為0，說(shuō)明裝配段連接點(diǎn)出現(xiàn)了應(yīng)力或疲勞導(dǎo)致的整體變形；

115、當(dāng)擬合圓面積變化量不為0，說(shuō)明裝配段連接點(diǎn)出現(xiàn)了材料膨脹、收縮或局部斷裂導(dǎo)致的整體變形；

116、當(dāng)平均偏差變化量不為0，說(shuō)明裝配段連接點(diǎn)出現(xiàn)了制造缺陷或裝配誤差導(dǎo)致的整體變形；

117、當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差變化量不為0，說(shuō)明裝配段連接點(diǎn)出現(xiàn)了材料不均勻性或局部損傷導(dǎo)致的整體變形；

118、根據(jù)綜合損傷指數(shù)，定義損傷程度區(qū)間：

119、當(dāng)，則說(shuō)明裝配段連接點(diǎn)出現(xiàn)了輕微損傷；

120、當(dāng)，則說(shuō)明裝配段連接點(diǎn)出現(xiàn)了中等損傷；

121、當(dāng)，則說(shuō)明裝配段連接點(diǎn)出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)p傷。

122、一種裝配式橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于執(zhí)行上述任一所述的裝配式橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，包括：

123、圖像處理模塊，用于獲取裝配段連接點(diǎn)的圖像，并對(duì)裝配段連接點(diǎn)的圖像進(jìn)行圖像縮放，將圖像的圖像尺寸統(tǒng)一調(diào)整為224*224大小，對(duì)裝配段連接點(diǎn)的圖像進(jìn)行灰度化處理，獲得識(shí)別圖像；

124、輪廓提取模塊，用于使用sobel算子計(jì)算識(shí)別圖像在水平和垂直方向上的梯度，得到梯度幅值，對(duì)梯度幅值進(jìn)行閾值邊緣檢測(cè)，獲取邊緣像素點(diǎn)和非邊緣像素點(diǎn)，連接所有的邊緣像素點(diǎn)形成邊緣圖像，對(duì)邊緣圖像進(jìn)行檢測(cè)并提取所有的輪廓線，分析提取到的所有輪廓線，篩選出連接點(diǎn)的輪廓；

125、識(shí)別模塊，用于根據(jù)連接點(diǎn)的輪廓，計(jì)算輪廓的圓形度、長(zhǎng)寬比和頂點(diǎn)數(shù)，根據(jù)輪廓的圓形度、長(zhǎng)寬比和頂點(diǎn)數(shù)的數(shù)值范圍，初步識(shí)別輪廓的形狀；

126、數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)輪廓使用最小二乘法擬合圓形，獲取輪廓的中心點(diǎn)和半徑，并根據(jù)輪廓的半徑，獲取擬合輪廓面積和擬合圓面積，根據(jù)擬合輪廓面積和擬合圓面積，獲取輪廓的圓度，計(jì)算輪廓點(diǎn)到擬合圓之間的偏差，依據(jù)輪廓點(diǎn)到擬合圓之間的偏差，獲取平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差，獲取輪廓的離散度，當(dāng)輪廓的圓度、離散度落入圓形的圓度、離散度的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，確定輪廓的形狀為圓形；

127、判斷模塊，用于將圓形輪廓的半徑、擬合圓面積、平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)差和初始半徑、初始擬合圓面積、初始平均偏差、初始標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成半徑變化量、擬合圓面積變化量、平均偏差變化量和標(biāo)準(zhǔn)差變化量，將半徑變化量、擬合圓面積變化量、平均偏差變化量和標(biāo)準(zhǔn)差變化量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析，生成綜合損傷指數(shù)，根據(jù)半徑變化量、面積變化量、平均偏差變化量和標(biāo)準(zhǔn)差變化量，判斷裝配段連接點(diǎn)的損傷類(lèi)型，依據(jù)綜合損傷指數(shù)所處的區(qū)間范圍，判斷裝配段連接點(diǎn)的損傷程度。

128、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

129、本發(fā)明通過(guò)對(duì)連接點(diǎn)的圖像進(jìn)行處理和分析，利用圖像縮放、灰度化、邊緣檢測(cè)及輪廓提取等步驟，精確識(shí)別連接點(diǎn)的形狀，再通過(guò)計(jì)算圓形度、離散度以及半徑、面積等參數(shù)的變化量，能夠準(zhǔn)確地判斷連接點(diǎn)的損傷類(lèi)型和程度，生成綜合損傷指數(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配式橋梁結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中依賴(lài)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)性差及難以準(zhǔn)確識(shí)別裝配段連接點(diǎn)損傷的問(wèn)題，顯著提高損傷識(shí)別的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，可以有效地識(shí)別和量化裝配式橋梁結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)的損傷，尤其適用于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的快速檢測(cè)和分析，提高了橋梁健康監(jiān)測(cè)的效率和精度。