周子杰

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市201108）

0 引 言

索結(jié)構(gòu)在建筑和橋梁設(shè)施中有不少應(yīng)用。索力檢測(cè)是一項(xiàng)索結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段重要的安全保障工作[1]。常規(guī)索力檢測(cè)的方法包括振動(dòng)法、壓力環(huán)法、磁通量法、雷達(dá)法等[2-3]，其中又以振動(dòng)法為主。振動(dòng)法通過(guò)測(cè)量索體的振動(dòng)頻率，基于索體索力和索體振動(dòng)頻率的理論關(guān)系得到索力[4]。有的時(shí)候，甚至不經(jīng)索力換算直接以測(cè)量得到的拉索振動(dòng)基頻作為評(píng)價(jià)索體運(yùn)營(yíng)性能的主要指標(biāo)。

振動(dòng)法測(cè)量索力需要檢測(cè)人員將加速度傳感器放置在索體上，然后測(cè)量環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)或者外界強(qiáng)迫激勵(lì)下拉索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，屬于單點(diǎn)接觸式測(cè)量。近年來(lái)，隨著基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的非接觸測(cè)量技術(shù)的興起[5]，通過(guò)影像方式遠(yuǎn)距離測(cè)量索體動(dòng)態(tài)響應(yīng)成為許多學(xué)者嘗試的新方法。

Dongming Feng等[6]利用相機(jī)拍照方式對(duì)佛羅里達(dá)一座體育場(chǎng)施工過(guò)程中的索體索力進(jìn)行了非接觸測(cè)量，并與測(cè)力計(jì)的實(shí)測(cè)結(jié)果比較，結(jié)果顯示誤差在5.6%以內(nèi)。大連理工大學(xué)Xuefeng Zhao等[7]采用每秒30幀的智能手機(jī)對(duì)試驗(yàn)室內(nèi)的一根斜拉索模型的振動(dòng)特性進(jìn)行了視頻測(cè)試分析，并與智能手機(jī)內(nèi)自帶的加速度傳感器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，測(cè)試的精度誤差小于±5%。廣州大學(xué)李昆倫等[8]采用每秒240幀的手機(jī)自帶相機(jī)對(duì)一座縮尺斜拉橋模型的拉索進(jìn)行振動(dòng)識(shí)別，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的頻率相比最大誤差2.6%。河海大學(xué)Wenkang Du等[9]采用二值化方法識(shí)別拉索上提前安裝好的靶標(biāo)，進(jìn)而分析拉索自身的振動(dòng)特性和索力，并在縮尺斜拉橋模型上進(jìn)行多目標(biāo)識(shí)別試驗(yàn)，結(jié)果表明最大誤差為3.05%。

研究利用“單根鋼絞線+夾片錨+靜載錨固裝置”的試驗(yàn)方案，簡(jiǎn)化模擬了一根索張拉受力狀態(tài)，通過(guò)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的非接觸測(cè)量技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“視覺(jué)法”）測(cè)量索體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到索體的基頻，并與傳統(tǒng)采用加速度的振動(dòng)法（以下簡(jiǎn)稱“加速度法”）的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，初步驗(yàn)證視覺(jué)法的可行性，并討論應(yīng)用于工程實(shí)際的相關(guān)問(wèn)題。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)索體采用單根由7股鋼絲聚合成的高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1 860 MPa。索體通過(guò)夾片錨固方式與靜載錨固裝置相連接，如圖1所示。加載裝置采用上海華龍測(cè)試儀器有限公司W(wǎng)JM-6500型電液伺服靜載錨固試驗(yàn)機(jī)，最大加載力為6 500 kN，加載精度為1 N。

圖1 試驗(yàn)裝置布置

試驗(yàn)過(guò)程中，鋼絞線采用分級(jí)張拉方式，按照10 kN一級(jí)的加載間隔進(jìn)行，從20 kN加載到50 kN，共4級(jí)。每級(jí)加載完成持荷，待穩(wěn)定后分別同步開(kāi)展基于視覺(jué)法和加速度法的索響應(yīng)測(cè)量。

其中，視覺(jué)法測(cè)量設(shè)備采用感光底片大小為24.9 mm×16.6 mm、像素2 610萬(wàn)的富士XT3相機(jī)和等效焦距38 mm鏡頭。加速度法測(cè)量設(shè)備采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的壓電傳感器，分辨率0.000 1 m/s2，量程10 g。

2 圖像分析算法

研究采用基于歸一化相關(guān)系數(shù)的模板匹配（template match）圖像識(shí)別算法，并通過(guò)差值實(shí)現(xiàn)亞像素識(shí)別精度。算法的主要流程如圖2所示。

圖2 亞像素模板匹配算法流程

首先以首幀為基準(zhǔn)幀，在首幀圖像中選定拉索索體振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)注范圍ROI（region of interest）。其次，逐幀分析視頻圖像中和首幀ROI相似度最高的區(qū)域，通過(guò)歸一化相關(guān)系數(shù)指標(biāo)來(lái)判定最佳匹配區(qū)域。再次，進(jìn)一步采用亞像素差值方法擬合最佳匹配區(qū)域內(nèi)的極值，作為識(shí)別位置。如此分析完各幀后，將各幀中識(shí)別位置的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)各幀的記錄時(shí)間組成索體振動(dòng)的時(shí)域分析結(jié)果。最后，通過(guò)時(shí)頻域轉(zhuǎn)化分析可得索體的振動(dòng)特性。

一般情況下，為了消除相機(jī)自身抖動(dòng)對(duì)識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生的影響，會(huì)進(jìn)行相機(jī)抖動(dòng)篩除計(jì)算。本次試驗(yàn)由于在試驗(yàn)室進(jìn)行，基本排除了相機(jī)振動(dòng)問(wèn)題，因此算法中未考慮這部分內(nèi)容。

另外，上述整個(gè)算法中，亞像素差值擬合式的選取對(duì)識(shí)別精度和計(jì)算速度有較大影響，且一般對(duì)精度和速度兩者的影響規(guī)律是相反的。為了平衡識(shí)別算法的精度和速度，本研究以某一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比了目前常用的四類(lèi)差值（最鄰近插值、雙線性插值、雙三次插值和Lanczos差值）擬合方法的信噪比（頻譜中峰值部分面積和其他部分面積比）和分析時(shí)間。分析結(jié)果如圖3所示。由對(duì)比結(jié)果可知，雙線性插值在有效提高信噪比的同時(shí)，也不顯著增加計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。因此，選取雙線性插值方法對(duì)試驗(yàn)中所有圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行亞像素計(jì)算。

圖3 不同插值算法計(jì)算時(shí)間和頻譜信噪比

3 頻率識(shí)別結(jié)果

基于上述算法，研究將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行位移計(jì)算和時(shí)頻域轉(zhuǎn)化。典型的位移識(shí)別結(jié)果如圖4所示。由于研究關(guān)注頻率，因此位移識(shí)別結(jié)果以像素為單位，未進(jìn)行長(zhǎng)度尺寸轉(zhuǎn)換。

圖4 視頻豎向位移識(shí)別結(jié)果（局部）

基于視覺(jué)法和加速度法的基頻識(shí)別結(jié)果如圖5所示。在不同的張拉力下，基于視覺(jué)法的測(cè)試結(jié)果均較好地識(shí)別出索體的振動(dòng)基頻。視覺(jué)法的頻譜峰值明顯，且與加速度法的識(shí)別結(jié)果基本一致，初步驗(yàn)證了視覺(jué)法的可行性。

圖5 不同張拉力下拉索基頻識(shí)別結(jié)果對(duì)比

當(dāng)然，對(duì)比視覺(jué)法和加速度法的頻譜圖形可知，雖然兩者的頻率峰值均非常明顯，但相較而言，視覺(jué)法頻率上有一定的毛刺（噪聲），而加速度法較為光滑。研究進(jìn)一步采用上一節(jié)中定義的頻譜信噪比分析兩種方法的信號(hào)噪聲，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)比可知，基于靈敏的加速度傳感器的加速度法測(cè)試結(jié)果噪聲極小，而基于視覺(jué)法的噪聲相對(duì)較大。相同條件下，兩者有數(shù)量級(jí)的差異。

表1 頻譜信噪比對(duì)比

這里必須指出的是，試驗(yàn)中加速度法傳感器自身的高精度（分辨率0.000 1 m/s2）和高采樣頻率（512 Hz）是其高信噪比的主要原因。對(duì)比試驗(yàn)中，視覺(jué)法的傳感器設(shè)備，其采樣頻率為60 Hz，且鏡頭畫(huà)面中拉索的占比較低，導(dǎo)致單位像素下對(duì)應(yīng)的物理位移量較大，影響了視覺(jué)法的信噪比。這為后續(xù)視覺(jué)法提高識(shí)別精度從傳感器側(cè)提出了可改進(jìn)的思路。

4 索力計(jì)算結(jié)果

得到索體基頻后，可根據(jù)索體自振頻率域索力的理論關(guān)系計(jì)算得到索力。根據(jù)上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 31/T973—2016[10]，兩端鉸支的受拉索索力T的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：m為拉索單位長(zhǎng)度的質(zhì)量；L為拉索的計(jì)算長(zhǎng)度；fn為第n階振動(dòng)頻率；n為拉索自振頻率的階數(shù)；E為拉索鋼絲彈性模量；I為拉索截面抗彎慣性矩。

本次試驗(yàn)拉索的錨固長(zhǎng)度實(shí)測(cè)為3.65 m。將試驗(yàn)得到的拉索頻率和相關(guān)參數(shù)值帶入式（1）計(jì)算得到基于振動(dòng)頻率分析結(jié)果的拉索索力測(cè)量值，并與靜載錨固試驗(yàn)機(jī)的張拉力讀數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖6 索力識(shí)別結(jié)果對(duì)比

基于視覺(jué)法的索力識(shí)別結(jié)果與實(shí)測(cè)值相比，最小誤差0.98%，最大誤差5.94%。對(duì)比傳統(tǒng)加速度法，索力識(shí)別結(jié)果的最小誤差1.24%，最大誤差6.88%。對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知，視覺(jué)法具備開(kāi)展實(shí)際結(jié)構(gòu)索力測(cè)試的能力，且測(cè)量精度基本能滿足工程實(shí)際需求。

5 結(jié)語(yǔ)

研究通過(guò)一臺(tái)靜載錨固裝置和一根鋼絲繩簡(jiǎn)化模擬了索體在結(jié)構(gòu)中張拉受力的狀態(tài)。分別采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的視覺(jué)法和基于傳統(tǒng)加速度傳感器的振動(dòng)法開(kāi)展了索體在不同張拉力下的自振頻率測(cè)量工作，對(duì)比了試驗(yàn)結(jié)果，有如下結(jié)論：

（1）研究采用基于插值法的亞像素模板匹配算法，通過(guò)對(duì)比計(jì)算效率和頻譜信噪比選擇了雙線性插值等算法作為亞像素差值方法。

（2）試驗(yàn)室測(cè)試對(duì)比結(jié)果表明，視覺(jué)法識(shí)別的拉索振動(dòng)頻譜峰值明顯，基頻和索力識(shí)別結(jié)果與實(shí)測(cè)值相比，最大誤差不超過(guò)6%，具備開(kāi)展實(shí)際結(jié)構(gòu)索力測(cè)試的能力。

為了進(jìn)一步提高視覺(jué)法的識(shí)別精度、識(shí)別范圍和有效信號(hào)強(qiáng)度，采用高分辨率底片、高光學(xué)放大率鏡頭和高采樣頻率的設(shè)備是設(shè)備側(cè)改進(jìn)的方向。