周志祥,周豐力,楚 璽

(1.深圳大學 土木與交通工程學院,廣東 深圳 518060; 2.重慶交通大學 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室,重慶 400074)

0 引 言

結(jié)構(gòu)健康檢(監(jiān))測是避免土木工程結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌的重大安全事故的有效措施之一。工程人員采用檢(監(jiān))測獲得的各項參數(shù)來評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)有損傷程度,確定結(jié)構(gòu)在役性能,判定材料退化狀態(tài),最終評估結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。結(jié)構(gòu)健康檢(監(jiān))測的評定結(jié)果對結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證、損傷識別、施工安全、維護效率等至關(guān)重要[1-3]?，F(xiàn)有橋梁安全檢(監(jiān))測方法可分為以下3大類:

1)定期檢查,即借助專用橋檢車對橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位做近距離人工檢查,其優(yōu)點是可信度高,缺點是費用高,對橋上交通存在不利影響,檢測頻率低。

2)經(jīng)常性安全檢查,通常以人工目視檢查為主,要求每月不少于1次,其優(yōu)點是檢查頻次高、費用低,缺點是缺乏客觀量化數(shù)據(jù),結(jié)論依賴巡檢人員主觀判斷,實效欠佳(發(fā)生坍塌事故橋梁中,既往經(jīng)常性安全檢查記錄為一、二類橋梁的案例常見)。

3)長期健康監(jiān)測,通過在橋梁上安裝的系列傳感器獲得橋梁的作用輸入和結(jié)構(gòu)響應輸出數(shù)據(jù),據(jù)此進行橋梁健康狀況實時監(jiān)測,其優(yōu)點是可長期實施,在原數(shù)據(jù)可靠條件下結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測結(jié)論可信,但也存在3方面問題:①長期健康監(jiān)測系統(tǒng)費用高,難以推廣應用;②傳感器的有效壽命約5～10 a,遠小于橋梁使用壽命,導致監(jiān)測系統(tǒng)長期維護難、費用高;③傳感器自身不可避免存在數(shù)據(jù)漂移問題,且是安裝在長期承受沖擊、振動、疲勞和環(huán)境變化的橋梁上采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性難以保證[4-5]。

迄今,醫(yī)學界已研發(fā)出一系列高精尖儀器進行人體健康狀況檢測,不過,檢測結(jié)果只是體檢當日被檢測者的健康狀況,不能說明體檢日以外其余時間的健康狀況。而國粹中醫(yī)僅通過望、聞、問、切即可診斷人體健康狀態(tài),籍此人們可實時了解自身健康狀況。

受中醫(yī)面相學的啟迪,筆者提出了兼顧更加實效、經(jīng)濟、便捷、可信的橋梁安全狀態(tài)檢(監(jiān))測新理念——橋梁面相學,即依據(jù)橋梁外觀形態(tài)變化來獲知結(jié)構(gòu)近期安全狀態(tài)的科學。首先,借助機器視覺實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的“望”,以數(shù)字圖像的方式全息記錄橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化狀況;然后,結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)先驗知識,進行力學計算、AI分析;最終,實現(xiàn)對橋梁安全狀態(tài)的監(jiān)測。

1 橋梁面相學的理論基礎(chǔ)

混凝土立方體試件外部受壓過程與內(nèi)部損傷發(fā)展的關(guān)系如圖1:從開始加載直至試件破壞的過程中,混凝土試件外觀形態(tài)隨著加載的不同階段發(fā)生不同速率的豎向壓縮和橫向膨脹變形,與此同時,試件內(nèi)部經(jīng)歷無損→微裂縫產(chǎn)生→裂縫發(fā)展→裂縫貫通→試件破壞的過程,說明結(jié)構(gòu)外觀形態(tài)變化與結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián)規(guī)律。換言之,通過對大量實踐/試驗數(shù)據(jù)的研究,總結(jié)出外觀形態(tài)變化與結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)的關(guān)聯(lián)規(guī)律后,即可基于外觀形態(tài)的變化來推測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的健康狀況[6-8],此乃橋梁面相學的理論基礎(chǔ)。

圖1 混凝土外部受壓對應于內(nèi)部損傷Fig. 1 External compression of concrete corresponding to internal damage

經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學方程〔式(1)〕為橋梁面相學提供了理論依據(jù),假設(shè)作用力F不變,若結(jié)構(gòu)形態(tài)位移d發(fā)生變化,則剛度K即結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)隨之發(fā)生改變:

(1)

圖2為對兩跨連續(xù)板橋的有限元仿真分析。分析結(jié)果表明荷載作用、基礎(chǔ)沉降、支座缺失、結(jié)構(gòu)損傷均會導致橋面形態(tài)(位移云圖)發(fā)生變化[9-11]。

圖2 荷載作用和結(jié)構(gòu)損傷引起橋面形態(tài)變化Fig. 2 Changes in bridge deck morphology due to loading and structural damage

筆者團隊試驗對比了獲取橋梁結(jié)構(gòu)外觀形態(tài)及數(shù)字圖像的各種方法,包括使用激光雷達、數(shù)碼相機、無人機等裝備進行掃描、拍攝或攝影等,研究結(jié)果表明:常規(guī)情況下選用數(shù)碼相機攝影來監(jiān)測橋梁安全狀態(tài)具有經(jīng)濟(無耗使用)、方便(非接觸式)、全息(圖像內(nèi)全部信息)、可信(圖像易辨真?zhèn)?、便維(小型非接觸設(shè)備)及先進(吻合未來發(fā)展趨勢)等優(yōu)勢[12]?，F(xiàn)代科技的高速發(fā)展,數(shù)字圖像采集硬件日趨高清、高速、遠距、大視域、廉價和便捷,設(shè)想若干年后從衛(wèi)星獲得的圖像可廉價并清晰到能用來進行常規(guī)大型結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的識別,地球上的大型建筑結(jié)構(gòu)還需要專門的安全監(jiān)測嗎?

2 橋梁面相學的研究進展

10余年來,筆者團隊利用各種新型設(shè)備,采用不同方法對多種模型橋進行了檢(監(jiān))測試驗,如:用相機及激光記錄空心板橋和箱型梁加載全過程試驗〔圖3(a)、(b)〕,用自動攝影技術(shù)記錄組合梁全過程形態(tài)轉(zhuǎn)換試驗〔圖3(c)〕,基于橋梁面相學理論的懸索橋試驗〔圖3(d)〕[13-18]。

圖3 基于數(shù)字圖像的橋梁結(jié)構(gòu)承載-損傷-變形監(jiān)測試驗Fig. 3 Bridge structure load-damage-deformation monitoring test based on digital images

針對不同加載水平下的多種結(jié)構(gòu)全息形態(tài),團隊進行了數(shù)萬次的圖像采集、處理及分析對比,并在實體橋梁上開展了應用研究(圖4),使橋梁面相學從概念到方法,從試驗到認知,從識別到診斷,從理論到實踐,從設(shè)備到應用等各方面都得到了明顯的發(fā)展[19-23]。

圖4 橋梁面相學的實橋應用Fig. 4 Application of bridge physiognomy in real bridges

2.1 橋梁動靜影像全息性態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

筆者團隊采用基于定點相機平轉(zhuǎn) + 豎轉(zhuǎn)的拍攝方法分區(qū)域采集長大橋梁各部分結(jié)構(gòu)數(shù)字圖像,根據(jù)相機最大旋轉(zhuǎn)角與圖像分辨率、相鄰圖像旋轉(zhuǎn)角與圖像重疊度的關(guān)系,總結(jié)出長大橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測時空序列圖像的處理技術(shù)[24-25],探討了基于模糊集理論的結(jié)構(gòu)模糊圖像增強的實現(xiàn)途徑[26],建立了利用結(jié)構(gòu)特征點 + 自然紋理的橋梁結(jié)構(gòu)全場位移矢量構(gòu)造模型,探索了基于結(jié)構(gòu)表面全場位移矢量變化的結(jié)構(gòu)損傷位置及損傷程度的識別方法[27],構(gòu)造了成本低廉、視場非固定、視距可調(diào)節(jié)的橋梁圖像采集硬件系統(tǒng),開展了單機定軸旋轉(zhuǎn)采集橋梁結(jié)構(gòu)圖像序列試驗,提出了由定點旋轉(zhuǎn)相機采集圖像獲得橋梁總體等效正射立面圖像的理論,該理論得到了試驗驗證(圖5)。

圖5 基于400 kN加載下的全場位移矢量變化的結(jié)構(gòu)損傷識別驗證Fig. 5 Validation of structural damage identification based on full-field displacement vector variation under 400 kN loading

橋梁動靜影像全息性態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已成功應用于成都青龍場立交的吊桿拱橋安全監(jiān)測,如圖6。

圖6 橋梁動靜影像全息性態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用實例Fig. 6 Application of holographic monitoring system for dynamic and static images of bridges

監(jiān)測設(shè)備安裝在距橋梁約200 m處樓房窗臺上,實時獲取作用于橋梁上車輛的車型、車速、位置及環(huán)境溫濕度(作用輸入),從而得到橋梁結(jié)構(gòu)的動+ 靜形態(tài)(響應輸出),即為分析橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)。目前,該監(jiān)測系統(tǒng)正應用于深圳市松福大道沙井河大橋(主孔跨徑182 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋)上并進行進一步完善。

2.2 WWWQ-G橋梁安全巡檢車

針對常規(guī)橋梁的檢測,筆者團隊[28]提出采用WWWQ-G橋梁安全巡檢車來替代現(xiàn)有的橋梁人工巡檢,其中:W——望,在巡檢車上安裝激光雷達、全景相機,獲取橋面及以上結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù);W——聞,在巡檢車上安裝聲音傳感器,采集巡檢車過橋的聲音時空數(shù)據(jù);W——問,橋梁日常運營維護及大事件記錄管理數(shù)據(jù)庫;Q——切,在車軸上安裝振動傳感器,采集巡檢車過橋的振動信號時空數(shù)據(jù);G——調(diào)控荷載,對巡檢車采用空載-重載或常振-強振調(diào)控對比荷載,以期及時診斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。WWWQ-G橋梁安全巡檢車克服了人工巡檢片面、主觀且無量化數(shù)據(jù)的缺陷,顯著提高了巡檢結(jié)論的科學性和準確性。并且,一輛車即可完成轄區(qū)內(nèi)成百上千座橋梁的巡檢,可節(jié)省約80%橋梁巡檢人力成本。

具體檢測步驟如下:

Step 1安裝攝像頭、傳感器(圖7)。用WWWQ-G橋梁安全巡檢車對橋梁狀態(tài)進行全面量化的數(shù)據(jù)采集。

圖7 WWWQ-G橋梁安全巡檢車Fig. 7 WWWQ-G bridge safety inspection vehicle

Step 2基于歷次橋梁WWWQ-G巡檢數(shù)據(jù),結(jié)合AI技術(shù)進行對比分析,可相對準確地診斷橋梁結(jié)構(gòu)當前的安全狀態(tài)。

筆者團隊采用安裝了聲音和振動傳感器的模型小車對室內(nèi)模型橋梁進行結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測試驗〔圖8(a)〕,筆者在室外道路上開展試驗以進行原理驗證〔圖8(b)〕[29-32]。

圖8 WWWQ-G橋梁安全巡檢車的試驗研究Fig. 8 Experimental study of WWWQ-G bridge safety inspection vehicle

2018年5月—2019年6月,團隊使用自主研發(fā)的車載相機WWWQ-G橋梁安全巡檢車對重慶市北碚區(qū)文星灣大橋進行每月一次的安全巡檢。巡檢車以20 km/h時速在橋上行駛并連續(xù)拍攝橋面照片,經(jīng)對橋面數(shù)字圖像進行系列分析處理后,獲得橋面空間幾何形態(tài)的三維數(shù)字重構(gòu)(圖9),通過對歷次數(shù)字化橋面空間幾何形態(tài)進行疊差分析,得到了橋面形態(tài)全息時空變化數(shù)據(jù)。相較于常規(guī)人工巡檢,WWWQ-G橋梁安全巡檢車獲得的檢測結(jié)果精度更高。

圖9 WWWQ-G橋梁安全巡檢車在文星灣大橋監(jiān)測中的應用Fig. 9 Application of WWWQ-G bridge safety inspection vehicle in monitoring Wenxingwan Bridge

2.3 常規(guī)跨徑橋梁的安全監(jiān)測系統(tǒng)

針對現(xiàn)有常規(guī)跨徑橋梁安全監(jiān)測的不足,筆者團隊研發(fā)了主梁全息變形監(jiān)測系統(tǒng)[33]、墩-梁連接狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[34]、橋面偏載監(jiān)視與預警引導系統(tǒng)[35]。目前,這3種監(jiān)測系統(tǒng)正在深圳市福龍路香環(huán)立交橋和深圳市愛國路高架橋局部區(qū)段進行安裝調(diào)試和試點應用。

2.3.1 主梁全息變形監(jiān)測系統(tǒng)

針對量大面廣的常規(guī)跨徑橋梁安全監(jiān)測,團隊研發(fā)了用普通攝像頭對橋梁上多個標靶點動靜位移進行精準監(jiān)測的系統(tǒng)。圖10為在實驗室內(nèi)對距攝像頭10～35 m的懸索橋模型多個標靶點的動靜位移開展監(jiān)測試驗及所獲得的較高精度的監(jiān)測結(jié)果。圖11為采用橋墩攝像頭監(jiān)測斜對主梁輪廓線全息動靜形態(tài)變化。

圖10 基于普通攝像頭的懸索橋模型安全監(jiān)測試驗Fig. 10 Safety monitoring experiment of suspension bridge model based on ordinary camera

圖11 橋墩攝像頭監(jiān)測主梁Fig. 11 Pier camera monitoring the main beam

2.3.2 墩-梁連接狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

圖12為常規(guī)跨徑簡支梁橋墩-梁連接處位移監(jiān)測原理示意,由圖可見主梁受彎失效、橋墩偏壓變形、基礎(chǔ)超限沉降等均可在墩-梁連接部位的相對變位中得到明確的反映。

圖12 墩-梁位移監(jiān)測原理Fig. 12 Principle of pier-beam displacement monitoring

為此,筆者在墩頂上方主梁外伸翼緣安置攝像頭,從機器視覺來監(jiān)測簡支主梁與橋墩連接相對位移。同時,在實驗室內(nèi)開展了簡支T形梁橋墩-梁連接足尺模型(圖13)的多種墩-梁相對變位監(jiān)測的試驗研究。

圖13 墩-梁結(jié)合部位模型Fig. 13 Model of pier-beam joint

2.3.3 橋面偏載監(jiān)視與預警引導系統(tǒng)

為避免含寬橋面窄支承梁橋的獨柱墩橋梁在嚴重超偏載下發(fā)生無預兆的瞬間側(cè)翻事故,從源頭上杜絕橋梁上多輛重車超偏載情況的發(fā)生,筆者提出了一種寬橋面窄支承梁橋防側(cè)翻及突發(fā)障礙的監(jiān)視與預警引導系統(tǒng)。通過攝像頭獲取車輛在橋面上行駛的位置信息,智能識別侵入橋面設(shè)定偏載預警區(qū)內(nèi)的大貨車數(shù)量,當設(shè)定偏載預警區(qū)內(nèi)大貨車數(shù)量超過安全閾值時,設(shè)置在橋面兩側(cè)的聲光報警器即發(fā)生報警并語音提示引導大貨車迅速駛離重車偏載預警區(qū)回歸正道,如圖14。同時,該系統(tǒng)還可依據(jù)監(jiān)控視頻信息對橋上故障停車及車輛掉落異物等情況進行橋面突發(fā)異常狀態(tài)識別,通過設(shè)置在橋面兩側(cè)聲光報警器對橋上車輛提出相應的引導行駛路線。

圖14 橋面偏載監(jiān)視與預警引導系統(tǒng)Fig. 14 Bridge bias load monitoring and early warning guidance system

2.4 拉索性態(tài)遠距全域視頻檢測系統(tǒng)

為了更經(jīng)濟便捷地檢(監(jiān))測大型斜拉橋拉索狀態(tài),有效解決纜索承重橋梁非接觸視覺測量的測試精度低、視域范圍窄及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性能信息缺失的技術(shù)難題,杜鵬[36]、簡傳熠[37]、邵帥[38]開展了基于遠距離機器視覺的橋梁拉索動靜形態(tài)與力學性態(tài)的關(guān)聯(lián)機制研究,提出了融合全視域-多視域數(shù)字圖像的監(jiān)測方法,解析了定點旋轉(zhuǎn)測量裝置獲取的大型橋梁影像序列的時空關(guān)聯(lián)信息及時空序列圖像特性,實現(xiàn)了復雜場景下監(jiān)測結(jié)構(gòu)模糊形態(tài)學信息的強化與冗余信息的弱化,根據(jù)可視化大規(guī)模全息形態(tài)特征參數(shù)及信號特性,提出了表征拉索損傷狀態(tài)的信號統(tǒng)計平穩(wěn)性指標和動力學響應指標,明晰了拉索全息形態(tài)特征參數(shù)與損傷狀態(tài)特性間的關(guān)聯(lián)機制,并開展了室內(nèi)模型拉索全息形態(tài)特征參數(shù)測試試驗研究(圖15)。

圖15 室內(nèi)模型拉索全息形態(tài)特征參數(shù)測試試驗Fig. 15 Experiment on testing holographic morphological characteristic parameters of indoor model bracing cable

筆者團隊對某一模型拉索進行了試驗及有限元分析。圖16為基于視頻分析獲得的1束七絲鋼絞線(在某處切斷1絲)動力學響應指標(CDR-i) 沿長度方向的有限元分析結(jié)果。可見,鋼絞線局部損傷部位CDR-i存在明顯的異常表現(xiàn)〔圖15(c)〕,而其余全長均無明顯差異,表明全息監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)局部損傷識別。

圖16 模型索損傷識別分析Fig. 16 Model cable damage identification analysis

拉索性態(tài)遠距全域視頻檢測系統(tǒng)在李家沱大橋索力測試中的應用(圖17)驗證了該系統(tǒng)的實用性。

圖17 拉索性態(tài)遠距全域視頻檢測系統(tǒng)用于李家沱大橋索力測試Fig. 17 Application of a long-range, global video inspection system for tension cable state behavior in Lijiatuo Bridge cable tension test

3 結(jié) 語

基于中醫(yī)望、聞、問、切的診治方法,提出了橋梁面相學理論,詳細闡述了橋梁面相學理論基礎(chǔ),總結(jié)了基于橋梁面相學理論研究開發(fā)的幾種檢(監(jiān))測系統(tǒng),介紹了各檢(監(jiān))測系統(tǒng)在實橋中的應用案例。檢(監(jiān))測系統(tǒng)包括:

1)橋梁動靜影像全息性態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),一種全息、經(jīng)濟、方便且準確獲取橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)字圖像監(jiān)測方法。憑借視場非固定、視距可調(diào)節(jié)等特點,實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)全息動力形態(tài)特征參數(shù)的可視化提取,拓寬了監(jiān)測系統(tǒng)的視覺感知能力,將常規(guī)結(jié)構(gòu)動力特性模型分析轉(zhuǎn)變?yōu)榛跈C器視覺的特性可視化分析。

2)WWWQ-G橋梁安全巡檢車,基于機器視覺、機器聽/嗅覺、運維記錄及機器感覺來獲得橋梁結(jié)構(gòu)的WWWQ數(shù)據(jù),通過軟件和硬件對原始數(shù)據(jù)噪聲進行剔除,最終實現(xiàn)對橋梁損傷的量化分析。

3)常規(guī)跨徑橋梁的安全監(jiān)測新系統(tǒng),以主梁、墩-梁、橋面為監(jiān)測目標,利用布設(shè)的攝像頭獲取不同車輛荷載過橋的圖像數(shù)據(jù),通過對目標結(jié)構(gòu)相對變位進行量化分析,并對比現(xiàn)有變形數(shù)據(jù),最終實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)部件連接狀態(tài)的預警。

4)拉索性態(tài)遠距全域視頻檢測系統(tǒng),利用全視域-多視域拉索形態(tài)時空序列數(shù)據(jù)與拉索力學性態(tài)特征的關(guān)聯(lián)機制,對拉索性態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行基于全息形態(tài)特征參數(shù)的拉索狀態(tài)多參數(shù)融合識別,實現(xiàn)了各種因素影響下物理引導與數(shù)據(jù)驅(qū)動的拉索數(shù)字孿生與損傷的系統(tǒng)測量誤差的識別。