一種橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括核心控制處理模塊（7）和與核心控制處理模塊（7）聯(lián)接的環(huán)境檢測傳感器單元（2）、流量檢測傳感器單元（3）、結構檢測傳感器單元（4）、抓拍像機（6）、GPS授時單元（1）和無線數(shù)據(jù)傳輸單元（5）；本發(fā)明將GPS的時間信號引入測量結果，并為傳感器和像機的輸出數(shù)據(jù)增加了時間標示碼，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精確同步，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析提供了同步基準。同時根據(jù)對結構檢測傳感器數(shù)據(jù)的分析和閾值判斷，確定目標物體是否為動態(tài)變形，并根據(jù)信號閾值觸發(fā)抓拍像機工作，實現(xiàn)了對動態(tài)形變的完整監(jiān)測，確保了對橋梁全面合理的監(jiān)測，并具有節(jié)省數(shù)據(jù)資源，減小無線數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲備份的壓力的效果。
【專利說明】一種橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于力學測量【技術領域】，涉及一種可用于橋梁、大壩、結構件等目標的位移和形變測量技術，特別是一種用于橋梁變形的參數(shù)和圖像實時監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]橋梁、大壩、結構件等目標的變形主要包括靜態(tài)變形和動態(tài)變形，靜態(tài)變形是指地基下陷、傾斜和應力松弛等變化很慢的變形，動態(tài)變形是指由于風、溫度、地震及交通負載引起的短期變形，其參數(shù)監(jiān)測對于目標的安全評估分析具有重要的作用。世界上很多國家都投入了很大的人力物力，進行橋梁變形測量技術的研究。
[0003]傳統(tǒng)的橋梁變形檢測的儀器有百分表、千分表、加速計、水準儀、經(jīng)緯儀等。目前，這些儀器在橋梁驗收、定期檢測中仍然廣泛使用，但是需要專業(yè)技術人員，費時、費力，人為誤差大，遠遠不能實現(xiàn)在線、實時、自動、智能測量。近年來，信息技術的蓬勃發(fā)展大大帶動了橋梁變形測量技術的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新技術和新方法，比如激光位移法和GPS (GlobalPosition System)定位測量法。激光位移儀能實現(xiàn)亞毫米的位移測量，但是量程僅能達到數(shù)十厘米，不能滿足跨距較大的用于橋梁大變形的測量，其垂直位移可達米級；GPS定位測量法可實現(xiàn)實時在線測量橋梁的大變形，但是其精度智能達到厘米級，且費用高昂，限制了其推廣應用。
[0004]此外在應用中還存在著以下問題:(1)傳感器數(shù)量種類多，難以實現(xiàn)各類輸出數(shù)據(jù)的精確同步，給后續(xù)數(shù)據(jù)的融合、處理和分析帶來困難；(2)橋梁變形的監(jiān)測屬于長期，加上傳感器數(shù)量較多，為了節(jié)約數(shù)據(jù)資源，減小無線數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲備份的壓力，需要對靜態(tài)變形進行低時間分辨力的長期監(jiān)測，同時對動態(tài)變形進行高時間分辨力的短期集中監(jiān)測，但是現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)難以實現(xiàn)上述的控制，造成了數(shù)據(jù)資源的浪費或者難以達到對特殊事件的高時間分辨力測量；3)圖像實時記錄會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，會給后續(xù)數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸帶來壓力，同樣急需要一種既能滿足對動態(tài)大范圍形變的全過程記錄，又能節(jié)省數(shù)據(jù)資源的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，在橋梁上安裝了環(huán)境檢測傳感器、流量檢測傳感器、結構檢測傳感器和用于橋梁整體形貌監(jiān)測的抓拍像機，并對各個傳感器和像機進行時間同步控制處理，為數(shù)據(jù)加上時間標記；同時通過對結構檢測傳感器的信號閾值判斷，控制抓拍像機工作，識別動態(tài)變形事件，實現(xiàn)了對突發(fā)時間的完整記錄。此外本發(fā)明采用了先進的集成式位移傳感器，大大提高了測量精度，并具有結構簡單可靠、二維實時測量、測量量程大等特點。
[0006]本發(fā)明的技術內(nèi)容如下:
[0007]一種橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括核心控制處理模塊和與核心控制處理模塊聯(lián)接的環(huán)境檢測傳感器單元、流量檢測傳感器單元、結構檢測傳感器單元、抓拍像機、GPS授時單元和無線數(shù)據(jù)傳輸單元；
[0008]核心控制處理模塊包括中央控制單元和與中央控制單元聯(lián)接的數(shù)據(jù)采集單元、同步觸發(fā)控制單元和數(shù)據(jù)處理單元；
[0009]數(shù)據(jù)采集單元用于獲取環(huán)境檢測傳感器單元、流量檢測傳感器單元和結構檢測傳感器單元的傳感器數(shù)據(jù)；
[0010]同步觸發(fā)控制單元按照GPS授時單元提供的時基信號，按設定的頻率同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集單元對傳感器信號進行采集；
[0011]數(shù)據(jù)處理單元用于傳感器信號的分析、處理和抓拍像機的觸發(fā)閾值判斷，并按照GPS授時單元提供的時基信號，對傳感器數(shù)據(jù)和抓拍像機的圖像數(shù)據(jù)進行處理，加上時間標示碼;
[0012]中央控制單元根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元的觸發(fā)閾值判斷結果驅(qū)動抓拍像機工作，并將處理后的傳感器數(shù)據(jù)和像機數(shù)據(jù)經(jīng)無線數(shù)據(jù)傳輸單元傳出。
[0013]上述橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)中，環(huán)境檢測傳感器單元包括溫度傳感器、風速傳感器、雨量傳感器中的一種或幾種組合。
[0014]上述橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)中，流量檢測傳感器單元包括地感傳感器、紅外傳感器、稱重傳感器中的一種或幾種組合。
[0015]上述橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)中，結構檢測傳感器單元包括位移傳感器、應變傳感器、振動傳感器中的一種或幾種組合。
[0016]上述橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)中，位移傳感器包括在被測量目標上設定的靶標和在遠距離處設置的遠程位移傳感器，所述的遠程位移傳感器設置在變形可忽略的固定支點上。
[0017]遠程位移傳感器包括光學鏡頭、圖像傳感器、核心控制功能單元、處理存儲單元、觸發(fā)控制單元和數(shù)據(jù)輸出單元，其中
[0018]光學鏡頭瞄準被測量目標上設置的靶標；
[0019]圖像傳感器為C⑶或CMOS傳感器，用于獲取被測量目標的圖像；
[0020]觸發(fā)控制單元用于提供遠程位移傳感器所需的觸發(fā)信號；
[0021]數(shù)據(jù)輸出單元與處理存儲單元聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送；
[0022]處理存儲單元與核心控制功能單元相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲和處理；
[0023]核心控制功能單元包括觸發(fā)信號檢測模塊、目標靶模板加載及規(guī)格化模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標圖像匹配檢測模塊，其中，目標靶模板加載及規(guī)格化模塊事先根據(jù)靶標的特征建立目標靶模板，并對目標靶模板進行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，獲得匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲在處理存儲單元的Flash存儲器內(nèi)；當觸發(fā)信號檢測模塊接收到觸發(fā)信號后，圖像采集模塊獲取圖像傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像灰度化及縮放模塊運行處理后，得到與靶標圖像相適應的數(shù)據(jù)格式；在目標圖像匹配檢測模塊內(nèi)將靶標特征模板組數(shù)據(jù)與處理后的圖像傳感器數(shù)據(jù)進行匹配檢測，并根據(jù)檢測結果計算出位移參數(shù)，最后由數(shù)據(jù)輸出單元傳出。
[0024]上述橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)中，目標圖像匹配檢測模塊包括目標圖像粗略匹配單元、目標圖像精確匹配單元和結果判定單元，其中
[0025]目標圖像粗略匹配單元將圖像灰度化及縮放模塊處理后的圖像劃分為若干個區(qū)域，并將靶標模板組數(shù)據(jù)與圖像的各個子區(qū)域數(shù)據(jù)進行相關性計算，粗略判斷得到靶標圖像存在的熱點區(qū)域；
[0026]目標圖像精確匹配單元將熱點區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)與靶標特征模板數(shù)據(jù)逐像素進行相關性計算，判斷得到靶標所在的圖像位置；
[0027]結果判定單元處理獲取靶標的坐標信息，并計算得到靶標的位移值。
[0028]上述橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)中，靶標為目標對象上的一個特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標。
[0029]上述橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)中，加電靶標為排成一定形狀的LED或LD燈帶。
[0030]上述橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)傳輸單元為GPRS系統(tǒng)或3G無線傳輸系統(tǒng)。
[0031]上述橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)中，抓拍像機為CXD或CMOS傳感器。
[0032]本發(fā)明的技術效果如下:
[0033]1、將GPS的時間信號引入測量結果，并為傳感器和像機的輸出數(shù)據(jù)增加了時間標示碼，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精確同步，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析提供了同步基準。
[0034]2、通過對外界的結構檢測傳感器數(shù)據(jù)的分析和閾值判斷，確定目標物體是否為動態(tài)變形，并根據(jù)信號閾值觸發(fā)抓拍像機工作，實現(xiàn)了對動態(tài)形變的完整監(jiān)測，確保了對橋梁全面合理的監(jiān)測，并具有節(jié)省數(shù)據(jù)資源，減小無線數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲備份的壓力的效果。
[0035]3、本發(fā)明采用先進的集成式位移傳感器準確測量得到了橋梁的撓度參數(shù)，該位移傳感器采用圖像傳感器獲取被測量目標上遠程靶標的圖像，通過圖像處理獲得橋梁的撓度參數(shù)，且核心控制功能單元采用嵌入式系統(tǒng)，具有結構緊湊簡單可靠、二維實時測量、測量量程大等特點，適用于長期、在線、多點測量。
[0036]4、本發(fā)明的位移傳感器對靶標要求不高，系統(tǒng)可根據(jù)靶標生成不同縮放比及旋轉(zhuǎn)角度的目標靶模板組，獲取目標靶的距離、大小及位移信息；如果采用加電的LED或LD燈帶作為靶標，則可以實現(xiàn)24小時全天候的工作，并具有特征目標提取方便和準確度高的特點，測量精度也相應提高。
[0037]5、本發(fā)明的位移傳感器將靶標的特征目標提取后獲得不同縮放率和不同旋轉(zhuǎn)角度的目標模板組數(shù)據(jù)，預先放置在flash存儲器中，在測量中只需要讀取存儲器的特征目標模板組數(shù)據(jù)與圖像傳感器的數(shù)據(jù)進行逐個比對，大大提高了比對效率；同時在數(shù)據(jù)比對過程中，利用圖像相關性算法及粗略搜索及精確搜索相結合的策略有效提高了比對速率和準確度，最終提高了測量的時間分辨率和精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理圖；
[0039]圖2為本發(fā)明橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程圖
[0040]圖3為本發(fā)明位移傳感器的原理示意圖；
[0041]圖4為本發(fā)明位移傳感器工作流程；
[0042]圖5為本發(fā)明位移傳感器中目標圖像粗略匹配和粗略搜索原理示意圖。
[0043]附圖標記為:1 一 GPS授時單元；2 —環(huán)境檢測傳感器單元；3 —流量檢測傳感器單元；4 一結構檢測傳感器單元；5 —無線數(shù)據(jù)傳輸單元；6 —抓拍像機；7 —核心控制處理模塊；11 一光學鏡頭；12 —圖像傳感器；13 —觸發(fā)控制單兀；14 一數(shù)據(jù)輸出單兀；15 —核心控制功能單元；16 —處理存儲單元；17 —目標圖像匹配檢測模塊；20 —靶標；21 —靶標特征模板組；22 —含有靶標的圖像。
【具體實施方式】
[0044]如圖1所示，本發(fā)明橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括核心控制處理模塊7和與核心控制處理模塊7聯(lián)接的環(huán)境檢測傳感器單元2、流量檢測傳感器單元3、結構檢測傳感器單元4、抓拍像機6、GPS授時單元I和無線數(shù)據(jù)傳輸單元5。
[0045]其中環(huán)境檢測傳感器單元2包括溫度傳感器、風速傳感器、雨量傳感器中的一種或幾種組合；流量檢測傳感器單元3包括地感傳感器、紅外傳感器、稱重傳感器中的一種或幾種組合；結構檢測傳感器單元4包括位移傳感器、應變傳感器、振動傳感器中的一種或幾種組合。
[0046]核心控制處理模塊7包括中央控制單元和與中央控制單元聯(lián)接的數(shù)據(jù)采集單元、同步觸發(fā)控制單元和數(shù)據(jù)處理單元，其中數(shù)據(jù)采集單元采集獲得環(huán)境檢測傳感器單元2、流量檢測傳感器單元3和結構檢測傳感器單元3的傳感器數(shù)據(jù)。
[0047]同步觸發(fā)控制單元按照GPS授時單元I提供的時基信號，按設定的頻率同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集單元對傳感器信號進行采集，其中精確時間的獲取是通過解析GPS的輸出數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，也即通常所說的時間同步或者授時。
[0048]數(shù)據(jù)處理單元用于傳感器信號的分析、處理和抓拍像機6觸發(fā)閾值判斷，并按照GPS授時單元I提供的時基信號，對傳感器數(shù)據(jù)和抓拍像機6的圖像數(shù)據(jù)進行處理，加上時間標示碼，簡單的說就是給圖像記錄的文件加上一個時間戳。
[0049]中央控制單元根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元的觸發(fā)閾值判斷結果驅(qū)動抓拍像機6工作，并將獲得的傳感器數(shù)據(jù)和像機數(shù)據(jù)經(jīng)無線數(shù)據(jù)傳輸單元5傳出。
[0050]如圖2所示，本發(fā)明橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理和流程如下:由于抓拍像機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，為了節(jié)省無線傳輸流量及數(shù)據(jù)存儲量，在通常情況的橋梁靜態(tài)變形下，圖像記錄系統(tǒng)不工作，這樣可以節(jié)約數(shù)據(jù)資源。只有當橋梁發(fā)生動態(tài)變形時，才啟動圖像記錄系統(tǒng)進行抓拍，而動態(tài)變形的發(fā)生時間則依靠結構檢測傳感器的數(shù)據(jù)來判斷。
[0051]在數(shù)據(jù)處理單元對包括位移傳感器、應變傳感器、振動傳感器在內(nèi)的結構檢測傳感器4進行處理過程中，當傳感器發(fā)生幅度突變超出預先設定的閾值時，可判斷為橋梁產(chǎn)生了動態(tài)變形，這時中央控制單元會驅(qū)動抓拍像機6工作，對橋梁的整體圖像進行記錄，以便獲得更詳細的細節(jié)信息；當結構檢測傳感器4參數(shù)趨于正常時，則停止圖像抓拍。
[0052]在對橋梁的參數(shù)進行全面記錄過程中，由于采用了多種傳感器和抓拍像機，為了確保后續(xù)多種參數(shù)數(shù)據(jù)能夠同步融合，進行統(tǒng)一分析處理。數(shù)據(jù)處理單元在處理中，均加上了按照GPS授時單元獲取的時間標示碼，并經(jīng)GPRS無線輸出終端或3G無線傳輸系統(tǒng)輸出，這樣在后續(xù)處理和分析時就有了時間基準，為數(shù)據(jù)同步融合、提取和分析提供了方便。
[0053]時間標記作為傳感器數(shù)據(jù)幀的幀頭，由6個字節(jié)組成，結構如下表所示:
[0054]
【權利要求】
1.一種橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括核心控制處理模塊(7)和與核心控制處理模塊(7)聯(lián)接的環(huán)境檢測傳感器單元(2)、流量檢測傳感器單元(3)、結構檢測傳感器單元(4)、抓拍像機(6)、GPS授時單元(1)和無線數(shù)據(jù)傳輸單元(5); 所述的核心控制處理模塊(7)包括中央控制單元和與中央控制單元聯(lián)接的數(shù)據(jù)采集單元、同步觸發(fā)控制單元和數(shù)據(jù)處理單元； 所述的數(shù)據(jù)采集單元用于獲取環(huán)境檢測傳感器單元(2)、流量檢測傳感器單元(3)和結構檢測傳感器單元(3)的傳感器數(shù)據(jù)； 所述的同步觸發(fā)控制單元按照GPS授時單元(1)提供的時基信號，按設定的頻率同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集單元對傳感器信號進行采集； 所述的數(shù)據(jù)處理單元用于傳感器信號的分析、處理和抓拍像機(6)的觸發(fā)閾值判斷，并按照GPS授時單元(1)提供的時基信號，對傳感器數(shù)據(jù)和抓拍像機(6)的圖像數(shù)據(jù)進行處理，加上時間標示碼； 所述的中央控制單元根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元的觸發(fā)閾值判斷結果驅(qū)動抓拍像機(6)工作，并將處理后的傳感器數(shù)據(jù)和像機數(shù)據(jù)經(jīng)無線數(shù)據(jù)傳輸單元(5 )傳出。
2.根據(jù)權利要求1所述的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的環(huán)境檢測傳感器單元(2)包括溫度傳感器、風速傳感器、雨量傳感器中的一種或幾種組合。
3.根據(jù)權利要求1所述的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的流量檢測傳感器單元(3)包括地感傳感器、紅外傳感器、稱重傳感器中的一種或幾種組合。
4.根據(jù)權利要求1所述的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的結構檢測傳感器單元(4)包括位移傳感器、應變傳感器、振動傳感器中的一種或幾種組合。
5.根據(jù)權利要求4所述的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的位移傳感器包括光學鏡頭(11)、圖像傳感器(12)、核心控制功能單元(15)、處理存儲單元(16)、觸發(fā)控制單元(13)和數(shù)據(jù)輸出單元(14)，其中 所述的光學鏡頭(11)瞄準被測量目標上設置的靶標； 所述的圖像傳感器(12)為CCD或CMOS傳感器，用于獲取被測量目標的圖像； 所述的觸發(fā)控制單元(13)用于提供遠程位移傳感器所需的觸發(fā)信號； 所述的數(shù)據(jù)輸出單元(14)與處理存儲單元(6)聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送； 所述的處理存儲單元(16)與核心控制功能單元(15)相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲和處理； 所述的核心控制功能單元(15)包括觸發(fā)信號檢測模塊、目標靶模板加載及規(guī)格化模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標圖像匹配檢測模塊(17)，其中，所述目標靶模板加載及規(guī)格化模塊事先根據(jù)靶標的特征建立目標靶模板，并對目標靶模板進行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，獲得匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲在處理存儲單元(16)的Flash存儲器內(nèi)；當觸發(fā)信號檢測模塊接收到觸發(fā)信號后，圖像采集模塊獲取圖像傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像灰度化及縮放模塊運行處理后，得到與靶標圖像相適應的數(shù)據(jù)格式；在目標圖像匹配檢測模塊(17)內(nèi)將靶標特征模板組數(shù)據(jù)與處理后的圖像傳感器數(shù)據(jù)進行匹配檢測，并根據(jù)檢測結果計算出位移參數(shù)，最后由數(shù)據(jù)輸出單元(14)傳出。
6.根據(jù)權利要求5所述的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的目標圖像匹配檢測模塊包括目標圖像粗略匹配單元、目標圖像精確匹配單元和結果判定單元，其中所述的目標圖像粗略匹配單元將圖像灰度化及縮放模塊處理后的圖像劃分為若干個區(qū)域，并將靶標模板組數(shù)據(jù)與圖像的各個子區(qū)域數(shù)據(jù)進行相關性計算，粗略判斷得到靶標圖像存在的熱點區(qū)域； 所述的目標圖像精確匹配單元將熱點區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)與靶標特征模板數(shù)據(jù)逐像素進行相關性計算，判斷得到靶標所在的圖像位置； 所述的結果判定單元處理獲取靶標的坐標信息，并計算得到靶標的位移值。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的靶標為目標對象上的一個特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標。
8.根據(jù)權利要求7所述的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的加電靶標為排成一定形狀的LED或LD燈帶。
9.根據(jù)權利要求1所述的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的無線數(shù)據(jù)傳輸單元(5)為GPRS系統(tǒng)或3G無線傳輸系統(tǒng)。
10.根據(jù)權利要求1所述的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的抓拍像機(6)為CCD或CMOS傳感器。
【文檔編號】G01B11/16GK103940358SQ201410145554
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權日:2014年4月11日
【發(fā)明者】曾有全, 高文武, 屈戰(zhàn)輝, 楊利峰, 郭敏, 黃元庫, 陳長軍, 徐克強, 朱昌林 申請人:郭敏, 曾有全