CN108776040A - 基于中医方法的桥梁安全巡检***及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中医方法的桥梁安全巡检***及诊断方法，包括用于采集连续采集桥面形态图像、振动时程特性信号数据和结构音频时程特性信号数据的信息采集单元以及用于接收信息采集单元传来的数据信息数据，并综合分析判断桥梁安全状态中央处理单元；本发明通过监测***获取桥梁桥面面相、动态响应、声音分布数据，类似于在中医理论的望闻问切，综合分析桥梁的安全状态，用于替代现有的结构安全检查工作，可以有效提高巡检效率，降低人工参与的强度，还能在较短的时间内全方位实现检查；不但可通过该***返回的图像信息经图像学形态算法分析处理后直接观察发现结构的表面缺陷，还依据危及结构安全的病害则必然导致结构形态发生变化这一规律，通过历次检测得到桥梁面相(结构表观)变化监测的分析比较来判别当前结构的安全性。

Description

基于中医方法的桥梁安全巡检***及诊断方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程检测领域，结合了传感技术、信息工程、机械工程、人工智能多学科，特别涉及一种基于中医方法的桥梁安全巡检***及诊断方法。

背景技术

桥梁是道路交通的主要组成部分，一旦建成投入使用后，在其服役期内除了建造材料自身性能会不断退化外，还不可避免地会受到车辆荷载、环境荷载、地震荷载、人为因素等的反复作用，对结构产生不同程度的损伤，材料老化和损伤积累致使结构性能不断退化，可能导致突发局部或整体破坏灾难。因此经济、方便、可信、全息并吻合未来发展趋势的桥梁安全检测装备和诊断方法是国内外桥梁界的共同追求。

现有技术中，针对桥梁结构的安全检查大致可划分为经常性安全检查、定期检查和特殊检查。定期检侧和特殊检查通常指借助专用装备到基础设施结构物周边对主体结构进行近距观察和测试，这种检查被认为是切实有效的，但通常所需费用较高并会影响基础设施的正常使用，检测频率一般为2-6年一次；为确保相邻两次定期检查之间的桥梁运营安全，要求每月至少进行一次桥梁的经常性检查，在实施上通常为采用人工在结构物上的巡视或用望远镜对结构物作远距离观察，因受检查手段、从业人员的数量和素质的限制，仅凭感性认识，缺乏可量化的数据资料，难以及时准确获知结构物的安全状态，致使结构的经常性检查多为有形无实。

目前，以传感器为基础的结构长期健康监测***在大型桥梁健康监测的应用越来越多，将数量庞大的位移计、应变计、倾斜仪、温度计、湿度计、加速度计、裂缝监测、计重器等传感器件直接安装在结构物上，以实现对结构的静、动力特性变化和损伤监测。这样的监测手段基本上是一结构一***的直接测量，优点是可能全时掌握结构的信息，但其存在***建设成本高、耗费人力财力，传回数据置信度不高、数据的漂移和噪声现象严重、海量数据难以处理，仅能量测结构上有限的传感器安装点处的有限信息等缺点，并且该***所含监测原件的使用寿命一般在5-10年，而桥梁的正常使用年限在50-100年，该监测***难以满足结构健康监测的长期使用需求，更换监测原件和维护***正常工作难度大、费用高。

综上所述，目前所采用的桥梁结构安全监测的方法、手段、装备、人员及有效检测频次远不能满足基础设施的实际需求，因此针对量大面广的桥梁安全检查，迫切需要寻找一种经济、方便、可信、全息并吻合未来发展趋势的桥梁安全检测装备和诊断方法以切实有效把握桥梁安全状态，预防灾害事故发生。

发明内容

有鉴于此，借助中医望闻问切的理念，本发明的目的是提供一种基于中医方法的桥梁安全巡检***及方法，以实现经济、方便、可信、全息的桥梁安全巡检，建立桥梁服役期的形态、声音、振动特性与运营状况健康档案数据库，实现结构安全状态的可追踪和可回溯，基于历次桥梁形态、声音、振动特性数据的人工智能分析比较，全面准确掌握结构的安全状态，实现现役结构检测与评估、养护和管理的规范化、流程化和智能化。

本发明的基于中医方法的桥梁安全巡检***，包括：

安装于一行走车上的信息采集单元，用于采集下列信息数据：

a.连续采集桥面形态图像，用于拼接获得桥面空间曲面形态数据；

b.采集所述行走车通过桥梁的振动时程特性信号数据；

c.采集所述行走车通过桥梁的音频时程特性信号数据；

安装于所述行走车的中央处理单元，用于接收信息采集单元传来的数据信息数据，并综合分析判断桥梁安全状态。

进一步，所述信息采集单元包括安装于行走车上的下列部件：

用于连续采集桥面形态图像的数码相机；

用于采集所述行走车通过桥梁时桥梁的振动特性信号数据的振动信号传感器；

用于采集行走车通过桥梁时的桥梁结构音频时程特性信号数据的声波信号传感器。

进一步，所述信息采集单元包括安装于行走车上的下列设备：

分别用于采集环境照度、温度、湿度和地理坐标信息数据的光照传感器、温度传感器、湿度传感器和定位仪；

用于采集桥梁空间结构形态影像数据的航拍设备。

进一步，还包括安装于行走车上的加载装置和振动发生装置；所述振动信号传感器设置于行走车轮轴，声波信号传感器设置于车辆下部靠近桥面处。

进一步，所述行走车上还安装有同步标记投射装置，包括驱动组件和标记产生组件，标记产生组件包括光源，所述光源可投射特定形状的标记在桥面，并在行走车行走时，在驱动组件的同步驱动下，所述特定形状的标记在桥面上的位置不变。

进一步，所述光源为激光光源，所述激光光源排列成所述特定形状形成一个激光光源组；所述驱动组件包括一可被驱动转动的转轴，所述激光光源组设置在转轴上，在行走车行走时，转轴同步转动，所述激光光源组投射至桥面上的特定形状的标记在桥面上的位置不变；或者，所述驱动组件包括对应于激光光源组的每个激光光源设置的驱动件，在行走车行走时，该驱动件驱动对应的激光光源同步动作，使所述激光光源投射至桥面的点位置不变，使得所述激光光源组投射至桥面上的特定形状的标记在桥面上的位置不变。

本发明还公开了一种基于中医理论的桥梁检测诊断方法，包括下列步骤：

a.驱动所述的桥梁安全巡检***沿桥梁行走，获取桥梁的桥面空间曲面形态数据、行走车通过桥梁的振动时程特性信号数据和音频时程特性信号数据；

b.设定周期内重复步骤a；

c.对历次步骤a所获得的数据进行分析对比，评价桥梁的安全状态。

进一步，步骤a中，桥面空间曲面形态数据通过下列步骤实现：

Ⅰ沿桥梁纵向连续采集桥面形态图像；

Ⅱ将步骤Ⅰ中连续采集的桥面形态图像拼接，获得桥面空间曲面图像，从而获得桥面空间曲面形态数据；

步骤a中，在获取桥梁的桥面空间曲面形态数据、桥梁的振动时程特性信号数据和音频时程特性信号数据时，同时记录数据获取时间和地理坐标信息数据，以及采集环境照度、温度、湿度；

步骤a中，还获取桥梁空间结构形态影像数据。

进一步，步骤a中，在获取桥梁的桥面空间曲面形态数据、桥梁振动时程特性信号数据和桥梁结构音频时程特性信号数据时，可通过对行走车加减载重质量和调控振动发生器来获得不同荷载和振动激励下的桥面形态、桥梁振动及音频时程特性信号数据。

进一步，步骤c中，包括：

c1将历次获取的桥面空间曲面形态数据与本次数据进行对比，进行桥面空间曲面形态当前状况评价；

c2将历次获取的行走车通过桥梁的振动时程信号数据与本次数据进行对比，进行桥梁振动特性当前状况评价；

c3将历次获取的行走车通过桥梁的音频时程信号数据与本次数据进行对比，进行桥梁音频特性当前状况评价价；

c4将历次获取的桥梁空间结构形态数据与本次数据进行对比，进行桥梁空间结构形态当前状况评价；

综合步骤c1、c2、c3和c4的评价结果，对桥梁当前的安全状况进行评价，并对桥梁结构后期的发展趋势进行预测。

本发明的有益效果：本发明的基于中医方法的桥梁安全巡检***及诊断方法，借助于中医通过对人体望闻问切进行健康诊断的理念，通过车载桥梁数据采集***获取桥面形态、振动时程特性、声音时程特性、桥梁结构空间形态数据，结合管养单位提供的桥梁管养资料，综合分析上述四类历次数据的变化位置、变化特征及变化程度来获知桥梁结构损伤病害的发生时间、位置及程度，并预期结构安全状态的发展趋势；与现有桥梁检(监)测装备及方法相比，费用最低廉，一辆检测车可负责辖区内数百座桥梁的高频次安全巡检，避免了健康监测一次性安装传感器和常规检测需耗费大量人力物力，具有显著的经济优势；使用最方便，巡检基本不影响桥梁正常运营交通，车载检测仪器的标定、原件更换、维修养护方便且费用低廉，使检测***工作性能有足够保障；采集数据信息最完整，通过本检测***能够完整采集桥面及空间结构图像、桥梁振动、声音时程信息，避免了常规桥梁检测仅能够获取有限采集点数据存在的信息缺失问题，使诊断结果更准确；采集的信息数据最可信，本***采集的桥面及空间结构形态数据以图像形式存在，避免了常规数字传感器传回的数字信息难以判断是否为结构真实响应的重大问题，车载的振动和声音传感器通过定期标定能够保证其采集数据的可信度，据此可以获得相对准确的桥梁状态诊断结论。

应用本检测***替代现有的桥梁安全检查工作，可以有效提高巡检效率，降低人工参与的强度，还能在较短的时间内全方位实现检查；不但可通过该***返回的图像信息经图像学形态算法分析处理后直接观察发现结构的表面缺陷，还依据危及结构安全的病害则必然导致结构形态发生变化这一规律，通过历次检测得到桥梁面相(结构表观)变化监测的分析比较来判别当前结构的安全性；实现了对结构外在表观和内在力学特性变化监测，全方位的进行结构安全状态评价。以此作为结构检测的手段和方法，不但显著节省了时间和人力成本，更重要的是显著提高了结构安全检查的准确性和效率。

本发明由外向内，由浅入深，由局部到全面的分析了结构的安全状态。在时间历程上，全面完整的对结构响应进行了分析，从根本上避免了由于实测数据不足、实测指标对损伤不敏感等原因导致的反问题定解条件不足，结构损伤判断失准的问题。与常规的单次检测来评价结构的安全状态相比，该方法建立了全面反映结构性态随时间演化规律的数据库，将结构的安全性能随时间历程的退化规律进行分析，实现结构安全状态的追踪和回溯。

本发明可检测不同类型的土木工程基础设施结构物，因为检测过程不需人工观测，避免了由检测人员业务素质导致的安全隐患；由于该发明针对结果的检测及安全评价，是在建立了全面反映结构性态随时间演化规律的数据库的基础上进行的，其评价结果是通过对历次的结构形态和内在力学性能数据进行分析比较获得的，所以本发明可以更科学的判别当前结构的安全性能，实现结构安全状态的追踪和回溯，以及结构的安全评估及预警。利用该***可全面准确的掌握结构的安全状态，实现现役结构检测评估、养护和管理的规范化、流程化和智能化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明结构示意图；

图2为图1沿A向视图(去掉覆盖件)；

图3为同步标记投射装置投射的标记示意图。

具体实施方式

图1为本发明结构示意图，图2为图1沿A向视图(去掉覆盖件)，图2为同步标识组件原理图，如图所示：本实施例的基于中医方法的桥梁安全巡检***，包括：

安装于一行走车1上的信息采集单元，用于采集下列信息数据：

a.连续采集桥面形态图像，用于拼接获得桥面空间曲面形态数据；

b.采集所述行走车通过桥梁的振动时程特性信号数据；

c.采集所述行走车通过桥梁的音频时程特性信号数据；

安装于所述行走车1的中央处理单元5，用于接收信息采集单元传来的数据信息数据，并综合分析判断桥梁安全状态；

振动时程特性指的是振动-时间-位置关系，音频时程特性指的是音频-时间-位置关系。

本实施例中，所述信息采集单元包括安装于行走车上的下列部件：

用于连续采集桥面形态图像的数码相机3，如图所示，沿横向布置三个，形成桥面空间曲面时在横向纵向均拼接后形成；

用于采集所述行走车通过桥梁时桥梁的振动特性信号数据的振动信号传感器8；

用于采集行走车通过桥梁时的桥梁结构音频时程特性信号数据的声波信号传感器9。

本实施例中，所述信息采集单元包括安装于行走车上的下列设备：

分别用于采集环境照度、温度、湿度和地理坐标信息数据的光照传感器、温度传感器、湿度传感器和定位仪；如图所示，图中标记10处安装光照传感器、温度传感器、湿度传感器，定位仪可安装于车顶等位置，在此不再赘述。

用于采集桥梁空间结构形态影像数据的航拍设备4，如图所示，航拍设备一般为无人机，放置在车顶，采用现有的电磁固定手段，在此不再赘述。

本实施例中，还包括安装于行走车上的加载装置6和振动发生装置7，振动发生装置可采用偏心振动原理，在此不再赘述，加载装置可采用通常的质量加载即可；所述振动信号传感器8设置于行走车轮轴，如图所示，可设置多个；声波信号传感器9设置于车辆下部靠近桥面处，同样，可设置多个。

本实施例中，所述行走车上还安装有同步标记投射装置2，包括驱动组件和标记产生组件，标记产生组件包括光源，所述光源可投射特定形状的标记在桥面，并在行走车行走时，在驱动组件的同步驱动下，所述特定形状的标记在桥面上的位置不变，保证拍摄的每张照片都具有特定形状的标记，在拼接照片形成整桥桥面时具有年参考，实现精确拼接；可以是光源自身形成标记直接投射可见光(拍摄可见)到桥面，也可以是光源将形成标记的背景体投影到桥面，再次不再赘述。

本实施例中，所述光源为激光光源，所述激光光源排列成所述特定形状形成一个激光光源组；所述驱动组件包括一可被驱动转动的转轴，所述激光光源组设置在转轴上，在行走车行走时，转轴同步转动，所述激光光源组投射至桥面上的特定形状的标记在桥面上的位置不变；如图所示，形成标记光斑的激光光源组为多个，可投射多个标记，投射到桥面的多个标记分为两列纵向排列且在横向具有倾斜，形成类似于三角形侧边(腰)的排列形式，两列标记的排列方式接合每个标记的特定形状，在拼接照片时具有精确的参考作用。驱动组件还设有驱动动力(比如与行走车的驱动***相关联传动或者单独设置电机驱动等方式，属于一般的机械驱动结构)，用于驱动转轴转动，在行走车按照一定速度行走时，转轴转动带动光源转动且用于抵消由于行走车行走导致的标记移动，从而保证了标记的参考作用；如图3所示，激光光源组投射的标记是不同的字母，两列光源组所投射的字母排列顺序相反，且倾斜延伸，在排列上提供拼图参考，还具体到每个字母，保证拼图的准确性；由于形成字母的不同光源组位于圆周方向的不同位置，在转轴转动时可能会有光源投射点不固定，即会使标记拉长，但转轴转动角度较小时，不会具有明显的拉长，但由于两张照片的拍摄间隙较短，转轴转动角度较小，对最终的拼接效果不会有影响。

当然，为了保证标记的绝对精确，还可以采用下列结构，即所述驱动组件包括对应于激光光源组的每个激光光源设置的驱动件(比如每个光源设置一个液压驱动件或者滚珠丝杠等，属于一般的机械驱动结构，在此不再赘述，保证光源投射到桥面上的点位置不变，使得整个标记不变)，在行走车行走时，该驱动件驱动对应的激光光源同步动作，使所述激光光源投射至桥面的点位置不变，使得所述激光光源组投射至桥面上的特定形状的标记在桥面上的位置不变；该结构克服了转轴驱动所导致的标记被拉长的问题。

本发明还公开了一种基于中医理论的桥梁检测诊断方法，包括下列步骤：

a.驱动所述的桥梁安全巡检***沿桥梁行走，获取桥梁的桥面空间曲面形态数据、行走车通过桥梁的振动时程特性信号数据和音频时程特性信号数据，借鉴中医望闻问切理论，获取上述数据；

b.设定周期内重复步骤a；

c.对历次步骤a所获得的数据进行分析对比，评价桥梁的安全状态。

本实施例中，步骤a中，桥面空间曲面形态数据通过下列步骤实现：

Ⅰ沿桥梁纵向连续采集桥面形态图像；

Ⅱ将步骤Ⅰ中连续采集的桥面形态图像拼接，获得桥面空间曲面图像，从而获得桥面空间曲面形态数据；

步骤a中，在获取桥梁的桥面空间曲面形态数据、桥梁的振动时程特性信号数据和音频时程特性信号数据时，同时记录数据获取时间和地理坐标信息数据，以及采集环境照度、温度、湿度；

步骤a中，还获取桥梁空间结构形态影像数据，针对特大型或复杂结构桥梁还可利用车载航拍设备获取桥梁空间结构形态影像数据。

本实施例中，步骤a中，在获取桥梁的桥面空间曲面形态数据、桥梁振动时程特性信号数据和桥梁结构音频时程特性信号数据时，可通过对行走车加减载重质量和调控振动发生器来获得不同荷载和振动激励下的桥面形态、桥梁振动及音频时程特性信号数据。

本实施例中，依据结构力学理论与故障原理，桥梁的形态、振动时程特性、音频时程特性将随结构损伤的位置和程度发生改变，借鉴中医的望闻问切理论，步骤c中，包括：

c1将历次获取的桥面空间曲面形态数据与本次数据进行对比，进行桥面空间曲面形态当前状况评价；

c2将历次获取的行走车通过桥梁的振动时程信号数据与本次数据进行对比，进行桥梁振动特性当前状况评价；

c3将历次获取的行走车通过桥梁的音频时程信号数据与本次数据进行对比，进行桥梁音频特性当前状况评价价；

c4将历次获取的桥梁空间结构形态数据与本次数据进行对比，进行桥梁空间结构形态当前状况评价；

综合步骤c1、c2、c3和c4的评价结果，对桥梁当前的安全状况进行评价，对桥梁结构后期的发展趋势进行预测；结合管养单位提供的桥梁管养资料，综合分析上述四类历次数据的变化位置、变化特征及变化程度来获知桥梁结构损伤病害发生的时间、位置及程度，并预期结构安全状态的发展趋势；随着所述c1、c2、c3和c4的数据的积累越多，做出的桥梁状态诊断和健康状况的预期将越准确(如同中医积累越多诊断越准确)。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于中医方法的桥梁安全巡检***，其特征在于：包括：

安装于一行走车上的信息采集单元，用于采集下列信息数据：

a.连续采集桥面形态图像，用于拼接获得桥面空间曲面形态数据；

b.采集所述行走车通过桥梁的振动时程特性信号数据；

c.采集所述行走车通过桥梁的音频时程特性信号数据；

安装于所述行走车的中央处理单元，用于接收信息采集单元传来的数据信息数据，并综合分析判断桥梁安全状态。

2.根据权利要求1所述的基于中医方法的桥梁安全巡检***，其特征在于：所述信息采集单元包括安装于行走车上的下列部件：

用于连续采集桥面形态图像的数码相机；

用于采集所述行走车通过桥梁时桥梁的振动特性信号数据的振动信号传感器；

用于采集行走车通过桥梁时的桥梁结构音频时程特性信号数据的声波信号传感器。

3.根据权利要求2所述的基于中医方法的桥梁安全巡检***，其特征在于：所述信息采集单元包括安装于行走车上的下列设备：

分别用于采集环境照度、温度、湿度和地理坐标信息数据的光照传感器、温度传感器、湿度传感器和定位仪；

用于采集桥梁空间结构形态影像数据的航拍设备。

4.根据权利要求2所述的基于中医方法的桥梁安全巡检***，其特征在于：还包括安装于行走车上的加载装置和振动发生装置；所述振动信号传感器设置于行走车轮轴，声波信号传感器设置于车辆下部靠近桥面处。

5.根据权利要求2所述的基于中医方法的桥梁安全巡检***，其特征在于：所述行走车上还安装有同步标记投射装置，包括驱动组件和标记产生组件，标记产生组件包括光源，所述光源可投射特定形状的标记在桥面，并在行走车行走时，在驱动组件的同步驱动下，所述特定形状的标记在桥面上的位置不变。

6.根据权利要求6所述的基于中医方法的桥梁安全巡检***，其特征在于：所述光源为激光光源，所述激光光源排列成所述特定形状形成一个激光光源组；所述驱动组件包括一可被驱动转动的转轴，所述激光光源组设置在转轴上，在行走车行走时，转轴同步转动，所述激光光源组投射至桥面上的特定形状的标记在桥面上的位置不变；或者，所述驱动组件包括对应于激光光源组的每个激光光源设置的驱动件，在行走车行走时，该驱动件驱动对应的激光光源同步动作，使所述激光光源投射至桥面的点位置不变，使得所述激光光源组投射至桥面上的特定形状的标记在桥面上的位置不变。

7.一种基于中医理论的桥梁检测诊断方法，其特征在于：包括下列步骤：

a.驱动权利要求1至6任一权利要求的桥梁安全巡检***沿桥梁行走，获取桥梁的桥面空间曲面形态数据、行走车通过桥梁的振动时程特性信号数据和音频时程特性信号数据；

b.设定周期内重复步骤a；

c.对历次步骤a所获得的数据进行分析对比，评价桥梁的安全状态。

8.根据权利要求7所述的基于中医理论的桥梁检测诊断方法，其特征在于：步骤a中，桥面空间曲面形态数据通过下列步骤实现：

Ⅰ沿桥梁纵向连续采集桥面形态图像；

Ⅱ将步骤Ⅰ中连续采集的桥面形态图像拼接，获得桥面空间曲面图像，从而获得桥面空间曲面形态数据；

步骤a中，在获取桥梁的桥面空间曲面形态数据、桥梁的振动时程特性信号数据和音频时程特性信号数据时，同时记录数据获取时间和地理坐标信息数据，以及采集环境照度、温度、湿度；

步骤a中，还获取桥梁空间结构形态影像数据。

9.根据权利要求7所述的基于中医理论的桥梁检测诊断方法，其特征在于：步骤a中，在获取桥梁的桥面空间曲面形态数据、桥梁振动时程特性信号数据和桥梁结构音频时程特性信号数据时，可通过对行走车加减载重质量和调控振动发生器来获得不同荷载和振动激励下的桥面形态、桥梁振动及音频时程特性信号数据。

10.根据权利要求9所述的基于中医理论的桥梁检测诊断方法，其特征在于：步骤c中，包括：

c1将历次获取的桥面空间曲面形态数据与本次数据进行对比，进行桥面空间曲面形态当前状况评价；

c2将历次获取的行走车通过桥梁的振动时程信号数据与本次数据进行对比，进行桥梁振动特性当前状况评价；

c3将历次获取的行走车通过桥梁的音频时程信号数据与本次数据进行对比，进行桥梁音频特性当前状况评价价；

c4将历次获取的桥梁空间结构形态数据与本次数据进行对比，进行桥梁空间结构形态当前状况评价；

综合步骤c1、c2、c3和c4的评价结果，对桥梁当前的安全状况进行评价，并对桥梁结构后期的发展趋势进行预测。