一种桥梁实时监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种桥梁实时监测系统，包括核心控制处理模块（7）和与核心控制处理模块（7）联接的环境检测传感器单元（2）、流量检测传感器单元（3）、结构检测传感器单元（4）、抓拍像机（6）、GPS授时单元（1）和无线数据传输单元（5）；本发明将GPS的时间信号引入测量结果，并为传感器和像机的输出数据增加了时间标示码，实现了数据的精确同步，为后续数据处理和分析提供了同步基准。同时根据对结构检测传感器数据的分析和阈值判断，确定目标物体是否为动态变形，并根据信号阈值触发抓拍像机工作，实现了对动态形变的完整监测，确保了对桥梁全面合理的监测，并具有节省数据资源，减小无线数据传输和数据存储备份的压力的效果。
【专利说明】一种桥梁实时监测系统
【技术领域】
[0001]本发明属于力学测量【技术领域】，涉及一种可用于桥梁、大坝、结构件等目标的位移和形变测量技术，特别是一种用于桥梁变形的参数和图像实时监测系统。
【背景技术】
[0002]桥梁、大坝、结构件等目标的变形主要包括静态变形和动态变形，静态变形是指地基下陷、倾斜和应力松弛等变化很慢的变形，动态变形是指由于风、温度、地震及交通负载引起的短期变形，其参数监测对于目标的安全评估分析具有重要的作用。世界上很多国家都投入了很大的人力物力，进行桥梁变形测量技术的研究。
[0003]传统的桥梁变形检测的仪器有百分表、千分表、加速计、水准仪、经纬仪等。目前，这些仪器在桥梁验收、定期检测中仍然广泛使用，但是需要专业技术人员，费时、费力，人为误差大，远远不能实现在线、实时、自动、智能测量。近年来，信息技术的蓬勃发展大大带动了桥梁变形测量技术的发展，涌现了许多新技术和新方法，比如激光位移法和GPS (GlobalPosition System)定位测量法。激光位移仪能实现亚毫米的位移测量，但是量程仅能达到数十厘米，不能满足跨距较大的用于桥梁大变形的测量，其垂直位移可达米级；GPS定位测量法可实现实时在线测量桥梁的大变形，但是其精度智能达到厘米级，且费用高昂，限制了其推广应用。
[0004]此外在应用中还存在着以下问题:(1)传感器数量种类多，难以实现各类输出数据的精确同步，给后续数据的融合、处理和分析带来困难；(2)桥梁变形的监测属于长期，加上传感器数量较多，为了节约数据资源，减小无线数据传输和数据存储备份的压力，需要对静态变形进行低时间分辨力的长期监测，同时对动态变形进行高时间分辨力的短期集中监测，但是现有的监测系统难以实现上述的控制，造成了数据资源的浪费或者难以达到对特殊事件的高时间分辨力测量；3)图像实时记录会产生大量的数据，会给后续数据存储和数据传输带来压力，同样急需要一种既能满足对动态大范围形变的全过程记录，又能节省数据资源的装置。
【发明内容】
[0005]为解决上述技术问题，本发明提出了一种桥梁实时监测系统，在桥梁上安装了环境检测传感器、流量检测传感器、结构检测传感器和用于桥梁整体形貌监测的抓拍像机，并对各个传感器和像机进行时间同步控制处理，为数据加上时间标记；同时通过对结构检测传感器的信号阈值判断，控制抓拍像机工作，识别动态变形事件，实现了对突发时间的完整记录。此外本发明采用了先进的集成式位移传感器，大大提高了测量精度，并具有结构简单可靠、二维实时测量、测量量程大等特点。
[0006]本发明的技术内容如下:
[0007]一种桥梁实时监测系统，包括核心控制处理模块和与核心控制处理模块联接的环境检测传感器单元、流量检测传感器单元、结构检测传感器单元、抓拍像机、GPS授时单元和无线数据传输单元；
[0008]核心控制处理模块包括中央控制单元和与中央控制单元联接的数据采集单元、同步触发控制单元和数据处理单元；
[0009]数据采集单元用于获取环境检测传感器单元、流量检测传感器单元和结构检测传感器单元的传感器数据；
[0010]同步触发控制单元按照GPS授时单元提供的时基信号，按设定的频率同步触发数据采集单元对传感器信号进行采集；
[0011]数据处理单元用于传感器信号的分析、处理和抓拍像机的触发阈值判断，并按照GPS授时单元提供的时基信号，对传感器数据和抓拍像机的图像数据进行处理，加上时间标示码;
[0012]中央控制单元根据数据处理单元的触发阈值判断结果驱动抓拍像机工作，并将处理后的传感器数据和像机数据经无线数据传输单元传出。
[0013]上述桥梁实时监测系统中，环境检测传感器单元包括温度传感器、风速传感器、雨量传感器中的一种或几种组合。
[0014]上述桥梁实时监测系统中，流量检测传感器单元包括地感传感器、红外传感器、称重传感器中的一种或几种组合。
[0015]上述桥梁实时监测系统中，结构检测传感器单元包括位移传感器、应变传感器、振动传感器中的一种或几种组合。
[0016]上述桥梁实时监测系统中，位移传感器包括在被测量目标上设定的靶标和在远距离处设置的远程位移传感器，所述的远程位移传感器设置在变形可忽略的固定支点上。
[0017]远程位移传感器包括光学镜头、图像传感器、核心控制功能单元、处理存储单元、触发控制单元和数据输出单元，其中
[0018]光学镜头瞄准被测量目标上设置的靶标；
[0019]图像传感器为C⑶或CMOS传感器，用于获取被测量目标的图像；
[0020]触发控制单元用于提供远程位移传感器所需的触发信号；
[0021]数据输出单元与处理存储单元联接，用于图像数据的发送；
[0022]处理存储单元与核心控制功能单元相联，用于图像数据的存储和处理；
[0023]核心控制功能单元包括触发信号检测模块、目标靶模板加载及规格化模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和目标图像匹配检测模块，其中，目标靶模板加载及规格化模块事先根据靶标的特征建立目标靶模板，并对目标靶模板进行缩放和旋转处理，获得匹配模板组数据，并将其存储在处理存储单元的Flash存储器内；当触发信号检测模块接收到触发信号后，图像采集模块获取图像传感器数据，经过图像灰度化及缩放模块运行处理后，得到与靶标图像相适应的数据格式；在目标图像匹配检测模块内将靶标特征模板组数据与处理后的图像传感器数据进行匹配检测，并根据检测结果计算出位移参数，最后由数据输出单元传出。
[0024]上述桥梁实时监测系统中，目标图像匹配检测模块包括目标图像粗略匹配单元、目标图像精确匹配单元和结果判定单元，其中
[0025]目标图像粗略匹配单元将图像灰度化及缩放模块处理后的图像划分为若干个区域，并将靶标模板组数据与图像的各个子区域数据进行相关性计算，粗略判断得到靶标图像存在的热点区域；
[0026]目标图像精确匹配单元将热点区域内图像数据与靶标特征模板数据逐像素进行相关性计算，判断得到靶标所在的图像位置；
[0027]结果判定单元处理获取靶标的坐标信息，并计算得到靶标的位移值。
[0028]上述桥梁实时监测系统中，靶标为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。
[0029]上述桥梁实时监测系统中，加电靶标为排成一定形状的LED或LD灯带。
[0030]上述桥梁实时监测系统中，无线数据传输单元为GPRS系统或3G无线传输系统。
[0031]上述桥梁实时监测系统中，抓拍像机为CXD或CMOS传感器。
[0032]本发明的技术效果如下:
[0033]1、将GPS的时间信号引入测量结果，并为传感器和像机的输出数据增加了时间标示码，实现了数据的精确同步，为后续数据处理和分析提供了同步基准。
[0034]2、通过对外界的结构检测传感器数据的分析和阈值判断，确定目标物体是否为动态变形，并根据信号阈值触发抓拍像机工作，实现了对动态形变的完整监测，确保了对桥梁全面合理的监测，并具有节省数据资源，减小无线数据传输和数据存储备份的压力的效果。
[0035]3、本发明采用先进的集成式位移传感器准确测量得到了桥梁的挠度参数，该位移传感器采用图像传感器获取被测量目标上远程靶标的图像，通过图像处理获得桥梁的挠度参数，且核心控制功能单元采用嵌入式系统，具有结构紧凑简单可靠、二维实时测量、测量量程大等特点，适用于长期、在线、多点测量。
[0036]4、本发明的位移传感器对靶标要求不高，系统可根据靶标生成不同缩放比及旋转角度的目标靶模板组，获取目标靶的距离、大小及位移信息；如果采用加电的LED或LD灯带作为靶标，则可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。
[0037]5、本发明的位移传感器将靶标的特征目标提取后获得不同缩放率和不同旋转角度的目标模板组数据，预先放置在flash存储器中，在测量中只需要读取存储器的特征目标模板组数据与图像传感器的数据进行逐个比对，大大提高了比对效率；同时在数据比对过程中，利用图像相关性算法及粗略搜索及精确搜索相结合的策略有效提高了比对速率和准确度，最终提高了测量的时间分辨率和精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为本发明桥梁实时监测系统的工作原理图；
[0039]图2为本发明桥梁实时监测系统的工作流程图
[0040]图3为本发明位移传感器的原理示意图；
[0041]图4为本发明位移传感器工作流程；
[0042]图5为本发明位移传感器中目标图像粗略匹配和粗略搜索原理示意图。
[0043]附图标记为:1 一 GPS授时单元；2 —环境检测传感器单元；3 —流量检测传感器单元；4 一结构检测传感器单元；5 —无线数据传输单元；6 —抓拍像机；7 —核心控制处理模块；11 一光学镜头；12 —图像传感器；13 —触发控制单兀；14 一数据输出单兀；15 —核心控制功能单元；16 —处理存储单元；17 —目标图像匹配检测模块；20 —靶标；21 —靶标特征模板组；22 —含有靶标的图像。
【具体实施方式】
[0044]如图1所示，本发明桥梁实时监测系统，包括核心控制处理模块7和与核心控制处理模块7联接的环境检测传感器单元2、流量检测传感器单元3、结构检测传感器单元4、抓拍像机6、GPS授时单元I和无线数据传输单元5。
[0045]其中环境检测传感器单元2包括温度传感器、风速传感器、雨量传感器中的一种或几种组合；流量检测传感器单元3包括地感传感器、红外传感器、称重传感器中的一种或几种组合；结构检测传感器单元4包括位移传感器、应变传感器、振动传感器中的一种或几种组合。
[0046]核心控制处理模块7包括中央控制单元和与中央控制单元联接的数据采集单元、同步触发控制单元和数据处理单元，其中数据采集单元采集获得环境检测传感器单元2、流量检测传感器单元3和结构检测传感器单元3的传感器数据。
[0047]同步触发控制单元按照GPS授时单元I提供的时基信号，按设定的频率同步触发数据采集单元对传感器信号进行采集，其中精确时间的获取是通过解析GPS的输出数据来实现的，也即通常所说的时间同步或者授时。
[0048]数据处理单元用于传感器信号的分析、处理和抓拍像机6触发阈值判断，并按照GPS授时单元I提供的时基信号，对传感器数据和抓拍像机6的图像数据进行处理，加上时间标示码，简单的说就是给图像记录的文件加上一个时间戳。
[0049]中央控制单元根据数据处理单元的触发阈值判断结果驱动抓拍像机6工作，并将获得的传感器数据和像机数据经无线数据传输单元5传出。
[0050]如图2所示，本发明桥梁实时监测系统的工作原理和流程如下:由于抓拍像机产生的数据量大，为了节省无线传输流量及数据存储量，在通常情况的桥梁静态变形下，图像记录系统不工作，这样可以节约数据资源。只有当桥梁发生动态变形时，才启动图像记录系统进行抓拍，而动态变形的发生时间则依靠结构检测传感器的数据来判断。
[0051]在数据处理单元对包括位移传感器、应变传感器、振动传感器在内的结构检测传感器4进行处理过程中，当传感器发生幅度突变超出预先设定的阈值时，可判断为桥梁产生了动态变形，这时中央控制单元会驱动抓拍像机6工作，对桥梁的整体图像进行记录，以便获得更详细的细节信息；当结构检测传感器4参数趋于正常时，则停止图像抓拍。
[0052]在对桥梁的参数进行全面记录过程中，由于采用了多种传感器和抓拍像机，为了确保后续多种参数数据能够同步融合，进行统一分析处理。数据处理单元在处理中，均加上了按照GPS授时单元获取的时间标示码，并经GPRS无线输出终端或3G无线传输系统输出，这样在后续处理和分析时就有了时间基准，为数据同步融合、提取和分析提供了方便。
[0053]时间标记作为传感器数据帧的帧头，由6个字节组成，结构如下表所示:
[0054]
【权利要求】
1.一种桥梁实时监测系统，其特征在于:包括核心控制处理模块(7)和与核心控制处理模块(7)联接的环境检测传感器单元(2)、流量检测传感器单元(3)、结构检测传感器单元(4)、抓拍像机(6)、GPS授时单元(1)和无线数据传输单元(5); 所述的核心控制处理模块(7)包括中央控制单元和与中央控制单元联接的数据采集单元、同步触发控制单元和数据处理单元； 所述的数据采集单元用于获取环境检测传感器单元(2)、流量检测传感器单元(3)和结构检测传感器单元(3)的传感器数据； 所述的同步触发控制单元按照GPS授时单元(1)提供的时基信号，按设定的频率同步触发数据采集单元对传感器信号进行采集； 所述的数据处理单元用于传感器信号的分析、处理和抓拍像机(6)的触发阈值判断，并按照GPS授时单元(1)提供的时基信号，对传感器数据和抓拍像机(6)的图像数据进行处理，加上时间标示码； 所述的中央控制单元根据数据处理单元的触发阈值判断结果驱动抓拍像机(6)工作，并将处理后的传感器数据和像机数据经无线数据传输单元(5 )传出。
2.根据权利要求1所述的桥梁实时监测系统，其特征在于:所述的环境检测传感器单元(2)包括温度传感器、风速传感器、雨量传感器中的一种或几种组合。
3.根据权利要求1所述的桥梁实时监测系统，其特征在于:所述的流量检测传感器单元(3)包括地感传感器、红外传感器、称重传感器中的一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述的桥梁实时监测系统，其特征在于:所述的结构检测传感器单元(4)包括位移传感器、应变传感器、振动传感器中的一种或几种组合。
5.根据权利要求4所述的桥梁实时监测系统，其特征在于:所述的位移传感器包括光学镜头(11)、图像传感器(12)、核心控制功能单元(15)、处理存储单元(16)、触发控制单元(13)和数据输出单元(14)，其中 所述的光学镜头(11)瞄准被测量目标上设置的靶标； 所述的图像传感器(12)为CCD或CMOS传感器，用于获取被测量目标的图像； 所述的触发控制单元(13)用于提供远程位移传感器所需的触发信号； 所述的数据输出单元(14)与处理存储单元(6)联接，用于图像数据的发送； 所述的处理存储单元(16)与核心控制功能单元(15)相联，用于图像数据的存储和处理； 所述的核心控制功能单元(15)包括触发信号检测模块、目标靶模板加载及规格化模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和目标图像匹配检测模块(17)，其中，所述目标靶模板加载及规格化模块事先根据靶标的特征建立目标靶模板，并对目标靶模板进行缩放和旋转处理，获得匹配模板组数据，并将其存储在处理存储单元(16)的Flash存储器内；当触发信号检测模块接收到触发信号后，图像采集模块获取图像传感器数据，经过图像灰度化及缩放模块运行处理后，得到与靶标图像相适应的数据格式；在目标图像匹配检测模块(17)内将靶标特征模板组数据与处理后的图像传感器数据进行匹配检测，并根据检测结果计算出位移参数，最后由数据输出单元(14)传出。
6.根据权利要求5所述的桥梁实时监测系统，其特征在于:所述的目标图像匹配检测模块包括目标图像粗略匹配单元、目标图像精确匹配单元和结果判定单元，其中所述的目标图像粗略匹配单元将图像灰度化及缩放模块处理后的图像划分为若干个区域，并将靶标模板组数据与图像的各个子区域数据进行相关性计算，粗略判断得到靶标图像存在的热点区域； 所述的目标图像精确匹配单元将热点区域内图像数据与靶标特征模板数据逐像素进行相关性计算，判断得到靶标所在的图像位置； 所述的结果判定单元处理获取靶标的坐标信息，并计算得到靶标的位移值。
7.根据权利要求5或6所述的桥梁实时监测系统，其特征在于:所述的靶标为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。
8.根据权利要求7所述的桥梁实时监测系统，其特征在于:所述的加电靶标为排成一定形状的LED或LD灯带。
9.根据权利要求1所述的桥梁实时监测系统，其特征在于:所述的无线数据传输单元(5)为GPRS系统或3G无线传输系统。
10.根据权利要求1所述的桥梁实时监测系统，其特征在于:所述的抓拍像机(6)为CCD或CMOS传感器。
【文档编号】G01B11/16GK103940358SQ201410145554
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】曾有全, 高文武, 屈战辉, 杨利峰, 郭敏, 黄元库, 陈长军, 徐克强, 朱昌林 申请人:郭敏, 曾有全