基于数字信号序列长度识别裂缝宽度的方法及其监测装置与流程

本发明涉及结构裂缝监测技术领域，尤其涉及基于数字信号序列长度识别裂缝宽度的方法及其监测装置。

背景技术：

随着国民经济的发展以及人民生活水平的提高，道路交通安全日益重要，监测道路交通使用状况可及时采取措施有效排除道路交通安全隐患。梁体结构裂缝宽度变化是桥梁质量控制的重要预警指标，从中可以预测桥梁的主体安全性能，根据梁体裂缝宽度及时发出预警能保障人员的生命安全，因此，开发一种能够实现集裂缝信息采集、宽度测量、数据回传的裂缝监测仪器，既是顺应信息化时代的物联网大潮，也符合公路桥梁检测、养护业内的实际需求，有效测量结构裂缝宽度和监测梁体裂缝宽度变化是该领域的重要技术。现有的裂缝监测系统往往依赖人工现场巡查，存在着诸如费时费力、投入的人力成本大、长期监测困难等显而易见的不足与不便，且裂缝宽度测量过程较为复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有的裂缝监测系统往往费时费力、投入的人力成本大、长期监测困难，且依据拍摄得到的图像进行裂缝宽度测量过程较为复杂的问题，提供基于数字信号序列长度识别裂缝宽度的方法及其监测装置。

本发明采用的技术方案是：

基于数字信号序列长度识别裂缝宽度的方法，其包括以下步骤：

s1，裂缝监测前将透明标尺平整地粘贴到监测目标平面采集标尺的信息，

s2，采集裂缝图像获得的rgb表示的二维数据矩阵，

s3，对二维数据矩阵依次进行灰度变化转换和二值化处理后，获得反映二维矩阵整体和局部特征的二值化的二维数据矩阵；

s4，逐行扫描二值化的二维数据矩阵，获取裂缝目标信息以及每一行裂缝信号的序列段，从包含裂缝信息的数字信号区分出裂缝目标信息和背景信息；

s5，识别出最宽裂缝所在的行，计算最宽裂缝行包含的裂缝信息在二维数据矩阵中所占的序列长度，作为该裂缝宽度的序列长度；

s6，分析出信息采集模块对应标尺上固定间距所采集的信号序列长度，作为当前倍率下设备与监测目标平面间的标定关系；

s7，依据标定关系结合识别分析获得裂缝宽度序列长度得到实际裂缝宽度值；

s8，裂缝识别分析结果通过传输模块回传至服务器，当梁体实际裂缝宽度值超过设定的安全阈值时，裂缝识别结果包括裂缝宽度值以及预警提示通知。

进一步地，所述s1中监测目标范围尺寸设为l×w，信息采集模块的分辨率为p×q，利用两个物理尺寸标定实际物距l相应的数字信号序列长度p，即l/p表示单位长度序列所占实际物距，并作为该裂缝宽度监测装置的已知参数。

进一步地，所述s2中二维数据矩阵表示为i=m×n，m为矩阵的行数,n代表矩阵的列数，二维数据矩阵i（m，n）=（r,g,b）表示各坐标点的信号值获得三通道数字信号，其中m表示坐标点对应的行，m=1,…,m；n表示坐标点对应列，n=1,…,n。

进一步地，s3具体包括以下步骤：

s3-1，将二维数据矩阵等式右侧的rgb三维数组通过灰度变化转换成一维灰度数组，灰度变化转换公式gray=r*0.299+g*0.587+b*0.114；

s3-2，将步骤s3-1处理过的灰度值二维矩阵的所有值的平均数作为均值阈值，采用均值阈值对该灰度一维数组进行二值化，低于均值阈值则灰度置为0，高于均值阈值则置灰度为255，获得反映二维矩阵整体和局部特征的二值化矩阵。

进一步地，所述s7实际裂缝宽度值的计算方法：取列宽的最大值max（k（m））与标定关系l/p换算成实际尺寸width=max（k（m））*l/p，单位mm，即为该裂缝监测目标点的裂缝宽度值。

本发明还公开了基于数字信号序列长度识别裂缝宽度的监测装置，其包括仪器外壳以及设于仪器外壳内的信息采集模块、控制模块、裂缝识别模块和传输模块；仪器外壳通过一固定装置安装于待监测裂缝所在的结构平面，信息采集模块分别连接控制模块和裂缝识别模块，控制模块分别连接裂缝识别模块和传输模块，传输模块获得网络ip并连接后台服务器；信息采集模块采集裂缝图像并输出一个包含裂缝目标的二维数据矩阵，每个坐标点包含一个rgb三维数组；裂缝识别模块将包含裂缝目标的二维数据矩阵中每个坐标点的rgb三维数组通过灰度变化转换成一个数值，传输模块通过物联网卡与后台服务器以无线方式远程相连，将裂缝识别分析结果回传。

进一步地，所述仪器外壳选用结实耐用的防护防水材料成型，仪器外壳用于安装于内部的所有功能硬件模块的承载及防护，仪器外壳整体呈长方体，仪器外壳的尺寸为78mm*78mm*47.8mm，仪器外壳的底面四角带固定用螺孔小耳。

进一步地，所述固定装置利用仪器外壳底面小耳，将裂缝监测仪固定到裂缝所在的结构平面，裂缝监测仪前端需紧贴住结构的裂缝部位。

进一步地，所述控制模块接收由后台服务器发出指令来控制设备定时工作。

进一步地，信息采集模块包括依次连接的焦距2.8mm的镜头、cmos传感器件及采集处理芯片。

进一步地，所述信息采集模块还设置有辅助照明系统，后台服务器控制电源定时启动时辅助光源开启并开始采集裂缝信息，

进一步地，所述裂缝识别模块连接有预警提示单元。

本发明采用以上技术方案，利用信息采集模块在led照明灯的辅助下采集裂缝的影像信息，由嵌入式裂缝识别算法对影像信息进行分析，识别出裂缝目标所在的位置以及最宽裂缝对应的宽度，并在裂缝宽度值超出设定的安全阈值时启用预警提示，裂缝宽度识别结果通过4g数据传输模块进行网络传输，回传至与之相连的后台服务器，存储结果，后期可将不同时间段对应的裂缝扩张程度形成趋势图，实现裂缝宽度及扩张程度在线监控、裂缝问题及时预警，有助于安全隐患高效处理，适用于测量和监控梁体结构裂缝。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明基于数字信号序列长度识别裂缝宽度的监测装置的结构示意图；

图2为本发明基于数字信号序列长度识别裂缝宽度的监测装置的使用示意图。

具体实施方式

如图1或2所示，本发明公开了基于数字信号序列长度识别裂缝宽度的方法，其包括以下步骤：

s1，裂缝监测前将透明标尺平整地粘贴到监测目标平面采集标尺的信息，进一步地，所述s1中监测目标范围尺寸设为l×w，信息采集模块2的分辨率为p×q，利用两个物理尺寸标定实际物距l相应的数字信号序列长度p，即l/p表示单位长度序列所占实际物距，并作为该裂缝宽度监测装置的已知参数。

s2，采集裂缝图像获得的rgb表示的二维数据矩阵，进一步地，所述s2中二维数据矩阵表示为i=m×n，m为矩阵的行数,n代表矩阵的列数，二维数据矩阵i（m，n）=（r,g,b）表示各坐标点的信号值获得三通道数字信号，其中m表示坐标点对应的行，m=1,…,m；n表示坐标点对应列，n=1,…,n。

s3，对二维数据矩阵依次进行灰度变化转换和二值化处理后，获得反映二维矩阵整体和局部特征的二值化的二维数据矩阵；进一步地，s3具体包括以下步骤：

s3-1，将二维数据矩阵等式右侧的rgb三维数组通过灰度变化转换成一维灰度数组，灰度变化转换公式gray=r*0.299+g*0.587+b*0.114；

s3-2，将步骤s3-1处理过的灰度值二维矩阵的所有值的平均数作为均值阈值，采用均值阈值对该灰度一维数组进行二值化，低于均值阈值则灰度置为0，高于均值阈值则置灰度为255，获得反映二维矩阵整体和局部特征的二值化矩阵。

s4，逐行扫描二值化的二维数据矩阵，获取裂缝目标信息以及每一行裂缝信号的序列段，从包含裂缝信息的数字信号区分出裂缝目标信息和背景信息；

s5，识别出最宽裂缝所在的行，计算最宽裂缝行包含的裂缝信息在二维数据矩阵中所占的序列长度，作为该裂缝宽度的序列长度；

s6，分析出信息采集模块2对应标尺上固定间距所采集的信号序列长度，作为当前倍率下设备与监测目标平面间的标定关系；

s7，依据标定关系结合识别分析获得裂缝宽度序列长度得到实际裂缝宽度值；进一步地，所述s7实际裂缝宽度值的计算方法：取列宽的最大值max（k（m））与标定关系l/p换算成实际尺寸width=max（k（m））*l/p，单位mm，即为该裂缝监测目标点的裂缝宽度值。

s8，裂缝识别分析结果通过传输模块6回传至服务器，当梁体实际裂缝宽度值超过设定的安全阈值时，裂缝识别结果包括裂缝宽度值以及预警提示通知。

具体本发明的算法原理为：裂缝信息采集模块2输出为二维数据矩阵i=m×n，用i（m，n）表示各坐标点的数字信号值，其中m=1,…,m；n=1,…,n，各点信号初始格式为rgb三维数组，运用gray=r*0.299+g*0.587+b*0.114转换成灰度值，从三维数组转换成一维数组，因此转换后每个坐标位置只有一位数值。裂缝识别算法通过逐行扫描二维数据矩阵，将包含裂缝信息的数字信号区分出裂缝信息和背景信息，同时获取矩阵每一行中裂缝所占列宽k（m），且k（m）≤n，m=1,…,m，取列宽k（m）的最大值max（k（m））与标定关系l/p换算成实际尺寸width=max（k（m））*l/p，单位mm，即为该裂缝监测点的裂缝宽度。对于同一裂缝监测点，通过对比不同时间点采集到的裂缝宽度，获得该裂缝监测点的裂缝宽度随时间的变化曲线。在裂缝识别模块中设置梁体裂缝宽度安全阈值，用于当梁体裂缝宽度超过安全阈值时预警提示，预警提示随裂缝宽度值一同回传之后台服务器。

所述传输模块6，与上位机软件平台之间采用tcp/ip协议进行通讯，将数据传输至服务器以供数据分析处理获得裂缝宽度及其随时间的变化曲线，同时存储数据；另所述后台服务器用于控制固定采集频率、发出信息采集指令和存储监测结果等。

进一步地，如图1所示，本发明还公开了基于数字信号序列长度识别裂缝宽度的监测装置，其包括仪器外壳3以及设于仪器外壳3内的信息采集模块2、控制模块4、裂缝识别模块和传输模块6；仪器外壳3通过一固定装置安装于待监测裂缝1所在的结构平面；具体地，所述固定装置用于固定裂缝1监测仪，并将其固定在获取最佳裂缝1目标的位置，同时要求距离可减震；信息采集模块2分别连接控制模块4和裂缝识别模块5，控制模块4分别连接裂缝识别模块5和传输模块6，传输模块6获得网络ip并连接后台服务器；信息采集模块2采集裂缝1图像并输出一个包含裂缝1目标的二维数据矩阵，每个坐标点包含一个rgb三维数组；裂缝识别模块5将包含裂缝1目标的二维数据矩阵中每个坐标点的rgb三维数组通过灰度变化转换成一个数值，传输模块6通过物联网卡与后台服务器以无线方式远程相连，将裂缝1识别分析结果回传。

所述信息采集模块2的前端保护壳紧贴住裂缝1部位，信息采集模块2的镜头中心对准裂缝1，利用固定装置将裂缝1监测仪固定于结构裂缝1附近，设计开发红色采集按钮，采集按钮与远程控制模块4物理连接，由后台服务器控制采集频率、发出采集指令，也可手动采集；所述信息采集模块是指焦距2.8mm的镜头、cmos传感器件及采集处理芯片，获取目标信息，目标监测范围为6mm*8mm；所述信息采集模块2含cmos传感模组，在采集装置前端安装防水保护壳，防护壳辅助固定目标与镜头的距离；本发明可采用短线连接的锂电池进行供电或可引长线利用太阳能板进行不间断供电。

具体安装方法，如图1或2所示，选择公路桥梁地面或梁体结构中的裂缝1，将裂缝1监测仪的cmos传感信息采集模块22中镜头201的前端保护壳202紧贴住裂缝1，前端保护壳202内一圈203安装4个led灯，用于辅助照明，同时使镜头201中心对准结构裂缝1，信息采集模块2还包含cmos传感部件204及处理芯片205，将信息采集模块22利用外壳3底部螺丝孔301固定于附近牢固梁体1，使观测到的目标清晰。裂缝1监测仪内还包含控制模块4、裂缝识别模块5和传输模块6（含gsm天线601）。裂缝1监测仪通过电源线7与外接电源相连进行供电。仪器调整稳定后，保持固定点不动，进行信息采集，裂缝1识别算法分析采集到的信息获得裂缝1宽度值后通过传输模块6回传至后台服务器，供后期分析、追溯该裂缝1的变化情况。

进一步地，所述仪器外壳3选用结实耐用的防护防水材料成型，仪器外壳3用于安装于内部的所有功能硬件模块的承载及防护，仪器外壳3整体呈长方体，仪器外壳3的尺寸为78mm*78mm*47.8mm，仪器外壳3的底面四角带固定用螺孔小耳。

进一步地，所述固定装置利用仪器外壳3底面小耳，将裂缝1监测仪固定到裂缝1所在的结构平面，裂缝1监测仪前端需紧贴住结构的裂缝1部位。

进一步地，所述控制模块4接收由后台服务器发出指令来控制设备定时工作。

进一步地，所述信息采集模块2还设置有辅助照明系统，后台服务器控制电源定时启动时辅助光源开启并开始采集裂缝1信息，具体地，将4个1mm口径的led灯安装到采集装置前端保护壳内，由供电模块提供电源打光发亮。

进一步地，所述裂缝识别模块5连接有预警提示单元。

本发明采用以上技术方案，利用信息采集模块在led照明灯的辅助下采集裂缝的影像信息，由嵌入式裂缝识别算法对影像信息进行分析，识别出裂缝目标所在的位置以及最宽裂缝对应的宽度，并在裂缝宽度值超出设定的安全阈值时启用预警提示，裂缝宽度识别结果通过4g数据传输模块进行网络传输，回传至与之相连的后台服务器，存储结果，后期可将不同时间段对应的裂缝扩张程度形成趋势图，实现裂缝宽度及扩张程度在线监控、裂缝问题及时预警，有助于安全隐患高效处理，适用于测量和监控梁体结构裂缝。