大型土木工程结构的动态位移远距离实时检测系统。
陈俊峰赵文广罗洪斌李鹏辉温阴平。
a real-time system for monitoring distant dynamic displacement of structures
chen jun-feng zhao wen-guang luo hong-bin li peng-hui wen yin-ping
摘要：基于数字图像测量技术的基础上，实时监测系统的开发和检测工程结构动态位移。通过与自我编程软件处理系统实时协调，和一定坐标系统可以得到进一步的动态位移数据和曲线。
也就是说，自动采集和实时数据的处理可以通过该系统进行了同步。对于这个系统，首先，采用非接触监测技术，它可以监测或检测对象在几米到几百米外，第二，它具有灵活的安装条件和亚毫米度良好的监测精度；第三，它适合动态，准动态和静态监测大型工程结构。通过多次试验和大型桥梁监测，良好的可靠性和系统优势得到证明。
关键词：动态位移实时监控和检测次像素系统校准动态跟踪。
clc number tp751.1; tu196.4
概述（introduction）
测量结构位移动态，数据动态监测，检测和分析[1-3]价值。然而，它是一个困难的问题，由于现有的测量设备和技术的限制，目前，实时监测和大型工程结构动态位移检测。根据检测结果，现有的检测方法动态位移可分为两类：
直接法和间接法[4]。对于前一种方法，一个基准点，加以控制，这是相对固定的动态点，动态和固定点之间的相对位移检测的传感器。由空间较小的微型结构占用，固定基准点，可以发现所有的时间的测量精度和动态响应程度，因此自动处理和实时输出可以进行。
这时很难找到周围的大型机构，如大跨度桥梁，高层建筑等，动态点的固定基准点。随着对被测物体变形的增加，传感器可能会失效，动态测量失败。对于后一种方法，测量仪器体积小，方便，但它有一个较低的测量精度和可靠性低的致命缺陷。
至于动位移的监测和检测，由于信息，测量仪器和数据处理，昂贵的设备和严谨的工作，新技术条件的复杂性，也存在实现自动处理和实时输出时的许多问题。在上述情况的基础上，直接法，实时系统的开发，监测和检测大型工程结构动态位移。对于这个系统，远程监控技术是通过实时处理数据和输出实现的，它具有灵活的安装条件，良好的监测精度，降低成本，操作方便。
1系统结构（system structure）
实时监控和检测系统分为两部分：硬件系统和软件系统。
1.1硬件系统（hardware system）
该实时监控和检测系统的硬件系统主要由图像采集设备，计算机和系统校准板（图1）组成。工业ccd相机和图像采集卡是图像采集设备。不同的镜头可以达到不同的观测距离，特别是中，长焦距镜头可以看到几百米。
一般来说，图像采集卡可以达到每秒25帧以上。由于大型结构的几个频率，可满足大型结构的低频振动检测的要求。由于电脑的整体性能有了很大提高，而且具有良好的普遍性。
该系统可以使用的校准板有木钳板，塑料板或薄金属板。有一个特别设计的黑色和白色的几何图是25平方米的积点版。它不需要电子设备和电源，只通过适配器上的测量结构固定。
fig.1 diagram of system structure（图 1）
1.2软件系统（software system）
该实时监控和检测系统软件系统主要由一个实时操作系统和实时图像采集和分析系统组成。目前，windows xp的使用和更成熟的平台，是这个系统运行该软件采用的操作平台。在这个平台上，用vc ++编程语言来实现图像采集。
通过使用多线程编程技术，在缓存中进行**处理。此外，自动跟踪和识别物体得以实现。最后，确保该系统在实际时间。
2 工作原理和实现流程（working principle and realization flow）
2.1系统安装（system installation）
该系统校准板固定在被测结构上。 “xy” 校准板轴坐标系统和工程系统有相似之处。例如，“侧向垂直横”的大型桥梁是“某某”的工程坐标系，主体上的高层建筑轴线是“xy”的工程坐标系，其铅垂线方向是z轴。
为监测桥梁，为图像采集所用的设备都设置一个固定点沿大桥轴线。这一点可在地面上，桥墩或平台，聚集在那里的摄像机可以对系统的名义板采集图像。摄像机的主要光轴可调节成兼姿势，如仰角，抑郁和偏转角（图2）角。
在动态位移监测时，一旦系统被校准，相机的主光轴应该是固定的。
fig.2 diagram of system installation（图 2）
2.2系统校准（system calibration）
系统标量正在创建图像之间的对应关系协调的ccd相机和工程体系。通过使用子像素技术重心法，对象点的数据抽象。首先，将图像转化为二进制。
然后，将确定目标区域。由于图像中噪声的存在，它可能会带来一些错误时，图像为二进制改变。此外，该目标区域的边界将有一个模糊。
为了消除其对算法的精度影响，目标点进行预处理与开启和关闭。如果该目标区域选择得当，像素精度可以达到0.2-0.
5 [5-7]。
该图像是由ccd摄像头采集，这是一个在校准板图的映射。映射功能取决于相机的坐标系统和工程系统图像的几何关系。这是一个理想的光学系统的线性关系。
但是，也有许多复杂的错误，在实际光学系统，如图像错误，扭曲误差，影响面粗糙的登记等。他们在一个复杂的非线性关系的结果[8,9]。在这项研究中，三次多项式拟合的方法是通过建立两者之间的对应关系。
其中x，y是工程的目标点坐标，u和v是对应的图像坐标ij一，ij b是多项式的系数。有25个分界点，董事会的组成正方形点阵间距。他们的工程坐标已知，图像的对应点坐标的图像可以得到。
根据最小二乘法，它要求的误差平方和最小的是25积点。
有两个是10个方程组成的线性方程组，每个系统包含10个未知的数字。解决了单独的公式，然后在参数a和b可以得到。这就是说，协调两者之间的系统转换的实现。
为了保证该系统，采用区域生长算法，它可以标记控制点，计算像素的实时性。然后，自动校准，实现工程坐标之间的坐标和图像。一般情况下，通过使用摄像头捕捉到的图像校准板，它可以在动态测量前完成系统校准。
也就是说，用这两个关系，可建立坐标。
2.3自动跟踪运动物体的图像系列（automatic tracking of moving object in image series）
运动目标跟踪的目的是分析图像传感器和一系列为每个图像中的对象户口所在地筛选。可靠性和精度是两个在跟踪过程中的重要指标[8]。在不远的距离，该对象具有一定的区域，因此windows中心跟踪或匹配跟踪用来保证稳定性和跟踪精度。
窗户中心跟踪子像素中介绍了基于这项研究，所以可以顺利的跟踪窗口的对象和帐户在windows对象的中心[10,11]。跟踪过程中噪声干扰的主要因素是影响跟踪精度。在目标跟踪，噪声主要**于两个途径：
一个是系统和传感器的固有噪声，另一个是围绕物体周围的干扰，这将带来错误当会计的对象中心。该中心估计精度的对象是非常敏感的对象窗口的中心位置。当影像和**算法和对象的窗口尺寸是肯定的，估计平均错误对象的中心，以期对象的中心和窗口中心实际位置差成正比。
这就是说，越靠近中心窗口对象到对象的中心，平均误差更小。在此基础上的财产，而估计对象的中心，窗口之间的中心位置和对象的中心距离可以用来作为反馈修改了windows中心的地位。这使我们接近对象的中心，靠近最接近对象中心，以减少错误离散值。
图3显示了跟踪递归计算过程。
2.4动态观察（dynamic observation）
照相机是用来不断收集校准板，这与结构振动的图像。通过处理**，图像坐标得到，那么对象的动态点坐标是解决了这一点。根据图像采集速度，动态曲线的点和时间间隔的二维位移数据被导出。
考虑到图像序列之间的时间间隔，结构速度，加速度等参数，可以得到[12]。图4显示了其经营的流程图。
3试验和工程实例（tests and engineering instances）
为了评估系统的检测精度，我们已经进行了多次多距离静态和动态的现场测试。
3.1静态测试（static tests）
在距离50米和70米上，25个已知点坐标设计在校准板。
然后，该图像处理结果与给定值和测量误差可以得到。 50米距离的测量误差为± 0.194毫米，70米的距离为±0.226毫米。
3.2圆周运动测试（circular motion tests）
电机取物点在不同的速度进行圆周运动。图5和图6显示了两个50米远处的圆形运动位移轨迹图种。
fig.5 50 distance displacement locusdiagrams fig.6 50 distance displacement locus diagrams
of20 r/min (图 5of 70 r/min（图 6）
3.3工程实例（engineering instances）
3.3.1桥梁检测（bridge detection）
近年来，交通运输在我国得到迅速发展。在不同年份建成的桥梁承担日益增加的交通车流。大桥的安全检测得到普遍的关注。
几座桥梁被检测用该系统。图7和图8显示了动态位移随时间变化的两座桥梁曲线，跳跃测试分开。
3.3.2覆冰的高压电缆试验检测（icing test detection of high-voltage cables）
随着电力工业的发展，750千伏和1100千伏特高压项目已在我国实现。在冬天，北部和中国西部地区经常遭受高压电缆结冰的危害。积冰会吸引大量的电流，从而导致了一种张力的绝缘子串，电动装置和塔变电站危害。
这可能会导致事故。当电缆是跳跃，电缆之间的差距正在减少。它可能会导致相间闪络。
因此，电缆的积冰跳被认为是由在重冰区输电线路设计。它的相关理论，研究在国内和国外，并取得了经验公式。然而，没有先例遵循高电压750千伏及以上参数由模拟试验获得。
为验证这是非常重要的理论分析。在武汉研究院，我们提出了一系列的模拟测试，积冰，在一个大型户外试验场大跨度斜拉桥。跳跃的动态位移数据电缆，获得了这个制度，包括了最大的跳跃幅度，位移时间变化曲线，周期，衰减过程，绝缘子串运动等。
图9显示了动态位移在一个320米的跨度在100％卸货线中点时间变化曲线。
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