中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
馮東明博士
對于大型工程、基礎建設項目，沒聽說是建設完成就了事的。竣工之后需要由運維部門對結構進行長期的檢測和維護，以確保結構物在相當長的服役期內處于安全、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
目前最常使用的維護方法，還是靠肉眼的人工巡檢。這種方式效率低下，關鍵還效果有限，且工程經(jīng)驗告訴我們依靠工作人員責任心和職業(yè)素養(yǎng)來完成的工作通常沒有機器自動獲取的數(shù)據(jù)更靠譜。于是全世界的科學家開始就研發(fā)基于無損評估(Nondestructive evaluation , NDE) 的結構檢測與監(jiān)測技術，投入了大量的精力。但與實驗室條件不同，需要進行健康監(jiān)測的結構往往都具有體量大，所處環(huán)境復雜等特點，這給需要通過局部觀測來反映結構整體狀態(tài)的工作帶來很大挑戰(zhàn)。
近20年來，研究熱點開始轉向基于針對結構損傷探測以及基于傳感器探測(尤其是加速度傳感器)的結構完整性測定，例如通過基于頻域模態(tài)特性的變化，如自振頻率、振型、彎曲曲率、模態(tài)彈性及其導數(shù)，模態(tài)應變能、頻率響應函數(shù)等，來進行損傷探測——這樣做的確可以實現(xiàn)監(jiān)測的自動化，省去了人工，但依然難以推廣——因為傳感器系統(tǒng)的安裝非常復雜和耗時，硬件成本昂貴，以及傳感器網(wǎng)絡在結構服役期間的長期維護和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立，這些都不是輕松的工作。于是只能在一些經(jīng)費寬裕的項目上采用，且這整套系統(tǒng)的“項目之間可遷移性”往往不高，到另一個項目上還需要把工作重來一遍。
為了克服這些局限，研究者們開始尋找其他更好的解決方案，包括：
視覺傳感系統(tǒng)——本文從這里展開
視覺傳感系統(tǒng)(vision sensor systems)是一種由攝像機、視覺傳感器( computer vision-based sensors，或簡稱為 vision sensor)為主要組成部件，以計算機圖像識別與跟蹤算法為核心的，對結構進行遠距離、非接觸、無損傷監(jiān)測的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。
和現(xiàn)有的各種結構健康監(jiān)測系統(tǒng)相比，視覺傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：
1.與結構加速度傳感系統(tǒng)相比。視覺傳感系統(tǒng)可直接對結構整體位移進行實測，而相對于由許多(通常也不是很多)局部測點組成的傳感器網(wǎng)絡，結構的整體位移更直接地反應了結構總體剛度的變化，因此可以更準確地反應結構整體狀態(tài)；
2.與傳統(tǒng)的接觸型位移傳感器相比。傳統(tǒng)的接觸型位移傳感器，如線性可變差動變壓器 (linear variable differential transducer , LVDT)，需要一個不動的基準點，這在實際結構中很難做到。尤其在量測主梁跨中撓度的時候，長期在梁下假設一個架子基本是不可能實現(xiàn)的任務。視覺傳感系統(tǒng)就可以規(guī)避這個問題，通過攝像機的鏡頭和計算機圖像處理算法，利用非接觸的視覺傳感器技術進行位移量測，可以完美解決“找不到安裝傳感器的固定點”這個問題；
3.與傳統(tǒng)傳感器相比，視覺傳感系統(tǒng)不需要大量時間用于傳感器的安裝，其安裝成本相對也很低。視覺傳感器不需要與結構物的物理接觸，可以遠程控制，可節(jié)約時間和器材成本，尤其對于橋梁而言，安裝的時候不需要交通管制；
4.與GPS相比，視覺傳感器雖然也需要在結構物上安裝標靶，但其監(jiān)測精度遠遠比GPS(誤差5~10mm)高多了；
5.與非接觸的激光測振儀相比，測試儀器可以安放得更遠，甚可以達到幾百米之外，同樣達到想要的精度；
6.對于傳統(tǒng)的傳感器而言，視覺傳感器可以是非接觸分布傳感器技術，同時在很長的距離上跟蹤多個變化的目標，獲取同步數(shù)據(jù)。
目前，視覺傳感器系統(tǒng)在實驗室和實際工程中都得到了驗證，這個系統(tǒng)的核心是數(shù)字圖像相關技術(Digital Image Correlation，DIC) ，這是一種基于灰度數(shù)字圖像的全視野圖像分析方法，可以在三維空間中確定物體的輪廓和位移。
有了這個利器，就可以在力學試驗中，將拍攝圖像中的構件物理位移轉變?yōu)橄袼丶墶喯袼丶墑e的應變。研究者通常將帶有人工斑塊圖案或其他紋理的圖案安裝到構件表面來提高視覺識別的精度，基于由圖像得到的構件應變場，可以量測并計算出多種結構參數(shù)，如：楊氏模量、泊松比、應力強度因子、殘余應力、熱膨脹系數(shù)等等。
在結構的健康監(jiān)測應用中，結構的自振頻率和振型可以方便地從一個或多個鏡頭實測的位移計算得到。
傳感器系統(tǒng)通常包括一個或多個攝像機，長焦鏡頭和計算機，如果有在夜間進行監(jiān)測的需求，就還需要安裝燈具器材。
詳細地，可把視覺傳感系統(tǒng)的組成分為以下幾個部分：
1.攝像機。攝像機通常安放在較遠的地方，因此需要使用長焦鏡頭。機身用三腳架固定，在無視線遮擋的遠處，且攝像機需要與進行圖像處理的計算機進行連接，攝像機的常用配件見下表：
2.標靶。標靶指的是用攝像機捕捉圖像用的參照物，可以在結構上設置一個或多個，任何結構物上的自然物體都可以當作標靶，但為了達到視覺識別精度的要求，需要在捕捉到的圖像中標靶與周圍環(huán)境有明顯的區(qū)分，對比度強烈。因此通常會安裝人造的，紋理清晰的黑白紋理板，如圖中的這種：
3.計算機與圖像處理軟件。如果使用的圖像軟件具有實時處理能力，這需要將計算機與攝像機相連，被量測的位移時變曲線就會在電腦屏幕中實時自動顯示，否則，圖像就會存儲在攝像機或電腦中以備以后處理，如下面的軟件界面：
圖像處理軟件需要實現(xiàn)幾個核心功能，包括：
利用模板匹配算法(template matching algorithm) ，與子像素技術結合，從圖像(尤其是動態(tài)圖像)中提取到與結構匹配的位移，從而實現(xiàn)對標靶目標的實時跟蹤。為了減少計算時間，可將每個視頻幀的某個預定區(qū)域(部分圖像)作為搜索目標，如圖：
坐標變換算法。為了從捕捉到的圖像中得到目標的物理位移，實際結構的坐標系與圖像像素級別的坐標系之間的關系需要建立：
上圖中就是一個完整的視覺傳感系統(tǒng)，以后我們再遇到類似的場景，便會想到除了拍攝橋梁美景的攝影師之外，還可能是東明兄正在海風中苦苦地搜集數(shù)據(jù)呢
盡管視覺傳感系統(tǒng)在結構健康監(jiān)測中的應用算是剛剛起步，但已經(jīng)有了不少可喜的嘗試：
結構模態(tài)特性識別：結構健康監(jiān)測通常都是通過振動測量來進行結構模態(tài)屬性識別的，然而利用拾振器開展的測量，只能在結構上布置為數(shù)不多的測點，而視覺傳感系統(tǒng)則可以實現(xiàn)用一套攝像機設備同時監(jiān)測結構上多個點的振動行為，從而在模態(tài)識別方面得到更精確、更符合實際結構情況的結果。
模型更新和損傷檢測：通過視覺傳感系統(tǒng)，可以采集結構的自振頻率、振型、阻尼比等參數(shù)，用于結構的有限元模型的更新，進而進行結構損傷的模擬和識別。
預測索力：對于采用拉索為主要受力構件的斜拉橋來說，索力的準確測量非常重要。傳統(tǒng)的索力測量方法是采用基于振動原理的索力儀，這種設備安裝繁瑣，價格昂貴，而且并不是每次測試都能達到理想的精度。然而采用視覺傳感系統(tǒng)，則可以顯著降低量測系統(tǒng)的成本。
除了結構位移遠程監(jiān)測以及上述的幾個應用之外，視覺傳感系統(tǒng)還在這些領域有不小的應用潛力：
監(jiān)測交通運輸基礎設施中的軌道交通車輛的運行情況；
搜集橋梁運營期間車輛荷載的作用(車輛類型與流量等信息)；
橋梁荷載試驗；
在無需于橋上安裝稱量設備的條件下，建立車輛稱重系統(tǒng)；
橋梁裂縫自動檢測系統(tǒng)
馮東明博士在介紹了視覺傳感系統(tǒng)的基礎上，還對其中的一些細節(jié)進行了探討和總結，例如：
圖像跟蹤和處理的計算機算法如何實現(xiàn)；
像素級和子像素級解決方案對計算精度的貢獻；
單點與多點監(jiān)測的實現(xiàn)方式；
坐標變換與比例因子法的應用；
2D測量與3D測量的不同選擇；
人工標靶與自然標靶的實際差異；
實時監(jiān)測算法的技術實現(xiàn)；
