一种桥墩沉降监测系统及其监测方法与流程

本发明涉及桥梁工程建设领域，具体是一种桥墩沉降监测系统及其监测方法。

背景技术：

随着基础建设行业的飞速发展，桥梁的建设速度也逐步提高。对于铁路桥梁、公路桥梁等长跨度桥梁而言，桥墩作为多跨桥的中间支承结构，对桥梁的架构其中至关重要重要作用。在桥梁工程建设中，桥墩的沉降情况是判定桥梁结构安全的一个重要的指标，为确保桥梁的安全性，需要对桥墩的沉降情况进行监测。

传统的监测方式是应用专业仪器进行人工定时测量，然而由于桥墩的位置特殊性，在测量难度和测量精度上都存在较大的难度，导致整个监测数据的获取过程效率低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种桥墩沉降监测系统及其监测方法，在满足监测精度的前提条件下，显著提高了监测数据的获取效率。

本发明的技术方案为：

一种桥墩沉降监测系统，包括有上位机，与上位机无线通讯连接的采集控制器，分别与采集控制器通讯连接的图像采集设备和光源控制器，设置于待测桥墩上的测量标靶以及设置于待测桥墩上为测量标靶补光的光源模块；所述的光源控制器与对应的光源模块连接。

所述的上位机包括有终端和与终端通讯连接的服务器，所述的采集控制器与服务器进行无线通讯连接。

所述的待测桥墩为多个，所述的光源控制器包括有与采集控制器连接的主机和设置于每个待测桥墩上的分机，所述的分机均与主机通讯连接，每个分机均与对应的光源模块连接，所述的光源模块通过太阳能电池供电。

所述的采集控制器选用基于x86架构平台的嵌入式计算机；所述的采集控制器通过蜂窝移动通信网络与上位机进行通讯连接。

所述的终端为计算机、手机、平板电脑、便携式可穿戴设备和手持式沉降监测客户端中的至少一种。

所述的光源控制器的主机通过馈线与电台射频天线连接，电台射频天线通过射频网络与设置于待测桥墩上的射频定向天线通讯连接，所述的射频定向天线与对应的光源控制器通过馈线连接；所述的图像采集设备采用相机或摄像机。

一种桥墩沉降监测方法，具体包括有以下步骤：

首先采集控制器接收上位机发送的监测任务，并提取监测任务中的图像采集时间信息，在图像采集时间信息中设定的时间点发送光源开启指令至光源控制器，并发送设备启动指令至图像采集设备，光源控制器接受到光源开启指令后开启光源模块对测量标靶进行补光同时将光源开启成功信息反馈给采集控制器，图像采集设备接受到设备启动指令后开启图像采集设备同时将设备启动成功信息反馈给采集控制器，采集控制器在接收到反馈的光源开启成功信息和设备启动成功信息后，发送图像采集指令至图像采集设备，图像采集设备采集测量标靶的桥墩监测图像并将采集的桥墩监测图像发送给采集控制器，采集控制器再将桥墩监测图像反馈至上位机，上位机识别桥墩监测图像中的测量标靶，根据测量标靶中心点对应坐标的位移变化量，确定测量标靶对应的被测桥墩的沉降数据；所述的沉降数据包括有沉降量和沉降速率。

所述的上位机通过灰度重心法计算测量标靶中心点在像平面坐标系中的像平面坐标，并获取图像采集设备的设备参数、以及图像采集设备相对于待测桥墩的位置参数，根据设备参数，校正测量标靶中心点对应的像平面坐标，然后根据位置参数，将校正的像平面坐标转化成测量坐标系中的测量点坐标，最后根据监测时间内测量点坐标的变化量计算被测桥墩的沉降量，根据沉降量除以监测任务中的测量时间间隔，计算被测桥墩的沉降速率。

所述的上位机设置有沉降量阈值和沉降速率阈值，当上位机采集计算的沉降量超过沉降量阈值，上位机发送第一预警信息，当上位机采集计算的沉降速率超过沉降速率阈值，上位机发送第二预警信息，所述的第一预警信息和第二预警信息采用不用的蜂鸣器或警示灯进行分别预警。

所述的采集控制器将桥墩监测图像进行无损压缩处理，将无损压缩处理后的桥墩监测图像发送至上位机，上位机接收压缩处理的桥墩监测图像并进行解压处理。

本发明的优点：

本发明通过图像采集设备，对待测桥墩进行图像采集，采集控制器根据接收的监测任务，根据图像采集时间信息，控制图像采集设备定时进行图像采集，实现了通过监测任务对监测频率的控制，简化了采集控制流程。本发明通过将设置于待测桥墩上的测量标靶作为待测桥墩的沉降评估标准，通过测量标靶以及为测量标靶补光的光源模块，使得图像采集设备能够采集到准确清晰的图像，确保得到准确的监测数据。本发明采用自动化数据采集方式取代了传统的人工测量，减少了人力投入，用图像采集的方式，适应无人值守的户外环境，采用光源补光处理的测量标靶来表征被测桥墩作为监测对象，使图像采集设备准确拍摄到监测对象，减少能见度等环境因素的干扰，获得准确的监测数据，从而使得整个方案在满足监测精度的前提条件下，显著提高了监测数据的获取效率。

附图说明

图1是本发明桥墩沉降监测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1，一种桥墩沉降监测系统，包括有上位机，采集控制器3，分别与采集控制器3通讯连接的图像采集设备4和光源控制器5，设置于待测桥墩上的测量标靶6以及设置于待测桥墩上为测量标靶6补光的光源模块7；上位机包括有终端1和与终端通讯连接的服务器2，采集控制器3与服务器2进行无线通讯连接；光源控制器5与对应的光源模块7连接。

其中，待测桥墩为多个，光源控制器5包括有与采集控制器3连接的主机和设置于每个待测桥墩上的分机，分机均与主机通讯连接，每个分机均与对应的光源模块7连接，光源模块7通过太阳能电池供电；采集控制器3选用基于x86架构平台的嵌入式计算机，采集控制器4通过蜂窝移动通信网络(4g或5g网络)与上位机的服务器2进行通讯连接；终端1为计算机、手机、平板电脑、便携式可穿戴设备和手持式沉降监测客户端中的至少一种。

光源控制器5的主机通过馈线与电台射频天线连接，电台射频天线通过射频网络与设置于待测桥墩上的射频定向天线通讯连接，射频定向天线与对应的光源控制器5通过馈线连接；图像采集设备4采用相机或摄像机。

一种桥墩沉降监测方法，具体包括有以下步骤：

(1)、首先将测量标靶6、光源模块7和光源控制器5的分机固定于待测桥墩上，采集控制器3设置于数据采集现场，数据采集现场是指由基准位置和被测桥墩构成的数据采集环境，基准位置是确定待测桥墩沉降情况的参考位置，基准位置可以是从多个桥墩中选定的作为参考基准的一个基准桥墩，基准桥墩的选择可以基于桥墩之间的相对位置，选择图像采集位置4最佳的桥墩作为基准桥墩，也可以基于桥墩的稳定性进行选择，桥墩的稳定性以通过人工进行测试得到，通过稳定性测试，可以对该桥墩的基准数据进行修正，确保基准数据准确，无任何方向的变形，另外基准位置也可以是其他非桥梁组成部分的位置，比如选择桥梁以外的不受桥梁承重影响的固定位置作为基准位置，避免了基准位置同样发生沉降带来的数据干扰，然后通过射频网络将光源控制器5的分机与基准桥墩上的主机进行通讯连接，将基准桥墩上的图像采集设备4、光源控制器5的主机与采集控制器3进行通讯连接；

(2)、采集控制器3接收上位机发送的监测任务(包括监测项目、监测点、监测状态、监测起止时间、监测时间间隔和监测次数)，并提取监测任务中的图像采集时间信息，在图像采集时间信息中设定的时间点发送光源开启指令至光源控制器5，并发送设备启动指令至图像采集设备4，光源控制器5接受到光源开启指令后开启光源模块7对测量标靶6进行补光同时将光源开启成功信息反馈给采集控制器3，图像采集设备4接受到设备启动指令后开启图像采集设备4同时将设备启动成功信息反馈给采集控制器3，采集控制器3在接收到反馈的光源开启成功信息和设备启动成功信息后，发送图像采集指令至图像采集设备4，图像采集设备4采集测量标靶6的桥墩监测图像并将采集的桥墩监测图像发送给采集控制器3，采集控制器3将桥墩监测图像进行无损压缩处理，将无损压缩处理后的桥墩监测图像发送至上位机的服务器2，上位机的服务器2接收压缩处理的桥墩监测图像并进行解压处理，然后上位机的服务器2识别桥墩监测图像中的测量标靶，根据测量标靶中心点对应坐标的位移变化量，确定测量标靶对应的被测桥墩的沉降数据；沉降数据包括有沉降量和沉降速率。

其中，上位机的服务器2通过灰度重心法计算测量标靶中心点在像平面坐标系中的像平面坐标，并获取图像采集设备的设备参数、以及图像采集设备相对于待测桥墩的位置参数，根据设备参数，校正测量标靶中心点对应的像平面坐标，然后根据位置参数，将校正的像平面坐标转化成测量坐标系中的测量点坐标，最后根据监测时间内测量点坐标的变化量计算被测桥墩的沉降量，根据沉降量除以监测任务中的测量时间间隔，计算被测桥墩的沉降速率。

灰度重心法是指对于亮度不均匀的目标(如光斑，光条纹)，可按目标光强分布求出光强权重质心坐标作为跟踪点的算法，也叫密度质心算法。像平面坐标系是以主点为原点的右手平面坐标系，用o-xy表示，用来表示像点在像片上的位置。以相机为例，图像采集设备的设备参数包括相机的内参，内参包括：主光点x,主光点y,焦距f,径向畸变k1,径向畸变k2,径向畸变k3,切向畸变p1,切向畸变p2,薄棱镜畸变ap1,薄棱镜畸变ap2这10个参数。基于这10个参数，对中心点在像平面坐标系中的坐标进行校正。位置参数包括相机的旋转角和缩放参数。通过相机内参校正中心点的像平面坐标，通过相机外参，将像平面坐标转化成实际的测量坐标系下的测量点坐标。

其中，沉降量其中：坐标系为相机坐标系，沉降量为累计沉降量，j为监测计划中的测点编号，i为第i次监测，yi为第i次测点的y坐标值，y0为第一次测点的y坐标值，单位均为毫米。沉降速率在其中一个实施例中，测量间隔时间＝(本次测量时间-初次测量时间的时间)/24，测量间隔时间的单位为天，测量间隔时间精确到小时。

服务器2设置有沉降量阈值和沉降速率阈值，当服务器2采集计算的沉降量超过沉降量阈值，服务器2发送第一预警信息，当服务器2采集计算的沉降速率超过沉降速率阈值，服务器2发送第二预警信息，第一预警信息和第二预警信息采用不用的蜂鸣器或警示灯进行分别预警，还可以通过短信、邮件等信息提示的方式，服务器2将预警信息发送至指定的终端1，以使终端1的用户了解具体的预警详情。预警信息包括具体的监测点信息，包括监测点位置、沉降量、沉降速率等。当监测任务完成时，服务器2还可以根据监测任务生成对应的阶段报表和变化趋势图并发送至终端1进行查看。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。