公路养护工程创新大赛一等奖：长大桥梁运营及养护期结构空间形态与安全监测工程

主要创新点

一、技术思路      

1、结构空间形态测量：基于三维激光点云模型，实现关键特征点空间形态的快速高效识别提取。其基本原理是向目标射出多束激光，由光电元件接收目标反射的激光束，获取被测物体的空间形态信息，形成具有空间坐标信息的三维点云模型，实现目标物体表面数据三维信息的快速高精获取与呈现。      

2、结构动力性能和缆索内力识别：采用视频图像传感技术，通过远程非接触方式，获取结构在运营状态下的动态位移响应。视频传感系统由摄像机、光学镜头、笔记本电脑组成，通过摄影机捕获一个时间段内结构的动态位移过程，计算分析信号后提取结构的动力特性参数、缆索内力等信息。

二、关键技术方案      

1、三维激光扫描测量中：      

（1）对于大跨度索桥，其桥塔和梁底部分难以到达，为保证点云的完整度，现场在主塔最高处横梁及塔脚设置多个不用角度的扫描站点，以实现测量范围全覆盖。      

（2）桥梁在通车状态下有持续振动导致点云模型采集存在大量噪点边界特征不明等情况，现场通过在同一站点多次扫描、凌晨扫描（环境、外荷载因素影响小）等方法进行改善，保证长大桥的点云高质量获取。      

（3）多次三维扫描后的点云数据通过3DReshaper软件，根据不同的算法、计算模型，将数据进行对比分析，获得同一位置在不同时期的数据变化，并以彩色图谱的形式表示，生成标签报告，表明桥梁结构位移、形态的变化。

2、动态挠度监测中：      

（1）项目组通过选取合理的相机分辨率、镜头焦距以及亚像素方法提高识别精度；采用GPS授时实现振动采集设备的毫秒级同步采集与传输，并利用卡尔曼滤波方法减小噪声误差，提升位移识别的准确性。      

（2）通过卡尔曼跟踪预测、并行计算加快匹配速度，实现多点特征模板匹配的实时计算。现场能在视频画面中同时采集多个测点的动态位移信息，且选点灵活，适应性更强，信息获取更全面。

（3）项目组搭建了在线监测系统，便于大桥动态挠度与吊杆索力长期监测，操作人员可以远程观测并提取云端数据。

三、实施效果      

本项目监测活动基本在桥下合适位置进行，其中视频位移监测站点距主梁跨中约1000m，避免了上桥安装传感器的麻烦，提高了检测速度，降低了桥上涉路作业的安全风险。      

通过三维激光扫描测量建立了能反映桥梁真实状态的三维模型，对比分析了不同时期的桥梁关键构件空间变位情况，结果显示形态变位在安全范围内；视频位移监测结果与北斗定位系统数据相符性较好，可在通行高峰期、发生火损、船撞以及台风等恶劣天气等特殊情况下，灵活选择结构关键点实时监测，对原系统的监测信息进行补充和完善，为快速评估结构安全状态提供一种非接触高精度的轻量化监测手段。

生产、应用及推广情况      

已成功应用该监测技术对多座跨江悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥及钢桁架梁桥进行空间形态数据采集、动态位移及动力特性分析和测试，测试结果较好的体现出了三维扫描技术和视觉传感技术在大跨桥梁几何形态、动态位移测试中的优越性。并通过视频位移监测技术编制发布了《桥梁动态挠度与索力数字图像法检测技术规程》，进一步规范了基于图像法的远程非接触桥梁动态挠度、索力技术的操作。