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原文传递基于远距机器视觉的桥梁拉索动静形态与力学性态的关联机制研究

论文题名：	基于远距机器视觉的桥梁拉索动静形态与力学性态的关联机制研究
关键词：	桥梁拉索;状态监测;机器视觉;形态特征;力学性态
摘要：	拉索是缆索承重桥梁最重要承力/传力构件，其安全状态检测/监测一直是桥梁界高度关注的热点科学技术问题。本文在国家自然科学基金项目“影像轮廓线叠差分析获取桥梁全息变形及结构状态演绎方法研究”（51778094）以及“基于桥面形态变化的桥梁安全状态监测方法与预警理论研究”（51708068）资助下，研发了桥梁静动影像全息性态健康监测诊断方法及系统（授权发明专利号：ZL201910187373.7），系统深入地研究了桥梁拉索全息形态特征与力学性态参数间的内禀关联机制，主要研究工作及结论如下：　　1、构造了基于定点旋转相机/摄像机组成的大型桥梁结构全息动静影像采集装置，针对大型斜拉桥拉索状态监测提出了全息数字图像测试方法，依据像素映射理论提出了全视域-多视域组合的连续时空序列全息数字图像增强算法，推导了全视域-多视域空间投影转换矩阵计算公式，构建了全息视觉传感器的测量坐标系统，解析了多视域坐标系间的坐标转化关系；揭示了整体-局部视域间物点与计算机视觉像素点的信息表达与转换机制，从硬件、算法、环境三方面分析了全视域-多视域图像测试误差来源，建立了误差分析数学模型，提出了减少误差的控制算法与策略，有效解决了在缆索承重桥梁非接触视觉测量的测试精度与视域范围不足，以及结构关键性能信息缺失的技术难题。　　2、解析了定点旋转测量装置获取大型桥梁影像序列在空间和时间的关联信息及时空序列图像特性，推导了结构形态学时空序列数据的数学表达式；明晰了序列数据的时域波形、空间位置以及不同主体/组分高低频信号的信息特征，揭示了被测结构空间几何构型、力学特性和表面纹理特征等物理信号在时间和空间上的变化规律；针对全天候复杂测试应用场景和空间位置变化导致被测结构主体信息模糊与几何形态局部缺失的技术难题，提出了基于波形化分析的模糊图像轮廓信息提取方法，依据基准测量坐标系构建了多视域下拉索空间几何形态的数学模型，实现了复杂场景下监测结构模糊形态学信息的强化与冗余信息的弱化。　　3、依据全息技术与结构变形连续性准则阐释了“结构全息性态特征”基本概念，基于拉索设计参数先验知识，提出拉索空间几何构型本征参数的结构形态学处理与量化分析方法；推导了基于拉索远距影像序列数据获得微弱响应信号的显微放大数学表达式，应用欧拉规则实现了全场光流追踪的拉索形态运动信息显微放大与解耦算法；基于拉索全场光流和运动信号光谱分量提取了空间几何构型、全息模态振型、动态位移矢量等全息性能参数；开展了2类4组180次室内模型拉索全息形态特征参数测试试验，分析了数字图像监测系统不确定度分量及不确定度，验证了本文力学性态特征参数解析方法有效性与稳定性，在远距全息、低成本高测率、可视化SHM方面具有明显优势与应用潜力。　　4、探索了基于拉索全息形态特征参数的索力状态识别方法，构建了计算机视觉架构下基于拉索静力与动力形态的张力计算模型，推导了拉索张力的计算表达式，揭示了拉索全息形态特征参数与索力力学性态间的内禀关联机制；根据振动测试与模态识别间的互馈特性，从信息量、鲁棒性、不确定性多角度建立了计入荷载及塔梁振动效应影响的拉索群索力测试方法与误差评价模型；基于2类4组180次拉索全息动静形态与力学性态关联测试试验，应用本文方法计算出拉索张力，与接触式传感器获得的测试值吻合较好，并在重庆李家沱长江大桥和重庆东水门长江大桥索力测试中进行了验证。　　5、在长期结构形态学监测大规模数据的基础上，推导了计算机视觉架构下结构在物理空间与模态空间的力学测试方程；借助物理学、力学等先验知识，构建了融合物理模型与数据驱动的桥梁拉索数字孪生模型；根据可视化大规模全息形态特征参数及信号特性，探索提出可表征拉索损伤状态的信号统计平稳性指标（CSSS-i）和动力学响应指标（CDR-i），揭示了拉索全息形态特征参数与损伤状态特性间的内禀关联机制，开展了2类4组180次室内模型索多种损伤工况的试验研究，依据试验获得全视域-多视域拉索数字图像序列进行了拉索损伤识别，验证了本文方法对拉索损伤程度和损伤位置识别的有效性。
作者：	邵帅
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	周志祥
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2021