对机器的结构健康监测:建立方法和应用

文摘

在过去的二十年里,大量的创新传感和监测系统基于计算机应用技术在结构健康监测领域的利用(SHM)。这种技术有一些固有的独特优势如无触点、无损,长途,精度高,对电磁干扰的免疫力,大范围和多个目标监测。很多机器的结构建立动态测量和结构状态检测方法。实际应用也进行了测量结构物理参数如位移、应变/应力、旋转、振动、裂纹和剥落。这个综述的目的是致力于呈现的摘要的基本理论和实际应用机器应用技术用于结构监测以及它的系统误差来源和与其它现代传感技术的集成。

1。介绍

结构健康监测技术(SHM)出现与维护工程的运行安全的一个重要目标结构,通过部署各种类型的传感器,监测多种物理量,评估结构性条件和性能,指导例行检查和维护(1- - - - - -6]。对于大规模的单孔位微吹气扰动系统,创新传感技术从不同的领域,如力学、电力、电磁学、光学、热学和化学,做出伟大的贡献在准确获取大量的原始数据反映出真实的环境和结构条件。在过去的三十年里,全世界的研究人员投入相当数量的努力发展的小说在单孔位微吹气扰动传感技术应用研究领域,取得了巨大的进展。

与伟大的光学设备和计算机科学的进步,机器应用遥感和监测技术一直是一个前沿的研究领域和从土木工程社区越来越得到关注7- - - - - -12]。主要由于其独特的具有非接触、远距离,精度高,对电磁干扰的免疫力在多点,和大范围结构测量/监控(13- - - - - -17]。到目前为止,许多分析方法建立了结构位移测量,应变/应力监测、振动响应监测、裂纹或背叛检查、和表征(18- - - - - -23]。

在过去的几年中,评论作品指的是机器的结构建立监测和状态评估是由一些研究人员。吴和Casciati24)定位系统中应用作了简要介绍结构监测。江et al。25回顾了摄影的发展和应用在变形和几何测量桥梁。科赫et al。26)提出了一个全面综合的艺术状态的沥青和混凝土结构缺陷检测和评估基于计算机视觉技术的条件。然而,全面总结结构监测和状态评估中应用仍然是可取的。本文旨在提供一个全面审查的机器建立土木工程基础设施的监控重点相关的方法和实际应用。

2。机器视觉方法

建立测量系统通常由图像采集设备(数码相机、镜头、图像捕获器),电脑,和一个图像处理软件平台。在这些提到的组件中,图像处理软件平台充当关键部分将结合具体的计算算法获得结构力学参数的监测。

2.1。图像处理算法

如图1,图像包括预定义的目标被数码相机。数字图像处理和模式匹配算法(27- - - - - -30.),目标跟踪和结构位移的结构可以获得目标的位置。在这种情况下,水平和垂直位移,称为二维(2 d)位移,可以获得一个数码相机,使用适当的图像处理方法,如数字图像相关(31日[],均值漂移跟踪算法32),CamShift跟踪算法(33),Lucas-Kanade方法(34]。

如图2,当两个摄像头用于捕获目标同时和两个摄像头之间的几何关系(相机和照相机b)被证实,目标在三个坐标方向的位移,称为三维(3 d)位移,可以通过重建空间位移的实际位置的变化对两个确认相机坐标(平面的坐标和飞机b)和两个摄像头之间的关系(35]。

图像处理算法应用于结构监测,进行了大量的研究在过去的几十年。王等人。36)提出了一个方法得到的位移结果的干涉图像,利用相移图像匹配算法。Pieraccini et al。37)获得了图像的实际规模建筑的结构位移被微波干涉仪。郭和朱34)提出了一种修改反向组合算法减少计算时间Lucas-Kanade模板的跟踪算法和改进计算机视觉方法的效率进一步远程动态位移测量。福田et al。38)开发一个健壮的对象搜索算法使精确的位移测量通过跟踪现有功能的结构。

战战兢兢的et al。39)使用两种类型的相机获得多个目标固定在铁路桥的通过火车和得到位移响应由三个视觉方法,也就是说,数字图像相关方法、边缘检测方法、模式匹配方法。李等人。40]提出了pose-graph优化位移估计方法减少估计错误的视觉搭配结构光系统。Nayyerloo et al。41)开发了一种视觉系统来监测结构的地震响应线扫描相机。陈等人。42)提出了一个基于摄像头CCD测量桥梁的垂直位移的方法。桑托斯et al。43)执行视觉系统标定long-deck悬索桥的结构位移测量。

2.2。系统的评估和减少错误

不同种类的错误会发生在建立测量系统的应用。至关重要的影响因素,评估系统的错误,并开发相应的算法来减少错误。熔岩et al。44,45]估计错误系统的数字图像相关手术对于大塑性变形监测和调查不同的原因的影响,包括子集形状函数插值顺序,采用相关系数和子集的大小。Schreier et al。31日,46]分析了错误使用造成的undermatched形状函数和灰度值插值结构位移测量。Bornert et al。47]研究了合成的散斑图像的位移误差评估和识别各种错误制度。Yoneyama et al。48)评估在位移测量透镜畸变的影响,提出了一种校正方法在使用数字图像相关。Yu和锅49)调查的错误由于实力不济的子集形状函数通过数值试验与变形和高应变梯度图像的实验。Baldi和Bertolino50)进行了一项实验研究来描述插值引起的错误选择。周et al。51)提出了一个方法的自适应图像子集抵消减少增量图像相关性的系统错误。Crammond et al。52)调查了斑点的大小和密度之间的关系,测量误差在一个模式和识别的物理性质产生重大影响的精密位移测量。耀丰和庞53]研究子集的大小对形变测量的准确性的影响在使用数字图像相关算法。熔岩et al。54]估计产生的错误当镜头对准nonperpendicular平面金属板材试样表面的数值实验。勒孔特et al。55)表示,散斑的大小和使用像素子集明显位移测量的误差大小的影响。

桑托斯et al。56)提出了一个视觉系统标定方法获得一个初始估计物体的形状和相机参数,以减少测量误差。里贝罗et al。57)提出了一个基于视频的动态位移测量系统的铁路桥梁和调查的几个影响因素会影响视频系统的测量精度。马等。58]研究了应变测量的误差在数字图像相关法自热引起的数码相机。Haddadi和Belhabib59)调查了应变测量误差由于数字图像相关技术与刚体运动。Fazzini et al。60)估计的错误由于位移的数字图像相关测量基于合成图像的生成模型真正的散斑模式。吴et al。61年)安装监控2 d平面的视觉系统动态响应的缩尺框架固定在振动台和讨论了相机参数的物理含义,系统分辨率和视场之间的平衡,和上面的限制制造商密度限制系统误差和测量分辨率。

的风险测量不确定性的技术来建立振动的应用目标测量很有可能增加由于鸟瞰运动所产生的运动模糊。运动模糊将导致明显的系统误差和不完整的测量数据,因为目标寻求过程可能不给准确的检测。近年来,研究工作一直致力于发展去模糊和去噪算法和模糊图像分析方法(62年- - - - - -64年]。王等人。65年)提出了一种振动测量方法的基础上,借助模糊图像几何横行无忌的时刻之间的关系和运动模糊。彭et al。66年)开发了一个图像恢复方法的改进动态粒子图像质量为目的的解决运动模糊问题在网上为磨屑分析粒子成像系统。贝克尔(67年)进行了一项研究使用不同的动态模糊评价的基本方法和工具与各种参数的变化。吴et al。68年一行一行地)提出了一个退化的图像和模型开发了一种恢复方法补偿空变退化。石田et al。69年)提出了一个方法来提高识别精度的相机拍摄人物没有恢复图像。

3所示。机器视觉技术的应用程序

3.1。二维(2 d)结构位移监测

图像序列的模式匹配算法,边缘检测算法,和其他图像处理技术、结构位移可以获得预定义的目标。这可以用于获得多个选定点的动态位移对某种结构结构监测的目的。冯et al。70年)提出了一种实时视觉系统结构位移非接触测量的帮助下一个先进的模板匹配算法。亨特et al。71年)测量了建筑结构的变形,利用数字图像处理技术的有关领导的愿景目标。公园等。72年)提出了一种基于机器视觉技术的位移测量方法来监控高层建筑结构的位移通过使用分区的方法和灵活的钢柱进行了验证实验。哈乌雷吉曾et al。73年)采用尺度陆地数字摄影测量测量桥梁的垂直偏转。Yoneyama et al。74年)使用数字图像相关监测钢桁桥的挠度在负载测试期间。科胡特et al。(75年]视觉方法的可行性及精度验证钢桥位移的测量。Dworakowski et al。76年)使用的桥梁挠度曲线平面位移测量获得的基于视觉的方法来分析悬臂梁结构的损伤。

李等人。77年)采用数字图像处理技术获得桥梁和评估桥梁的实时位移负荷能力。何鸿燊et al。78年)开发了一种同步实时多点位移测量的视觉系统民用基础设施。杨et al。79年)提出了一个基于图像的方法来测量结构位移、平面应变场和地震荷载作用下裂缝表面的标本。傅和穆萨80年]提出一种光学位移测量方法和高分辨率CCD相机。Olaszek [81年)提出了一个实时的计算机视觉方法测量桥梁的结构位移和动态特性。李和Shinozuka [82年)提出了一个应用系统实时测量桥梁的动态位移与数字图像处理技术的帮助。恩-瓦贝等。83年)开发了一种方法来建立测量绝对位移实时选择地点的基础设施。

伟大的应用结构位移测量方法的优点是测量目标就可以多个捕获的图像。崔et al。84年]介绍了动态位移视觉系统可以使用手机数码摄像机和执行multimeasurement职位感兴趣的区域(ROI)提出了提高测量效率。Jurjo et al。85年)测量了膜的大位移在几个点同时估计测量位移的应变和应力。林等。86年]提出videogrammetry系统监控膜屋顶结构的动态行为。李和Shinozuka [87年)开发了一个实时应用系统结构位移测量桥梁的使用数字图像处理技术。

3.2。三维(3 d)结构位移监测

就像前面提到的3所示。1,2 d(或平面)结构位移可以获得的图像序列被只有一个相机。结合两个或两个以上的数码相机、两种不同的图像序列捕获从两个角度拍摄,和三维(平面和out-plane)结构选择的点一定结构的位移可以用视觉来实现重建技术。人造石铺面和Zinno88年)设计了一个计算机视觉系统位移监测在破坏性测试。公园等。35)提出了一种方法来监控三维结构位移的帮助下高速动作捕捉系统高精度和高采样率的优点。全et al。89年)提出了一个视觉系统与人工标记监控six-degree-of-freedom(绑)结构位移。公园等。90年]使用动作捕捉系统获取的三维位移响应结构风洞试验和获得的动态特性测试结构,包括固有频率模式的形状,和阻尼比。全et al。91年)开发视觉系统测量6自由度结构位移基于视觉伺服的方法。leifei一起et al。92年)进行三维加速度测量通过videogrammetry系统跟踪目标的运动模态振动器。Synnergren和Sjodahl93年)开发了一个摄影系统与三维立体数字散斑位移场测量和摄像机标定算法被用来评估透镜畸变的影响。Vieville和Lingrand94年)开发了一种视觉运动知觉模块估计三维位移没有校准。

胡锦涛et al。(95年)提出了一个4-camera视频可变形物体的三维运动测量系统。霁和张96年)提出了一种不需要立体电视行式结构的方法来监测反应在空间和时间域。Chang和霁97年)提出了一个videogrammetric之一方法基于数字摄影测量的原理和计算机视觉技术测量3 d结构振动响应在实验室,提出了一种两步标定过程中克服透镜畸变的问题。李等人。98年)开发了一个应用位移测量系统对实时数字图像处理技术的民用建筑结构健康监测。Chang和肖99年]介绍了单机方法同时测量三维运动(包括平移和旋转)的目标附加在民用建筑。Greenbaum et al。One hundred.)开发了一种视觉的方法来测量刚体运动包括实验位移(平移和旋转)在三维摇摆运动。

3.3。结构应变和应力监测

应用方法应用于获得结构应变和应力的使用结构位移通过视觉系统和结构位移、应变和应力之间的关系推导出材料力学领域的。•et al。101年)开发出一种方法评估钢筋混凝土钢压力成员使用仅仅表面测量(裂缝宽度和间距)借助摄影测量和图像处理。帕特森et al。102年)描述了一种物质为目的的参考和校准应变监测和光学系统的设计了一个标准化的测试材料。温克勒et al。103年)采用数字图像相关法测量当地的钢铁monostrands变形。德波夫et al。104年)使用数字图像相关法监测的疲劳参数优惠券规模担忧测试。大风et al。105年]介绍了数字图像相关法测量预应力钢在高温期间的变形和应变测试。小王和Cuitio106年)应用数字图像相关技术来捕获聚合物泡沫材料的变形模式。

麦金尼斯et al。107年]应用三维数字图像相关法测定原位应力的混凝土结构。Obaidat和Attom108年)使用两个CCD摄像机获取土壤标本两种土壤的应变测试。前川et al。109年)提出了一种非接触测量方法的基础上,使用led光学位移传感器测量振动压力和使用获得压力评价小口径管道系统的振动疲劳失效。卡罗尔et al。110年)使用数字图像相关方法测量结构的应变在疲劳裂纹萌生和发展和评价裂缝的条件。项研究et al。111年)提出了一个基于图像的方法来监控平面应变和应力分布异构和软材料。

3.4。振动监测和动态特性鉴定

结构位移可以用高速摄像机获得在高采样率可满足的需要结构振动监测和动态特性识别如固有频率、模态阻尼比和模态形状。陈等人。112年)提出了一种数字摄影测量方法测量的环境振动响应和识别模式形状的比例保持电缆与多个摄像机。哦,et al。113年)提出了一个应用系统的估计结构的动态特性通过使用动作捕捉系统的位移时间历程。Jurjo et al。114年)提出了一个结构位移测量方法基于数字图像处理技术进行细长结构的动态分析。福田et al。115年)开发了一个应用系统监控大型民用基础设施的动态响应更划算。

金(116年)提出了一个multitemplate匹配算法获得的模态参数电缆从运动模糊图像。公园等。90年]运用动作捕捉系统监测的三维位移响应结构风洞试验和确定测试结构的动态属性。Caetano et al。117年)开发了一个应用系统监控细长结构的振动。全et al。118年)提出了一个方法来进行模态测试使用相机图像可以测量振动的同时很多点。钟等。119年)应用图像处理技术获取机械和结构系统的非线性特征参数。霁和张120年)提出了一个不属预定目标的基于图像的方法来测量小电缆动态响应使用光学流方法。科胡特和Kurowski121年)开发了一个应用方法实现结构振动位移的三维测量和模态特征利用运行模态分析算法。

vibration-based结构损伤检测方法取得了很大的进步在结构健康监测领域。应用动态监测方法可以应用在vibration-based结构损伤诊断的程序提供一个稳定的信号输入。Poudel et al。122年)获得了结构动态位移时间序列使用基于高分辨率亚像素边缘识别的图像处理方法和发展模式的形状差异函数来检测结构损伤。Patsias和Staszewski123年)开发了一种新的损伤检测方法借助小波和模态形状数据是测量光。李等人。124年)开发了一种数字图像处理的方法来测量斜电缆的小河振动风洞试验和评估小河振动特征。

3.5。裂纹检测和表征

借助先进的图像处理技术,可以分析结构表面特征的图像如钢铁和混凝土结构裂缝和剥落。Yeum和堤坝125年)提出了一种应用视觉检测技术通过自动处理和分析大量的抓取的图像检测螺栓附近的裂缝的桥梁。刘等人。126年)提出了一个方法,自动化表面裂纹的监测和评估混凝土结构基于自适应数字图像处理。Halfawy和Hengmeechai127年背叛)嵌入式应用识别系统闭路电视(CCTV)系统自动安装在下水道检查其叛变。Adhikari et al。128年]介绍了一种方法的自动化条件评估混凝土桥梁基于数字图像分析。

德国et al。129年)开发了一个列损伤指数的定量评估可见损伤(裂纹和剥落)RC结构成员增强了机器视觉技术实现快速构建地震后检查。何鸿燊et al。130年)开发了一个基于图像的系统有三个摄像头相连的电缆爬墙机器人检测表面损伤电缆使用图像处理和模式识别技术。Valenca et al。131年)提出了一个视觉方法自动识别具体的健康监测包括测量位移和染色,检测,识别裂缝,和恢复。

居尔et al。132年)提出了一个基于图像监测方法检测打开齿轮润滑水平移动桥梁的评估条件和维护做决定。Sakagami [133年)提出了一个远程无损评价技术使用红外热成像检测疲劳裂纹和评估结构完整性。刘等人。134年)结合二维图像处理技术和三维重建方法以评估混凝土结构的裂缝特征自动解决阻碍在传统的二维方法的实际实现。吴et al。135年)发明了一种裂碎片整理技术基于图像处理技术来提高裂纹探测精度在路上评估任务。

3.6。集成技术

通过与其他传感方法的集成,机器视觉技术扩大更多的特定应用程序中使用类别。Vaghefi et al。136年)开发了一种结合无损成像技术在桥面屈服条件的表层和次表层的指标。稳定的et al。137年]使用一套微波雷达干涉仪和热感摄像机监测桥梁的动态位移。Catbas et al。138年)进行桥额定载荷借助传统的传感器和交通视频数据。Zaurin和Catbas139年)集成的视频图像和传感器数据结构监测系统对桥梁的安全状况进行评估。罗等。140年)开发了一种视觉检测系统结合机器视觉、激光干涉仪、坐标测量机。Waldbjørn et al。141年)获得的反馈信号(由光纤布拉格光栅应变和位移)和数字图像相关进行测试时控制。Mazzoleni和扎帕142年)提出了一个建立的方法来估计垂直动态加载引起的人类运动结构。黑客和勒罗伊(143年)使用摄像机垂直对齐监控芯棒位置通过测量刚体位移基于多元最小二乘算法。与单眼激光三角测量方法,集成高et al。144年)使用图像处理方法得到的三维位移超导托卡马克磁体。

4所示。结论

本文提供了一个审查的研究和进步结构监测领域的民用基础设施的使用机器的应用技术。基于机器的全面审查的方法,建立技术、应用程序和系统误差评估,以下结论:(i)由于其独特的优点为结构监测、计算机应用技术已被广泛用于测量2 d和3 d结构位移、应变/应力、动态响应、裂纹、剥落,(ii)机器视觉技术可以应用进行结构动态参数识别和损伤诊断结合现有vibration-based分析方法,和(3)应用方法可能为视觉检查和提供更多的有价值的信息通过整合与其他结构监测传感技术。

虽然伟大的进步和成果应用单孔位微吹气扰动,一些关键的限制和挑战发达技术仍然存在;例如,(我)大多数当前的研究是通过物理模型规模的实验室测试和研究结果可能不会意识到在这个领域持续监控由于现场条件复杂,(2)视觉的图像捕获设备的质量将会影响周围的环境条件,如光线变化,边缘保护,雨,雪,雾,地面振动,和(3)作为一个交叉学科和前沿技术,一个巨大的挑战仍然是遇到从建立科学有效的合作机制研究人员从土木工程和光电工程。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文中描述的工作是由美国国家科学基金会共同支持中国(批准号51308493)和研究中国高等教育的博士项目基金(批准号20130101120080)。

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