长大桥梁运营及养护期结构空间形态智慧检（监）测技术研究及应用

　　一、总体介绍

　　随着高速公路事业发展，路网规模不断扩大，交通基础设施管养工作量急剧攀升，传统管养策略、日常检修组织、故障诊断水平很难适应“数字中国”、“交通强国”、“新基建”等全新国家战略指导下的智能交通基础设施发展要求。因此，我国长大桥梁数字化管养水平的发展不仅是交通强国背景下的迫切需求，也将今后交通基础设施全面数字化转型提供示范引导，为社会经济高质量发展提供强大核心驱动力。与此同时，桥梁监测存在传统手段难以高效、准确的实现长大桥梁空间形态检(监)测难题，桥面监测需要交通布控影响了人们日常出行，造成了道路桥梁堵车，因此，开展桥梁监测新质生产力研究势在必行。

　　当前研究常规测量方法是肉眼人工检测、水准仪、全站仪，但用于长大桥检测中存在缺陷有三点：一数量庞大的每个测点挠度值需多次读取，操作繁琐，二难以实现对桥梁整体空间形态的把握，三无法剔除桥梁无规则振动对测量结果造成的影响;目前三维激光扫描技术难点有三点：一点云模型本身完整性极具挑战，二是基于点云模型的长大桥梁服役状态线形定义不明确，三是长大桥空间形态检测指标体系不健全;因此，三维激光扫描技术需要做三点提升研究：一非封闭交通下长大桥梁模型质量提升算法与技术措施研究，二是基于三维点云模型的长大桥梁服役线形识别技术研究，三是基于三维点云模型的长大桥梁空间形态检测指标体系建设研究。

　　本案例围绕解决长大桥梁运营及养护期结构空间形态测量难为目标，基于三维激光点云技术，开展基于三维点云的长大桥梁运行状态检(监)测技术应用研究，基于视频位移监测技术，开展基于图像法的视频位移监测技术研究，基于此，形成综合智慧监测技术，助力智慧桥梁监测水平提升，保质保畅。

　　二、主要做法

　　(1)长大桥梁点云模型质量提升算法与技术措施研究：

　　该部分研究针对典型环境下长大桥梁点云模型中常见的一些问题：高频噪声、低频噪声、局部缺失和缆索结构噪声提出了四种点云质量提升算法。然后，分别以一根预制混凝土T梁构件、一根斜拉桥协作跨主梁构件和一个斜拉索三种典型构件为依托实例，依据现场扫描的点云模型，采用本文提出的方法进行点云模型质量提升，与传统的点云质量提升算法相比，本研究提出的点云质量提升算法具有更高的运算效率和鲁棒性。优化后的自适应滤波算法处理速度较传统的点云质量提升算法提升40%，点云模型中的噪声点去除率较传统的点云质量提升算法提升50%，针对点云模型局部缺失修补率提升至80%，复杂场景下算法稳定性(鲁棒性)提升50%。如图所示。

　　图 点云模型质量提升研究

　　(2)基于三维点云模型的长大桥梁服役线形识别技术研究：

　　该部分研究根据质量提升后的高质量桥梁点云模型，针对长大桥梁因车/风致振动而引起其对应三维点云模型存在复杂的振动噪声，提出了一种桥梁服役线形识别方法。该方法利用三维激光扫描设备，在不同服役期对桥梁结构进行多次三维激光扫描，获取不同服役期非中断交通下桥梁三维点云数据，并将多次测量所提取数据利用高斯过程(GP)算法进行融合，回归预测得到具有统计意义和高置信度的桥梁服役线形，为长大桥梁服役期的真实运营状态判定提供数据支撑。通过高斯过程(GP)多期数据融合，针对长大桥梁服役线形识别精度提升50%，达到毫米级精度。

　　(3)基于三维点云模型的长大桥梁空间形态检测指标体系研究：

　　该部分研究围绕长大桥梁空间形态检测指标体系展开，提出了桥梁主梁构件、主塔构件和索构件的评估理论以及评估指标。在主梁构件空间形态评估中，整体均值变化系数、整体方差变化指标系数、单测点最大方差变化系数等指标被定义并详细说明。同时，为了能够在不同维度上捕捉到桥梁的形态变化，提出了形态特征指标如平顺性指标和曲率变化指标。在主塔构件的评估中，主要从偏位和扭转两个方面进行评估。对于索结构的评估，主要关注斜拉索、主缆和吊杆的尺寸变化和线形变化异常。斜拉索的评估通过其索长变化是否满足规范要求进行，主缆则通过高程偏差和线形偏差进行局部和整体评估，吊杆通过长度变化和倾角变化进行整体评估。如图3所示。大幅减少现场操作人员数量，显著降低单次检测时长(一座长大桥梁全桥空间形态实际扫测时间仅为1个小时，若包括设备移动时间约为4小时左右)，整体评估节约时间成本80%以上。不受日照、光线、天气的影响，可在夜间实现非封闭交通的连续整体扫测，测距精度1.2mm+10ppm，最远扫测距离可达1000m，扫测评估效率提升5倍以上。

　　(4)创新了综合智慧监测方法，优化了测量流程，降低了人力成本70%：

　　引入亚像素插值函数、稳定性分析研究与并行算法加速等实现多种算法途径，提高了系统计算的速度、精度和稳定性。在相机镜头外加装红外滤光片，桥梁待测位置安装红外光源进行特征识别，将监测精度提高到毫米级，还研发了多点动态位移测试算法。

　　三、取得成就

　　目前两种技术在润扬大桥、苏通大桥、泰州大桥、江阴大桥等10余座长大桥进行应用，三维激光扫描技术在G15沿海高速重点路段路面进行沉降观测，观测里程累计已达90公里，应用规模超过传统检测方法，实现了非接触检(监)测效果，提高了检测速度，提高了安全系数，降低了经济成本，克服恶劣环境对检测数据完整性、准确性、细节度的不利影响，且该项技术的可靠性、创新性、实用性、经济、社会和环境效益显著。获得中关村中科公路养护产业技术创新联盟公路养护科技奖《大跨径桥梁动力特性视频智能监测技术》、中关村中科公路养护产业技术创新联盟公路养护科技创新奖《基于三维数字点云的桥梁服役状态精准识别技术及应用》、中国公路学会养护与管理分会品质工程一等奖《长大桥梁运营及养护期结构空间形态与安全监测工程》，申请了国家发明专利《一种基于三维激光点云的斜拉索索长测定方法》，申请了计算机软件著作权《斜拉桥索长与索力识别分析软件》，编制了《基于三维激光扫描技术的长大桥梁检测手册》，编制了《桥梁动态挠度与索力数字图像法检测技术规程》等，因此，在可预见的未来，三维激光扫描技术和视频位移监测技术将会在更多桥梁运维的应用场景中出现。

　　四、可推广性

　　两个非接触检测技术已成功应用于多座跨江悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥及钢桁架梁桥空间形态数据采集、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。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》，填补了国内适用于桥梁的动态位挠度与索力数字图像法相关规范标准的空白。