本发明属于建筑结构健康监测，具体涉及基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，能够实现空心板桥的区域刚度识别。
背景技术：
1、桥梁作为现代交通网络中的重要组成部分，在长期不合理的车辆作用下，可能过早地出现疲劳损伤，甚至结构破坏。利用结构监测技术及时发现结构病害与隐患，有望解决结构服役安全问题并为实现结构长寿命提供有力支撑。在我国中小跨径桥梁的设计和施工过程中，预制装配式的钢筋混凝土梁式桥凭借其结构形式简单、力学性能良好得到广泛应用，同时空心板具有自重小、预制简便、便于施工等独特优势，因此在中小跨径桥梁建设中，装配式空心板梁桥成为首要选择，占据我国中小跨径梁式桥的50％以上。受设计、施工、自然侵蚀及运营环境等因素的影响建成后的预应力混凝土空心板梁桥随着服役时间的延长会逐渐出现材料劣化、裂缝、结构性损伤等病害。
2、在结构识别领域，倘若能有效利用结构的输入输出信息，可为桥梁结构的识别、评估与维护提供有力支撑。基于视觉技术的非接触测量优势，有潜力实现监测桥面车重时空分布获取结构荷载输入信息的同时获取基于在线相机的结构实时响应输出测量。
3、准确识别桥梁本质特征信息可以提供重要的结构健康信息，有助于及时发现潜在的材料劣化、结构性裂缝病害问题并采取相应的维修和强化措施，确保桥梁的安全运营。现有健康监测研究在基于视觉技术的桥梁车流时空分布获取(输入)、基于光学测量的结构响应监测(输出)等多元视觉信息感知方面取得了一定的进展，但在利用健康监测数据获取结构本质特征信息、评估空心板梁桥服役状况方面仍存在局限性。
4、仅依赖于“输出”信息的环境振动测试只能识别基本模态参数，这些参数与结构性能的相关性弱而无法有效支撑结构的性能评估；“输入-输出”信息已知的冲击振动测试能够识别结构柔度矩阵等深层次参数，但是其需要输入冲击荷载测量的特性限制了其使用时必须封闭交通，为量大面广的中小型桥梁检监测带来不便；现有基于跑车试验的移动荷载测试利用准静态影响线指标可反映结构的整体受力性能，但是同样具有封闭交通的局限性。利用桥上车辆荷载数据作为结构输入、结构变形数据作为结构响应输出，不需封闭交通，且可获取结构深层次参数，因此开发基于车流识别和结构位移的空心板桥梁损伤识别方法具有切实的工程意义和明确的工程需求。
技术实现思路
1、解决的技术问题：本发明公开了一种基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，具有测量快速便捷和非接触的优势，克服了已有方法需封闭交通的问题，有广泛应用于空心板桥区域刚度识别的良好前景。
2、本发明采用如下技术方案：
3、一种基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，包括以下步骤：
4、s1，在随机交通荷载作用下，利用桥上车流监控相机进行车辆参考点定位及车辆信息识别，结合收费站车重数据，得到任意时刻桥面车辆荷载的位置及大小；
5、s2，在识别桥面荷载的同时，利用在线相机对测试桥梁区域内各个测试单元节点的转角进行同步监测。
6、s3，根据交通荷载的大小和位置，利用基于梁格模型的矩阵位移法计算任意时刻各刚度识别区域的弯矩包络面积。
7、s4，根据单元节点的转角，计算各刚度识别区域的曲率包络面积。
8、s5，对各区域弯矩包络面积与曲率包络面积做商，并在时间尺度取均值，得到各测试单元的均匀刚度。
9、s6，根据各测试单元的均匀刚度，计算标准化刚度损伤指数识别结构损伤。
10、s7，对于损伤结构，考虑区域刚度损伤后的内力重分布效应，利用迭代法更新梁格模型参数直到收敛，得到损伤下的区域刚度。
11、进一步地，步骤s1中，用桥上车流监控相机进行车辆参考点定位及车辆信息识别，结合收费站车重数据，得到任意时刻桥面车辆荷载的位置及大小，包括以下子步骤：
12、s11，采用yolov5s对全桥桥上画面进行车辆检测，对于每一帧图片，利用识别出的车辆掩膜识别车头左下点(具体为：掩膜轮廓上最低的三个特征点中最左侧的点)作为参考点；
13、s12，利用模板匹配进行车辆追踪，将后一帧图片中的每个车辆子图与前一帧中每个车辆子图计算相关系数，形成相关矩阵，从相关矩阵中寻找每一行的峰值，峰值所在位置的行列代表的车辆为同一辆车。每辆车首次进入视野时为其赋予标签，并为下一帧中与此车匹配的车辆赋予相同的标签，通过循环，此车辆在所有帧中标签相同，实现车辆追踪及参考点匹配；
14、s13，利用图片上特征点的像素坐标信息与已知实际空间坐标信息进行相机标定，得出从图像坐标系到桥面世界坐标系的单应性矩阵；并通过单应性矩阵计算任一时刻各车辆在桥面坐标系下的参考点位置；
15、s14，当车辆进入车辆信息识别区域时，采用yolov5s对其进行车辆和车轮的掩膜识别。取掩膜轮廓的最低点，作为车辆和车轮的参考点；根据单应性矩阵，进一步计算桥面坐标系下车轮和车辆参考点的位置。
16、s15，同时，采用yolov5s识别车牌的边框；采用lprnet进一步识别出车牌字符，从而对应车重数据。
17、s16，结合s13得出的车辆参考点位置和s14得出的车轮相对参考点的位置，得到荷载位置；结合s15得到的车重数据，得到荷载大小。
18、进一步地，步骤s2中，利用在线相机对测试桥梁区域内各个测试单元节点的转角进行同步监测采用以下方法：将多特征点位置约束的阵列靶标图像序列作为视觉输入构建相机与运动目标坐标系的几何关系计算桥梁转角，并利用一种基于质心阵列自适应多波门追踪和坐标系转换矩阵提纯优化提高转角监测鲁棒性。
19、进一步地，步骤s3中根据交通荷载的大小和位置，利用基于梁格模型的矩阵位移法计算任意时刻各刚度识别区域的弯矩包络面积，包括以下步骤：
20、s31，采用梁格法对简化空心板梁桥。分别用横向和纵向梁格集中空心板的横向和纵向刚度,铰缝及支座处铰接。每个横向连接由两根杆件构成，每根杆件分别于其对应的纵向构件刚接，两根杆件相互之间铰接。
21、s32，对于每根杆件，建立局部坐标系，设其在整个结构中的编号为e,它连结着两个节点i、j。现以i为原点，以从i向j的方向为轴的正向，竖直向上方向为轴，建立右手空间直角坐标系。在每根杆件中，忽略轴向力的作用；认为节点只沿y方向平动、不绕y方向转动。即，需要考虑的杆端力分量有i端x方向的弯矩y方向的剪力z方向的弯矩和j端x方向的弯矩y方向的剪力z方向的弯矩根据位移法，单元的刚度方程为式中杆端力向量和杆端位移向量分别单元刚度矩阵为
22、
23、其中(git)e为杆件e的抗扭刚度，(ei)e为杆件e的抗弯刚度，le为杆件e的长度。在本方法中，由于矩阵位移法仅用于计算力的分配，而无需输出结构变形，故材料弹性模量可取任意值。截面抗弯惯性矩i＝dh3/12，抗扭惯性矩it＝0.33dh3；对于横向杆件，由于铰缝不传递扭矩，故横向杆件抗扭刚度不影响结构响应，方便起见，设横向杆件it＝0，由于板梁在纵向上会产生弹性阶段的挠曲，但在横向上可认为为刚性，即模型中横向杆件抗弯刚度远大于纵向杆件，可认为其无穷大，此处对截面抗弯惯性矩赋值i＝lh3/36，以适应矩阵位移法的计算。
24、s33，得到单元刚度矩阵后，利用进行坐标转换，得到整体坐标系下的单元刚度矩阵，并进行分块，便于下一步计算。整体坐标系与局部坐标系仅绕y轴旋转，故坐标转换矩阵t为
25、
26、其中α为从x轴到轴的夹角。对于纵向梁格，α＝0°；对于横向梁格，α＝270°。
27、s34，由单元刚度矩阵组装整体刚度矩阵。设梁格法模型中有n个节点，则总体刚度矩阵k有n2个子块,每个子块都是3×3阶方阵，故k为3n×3n阶方阵。其中主子块kii是由结点i的各相关单元的主子块叠加求得，即其中副子块kim,当i,m是相关节点时，即为联结它们的单元的相应副子块，即当i,m为非相关节点时即为零子块。
28、s35，组合成整体刚度矩阵k后，根据结构的原始刚度方程，有f＝kδ，其中f为各节点外力，δ为各节点位移。
29、f＝(f1 f2…fn)t＝(mx1 fy1 mz1 mx2 fy2 mz2…mxn fyn mzn)t
30、
31、这里，fi代表节点i的外力列向量，mxi,fyi,mzi分别为作用在节点i的沿x方向的外力偶、沿y方向的外力、沿z方向的外力偶；δi代表节点i的位移列向量，θxi,vyi,分别为节点i沿x方向的角位移、沿y方向的线位移、沿z方向的角位移。
32、在引入支承条件前，k为3n×3n阶已知方阵。f,δ分别为有3n个元素的未知列向量。因此，需引入3n个约束即可解出原始刚度方程中所有参量。对于由p根板梁构成的空心板梁桥，设置q组横向梁格，结构有(p-1)q个梁间铰接点，2p个支座处节点，pq个刚性节点，2(p-1)q个铰缝两侧节点。对于2p个梁端支座处铰节点，有θxi＝0，vyi＝0，mzi＝0；对于(p-1)q个横向连接处对应的铰接处，设铰接处两侧的节点分别为节点k和节点(k+1),则有，mxk＝0，mx(k+1)＝0，fyk+fy(k+1)＝0，mzk＝0，mz(k+1)＝0，vyk＝vy(k+1)；对于pq个横向纵向杆件连接处的节点，mxi＝0，fyi＝fe，mzi＝me，上式中fe,me为s1中得到的已知桥面车辆荷载分配到节点上的等效节点荷载，等效节点荷载分配方法如下：
33、由于空心板梁宽度方向尺度远小于长度方向，故认为车轮产生的集中力均作用在纵向梁格上，即不考虑集中力在单一空心板梁上的偏载。对于纵向杆件，首先，加上附加链杆和刚臂阻止所有结点的线位移和角位移，此时各单元有固端杆端力(以下简称固端力)，附加链杆和刚臂上有附加反力和反力偶。由结点平衡可知，这些附加反力和反力偶的数值等于汇交于该结点的各固端力的代数和。然后，取消附加链杆和刚臂，亦即将上述附加反力和反力偶反号后作为荷载加于结点上，这些荷载称为原非结点荷载的等效结点荷裁，在等效结点荷载下求得的就是结点的实际位移。车辆荷载下纵向杆件只受y方向集中力f，其固端力ff计算如下任一节点上的等效节点荷载为其上连结的所有杆件的固端力之和，
34、以上3n个约束条件与结构的原始刚度方程联立，得到各结点的实际位移δ；
35、通过下式计算件e的杆端内力fe，包括x方向杆端弯矩y方向杆端剪力z方向杆端弯矩即fe为固端力与等效节点荷载作用下产生的杆端力之和：
36、
37、其中fei为节点i的等效节点荷载，ke为整体坐标系下的单元刚度矩阵，δe为整体坐标系下的单元位移矩阵，(keδe)i等效节点荷载作用下产生的i端杆端力。将x方向杆端弯矩配合弯矩图得到此杆件内部的弯矩分布；即各空心板梁任意长度处的弯矩；s36，得到各空心板梁任意长度处的弯矩后，进一步根据计算t时刻，第n片空心板上区域[xi,xi+1]的弯矩包络面积。
38、进一步地，步骤s4中根据单元节点的转角，计算各刚度识别区域的曲率包络面积，采用公式ac(n,t,xi)＝θ(n,t,xi+1)-θ(n,t,xi)，其中θ(n,t,xi)为第n片空心板上t时刻xi处的转角，ac(n,t,xi)为第n片空心板上t时刻区域[xi,xi+1]的曲率包络面积。
39、进一步地，步骤s5采用公式计算得到第n片空心板上第i个测试单元a(n,i)的均匀刚度，其中t为有效测量的总时长。
40、进一步地，步骤s6采用公式计算计算标准化刚度损伤指数，以识别损伤。其中，为区域a(n,i)的均匀刚度，μ是所有区域刚度的均值，σ是所有区域刚度的标准差。
41、进一步地，步骤s7利用迭代法更新梁格模型参数以获取损伤区域刚度具体步骤为：
42、s71，得到结构完好假设下的抗弯刚度值并识别出损伤后，将完好区域的刚度值求平均并赋值给所有完好区域纵向梁格；表达式如下：
43、
44、其中，表示结构完好假设下的完好区域均匀刚度平均值，为第一次迭代采用的完好区域刚度。
45、损伤区域的抗弯刚度值等于完好假设下的此区域刚度值，
46、
47、其中，表示结构完好假设下的损伤区域(n,i)的均匀刚度，为第一次迭代采用的损伤区域(n,i)的刚度；
48、对于抗扭刚度，认为其与抗弯刚度等比例变化；
49、s72，利用s71得到的刚度值，更新单元刚度矩阵ke，重复步骤s34～s36，得到第1次迭代得到的弯矩包络面积(am(n,t,xi))loop1；利用曲率包络面积ac(n,t,xi)，对各区域，求出第一次迭代得到的区域(n,i)的均匀刚度
50、
51、s73，再次将完好区域的刚度值求平均并赋值给所有完好区域，
52、
53、其中，为第(i-1)次迭代得到的完好区域均匀刚度平均值，为第i次迭代采用的完好区域刚度值。
54、损伤区域的抗弯刚度值等于上次计算出的此区域刚度值，
55、
56、其中，为第(i-1)次迭代得到的损伤区域(n,i)的均匀刚度，为第i次迭代采用的损伤区域(n,i)的均匀刚度。
57、本发明提供了一种基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法。首先应用计算机视觉方法识别车辆位置及信息，结合收费站车重数据获取桥面车重时空分布，进而利用矩阵位移法实现各区域的弯矩包络面积计算；同时应用光学测量实现结构转角响应同步测量，并据此计算曲率包络面积。对弯矩包络面积和曲率包络面积之商在时间尺度取均值即可得到各测试区域刚度。此后，计算标准化刚度损伤指数识别损伤，对于损伤结构，考虑内力重分布效应，利用迭代法更新模型参数，准确定量损伤下的区域刚度。
58、有益效果：
59、第一，本发明的基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，解决了传统的桥梁多测点刚度测量需要大量接触式传感器、需封闭交通，测试成本高的不足。
60、第二，本方法考虑空心板桥宽跨比大、横向分布效应明显，利用基于梁格模型的矩阵位移法计算结构弯矩分布，快速便捷、测试精度高，适用于空心板桥区域分布刚度的快速测试。
61、第三，本方法考虑空心板梁桥区域刚度损伤后的内力重分布效应，利用迭代法更新梁格模型参数，可以准确定量损伤下的区域刚度，适用于桥梁损伤状态评估。
1.基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，其特征在于，所述桥梁单元分布刚度识别方法基于桥上车流监控相机，桥下在线相机及从三方所获得的车重信息，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，其特征在于：s3步骤中利用基于梁格模型的矩阵位移法计算任意时刻各刚度识别区域的弯矩包络面积，包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，其特征在于，步骤s4中根据单元节点的转角，计算各刚度识别区域的曲率包络面积采用如下公式计算：
5.根据权利要求1或4所述的基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，其特征在于，步骤s5采用下式：
6.根据权利要求1所述的基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，其特征在于，步骤s6采用下式计算计算标准化刚度损伤指数，以识别损伤；
7.根据权利要求1所述的基于视觉测量的空心板桥区域分布刚度识别方法，其特征在于，步骤s7利用迭代法更新梁格模型参数以获取损伤区域刚度具体步骤为：
