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基于SURF-PROSAC法的高铁桥梁位移测量技术研究

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铁道科学与工程学报 2023年第9期20卷 3579-3591页

作者：杜文康雷冬杭宗庆白鹏翔朱飞鹏河海大学力学与材料学院江苏南京211100

快速、便捷、有效的结构变形监测技术是保障高铁桥梁运营安全的重要手段。目前,桥梁变形监测大多采用接触式传感器,如加速度传感器、应变计以及位移计等设备。这些设备通常需要固定在表面或埋入结构内部,由于施工难度大、系统造价高、... 详细信息

快速、便捷、有效的结构变形监测技术是保障高铁桥梁运营安全的重要手段。目前,桥梁变形监测大多采用接触式传感器,如加速度传感器、应变计以及位移计等设备。这些设备通常需要固定在表面或埋入结构内部,由于施工难度大、系统造价高、后期维护较为繁琐,难以广泛应用于数量大且封闭性高的高铁桥梁。为此,提出一种基于机器视觉的高铁桥梁位移测量技术,将SURF(Speeded Up Robust Features)特征检测方法与FLANN-PROSAC(Fast Library for Approximate Nearest Neighbors-Progressive Sampling Consensus)匹配算法相结合。利用智能手机采集结构变形视频,实现了结构位移的快速测量。在实验室内,通过对汉字标记进行识别,探索了视觉方法在光照变化、雾气条件、物体遮挡等多种工况下的适应性。模型试验结果表明:在光照变化条件下,特征点数量会随着光照强度的降低而减少;而在物体遮挡和雾气条件下,特征点数量则会由于遮挡面积和雾气浓度的改变而出现波动变化。同时,机器视觉方法的测量结果能够较好地与位移计结果相吻合,最大偏差率少于5%。在现场实验中,进一步验证了机器视觉方法在不同表面特征(稳固标记和随机标记)识别中的稳定性,清晰测量出高铁桥梁在运营过程中的结构关键位置的位移变化趋势。此外,基于智能手机的测量系统具有良好的便携性,能够适应跨越道路、河道等多类型测量环境。研究成果可实现结构动态位移的非接触式测量,为高铁桥梁定期管养检测、长期性变形监测提供新的解决思路。

关键词：高铁桥梁机器视觉特征检测位移测量

基于自适应卡尔曼滤波加速度与位移融合的结构位移实时估计

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工程科学与技术 2023年第4期55卷 188-196页

作者：曾竞骢施袁锋戴靠山廖光明四川大学建筑与环境学院深地科学与工程教育部重点实验室四川成都610065 四川大学建筑与环境学院四川成都610065

实时高精度位移测量在工程结构的安全和寿命评估方面有着重要作用。为提高基于全球导航卫星系统技术的位移测量的精度及稳定性,本文提出了一种融合加速度和位移数据的自适应多速率卡尔曼滤波方法,来实时获取精度提升的位移信息。由于不... 详细信息

实时高精度位移测量在工程结构的安全和寿命评估方面有着重要作用。为提高基于全球导航卫星系统技术的位移测量的精度及稳定性,本文提出了一种融合加速度和位移数据的自适应多速率卡尔曼滤波方法,来实时获取精度提升的位移信息。由于不合理的噪声参数设置会使位移估计的精度严重下降,利用加速度和位移数据测量噪声各自的特点,以分开估计相应噪声方差的思路来实现自适应估计;考虑传感器噪声的性质,自适应滤波中对噪声参数的估计可简化为仅对位移噪声方差进行估计;利用Sage-Husa估计器实现位移噪声方差的自适应估计,使滤波能在噪声参数未准确获知的情况下进行稳定的位移实时估计。讨论了自适应滤波中初始噪声参数的影响,确定了初始系统噪声参数的选取原则;分别在时不变与时变位移噪声环境下,观察该滤波应用于不同频率的谐波位移信息下的估计性能;以某1.5 MW风电塔在风–地震耦合作用下塔顶结构响应的数值模拟,说明本文的自适应滤波在一般工程结构应用中的有效性。结果表明,即使初始噪声参数设置有误或位移噪声具有时变性,本文方法依然具有较好的估计效果及鲁棒性。研究成果可为结构实时高精度位移监测提供一定理论支撑与参考。

关键词：卡尔曼滤波自适应滤波位移测量数据融合结构健康监测

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基于机器视觉方法的高铁桥梁监测技术研究

铁道工程学报 2023年第3期40卷 45-49页

作者：雷冬杜文康朱国靖李润璞河海大学南京210098 中国铁路上海局集团有限公司南京桥工段南京210011 南京铁道职业技术学院南京210031

研究目的:由于高铁轨道的封闭性和复杂性,高铁线路尤其是高铁桥梁的检测受限因素较多。同时,现有管养技术大多依赖于人工检测,消耗大量人力物力,且检测效率有限。为此,本文提出一种基于机器视觉方法的动态位移测量系统,通过现场试验对... 详细信息

研究目的:由于高铁轨道的封闭性和复杂性,高铁线路尤其是高铁桥梁的检测受限因素较多。同时,现有管养技术大多依赖于人工检测,消耗大量人力物力,且检测效率有限。为此,本文提出一种基于机器视觉方法的动态位移测量系统,通过现场试验对运营状态下高铁桥梁的结构变形进行识别。研究结论:(1)基于机器视觉方法的动态位移测量系统能够较好地识别结构在运营状态下位移变化和结构动态响应;(2)基于机器视觉的测量技术具有非接触、成本低、多点测量以及对列车运行干扰小等多方面优势,能够在非“天窗”时间实现结构状态的监测,进一步提高管养效率;(3)本研究成果能够满足高铁桥梁定期检测及长期监测需求,对高铁桥梁检测技术的发展及健康监测系统的构建具有指导意义。

关键词：机器视觉高速铁路桥梁监测技术位移测量

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基于机器视觉与无人机的结构动位移测量方法

振动与冲击 2022年第19期41卷 1-7页

作者：韩怡天冯东明吴刚东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室南京211189 东南大学智慧建造与运维国家地方联合工程研究中心南京211189

针对基于视觉的结构位移测量方法中相机分辨率不足或测量基站位置选取困难等局限,提出一种结合机器视觉与无人机的结构动位移测量方法。以静止激光灯投射在结构表面的激光光斑为参考,设计算法自动检测目标测点和激光光斑位置,逐帧计算... 详细信息

针对基于视觉的结构位移测量方法中相机分辨率不足或测量基站位置选取困难等局限,提出一种结合机器视觉与无人机的结构动位移测量方法。以静止激光灯投射在结构表面的激光光斑为参考,设计算法自动检测目标测点和激光光斑位置,逐帧计算并更新比例因子,估计并消除无人机自身的运动,从而计算目标测点的绝对位移;为验证该方法的准确性,设计一个小型框架模型试验,随后又将此方法应用于大型地震模拟振动台试验。结果表明,利用无人机进行视觉测量得到的位移响应与激光位移计和加速度计测得的参考数据具有良好的一致性,在结构动位移测量和模态参数识别上均能较好地应用。

关键词：位移测量模态参数识别无人机(UVA) 机器视觉相机运动修正

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多通道抗串扰式光谱共焦位移测量方法

计量学报 2024年第4期45卷 489-495页

作者：孙振国李加福罗明哲李轶凡胡佳成中国计量大学计量测试工程学院浙江杭州310018 中国计量科学研究院北京100029

提出一种位移测量方法,解决扫描光谱共焦测量系统存在不同共焦点之间的相互干扰问题。通过光纤束保持多个测量通道之间的独立性,并利用光开关切换测量通道来防止干扰。该系统的7个共焦点构成一个等边六边形,其中6个点分别位于六边形的... 详细信息

提出一种位移测量方法,解决扫描光谱共焦测量系统存在不同共焦点之间的相互干扰问题。通过光纤束保持多个测量通道之间的独立性,并利用光开关切换测量通道来防止干扰。该系统的7个共焦点构成一个等边六边形,其中6个点分别位于六边形的各顶点处,1个共焦点位于六边形的中心,六边形的边长为43.27μm。通过位移测量实验得出,位移测量系统各测量通道的绝对误差小于0.15μm,范围为0~90μm。在测量台阶高度的实验中,2个高度差为30μm的台阶面,误差最大者为0.16μm;在球径测量实验中,无需移动测量系统或被测物体便可完成7路通道的测量;通过对数据进行拟合得到半径为5 mm的球体近似值,最大误差为80.92μm。对比传统方法,该方法展现了较高的精度和分辨率。

关键词：几何量测量光谱共焦多通道位移测量共焦位移

基于非本征F-P干涉技术的全光纤位移测量系统

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计量学报 2023年第12期44卷 1799-1804页

作者：马英瀚张树皮磊阎晗胡佳成施玉书中国计量大学计量测试工程学院浙江杭州310018 中国计量科学研究院北京100029 深圳中国计量科学研究院技术创新研究院广东深圳518107

为解决传统分离镜组式干涉仪体积较大,无法在空间受限的环境条件下应用的问题,开展了全光纤F-P干涉位移测量技术研究。根据干涉原理分析了不同反射率条件对干涉信号形式的影响,计算得出:当反射率为4%时,多光束干涉的光强信号将近似为正... 详细信息

为解决传统分离镜组式干涉仪体积较大,无法在空间受限的环境条件下应用的问题,开展了全光纤F-P干涉位移测量技术研究。根据干涉原理分析了不同反射率条件对干涉信号形式的影响,计算得出:当反射率为4%时,多光束干涉的光强信号将近似为正弦函数,并利用有限元仿真对位移测量原理进行验证。设计搭建了基于非本征F-P干涉技术的全光纤位移测量系统。实验结果表明:该系统在1 min内静态噪声电压标准差为23.3 mV;在1 mm位移范围内,该系统与XL-80激光干涉仪的测量结果呈现高度线性关系,线性相关系数R 2为1,且该系统位移测量重复性优于XL-80激光干涉仪。

关键词：计量学位移测量光纤传感 F-P干涉技术激光干涉仪有限元仿真

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槽罐安全阀在线校验装置的设计与实现

传感技术学报 2023年第10期36卷 1663-1668页

作者：吴秀山童仁园李青浙江水利水电学院电气工程学院浙江杭州310018 中国计量大学灾害监测技术与仪器国家地方联合工程实验室浙江杭州310018

槽罐车安全阀作为罐体的主要泄压部件对罐车的安全运输起着十分重要的作用。为提高槽罐车安全阀校验的自动化程度,提出了一种槽罐安全阀在线校验的实现方法,完成了在线校验装置的设计与校验试验,给出了详尽的在线校验装置机械结构设计... 详细信息

槽罐车安全阀作为罐体的主要泄压部件对罐车的安全运输起着十分重要的作用。为提高槽罐车安全阀校验的自动化程度,提出了一种槽罐安全阀在线校验的实现方法,完成了在线校验装置的设计与校验试验,给出了详尽的在线校验装置机械结构设计与原理说明,对装置中采用的步进电机、拉力与位移传感器的选型和测量设计进行了详细阐述。装置的下位机程序实现了对步进电机的控制、数据采集与无线传输;上位机程序实现了将数据的接收,并在显示界面绘制拉力和位移曲线,测量数据的显示与储存等。针对设计的安全阀在线校验装置对选取的安全阀进行了离线和在线校验试验,得到了校验装置校验安全阀的整定压力、拉力和位移变化曲线,离线校验的实验误差均在2%左右,在线校验的实验误差随着初始压强增大而增大,对在线校验产生的实验误差进行了深入分析。

关键词：槽罐车安全阀位移测量拉力检测在线检测

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计算电容屏蔽电极位移测量的不确定度评估

计量学报 2022年第4期43卷 437-444页

作者：王建波殷聪钱进刘忠有黄璐杨雁陆祖良中国计量科学研究院北京100029

计算电容是电学阻抗单位复现的基准装置,是电容、电感和交流电阻的溯源依据。它是电磁计量领域内除量子电压、量子电阻基准之外准确度最高的装置。计算电容装置实现微小电容值(0.2至0.6 pF)精确测量的关键在于对其屏蔽电极位移的高准确... 详细信息

计算电容是电学阻抗单位复现的基准装置,是电容、电感和交流电阻的溯源依据。它是电磁计量领域内除量子电压、量子电阻基准之外准确度最高的装置。计算电容装置实现微小电容值(0.2至0.6 pF)精确测量的关键在于对其屏蔽电极位移的高准确度测量。从计算电容屏蔽电极位移测量的基本原理出发,系统分析了屏蔽电极位移测量结果的影响因素,具体包含Fabry-Perot干涉仪的锁定、稳频激光波长的实时校准、残余气体折射率影响、测量余弦误差以及Gouy相位修正,结合计算电容测量结果的复现性,得到屏蔽电极位移测量的相对标准不确定度为4.7×10^(-9)。

关键词：计量学计算电容位移测量锁定干涉仪不确定度评估屏蔽电极

无砟道床板间相对位移测量中感兴趣区域自动提取方法

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铁道科学与工程学报 2022年第2期19卷 310-318页

作者：王鲁明李再帏赵彦旭路宏遥何越磊上海工程技术大学城市轨道交通学院上海201620 中铁二十一局集团有限公司甘肃兰州730070

轨道结构作为高速列车行车的基础,必须保证其良好的在役服役性能,有效地实现无砟道床板间位移测量是实现铁路无砟轨道结构服役状态保持的重要措施。针对无砟道床板非接触式位移测量中感兴趣区域(Region of interest,ROI)自动提取问题展... 详细信息

轨道结构作为高速列车行车的基础,必须保证其良好的在役服役性能,有效地实现无砟道床板间位移测量是实现铁路无砟轨道结构服役状态保持的重要措施。针对无砟道床板非接触式位移测量中感兴趣区域(Region of interest,ROI)自动提取问题展开研究,提出一种基于Faster R-CNN(Faster Regions with CNN)的ROI区域自动提取方法,阐明无砟道床板间位移机器视觉测量原理和实现方法的计算流程。基于Keras图像数据增强模型进行无砟道床板间位移目标库的增加,建立人工标靶数据集。通过CNN中卷积层对测量数据进行特征映射图提取,计算映射图中每个特征点的标靶概率,通过分类和边框回归,精确标记图像中的人工标靶。通过安装某250 km/h的双块式无砟轨道线路的典型测点进行Faster R-CNN算法的准确性和有效性验证。研究结果表明:道床板ROI自动提取算法的召回率为99.16%,准确率为98.91%,可以有效满足无砟道床板间位移测量中精度和准确率的要求;与其他的常用YOLO v3,SSD和Fast R-CNN等ROI算法相比,Faster R-CNN方法的计算效率较好、准确率最高,虽然计算效率上略有不足,但可满足铁路轨道状态实际监测的需求。建议在无砟轨道位移非接触式测量中采用基于Faster R-CNN的ROI自动提取方法,以有效地监测铁路基础设施服役状态。

关键词：无砟道床板位移测量图像处理 Faster R-CNN ROI区域