基于机器视觉的高铁桥梁动态位移测量技术研究与应用

随着我国高速铁路网络的快速扩展，高铁桥梁作为线路的重要组成部分，其结构安全性与服役状态日益受到关注。然而，由于高铁轨道系统具有高度封闭性和运行密度大的特点，传统的检测手段面临诸多限制。本文提出并验证了一种基于机器视觉的动态位移测量系统，用于在列车运营状态下对高铁桥梁进行非接触式结构变形识别，并通过现场试验验证了该系统的有效性与实用性。

一、高铁桥梁检测现状与挑战

1.1 当前检测方法的局限性

- **人工巡检**：依赖技术人员沿线检查，效率低、主观性强，难以实现高频次、全桥面覆盖。
- **固定传感器监测**：如加速度计、GPS等设备虽能获取数据，但布设成本高，安装复杂，且不易维护。
- **“天窗”时间限制**：传统检测多需在夜间或列车停运时段进行，时间窗口短，影响整体管养效率。

1.2 高铁桥梁检测的核心需求

| 检测需求 | 技术指标 |
|----------|----------|
| 非接触测量 | 不干扰列车运行 |
| 实时性 | 数据采集频率≥50Hz |
| 精度要求 | 位移测量误差≤1mm |
| 多点同步 | 同时监测多个关键部位 |
| 成本可控 | 单点测量成本<5000元 |


二、机器视觉动态位移测量系统设计

2.1 系统组成

本系统采用**双目视觉+靶标识别**方式，通过部署在桥梁两侧的工业相机实时捕捉反光靶标的运动轨迹，结合图像处理算法计算出桥梁在列车荷载作用下的竖向及横向位移变化。

- **图像采集模块**：高速工业相机（分辨率≥1280×1024，帧率≥100fps）
- **光源系统**：LED补光灯组，确保全天候成像质量
- **靶标单元**：高对比度反光标志，预埋于桥梁关键截面
- **数据处理平台**：嵌入式图像处理器+边缘计算设备
- **远程监控中心**：可视化界面展示结构响应数据


三、现场试验与结果分析

3.1 试验桥梁概况

- 桥梁类型：32m预应力混凝土简支箱梁
- 运行速度：350km/h
- 测试条件：正常运营状态，无“天窗”干扰

3.2 试验布置与数据采集

- 在跨中位置布设3组靶标
- 相机采样频率设置为100Hz
- 连续采集50趟列车通过过程中的位移数据

3.3 典型数据分析

| 参数 | 设计值 | 视觉测量值 | 误差 |
|------|--------|-------------|------|
| 跨中最大竖向位移 | 12.3 mm | 12.6 mm | +2.4% |
| 第一阶竖向自振频率 | 2.15 Hz | 2.17 Hz | +0.9% |
| 横向摆动幅值 | <1 mm | 0.8 mm | - |

> 注：数据与传统激光位移计对比验证，一致性良好。

四、技术优势与工程价值

4.1 技术优势分析

- **非接触测量**：避免对桥梁结构造成物理扰动，安全可靠。
- **经济高效**：单套系统可同时监测多点，部署成本仅为传统传感器的1/3～1/2。
- **部署灵活**：可在任意可通视位置安装，适应复杂地形和环境。
- **智能识别**：支持自动图像处理与异常位移告警功能。
- **不占用“天窗”时间**：实现了真正意义上“随车随测”的连续监测。

4.2 工程应用前景

1. **定期检测辅助工具**：可替代部分人工巡检，提高检测覆盖率与频次。
2. **健康监测系统前端**：作为结构健康监测系统（SHMS）的数据采集子系统。
3. **灾害应急评估**：在地震、洪水等突发事件后快速评估桥梁状态。
4. **智能化养护决策支持**：为基于状态的维修策略提供数据支撑。

五、结论与展望

- 本文提出的基于机器视觉的动态位移测量系统，已在实际高铁桥梁上成功验证，具备良好的测量精度与稳定性。
- 该技术突破了传统检测模式的空间与时间限制，显著提升了高铁桥梁的运维效率。
- 未来可进一步融合深度学习与多源信息融合技术，实现更智能、更全面的结构状态感知能力。
- 推广至大跨度斜拉桥、悬索桥等复杂结构体系，具有广阔的工程应用前景