非接触式变焦视觉位移监测仪 —— 桥梁健康监测系统解决方案
桥梁是公路的重要组成部分，随着交通运输量大幅度提高，行车密度及车辆载重越来越大，跨河桥梁和高架桥梁在交通工程中的重要性与日俱增，许多运营年限长的桥梁已经出现了老化现象，部分桥梁甚至出现了不同程度的病害，明显可以发现桥梁的混凝土开裂、剥落、衰变及钢筋的锈蚀（管道灌浆不饱满普遍存在）对桥梁的损害问题非常严重。由于缺乏对桥梁的科学监测与管理，桥梁的裂缝、沉降、水平位移、加速度、倾角、振动、应力、索力、荷载等健康状况信息得不到及时反馈，国内外，因桥梁的突然倒塌与破坏造成人车坠毁的重大事故屡见不鲜，不仅影响了交通还带来了巨大的经济损失。在这种情况下，人们对现代桥梁的质量和寿命才逐渐关注起来，尤其是随着桥梁分析理论、施工技术、材料性能的迅速发展，桥梁的跨度越来越大，对桥梁结构进行健康监测就显得尤为重要。
我国当前的桥梁健康监测还是以传统的人工检测为主，许多桥梁管理由于监测监控系统不完备、技术落后，而且监测项目繁多，水平位移、沉降、挠度、振动加速度、倾斜等都得考虑，同时由于专业检测人员缺乏，检测费用巨大，甚至有些地方处于无检测监控状态，有些虽有人工定期用传统仪器到现场进行测量，但受天气、人工、现场条件等诸多因素的影响，存在一定的系统误差和人工误差，这些都影响着桥梁的安全生产和安全管理水平。
虽然有些桥梁已经用上了自动化监测传感技术，但仍然存在施工布线工程量大、系统复杂、整体监测成本高等问题。
2.1 设计依据
《建筑与桥梁结构监测技术规范》（GB 50982-2014）
《公路桥涵设计通用规范》（ JTG D60-2015）
《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JT/T1037-2016）
《城市桥梁检测与评定技术规范[附条文说明]》CJJ/T 233-2015
《城市桥梁检测和养护维修管理办法 》2004年
2.2 主要监测内容设计
桥梁主要监测内容设计主要包括以下几个方面：
①结构完整性监测：对桥梁结构整体进行监测，包括桥跨结构的变形、裂缝、动态挠度、振动等。通过使用变焦视觉位移监测仪，可以精确地测量桥梁结构的各项指标，从而判断其是否满足设计要求和安全标准。
②沉降和水平位移监测：采用非接触变焦视觉位移监测仪进行沉降和水平位移监测。通过对墩台的沉降和位移情况的监测，可以了解桥梁的整体稳定性和安全性。
③裂缝监测：对桥梁的关键受力部位进行裂缝监测，可以采用变焦视觉位移监测仪在裂缝两侧贴装靶标的方式进行测量。可以及时发现裂缝的产生和发展情况，为桥梁的维修和加固提供依据。
④振动监测：采用非接触式的变焦视觉位移监测仪对桥梁进行振动监测，可以了解桥梁的动力特性和振动情况。通过监测和分析振动的频率、振幅、加速度等参数，可以判断桥梁的安全性和稳定性。
⑤伸缩缝监测：对桥梁的伸缩缝进行监测，检查是否存在破损、结构脱落等问题，并及时进行处理，确保伸缩缝的正常工作，可通过变焦视觉位移监测仪进行监测。
⑥索力监测：对于有索桥梁，如拱桥、斜拉桥、悬索桥等，索力的监测是健康监测的一个重要内容。索的老化、疲劳以及受力变化会直接影响到结构的受力与安全，因此需要对索力进行监测，可以通过变焦视觉位移监测其振动频率换算索力变化。
⑦环境因素监测：对影响桥梁安全性的环境因素进行监测，如温度、湿度、风雨雪等天气条件以及河流的水位、水质等。可采用变焦视觉位移监测仪接入环境监测传感器实现，无需另外拉线布线及增加网关采集器。通过对环境因素的监测和分析，可以为桥梁的安全性和稳定性提供更加全面的数据支持。
⑧视频监测：远程查看每个测点的数据和曲线，数据超限时可联动现场声光预警和后端平台弹窗、短信通知以及图片抓拍预警。还可远程查看现场实时视频画面、下载历史视频，避免现场测点误触，导致上限预警。
综上所述，以上是对桥梁主要监测内容设计的简要介绍，其均可通过变焦视觉位移监测仪直接或间接完成测量。通过全天24小时对桥梁的结构进行全面的监测和分析，可以及时发现并处理问题，保障桥梁的安全和稳定性。同时可以为桥梁的维护和加固提供数据支持，延长桥梁的使用寿命。
传统是用水准仪、全站仪等设备人工监测，其精度一般是1mm，监测精度较低，但是自动化设备——变焦视觉位移监测仪能轻松达到0.1mm精度，甚至0.01mm精度，让结构更安全。并且具有非接触式的优点，测点只需要安装靶标即可，无需拉线布线安装传感器，节省劳动力、成本。还可直接喷涂靶标在结构上，适用于一些危桥或铁路桥等不方便安装靶标的场景使用。
而且其实桥梁结构监测最主要是位移监测，应力监测为辅，位移测量具有“测得准”、“分析得了”的优点，比应力测量更能直观反映桥梁健康状态。而位移测量包括“静位移”和“动挠度”测量，“静位移”反映桥梁的总体变量，“动挠度”不仅反映桥梁的变形趋势，还可以直接反映桥梁的损伤程度。桥梁裂缝会减小梁体的有效截面高度，致使桥梁挠度增加，而挠度又会加速裂缝发展。
三、系统结构
其系统由编码靶标、变焦视觉位移监测仪、安锐云及多设备终端组成。靶标自带编码信息，无需用户标定设置及调试，变焦视觉位移监测仪智能识别唯一靶标编号和对应的位移数据，网络上传到云平台，用户即可在终端获取位移信息，实现结构位移的非接触式测量。
四、测点设计布设
在桥梁两端墩台处稳固混凝土坚硬地面，若没有混凝土地面，需先制作边长为600mm立方体混凝土基础，且视野开阔的地方安装变焦视觉位移监测仪，在墩台测点处安装好靶标，插上电源，手动框选靶标或监测仪智能识别视野范围内的靶标，即可实现桥墩水平位移+竖向位移（沉降）监测，测点只需要安装靶标即可，无需拉线布线安装传感器，节省劳动力、成本，方便快捷，巡回扫描监测。若需对某测点高频采集，则其他测点巡回扫描会暂时停止。通过编码靶标对墩台的沉降和位移情况的监测，可以了解桥梁的整体稳定性和安全性。
4.2 桥梁动态挠度监测
（1）一般选择在桥两端墩台处稳固（无稳定地面需浇筑砼基础）且视野开阔的地方安装变焦视觉位移监测仪，尽量能看到各段桥梁，然后在测点处安装靶标，靶标应尽量正对监测仪且靶标相互无遮挡，无需现场人工调试，插电即可实现桥梁各部分的挠度自动化监测，机器自动可识别变焦视野范围内的所有靶标，这种“长条形”监测实测靶标测点可达1000个，理论还可增加靶标测点数量，监测长度可达400米，平均单测点成本非常低。而且还可设定某监测点的高频采集，但其他测点巡回扫描会暂时停止，高频采集结束才继续巡回扫描监测。
（2）若只需要对某跨桥监测或墩台与实际测点不通视的场景进行动态挠度进行监测。这些情况一般会安装在桥底（如图），监测仪安装位置一般会选择稳固的桥墩，测点处安装靶标；
也可选择监测仪安装在通视岸边稳固（无稳定地面需浇筑砼基础）的位置（如图），测点安装靶标。插电即可实现桥梁该区域的挠度自动化监测（或高频采集），无需人工手动相机调焦，安全稳定。若断面测点较少，可选择定焦版进行监测，节省成本。
4.3 索塔倾斜监测
（1）垂直于桥梁方向断面的索塔倾斜监测，一般选择在桥两端墩台处稳固（无稳定地面需浇筑砼基础）且视野开阔的地方安装变焦视觉位移监测仪，可以清晰地看到各索塔，插电即可实现索塔的倾斜、振动自动化监测。
（2）平行于桥梁方向断面的索塔倾斜监测，监测仪安装在通视的岸边稳固（无稳定地面需浇筑砼基础）的位置（如图），正对着桥梁，索塔上安装测点靶标，插电即可实现桥梁该区域的挠度自动化监测（或高频采集）。
4.4 裂缝监测
裂缝监测一般需要正对着裂缝，而且需要在裂缝两侧均安装靶标。这里列举两种常见的裂缝位置监测场景
（1）桥墩裂缝监测，监测仪安装位置一般会选择另一个稳固的桥墩，测点安装在桥墩出现裂缝的两侧，插电即可实现桥墩的裂缝监测。
（2）桥跨侧面的裂缝监测，可选择将监测仪安装在通视的岸边稳固（无稳定地面需浇筑砼基础）的位置（如图），在裂缝两侧安装靶标。插电即可实现桥梁该区域的裂缝自动化监测，无需人工手动相机调焦。
4.5 斜拉索索力及振动监测
一般将监测仪安装在通视的岸边稳固（无稳定地面需浇筑砼基础）的位置（如图），正对着桥梁斜拉索，选择较小尺寸的靶标安装在斜拉索上（需安装稳固，避免风吹动靶标影响检测数据），插电即可实现斜拉索振动频率自动化监测（或高频采集），通过振动频率换算索力变化，即可同时进行索力自动化监测。
4.6 靶标的形式
靶标的形式多种多样，一般分为三种，一体式靶标、单片式靶标和喷涂式靶标。一体式靶标适用于所有监测项的场景，安装搭配有万向轴，靶标朝向可以往任意方向转动。单片式靶标是单片定制的铝合金，一般用于监测仪正对的结构物，或仅倾斜一点的结构物，直接螺丝安装或胶水粘贴在结构物上，其方向由结构物的平面决定，无法调整方向机转动，成本较低。直接在结构面上喷涂即可，方便快捷。适用于一些危桥或铁路桥等不方便安装靶标的场景使用。
机器视觉识别出靶标的亚像素图像位移，自标定矩阵算法将图像位移转换到物理空间位移，得到靶标的实际位移，网络上传到云平台实现结构位移的非接触式测量。
通过自研技术，把图像采集、镜头控制、目标识别、位移计算、网络传输和红外变焦灯控制等功能，集成在单片高性能嵌入式硬件中，提高了系统的可靠性及易用性，解决了产品的工程化应用难题。
变焦视觉位移监测仪广泛应用于桥梁、隧道、边坡、大坝、基坑、轨道、建筑物、地质灾害、矿山等表面位移（水平位移、沉降、动静挠度）的自动化监测。
典型解决方案有隧道或管廊收敛+沉降、铁路或轨道二维位移、水利大坝二维位移、边坡表面位移、基坑表面位移、桥墩沉降+桥梁挠度。
⑤ 典型案例
六、系统方案设备清单
