基于機器視覺的大跨長聯橋上無縫線路小阻力扣件縱向服役狀態監測研究

黃志斌，曾志平，葉夢旋，黃旭東，饒惠明，段廷發，肖燕財

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；2.東南沿海鐵路福建有限責任公司，福建 福州，350001；3.重載鐵路工程結構教育部重點實驗室 (中南大學)，湖南 長沙，410075；4.中鐵十二局集團有限公司，山西 太原，030024)

對于工程結構的位移監測方法，目前主要分為人工和自動化2類。前者需要工作人員直接進入監測現場，采用位移傳感器、水準儀或者全站儀等傳統儀器，其效率較低且精度受影響較大；而自動化的方法則采用機械設備對工程結構的變形和位移進行監測，可以克服人工法的缺陷，但設備的采購需要高額成本[1]，例如三維激光或者光纖技術[2-3]。隨著計算機圖像技術的發展，對于工程結構采用機器視覺進行位移監測的方法得到了推廣，并在路基、橋梁、隧道和軌道工程領域均有所應用[4-8]。

由于機器視覺采用攝像機對觀測對象進行監測，其成本較低且能夠得出目標點的位移歷史，通過相似三角形等幾何學的原理，能夠遠程得出觀測對象的位移信息[9]?；跀z像機的位移觀測精度一般可以達到亞毫米，滿足對鋼軌位移和墊板竄出的分析，同時需要考慮系統自身噪聲、結構和設備自身變形以及外部環境導致的誤差影響[10-13]。隨著機器視覺技術在鐵道工程中的發展，其已經廣泛用于軌道傷損監測、線路狀態識別以及結構病害預測等領域[14-17]，且在扣件檢測方面獲得了一定的研究進展[18-20]。

GON?ALVESPEREIRA等[14]為了更好地對北美重載鐵路干線軌道與道岔進行檢測，提出了采用機器視覺的方法對扣件螺栓與道岔部件結構進行自動化檢測。YE等[15]基于深度學習的圖像識別算法，采用基于擴張卷積的快速檢測網絡架構來檢測板軌道中明顯的混凝土裂縫。李一凡[16]基于機器視覺設計了一種鋼軌缺陷檢測小車，用于快速完成鋼軌表面傷損的智能檢測。魏秀琨等[17]闡述了機器視覺方法在軌道交通各領域中的應用，表明機器視覺技術在軌道狀態檢測領域具有廣泛的前景。張博等[18]基于機器視覺方法對鋼軌的光帶區域進行提取，實現了光帶區域的快速識別。范宏等[19]提出一種基于扣件圖像識別技術的算法，能夠通過扣件圖像的局部特征實現對扣件缺陷的快速檢測。黃南文[20]基于機器視覺技術，研究了一種病害檢測機器人，能夠對鋼軌與扣件的損傷進行檢測。

對于鋪設小阻力扣件的橋上無縫線路，鋼軌受到溫升溫降作用產生的周期性伸縮幅度更大，容易導致小阻力扣件復合墊板可能會在鋼軌的帶動下竄出。當復合墊板竄出后，墊板與鋼軌的有效支撐面積減小，扣件縱橫阻力也將產生變化，同時鋼軌與鐵墊板之間將可能存在剛性接觸，進而可能造成輪軌動力作用加大，并導致軌道結構受到更為強烈的沖擊作用，還可能加劇軌道結構損傷的形成。隨運營時間的推移，復合墊板竄出將導致梁軌系統約束關系更為復雜，線路的局部受力狀態更為不利，在高溫或低溫季節鋼軌的巨大溫度力作用下，可能造成大跨長聯橋上無縫線路其他位置出現新的病害。

然而，鋼軌位移監測常常不可避免地需要采用接觸式的指針型位移傳感器，此種監測方式極易對高速列車的運營安全造成影響。對于高速鐵路無縫線路而言，由于難以在鋼軌處布設位移傳感器，因此，采用機器視覺的技術能夠在不影響列車運營的條件下對小阻力扣件系統的鋼軌位移和墊板竄出等情況進行觀測、分析。

鑒于目前機器視覺技術已經逐漸成熟，為避免采用傳統位移監測設備對高速行車安全造成影響，本文作者利用機器視覺設備，提出一種非接觸式的大跨長聯橋上無縫線路小阻力扣件鋼軌位移監測方法，對于評估高速鐵路小阻力扣件縱向服役狀態具有一定參考意義。

1 大跨長聯橋上無縫線路小阻力扣件縱向服役狀態監測方案

為了驗證本文提出的基于機器視覺的小阻力扣件縱向服役狀態監測方案的可行性，本研究以新建福州—廈門高速鐵路為研究對象，選擇大跨連續梁橋(跨度為265 m)與簡支梁臨界區段(漁溪特大橋115號墩附近)進行鋼軌縱向位移和溫度監測試驗。利用基于機器視覺的小阻力扣件遠程實時在線監測系統，對鋼軌與道床板(承軌臺)、復合墊板與道床板(承軌臺)之間的相對位移進行持續監測，獲得了大跨長聯橋上無縫線路強相互作用區段小阻力扣件系統服役狀態的時變特征。同時，采用位移與溫度傳感器對梁軌位移以及梁體的伸縮變形進行監測，為后續分析小阻力扣件安裝下大跨長聯橋上無縫線路梁軌相互作用之間的相關性打下基礎。

1.1 基于機器視覺的小阻力扣件縱向服役狀態監測方案

基于機器視覺的高速鐵路小阻力扣件縱向服役狀態監測系統整體架構如圖1所示，其基本方案為：

圖1 在線監測平臺整體系統架構Fig.1 Overall system architecture of online monitoring platform

1) 在連續梁橋上裝配智能視頻網關，兩者之間視為剛性連接，不存在相對位移；

2) 在待測鋼軌上粘貼具有刻度的位移觀測標尺，在溫度和列車荷載的作用下鋼軌與軌道板(連續梁)之間將產生相對位移，位移通過標尺刻度予以表征；

3) 智能視頻網關對扣件、鋼軌、道床板(承軌臺)服役狀態進行遠程實時監控，并通過4G網絡實時返回至用戶端，其中4G網絡可以支持視頻的下載與上傳，進而實現對鋼軌位移、復合墊板竄出量進行實時監測。

鋼軌鋪設完成后，對大跨長聯橋上無縫線路強相互作用區段小阻力扣件系統服役狀態進行現場監測，采用機器視覺設備對鋼軌及小阻力扣件實施非接觸式圖像采集監測。該設備主要由智能視頻網關及位移觀測標尺組成。其中智能視頻網關裝配在防護欄上，通過自制固定支架固定，如圖2(a)所示。位移觀測表尺布置于鋼軌軌腰處，如圖2(b)所示。在監測過程中，智能視頻網關可設置定時抓拍和持續錄像，并通過4G網絡實時返回至用戶端，從而實現對梁軌相對位移、復合墊板竄出量進行實時監測，鋼軌及小阻力扣件監測示意圖如圖3所示。

圖2 鋼軌及小阻力扣件監測設備Fig.2 Monitoring equipment for rail and small resistance fastener

圖3 鋼軌及小阻力扣件測點布設示意圖Fig.3 Layout of measuring points for rail and small resistance fastener

1.2 梁軌溫度與梁端位移監測方案

由于單個橋墩上同時具有固定支座與活動支座，可以通過測試梁縫寬度變化的方式獲得溫度變化下梁體縱向變形的時域曲線。因此，通過對連續梁起始墩處連續梁與簡支梁間的梁縫變化數據進行采集，在連續梁箱梁內表面及鋼軌軌腰處均布設有鉑電阻溫度傳感器，梁體溫度傳感器分別粘貼于腹板和頂板內表面，鋼軌溫度傳感器分別粘貼于同一根鋼軌的左、右兩側，如圖4(a)～(b)所示。同時，分別在連續梁端面的中心軸左右對稱位置各裝配一個直線式位移傳感器，其型號為YWD-200，并采用自制的剛性支架固定，如圖4(c)所示。溫度、位移傳感器采樣頻率為30 min/次，所連接的無線靜態采集儀如圖4(d)所示。梁軌溫度與梁端位移測點分布方式如圖5所示。

圖4 梁軌溫度與梁端位移監測設備Fig.4 Monitoring equipment for beam rail temperature and beam end displacement

圖5 梁軌溫度與梁端位移測點布設示意圖Fig.5 Schematic diagram of layout of measuring points for beam rail temperature and beam end displacement

2 WJ-8型小阻力扣件縱向服役狀態監測

2.1 鋼軌溫度監測

本試驗開展于2022年夏秋季節，根據9月10日—11月10日測得的數據，自鋼軌鎖定以后，運用系統抽樣的統計學原理，選取每個月的5日、10日、15日、20日、25日、30日共計13 d作為樣本日。在列車運行前，鋼軌發生縱向爬行主要由溫度力作用下的鋼軌伸縮引起。在進行軌溫分析時，對軌腰兩側2個傳感器示數取平均值，13個樣本日的鋼軌溫度變化情況如圖6所示。由圖6可知：各個樣本日的軌溫變化規律同氣溫變化規律基本相同。最高溫出現在10:30—14:00范圍內，絕大部分出現在13:30附近，為日中前后。從0:00—6:00溫度逐漸下降，且最低溫普遍出現在清晨6:00附近，為日出前后。最大軌溫差為18.35 ℃，最小軌溫差為5.15 ℃。

圖6 鋼軌溫度日變化曲線Fig.6 Daily change curves of rail temperature

2.2 梁軌相對位移及墊板竄出監測

監測數據表明，梁軌日相對位移及墊板日竄出量較小，因此本節重點研究梁軌縱向累積相對位移及墊板累積竄出量。以軌溫鎖定后第一天(即9月10日)的讀數為初值，進行歸零處理，得到梁軌相對位移累積值及墊板累積竄出量，13個樣本日的梁軌相對累積位移如圖7所示。其中正負號僅代表位移的方向，當鋼軌、墊板相對軌道板向連續梁方向運動時，累積位移為正值；當鋼軌、墊板相對軌道板向簡支梁方向運動時，累積位移為負值。同時，取每個樣本日鋼軌溫度的平均值作為溫度參照，繪制于圖7中。

圖7 梁軌累積相對位移、墊板累積竄出量及軌溫變化曲線Fig.7 Change curves of cumulative relative displacement of beam and rail, cumulative displacement of pad and rail temperature

由圖7可知：隨時間推移，鋼軌、墊板先向連續梁方向運動，而后不斷向簡支梁方向運動，即鋼軌在這一階段內先后出現了收縮和膨脹現象，且鋼軌位移略比墊板竄出量大。梁軌相對位移平均變化速率和墊板竄出變化速率的最大值出現在10月5日—10月10日期間，分別為0.66 mm/d、0.78 mm/d。對照圖7所示的溫度變化可知，梁軌相對位移、墊板竄出量與鋼軌溫度變化規律基本一致，這表明兩者存在一定的相關性。

3 大跨長聯橋梁體溫變特性監測

3.1 橋梁溫度監測

對樣本日的橋面空氣溫度(即外界環境溫度)以及連續梁箱梁空氣溫度、頂板溫度、腹板溫度進行分析，其中橋面空氣溫度如圖8所示。由圖8可知：在該監測周期內，各個樣本日的氣溫隨時間變化的趨勢具有一致性。在0:00—24:00時間范圍內，氣溫總體上隨時間變化呈先增大至峰值而后減小最終回落至起始值的趨勢。在8:00—17:00區間內，氣溫波動較為顯著。最高溫出現在10:00—15:30范圍內，絕大部分在13:00附近，為日中前后。最低溫普遍出現在清晨6:00附近，為日出前后。

圖8 橋面空氣溫度日變化曲線Fig.8 Daily variation curves of air temperature on bridge surface

連續梁箱梁內部空氣溫度、頂板溫度、腹板溫度隨時間的變化曲線如圖9所示。根據圖9可知：連續梁箱梁內空氣、頂板、腹板三者的溫度隨時間變化規律基本相同，均在0:00—24:00時間范圍內略有波動，但總體上較為穩定，變化幅度較低。其中10月15日的溫度變化幅度較大，且在12:30時出現了峰值，但在數值上，與同一天內其余各時刻的差異依然較小。對照圖6中數據可知，鋼軌晝夜溫差明顯比橋面氣溫以及連續梁梁內氣溫、頂板溫度、腹板溫度的晝夜溫差大，其原因在于鋼軌的比熱容較小，在同等熱量輸入輸出時產生的溫度變化幅度較大。

圖9 溫度日變化曲線Fig.9 Daily temperature change curves

為進一步研究各個各測點的溫度情況差異，統計13個樣本日的橋面空氣溫度以及連續梁箱梁空氣溫度、頂板溫度、腹板溫度相互之間的最大溫差，見表1。

表1 最大溫差統計Table 1 Statistics of maximum temperature difference ℃

其中，對于同一對比項，統計13個樣本日中日溫極差的最大值；對于不同對比項，統計其13個樣本日中的2個測點同一時刻溫差絕對值的最大值。由表1可知：監測周期內外界環境晝夜溫差較大，最高可達12.3 ℃，且橋面氣溫與連續梁箱梁內部空氣溫度、頂板溫度、腹板溫度的溫差也較為明顯，最大溫差為7.2～8.0 ℃。相較而言，梁內氣溫、頂板溫度、腹板溫度的日溫差較小，均不高于3.0 ℃，且3個測點溫度相互之間較為接近，相對溫差最大值約為2.3 ℃。

上述分析表明，短時間內(24 h)，梁體溫度及梁內空氣溫度并無顯著變化，且梁體溫度分布較為均勻，不同部位的溫度相近。但外界環境溫度變化較為顯著，且與梁體及箱梁內部空氣始終存在不同程度的溫差。

3.2 橋梁梁端位移變化

漁溪特大橋屬于連續梁橋，其橋梁主體部分均為鋼筋混凝土結構，在溫度作用下易發生熱脹冷縮效應，其中縱向位移將引起橋上無縫線路的附加力。針對9月10日—11月10日期間的位移監測數據，分別以每個樣本日0:00的位移計示數為初值，進行歸零處理，各個時刻依次減去初值，然后對左、右2個位移計的數據取平均，得到連續梁梁體縱向位移，即為梁端位移變化量。梁端縱向位移日變化曲線如圖10所示，其中正負號僅代表位移的方向，當梁體膨脹時，位移為正值，當梁體收縮時，位移為負值。

圖10 梁體縱向位移日變化曲線Fig.10 Daily variation curves of longitudinal displacement of beam

由圖10可知：在整體趨勢上，梁端縱向位移隨溫度變化幅度較小而發生改變，與圖9中日溫變化情況相吻合。10月5日和10月10日2天的位移相對顯著，最大日位移分別為-0.085 mm和-0.15 mm，小于梁體總長的0.01%。

以第一個樣本日(即9月10日)0:00的位移計示數為初值，進行歸零處理，然后對左、右2個位移計的數據取平均，得到連續梁梁端縱向位移累積值。統計發現，同一樣本日的梁端累積位移量的數值相近，故僅取每日梁端平均累積位移進行分析，如圖11所示。其中正負號僅代表位移的方向，當梁體膨脹時，累積位移為正值，當梁體收縮時，累積位移為負值。同時取每個樣本日的連續梁頂板溫度、腹板溫度的平均值作為平均溫度參照。由圖11可知：在該監測周期內，梁端位移總體上呈波動減小趨勢，即梁體在此階段內發生了緩慢收縮，其原因在于夏季到秋季時氣溫逐漸降低。最大平均位移變化速率出現在10月5日—10月10日期間，為0.09 mm/d。

圖11 梁端縱向累積位移及梁體日溫平均值變化曲線Fig.11 Variation curves of longitudinal cumulative displacement at beam end and average daily temperature of beam body

3.3 鋼軌-小阻力扣件-橋梁系統溫變相關性分析

對照溫度變化可知，梁端位移與溫度變化規律基本能夠保持一致，為了進行梁端位移與溫度變化的相關性計算，采用了CORREL函數進行相關性分析，其定義如式(1)所示：

式中：f(X,Y)為CORREL函數；X和Y為用于計算相關性的離散變量樣本集；x和y分別為樣本集X和Y的各個觀察值；和分別為樣本集X和Y的平均值。

通過相關性計算可知，圖11中梁端位移與溫度變化相關系數為0.986，即溫度與梁端位移為顯著正相關關系。

結合式(1)的基本原理，進一步分析了梁體溫度、鋼軌溫度、梁端累積位移、梁軌累積相對位移和墊板竄出量的相關性，計算結果如表2所示。由表2可知：相關系數均大于0.8，說明梁體溫度、鋼軌溫度、梁端累積位移、梁軌累積相對位移和墊板竄出量之間的相關性較大，且均呈較好的正相關關系，其原因在于鋼軌與橋梁均遵從熱脹冷縮原理，且在線路縱向的溫變特性在小范圍內均近似為線性。

表2 相關性分析Table 2 Correlation analysis

4 結論

1) 隨時間推移，鋼軌、墊板先向連續梁方向運動，而后不斷向簡支梁方向運動，即鋼軌在這一階段內先、后出現了收縮和膨脹現象，且鋼軌位移略比墊板竄出量大。

2) 軌溫變化規律同氣溫變化規律基本相同。最高溫出現在10:30—14:00范圍內，且最低溫普遍出現在清晨6:00附近，最大軌溫差為18.35 ℃。鋼軌晝夜溫差明顯比橋面氣溫以及連續梁梁內氣溫、頂板溫度、腹板溫度高，其原因在于鋼軌的比熱容較小，在同等熱量輸入輸出時產生的溫度變化幅度較大。

3) 橋面氣溫總體上隨時間變化呈先增大至峰值而后減小最終回落至起始值的趨勢，最大日溫極差為12.3 ℃；梁體溫度及梁內空氣溫度并無顯著變化，且梁體溫度分布較為均勻，不同部位的溫度相近；梁內氣溫、頂板溫度、腹板溫度的日溫極差均不高于3 ℃，同一時刻3個測點溫度最大相對溫差約為2.3 ℃。

4) 梁端縱向位移隨溫度變化幅度較小，最大日位移為0.15 mm，不到梁體總長的0.01%，與梁體日溫變化情況相吻合；在監測周期內，梁端累積位移呈波動減小趨勢，即梁體在這一階段內發生了緩慢收縮，其原因在于夏季到秋季時氣溫逐漸降低，且最大平均位移變化速率為0.09 mm/d。

5) 梁軌相對位移、墊板竄出量與鋼軌溫度變化規律基本一致，即表明兩者存在一定的相關性；氣溫與軌溫相關系數為0.928，說明兩者呈顯著正相關；梁體溫度、鋼軌溫度、梁端累積位移、梁軌累積相對位移和墊板竄出量之間的相關系數均大于0.8，說明其相關性較大，且均呈較好的正相關關系。

6) 基于機器視覺的小阻力扣件狀態監測方法，可見福廈高鐵漁溪特大橋區段安裝的小阻力扣件具有較好的縱向服役狀態，且監測周期內線路狀態均正常，驗證了此類方案在現場監測中的適用性。