TWI390096B - Safety Monitoring System and Method of Bridge Structure - Google Patents

Description

橋樑結構安全監測系統及方法

本發明是有關於一種監控系統，特別是有關於一種應用於監控橋樑結構安全的系統。

按，橋樑檢測是一持續進行的工作項目，依目的而論檢測可分可分成二種類：

1.　即時性的狀況監視，如水流高度及橋墩裸露程度，提供災害前即時掌握橋樑現況。

2.　週期性的測試，如橋樑幾何變形、橋樑位移、受力分佈情形、外觀損壞、材料劣化所造成系統響應改變等。

目前，中華民國目前進行的橋樑檢測方法，平日檢測方面，由交通部所頒佈之公路養護手冊，可分下列三種：

(a)經常巡查：周期長則每週，短則每日

(b)定期檢測：一年兩次；以及

(c)特別檢測：災害發生後進行檢測。

檢測方式則有目視、非破壞性、及破壞性三種；其程序為對橋樑進行人眼觀察，並對有疑慮橋樑進行非破壞性或破壞性檢測，非破壞性檢測如下：

(1)表面硬度法；

(2)表面強度法；

(3)音波檢測法；

(4)成熟度檢測法；以及

(5)綜合檢測法。

破壞性檢測則是將結構部分區域加壓力或拉力以達到破壞，藉此檢測結構強度。

習用方法中目視檢測為橋樑檢測最重要的一個步驟，目測評估橋樑的狀況標準有DER&U評估法、ABCDN等評估法等；DER&U評估法為昭凌顧問工程公司與南非CSIR公司所共同開發之橋樑目測評估法，作法是將橋樑檢測分為21項檢測項目，第1~11項為一般檢測及橋樑全面性宏觀檢測，第12~20項則為逐跨檢測項目，第21項為其他；ABCDN評估法為中華顧問工程司於1996年為當時之台灣省政府及都市發展局所發展之橋樑目視檢測評估法，ABCDN評估法將橋樑結構物分為：橋面板構件、上部結構、橋墩、基礎及土壤、橋台及引道、支承、伸縮縫及其他附屬設施等八大結構，每一類再分為數個檢查項目，每一檢查對象在往下細分為數個檢查項目，這些檢查項目將被分為A~D四級，若無此項目或無法判定結構物之損傷狀況時則判定為N。

據上所述，橋樑定期檢測是採目視特徵，並透過各種準則判定橋樑的狀況，即使有自動化的過程，亦只是與DER&U或ABCDN判定準則之資料庫自動進行連線以方便現場人員判定橋樑狀況。

此外，橋樑位移及變形自動化監測方面的技術，大多以接觸式的方式進行量測，在橋樑上各處架設應變感測器、或埋入壓力感測器、或用加速度感測器量測橋樑振動，利用上述感測器量測訊號的改變，以建立橋樑變形的量測系統；又，河水深度量測方面，則有利用預埋垂直電阻於橋墩上，並透過水位高低造成電阻值的改變測量河水的深度及橋墩裸露的程度；美國橋樑檢查由聯邦公路管理部門(FHWA)進行，類別分為5種：

(1)例行性檢查【2年或4年】；

(2)關鍵性破壞的檢查；

(3)特殊的特徵檢查；

(4)水下的檢查；以及

(5)其他的檢查。

例行性檢查的部分相當於中華民國交通部之定期檢測，依然是以人力目視或進行拍照，檢查的週期正常不能低於24個月，除拍照損害或劣化情況外、例如河流段斷面圖和數據、構件檢查表格、工作建議、構件鑑定均為關鍵性破壞的特徵，將此些特徵資料歸入資料庫中，依資料庫時間的變化，來決定是否進行破壞性檢測。資料庫包含SMART，BIRIS及橋樑書冊等，至於其餘的項目包含關鍵性破壞的檢查、特殊的特徵檢查、水下的檢查及其他的檢查皆可歸類於特別檢測。

由上可知在美國的橋樑檢查實行方法，與中華民國現行的檢測方法一般，皆根植於人力的記錄，非具可視覺功能之橋樑結構安全監測系統。

上述這些方式，只是消極的依照規定對橋樑進行檢查，皆無法即時/隨時，提供橋樑的結構損害報告，預先提出警告。若是在惡劣天候(如颱風)或地震發生後，橋樑可能已受到非目視的嚴重損害，此時，若派員進行檢查，無疑是將檢查人員推上隨時有可能倒塌的危險區域。尤其是，在惡劣天候當下，根本無法派員對橋樑進行檢查，導致在橋樑結構發生嚴重損害時，無法提供及時預警，造成許多人員及財產的損失。

有鑑於上述先前技術之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種橋樑結構安全監測系統，以解決無法即時提供橋樑的結構損害報告之問題。

本發明之另一目的，係提供一種橋樑結構安全監測系統，以解決無法即時提供警示之問題。

本發明之又一目的，係提供一種橋樑結構安全監測系統，以取代經常性目視方法，降低人力的需求，避免檢查人員曝露在危險區域。

根據本發明之一目的，提供一種橋樑結構安全監測系統，係由成像光學系統模組、影像相關性計算模組、網路通訊模組及中央控制端所構成。成像光學系統模組架設於橋樑監測區域，建立橋樑監測區域正常運作情況下的標準影像，並對橋樑監測區域進行連續攝影，藉以取得橋樑監測區域的監測影像，影像相關性計算模組以影像資料比對方式，對標準影像與監測影像進行計算，並獲得橋樑結構物間相對位移的位移相關性係數，經網路通訊模組傳送位移相關性係數到中央控制端，藉以即時/隨時獲得橋樑結構報告。

其中，當河川水位暴漲時，可用於監控橋墩因水流沖刷，造成橋樑各結構物間相對位移訊號，提供評估橋樑安全。

根據本發明之另一目的，其中中央控制端以位移相關性係數，評估橋樑載重變形程度，在橋樑達到變形臨界值時，中央控制端由其所設置的預警系統發出警訊，解決無法即時提出警示的問題。

根據本發明之又一目的，中央控制端以位移相關性係數評估橋樑使用狀況，當相關係數異常時，中央控制端由數據監控模式切換成為影像監控模式，中央控制端人員可直接獲取橋樑監測區域的監測影像，並透過觀察監測影像確認橋樑現況。

其中，影像相關性計算模組利用特徵取樣的方式，進行重點部位監控，此類特徵可對應至人眼目視方法中的各項特徵，並依位移相關性係數的高低，模擬評估準則中的各種評分標準，資料庫建立後可取代經常性目視方法，如此一來，將可取代目視方法，達到降低人力的需求，解決檢查人員曝露在危險區域之問題。

根據本發明之一目的，又提供一種橋樑結構安全監測方法，首先，以成像光學系統模組取得橋樑監測區域正常運作情況下的標準影像；再以成像光學系統模組對橋樑監測區域進行連續攝影，藉以取得橋樑監測區域的監測影像；影像相關性計算模組以影像資料比對方式，對標準影像與監測影像進行計算，並獲得橋樑結構物間相對位移的位移相關性係數，經網路通訊模組傳送位移相關性係數到中央控制端，藉以即時/隨時獲得橋樑結構報告。

承上所述，依本發明之橋樑結構安全監測系統，其可具有下述優點：

1.　以非接觸式的成像光學系統模組取得監測影像及標準影像，利用影像相關性計算模組自動化估算相對位移係數，藉以獲知橋樑變形狀況。

2.　即時及連續不停歇地觀測橋樑變形狀況。

3.　自動化取像及自動化位移係數判定檢測，可省去大量人力。

4.　可全天候連續取像，全時段進行監測。

5.　全自動影像比對的方式，平日自動監測橋樑變形，災害發生時則可切換實際影像進行確認，單一系統具備多種功能。

6.　可現地新增方式架設於現有橋樑，無需於橋樑新建同時建置，現有橋樑均可使用，可提供老舊橋樑監控使用，直接解決實際問題。

7.　成像光學系統模組及影像相關性計算模組，可不斷進行更新並擴充至各橋樑。

8.　可藉改變成像光學系統模組數量及架設位置，針對橋樑弱點、監測特徵進行量測。

請參閱第1圖，其係為本發明之一種橋樑結構安全監測系統之架構示意圖。圖中，此系統主要架構在至少一成像光學系統模組1、一影像相關性計算模組2及一中央控制端3之間。其中各成像光學系統模組1分別對橋樑A 4A及橋樑B 4B的一監測區域40取像(如第2圖所示)，以建立橋樑4正常運作情況下的標準影像5(如第3圖所示)，及對監測區域40連續取像以取得監測影像6(如第4圖所示)。而影像相關性計算模組2係比對標準影像5與監測影像6，以取得橋樑4監測區域40的位移相關性係數20，將位移相關性係數20透過網路通訊模組7傳送到中央控制端3，中央控制端3以位移相關性係數20判定橋樑4使用狀況。

請參閱第2圖，係本發明之一實施例的監測區域示意圖。圖中，監測區域40係橋樑4可能發生變形的各次結構42(如：橋墩、橋面及橋柱…等)，而成像光學系統模組1係監測各次結構42之間不同方向相對位移。因此，需在監測區域40上架設數組成像光學系統模組1，其數目隨監測區域40的數目而增加，藉以建立各監測區域40的標準影像5，且對各次結構42的監測區域40取得連續性的監測影像6。

復請參閱第1圖所示，在本實施例中，影像相關性計算模組2係透過網路通訊模組7將位移相關性係數20、標準影像5與監測影像6傳送到中央控制端3。另，該成像光學系統模組1具有一數據監控模式及一影像監控模式，其中數據監控模式係傳送位移相關性係數20到中央控制端3，影像監控模式係傳送監測影像6到中央控制端3。

另，中央控制端3位於遠離各橋樑4的位置，係控制各成像光學系統模組1，使各成像光學系統模組1在數據監控模式與影像監控模式之間進行切換，藉以視覺觀察輔助監視與判定橋樑4的受損狀況。

又，中央控制端3除控制成像光學系統模組1外，並能增加或更新成像光學系統模組1及影像相關性計算模組2所需的應用軟體，及對各橋樑4變形的位移相關性係數20的統整評估。其中，中央控制端3的統整評估，係指中央控制端3根據位移相關性係數20，評估橋樑4載重變形程度。

又，中央控制端3尚包括一預警系統8，此預警系統8在當橋樑4的位移相關性係數20達到變形臨界值時發出警訊，解決無法即時提出警示的問題。再者，中央控制端3以位移相關性係數20評估橋樑4使用狀況，當位移相關性係數20異常(如：接近變形臨界值或大幅度的數值變化)時，中央控制端3由數據監控模式切換成為影像監控模式，中央控制端3人員可直接獲取橋樑4監測區域40的監測影像6，並透過觀察監測影像6確認橋樑4現況。

此外，影像相關性計算模組2與中央控制端3間呈一星狀(Star)網路或一樹狀(Tree)網路，成像光學系統模組1與中央控制端3間的連線方式，採無線或有線網路傳輸方式，進行控制命令(如切換監控模式)、位移相關性係數20、標準影像5及監測影像6的傳輸。

請參閱第5圖，係本發明之一實施例之成像光學系統模組示意圖，成像光學系統模組1係由一光學鏡頭10、一光電轉換元件12及一主動光源14所構成。其中光電轉換元件12為一光電耦合元件(charge-coupled Device;CCD)，或一互補式金氧半之光學感測元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)其中之一種。而主動光源14為視橋樑4操作環境而附加之元件，且主動光源14所採用之光譜範圍為可見光、近紅外波段…等，但不以此為限。

其中，影像相關性計算模組2進一步簡化標準影像5及各監測影像6，及計算不同時序之監測影像6，以獲得不同時序監測影像6的相關性位移相關性係數20。再者，影像相關性計算模組2以標準影像5對不同時序之監測影像6進行表面特徵、形狀、顏色比較，並轉換成位移相關性係數20。

其中，橋樑4指橫跨河道、車道或山谷等非沿地表供人、車或其他物件交通、傳輸所使用之人造建物，且其是以鋼骨(或其他金屬)、鋼筋混泥土…等搭建而成。

再者，成像光學系統模組1尚包括一電力模組9，此電力模組9接收到市電時，除提供成像光學系統模組1所需電力外，電力模組9具儲能單元與電力管理單元，當電力管理單元判斷出電力模組9接收到市電時，係儲存電力在儲能單元，若當電力管理單元判斷出電力模組9未接收到市電時，則以儲能單元提供電力給成像光學系統模組1使用，藉以確保成像光學系統模組1於天然災害發生時仍可正常操作。

另，網路通訊模組7可為實體有線網路或無線傳輸網路，或是實體有線網路合併無線傳輸網路。其中，實體有線網路指利用雙絞線(twisted pair)或同軸電纜(coaxial cable)或光纖(fiber optic cable)為傳輸媒介之通訊。而無線傳輸網路指利用微波(microwave)或紅外線(infrared)為傳輸媒介之通訊，微波是一種傳輸頻率介於2GHz～40GHz之間的電磁波訊號，紅外線是一種利用發光二極體(或雷射)發射傳輸頻率在100GHz～1000THz之間的紅外線光束。

又，影像相關性計算模組2與中央控制端3間的網路，係可為無線廣域網路(Wireless Wide Area Network，簡稱：WWAN)，其是傳輸範圍最廣的無線網路類別，傳輸範圍可涵蓋整個國家或不同國家之間的無線網路，通常都需由特殊的服務提供者(如：中華電信)來架設及維護整個網路，一般人只是單純以終端連線裝置(如本發明的網路通訊模組7)來使用無線廣域網路，目前行動電話使用的全球行動通訊系統(Global System for Mobile Communications，簡稱GSM)，或第三代行動通訊系統(3G)…等無線網路通訊系統，就屬於WWAN。

在本發明之一實施例中，成像光學系統模組1本身或中央控制端3以遠端控制成像光學系統模組1，訂定標準影像5與監測影像6的辨識特徵區，將特徵資料集合成數值陣列I(t)，經比對演算法進行比較，演算得橋樑4狀況的位移相關性係數20，並以此位移相關性係數20，評估橋樑4位移狀況。其演算法至少有下列二種方法：

1.影像分區域分析：

將取得的標準影像5與監測影像6的全部影像列入計算，採用影像分區方式進行影像特徵分類，並以各影像分區為基準分別計算位移相關性係數20，位移相關性係數20的計算，則可採用數位影像關係函式來估計。

2.特徵取樣法：

為增加系統的速度，需簡化監測影像6的資料量，採部分特徵取樣方式，以大幅度縮減計算時間，取樣特徵的選擇，需針對檢測的性質進行選取，例如欲針對橋樑4斷落進行監測，則橋墩與橋面的相對位移，當為最主要的監測目標，針對此點可以橋墩及橋面的相對接合角度為特徵。

另外，可以光學模組於橋樑4下方所拍得之數位影像(即包括標準影像5與監測影像6)，並取橋面及橋墩上之邊界，作為演算的資料，以橋面與橋墩的各邊界，為分別位於橋面與橋墩上的辨識特徵曲線，而特徵曲線可透過邊界搜尋理論自動得到。特徵曲線的意義是在數位影像陣列中被保留的位置資料，位在特徵曲線位置上的資料，可集合成資料簡化的陣列I(t)，在不同時間點上進行取像可取得各時間點上之特徵簡化陣列I(t)，對這些I(t)特徵陣列連續進行比對演算，即可得代表影像變形程度的位移相關性係數20。

以交相關連演算(Cross-correlation)為例，即取得監測影像6的即時特徵曲線陣列，與標準影像5的原始特徵陣列之相關連係數(Cross-correlation Coefficients)，此相關連係數可視為橋樑4危殆因子，其數值高低與橋樑4

危險的程度呈高度的負相關，計算式敘述如下：

(1)正常化交相關係數(normalized cross correlation coefficient)

(2)最小平方相關係數(least squares correlation coefficient)

式(1)及式(2)中的符號分別如下所示：Φ：皆稱為相關函數(cross-correlation coefficients)為一對特徵像量之間的相關性；I ₁ 、I ₂ ：可以為相同影像也可以是任意之不同影像之特徵像量；CZ：為選定向量範圍，在應用正常化交相關係數時只有當I ₁ 與I ₂ 完全相等時，此值為1，若不為1則愈接近1表示其相似的程度愈高；正常化交相關係數分母部位稱作正規化(Normalizing)，若更動此一部位的算法、型式或者取消此部分；則Φ的最大值會產生變化，但無論正規化(Normalizing)如何變化，皆包含於本發明後續宣告的申請專利範圍之中；又，式(2)為式(1)的變形，但原理一致，而如應用最小平方相關係數時，不論是否經過正常化的手續，當I ₁ 與I ₂ 完全相等時Φ值將會等於0，若不為0則越低的Φ值表示其相似的程度愈高。

請參閱第1及6圖，其中第6圖係為本發明之一種橋樑結構安全監測方法之流程示意圖。圖中，此方法係適用於橋樑結構安全監測系統，包含下列步驟：(S10)經由成像光學系統模組1取得至少一橋樑4的至少一監測區域40於正常運作情況下的一標準影像5；(S20)成像光學系統模組1對各監測區域40進行連續攝影，藉以取得各監控區域的複數個監測影像6；(S30)透過一影像相關性計算模組2以一影像資料比對法，比對標準影像5與各監測影像6，藉以取得橋樑4結構物間相對位移的位移相關性係數20；以及(S40)經由網路通訊模組7傳送位移相關性係數20到一中央控制端3，藉以獲得橋樑4結構報告。

其中，該橋樑4的監測區域40於不同時間點所取得之監測影像6，經影像資料比對法與標準影像5，進行表面特徵、形狀、顏色比較，並轉換成位移相關性係數20。

其中，中央控制端3評估該位移相關性係數20達到一變形臨界值時，係由中央控制端3所設置之一預警系統8發出一警訊到各橋樑4。

再者，中央控制端3評估位移相關性係數20發生異常(如：接近變形臨界值)時，中央控制端3將由成像光學系統模組1由數據監控模式切換成為影像監控模式，中央控制端3人員可直接獲取橋樑4監測區域40的監測影像6，並透過觀察監測影像6確認橋樑4現況。

綜上所述，影像相關性計算模組2利用特徵取樣的方式，進行重點部位監控，此類特徵可對應至人眼目視方法中的各項特徵，並依位移相關性係數20的高低，模擬評估準則中的各種評分標準，資料庫建立後可取代經常性目視方法，如此，將可取代目視方法，達到降低人力的需求，解決檢查人員曝露在危險區域之問題。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．成像光學系統模組

10．．．光學鏡頭

12．．．光電轉換元件

14．．．主動光源

2．．．影像相關性計算模組

20．．．位移相關性係數

3．．．中央控制端

4．．．橋樑

4A．．．橋樑A

4B．．．橋樑B

40．．．監測區域

42．．．次結構

5．．．標準影像

6．．．監測影像

7．．．網路通訊模組

8．．．預警系統

9．．．電力模組

以及

S10、S20、S30及S40．．．步驟

第1圖　係為本發明之橋樑結構安全監測系統之架構示意圖；

第2圖　係為本發明之一實施例之監測區域示意圖；

第3圖　係為本發明之一實施例之標準影像示意圖；

第4圖　係為本發明之一實施例之監測影像示意圖；

第5圖　係為本發明之一實施例之成像光學系統模組示意圖；以及

第6圖　係為本發明之橋樑結構安全監測方法之流程示意圖。

1．．．成像光學系統模組

2．．．影像相關性計算模組

20．．．位移相關性係數

3．．．中央控制端

4A．．．橋樑A

4B．．．橋樑B

5．．．標準影像

6．．．監測影像

7．．．網路通訊模組

8．．．預警系統

以及

9．．．電力模組

Claims (20)

1. 一種橋樑結構安全監測系統，其包含：一成像光學系統模組，對一橋樑的至少一監測區域取像，以建立該橋樑正常運作情況下的一標準影像，及對該監測區域連續取像以取得複數個監測影像；一影像相關性計算模組，係比對該標準影像與該複數個監測影像，以取得該橋樑的監測區域的複數個位移相關係數；以及一中央控制端，係接收各該位移相關係數，並根據各該位移相關係數判定該橋樑使用狀況。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該影像相關性計算模組連接一網路通訊模組，該網路通訊模組將該位移相關係數、該標準影像與該複數個監測影像傳送到該中央控制端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該監測區域係該橋樑可能發生變形的複數個次結構。
4. 如申請專利範圍第3項所述之系統，其中該次結構係至少為橋墩、橋面及橋柱。
5. 如申請專利範圍第3項所述之系統，其中該成像光學系統模組係監測各該次結構之間不同方向相對位移。
6. 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中該成像光學系統模組具有一數據監控模式及一影像監控模式，該數據監控模式係傳送該位移相關係數到該中央控制端，該影像監控模式係傳送該監測影像到該中央控制端。
7. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中該中央控制端位於遠離該橋樑的位置，係控制該成像光學系統模組，使該成像光學系統模組在該數據監控模式與該影像監控模式之間進行切換。
8. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該中央控制端尚包括一預警系統該此預警系統在該位移相關性係數達到一變形臨界值時發出警訊。
9. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該中央控制端該位移相關係數異常時，中央控制端由該數據監控模式切換成為該影像監控模式。
10. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該位移相關係數異常可為接近變形臨界值。
11. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該中央控制端增加或更新該成像光學系統模組及該影像相關性計算模組所需的應用軟體。
12. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該成像光學系統模組係由一光學鏡頭、一光電轉換元件及一主動光源所構成。
13. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該影像相關性計算模組，係接收該成像光學系統模組所擷取的該標準影像及該監測影像，並簡化該標準影像及該監測影像，及計算不同時序之該監測影像，以獲得不同時序該監測影像的該位移相關性係數。
14. 如申請專利範圍第13項所述之系統，其中該影像相關性計算模組以該標準影像為基準，分別對不同時序之各該監測影像進行表面特徵、形狀、顏色比較，並轉換成該位移相關性係數。
15. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該成像光學系統模組尚包括一電力模組，該電力模組接收一市電，提供該成像光學系統模組所需電力。
16. 如申請專利範圍第15項所述之系統，其中該電力模組包括：一儲能單元，係接收到一市電儲存電力在該儲能單元內，該儲能單元內未接收到市電則電力給該成像光學一系統模組；以及一電力管理單元，係評估該儲能單元是否接收到該市電，控制該儲能單元儲存電力或提供電力。
17. 一種橋樑結構安全監測方法，包含下列步驟：經由一成像光學系統模組取得至少一橋樑的至少一監測區域於正常運作情況下的一標準影像；使用該成像光學系統模組對各該監測區域進行連續攝影，取得該監測區域的複數個監測影像；使用一影像相關性計算模組以一影像資料比對法，比對該標準影像與各該監測影像，藉以取得該橋樑的結構物間相對位移的位移相關性係數；以及傳送該位移相關性係數到一中央控制端。
18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，該監測區域該標準影像與不同時間點所取得之各該監測影像，經該影像資料比對法進行表面特徵、形狀、顏色比較，並轉換成該位移相關性係數之過程。
19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，該中央控制端評估該位移相關性係數達到一變形臨界值時，係由該中央控制端所設置之一預警系統發出一警訊到該橋樑。
20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，當該中央控制端評估該位移相關性係數發生異常時，該中央控制端將由該成像光學系統模組由一數據監控模式切換成為一影像監控模式，該數據監控模式係傳送該位移相關係數到該中央控制端，該影像監控模式係傳送該監測影像到該中央控制端。