武汉融科天域房地产项目可行性研究外文翻译资料

 2022-09-18 05:09

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民用基础设施条件评估的机器视觉技术

摘要:人工视觉检测是评估民用基础设施的物理和功能状态的主要形式,以保证基础设施仍然满足目前的服务要求。除了这种形式的检查,一些新的机器视觉技术正在逐步应用。他们承诺减少检查设备和规范结果的质量所需要的时间,通过消除人类的判断。本章介绍了这些方法的起源和有代表性的选择,并给出了机器视觉技术在评估民用基础设施条件一个潜在的未来趋势。本章首先介绍了现行的民间基础设施条件评估的做法。然后,介绍了国家的可用于民用基础设施的状态评估最先进的机器视觉技术。对每个技术的好处和局限性进行了讨论,并强调使用该技术需要面对的挑战。几个案例研究显示了这些技术在评估基础设施,如桥梁,建筑,道路等基础设施的条件的有效性,。

内容

11.1引言................................................................................................................... 352

11.2目前的做法........................................................................................................... 353

11.2.1常规检查......................................................................................... 353

11.2.2灾后检查................................................................................. 359

11.3机器视觉技术......................................................................................... 363

11.3.1钢筋混凝土(RC)结构的缺陷检测........................... 363

11.3.2 沥青路面病害检测..................................................... 367

11.4总结....................................................................................................................... 371

引用................................................................................................................................ 372

11.1介绍

为了确保安全性和适用性,在定期检查(常规检查)或灾害后(灾后检查)中以目视检查和评估民用基础设施的物理和功能条件是始终是必要的。通常情况下,这样的检查和评估是由经过认证的检查员和或结构专家进行的。检查和评估包括对民用基础设施元素造成的损伤和缺陷的检测(裂纹、剥落、坑槽等),如建筑物、桥梁和道路网络,以及缺陷特性的测量(宽度,长度等)。目视检查和评估结果可以帮助机构决定是否需要进行后续的结构完整性评价,并确保民用基础设施仍然满足其服务要求。

本章首先介绍了钢筋混凝土结构和沥青路面检查和评估目前的做法。重点是回答以下问题:(1)什么是造成民用基础设施损害的典型的缺陷?(2)常见的手工程序是如何检测这些缺陷的?(3)人工缺陷检测的局限性是什么?(4)缺陷是如何衡量的?(5)评估的基础设施条件使用的工具和指标?

然后,介绍国家的可用于民用基础设施的状态评估最先进的机器视觉技术。这些技术是建立在共同的图像处理技术基础上,如图像分割,分割,细化。它显示这些技术在测试和评估检查钢筋混凝土裂缝和剥落和沥青路面裂缝和坑槽是如何应用的。结果表明,机器视觉技术可用于钢筋混凝土结构的损伤检测测量和沥青路面的病害检测测量。

11机器视觉技术状态评估hellip;353

11.2目前的做法

11.2.1常规检查

11.2.1.1桥梁检查

缺陷检测

公路桥梁检查是认证检查员跟随既定的标准和手册(即全国桥梁检测标准和桥梁评估AASHTO手册)开展的。在去一座桥之前,检查员准备草图和笔记模板,供整个检查过程的参考。在检查过程中,他们通过观察现有的缺陷(如裂缝)记录了奠定主要桥梁组件(如甲板,外部梁,和码头)实际的桥梁情况(图11.1)。

这种手工检查有几个固有的局限性。首先,他们是无效的。审查以前的报告,准备检查计划,并收集和分析现场数据需要大量的时间,这已经证明了昂贵的时间。在2007和2006田纳西州,桥梁检查每年的费用是760万美元;考虑到在过去两年中田纳西州的交通运输部损失了2200万美元联邦桥梁基金,一些桥梁检查和维修项目必须被撤回。此外,人工检查的结果是主观的和高度可变的。由FHWA的非破坏性评估中心进行的现场调查表明了人工检查显着的变化、。最后,目前的指导方针需要相当大的更新在健康监测和无损检测技术上以及在数据适当的整合评定过程中。

缺陷测量

如前所述,裂缝是造成混凝土结构构件(如柱、梁、墙等)常见缺陷之一。因此,在常规检查中检查裂纹是必要的。探伤过程中,重要的第一步是确定裂缝的位置和严重程度。然后建立裂纹的成因及影响。考虑结构元件的负载条件,可以确定所观察到的裂缝是否存在潜在的结构性问题。这样,可以作出修补的裂缝的策略,为了保持结构的完整性和或外部结构外观。

通常情况下,混凝土结构元素的裂纹位置和严重程度是通过直接人工观测确定的。然而,观察结果是定性定量。这种限制可以通过在元素表面放置一个准确定位裂缝的网格来部分地克服。此外,裂缝宽度使用裂纹比较器来测量。裂纹比较器是一个小的,在透镜有内置的测量范围的手持式显微镜(图11.2)。裂纹监测仪甚至可以监测裂缝的运动,可以直接读取裂缝位移大小,并表明在监测期间最大的运动(图11.3)。如果可能的话,可以通过插入一个细导线或量具来测量裂纹深度。

当得到裂纹的属性(位置、宽度、深度)时,可以定义裂纹的类型。例如,基于其特定的方向裂缝可分为纵向,横向,或对角。如果裂纹宽度被视为分类标准,裂纹可分为三个范围:好的(一般小于1毫米),中等的(1和2毫米),和较宽的(超过2毫米)。

严重的裂纹条件需要视觉上的记录,所以,可以比较目前和以前的开裂条件。通常情况下,采取裂缝的照片。这些照片不仅记录裂纹的条件,而且还包括周围的裂纹,和沿裂纹边缘剥落的碳化。

以上所提的所有活动和测量都是在常规目视检查中进行的,这是任何一个具体的结构综合评估中的第一个步骤之一。目视检查结果可能表明进行其他进一步评估的必要性。例如,在评估存在核安全相关的混凝土结构中,当混凝土表面暴露的检验,满足这样的条件,进一步的评估是不必要的:(1)气孔和孔隙直径小于20毫米或等值面积,(2)在任何维度的混凝土散裂小于100毫米(3)裂缝最大宽度小于0.4毫米。

虽然视觉检测是一个强大的工具,广泛应用于建筑业,但是它已经确定了有几个局限性。首先,它的有效性很大程度上取决于检查人员在结构工程,混凝土材料和施工方法的知识和经验。这种以经验为基础的检查并不总是可靠的,因为检查员可以有不同的解释对完成成品。除了主观的性质,人工检查的过程是耗时的,特别是检查的具体结构复杂的情况下。对有经验的检测员的需要也为建筑行业提出了一个重大的挑战,因为有经验和高度训练的检测人员紧迫不足。

状态评估

人工检测出来的缺陷,如裂缝(例如,弯曲,剪切,纵向粘结裂缝),表层的损失和混凝土的散裂,腐蚀,风化,被用来评估桥梁的情况。到目前为止,有两家评级系统可以采用。FHWA记录和编码指南。这两个评级系统都建立在定性的定义上。例如,在NBI的评级系统中,桥梁定为“公平条件”当其所有主要部件是健全的但可能有轻微的开裂、剥落、或冲刷。

11.2.1.2沥青路面巡查

破损检测

一个发达国家的道路网络包含数千公里的路面。这是一个巨大的网络结构,这个网络包括沥青(沥青)路面的条件,年龄和性能。据美国土木工程协会报道,道路条件差导致了车辆过度磨损以及增加延迟和崩溃。几个道路网络维护方案已经建立,以监测的道路网络的持续性能,预测未来的路面状况,评估长期需求,为投资规划和决策提供根据,并确定康复和维修治疗(例如,[ 22 ])。在这些程序中,路面状况评价是一个关键组件,需要高质量的测量方法在裂缝、坑洞,和补丁等路面病害上。路面状况评估的过程通常分为:数据采集,苦恼检测,病害测量和病害评估。在实际操作中,第一个是在很大程度上是自动化的,而最后三个大多是手动执行的。

先进的数字检测车辆使用几个传感器收集路面数据,包括用于表面成像的向下看的视频摄像头,距离测量的光学传感器,用于纵向和横向分析激光扫描仪,额外用于车辙检测的超声波传感器,和用于粗糙度测量加速度计[ 43,23 ]。使用这样的检查车辆检测路面速度高达60英里(100公里/小时)是目前最有效的方法,这将快速取代传统的手动低速和手动方法。

由于成本高,在一定范围内的检查车辆的数量是非常有限的。这导致一个为期一年至四年的调查周期内关键的道路(如公路)许多年或完全被疏忽。其他本地及地区道路。此外,只有10%的路面英里样本(500英尺每英里)是实际上检查过并进行评价过的。检测整个联邦州公路网的工作时间有限不允许重复测量来提高测量的准确性和可靠性。在没有数字检查车辆可用情况下,路面状况调查仍然采用通过步行或用一辆面包车以8 - 15英里(10 - 25公里/小时)使用数据收集援助软件这种手动进行的方法。

被向下的摄像头捕获的数字路面图像和视频数据处理,主要是人工审核和技术人员利用计算机工作站进行分析(图11.4b)。坐在两个或两个以上的屏幕前,他们直观地检测这些病害基于自己的经验和病害手册(例如,[ 20,42 ])。视觉识别手册确定路面病害的范畴类型,严重程度和病害程度。当病害的一些类型可以很容易通过视觉观察到的,如开裂、修补,坑洼、松散、车辙只能根据额外的3D信息确定,如激光扫描仪或超声波传感器捕获到的侧面数据。除了纯粹的手工检测,有一些软件可以半自动地协助和路面病害(如开裂)的检测和分类(例如,[ 23 ])。

病害的测量

视觉路面病害识别手册不仅定义了类别,也定义了衡量的单位。然而,这些单位在不同的国家和联邦各州之间不一样。表11.1列出了每一种类型的路面病害单位相关的例子。

在人工条件调查中,检查人员手动的(手动计数,使用标尺)测量了病害的程度。在现有的路面图像和视频的破损检测的情况下,可以将数据按规模注册,这样的措施如数长度、长度、线性英尺,面积和面积比可以自动确定。整合所有的检测和测量结果通常会得到一个所谓的病害地图,以图形方式描述在一定的道路段路面病害的程度和类型(图11.6)。

状态评估

一般来说,基于确定病害的程度和等效性,路面病害指数是通过计算一定的路面段得到的,例如,100米,或500英尺,为此,视觉识别手册提供一些在如何画出不同严重程度(如低、中、高)病害的细节。每一个病害的数量量(例如,裂缝的数目)被转换成一个病害的百分比。此外,个别类型的病害在计算总的病害指数上权重是不同的。例如,一个特定病害类型在同一严重级别产生特定的权重因子(例如,中等横向开裂:0.1)。把病害百分比与权重相乘得到一个独特额外的病害权重。最后,病害的总加权,可以直接用到路面病害指数上,这是相当于路面评定。

为了确定一个整体的路面质量(条件)指数,路面病害指数(表面评定)与粗糙度指数相结合。最后,路面质量指数可以得出路面剩余使用寿命。此外,详细的评估结果为路面维修方案提供依据。

11.2.2灾后检查

11.2.2.1 损害检测

建筑物的安全评价是双重的,比如说在震后建筑。建筑的安全评定必须在急救搜救队进入之前进行,同一建筑物必须在房屋所有者进入之前进行评定。这些安全评估的每一个都是由认证的检查员或结构工程师进行的。这些专家按照由当地(国家)政府在大多数情况下现有的程序;然而,在世界范围内,一些国家坚持美国建立的这些准则,如联邦急救管理署(FEMA)(急救反应)和应用技术委员会(ATC)。专家们必须根据他们的经验和知识进行评估,再加上他们对结构(图11.7)承重构件伤害的视觉观察。

在对应急反应人员的安全性进行评估的方面,结构专家处理城市建设环境所有方面是公众认为最擅长。所涉及的结构专家负责识别潜在的结构危害和在救援和恢复过程中的结构状态变化监测。

搜索和救援队伍只能进入由结构专家断定结构稳定的建筑物。然而,在救灾工作中涉及的民间工程师和其他组织之间的合作关系的出现了几个问题,包括缺乏协调,信息共享,信任和沟通。

在对居民灾后结构安全评估的这一方面,该atc-20代码概述三个程序的层次:快速评估、详细评估,以及评估。快速评估通常是基于外部结构的一个非常粗略的检查;详细的评价是一个更全面的结构的内部和外部的外观检查;在工程评价中,工程师通过结构安全施工图纸及新结构的计算来评定损毁结构的安全性,从而为快速和详细的评价进行补充,快速评估的目的是快速识别震后建筑显而易见的”安全”与”不安全”。如果一个建筑物部分倒塌或它的楼层严重倾斜,建筑物被认为是不安全的。例如,一个现浇混凝土建筑满足下列三个条件中的任意一个则视为不安全时:(1)弯曲或断裂加固;(2)大体积混凝土剥落和纵向钢筋暴露(3)宽斜裂缝通过柱深度。

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