馮海龍，劉伯奇，胡海天，王 巖，王世銘，丁曉宇

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.鐵科檢測有限公司，北京 100081；3.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

引言

高鐵無站臺柱雨棚作為一種大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，被廣泛應用于各地的高鐵客站。高鐵站臺雨棚的遮擋面積較大，其縱向長度通常在400～500 m，如圖1所示，在高鐵列車高速通過時，由于列車氣動力作用和輪軌激勵振動傳遞等原因，雨棚會發(fā)生受迫振動［1－7］。中小型客站由于正線高速通過列車較多，使得雨棚處于頻繁振動狀態(tài)，對雨棚的結(jié)構(gòu)安全性和疲勞耐久性是個重大考驗，因此無站臺柱雨棚的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對確保高鐵安全運行具有重要意義。

圖1 高鐵客站無站臺柱雨棚Fig.1 High-speed railway platform canopy without pole

近些年，國內(nèi)學者針對高鐵站臺雨棚的健康監(jiān)測問題開展了一系列探索性研究。孟憲全［8］對北京西站無站臺柱雨棚的特點進行分析，使用鋼弦傳感器、鋼弦應變計、全站儀等對雨棚的主體結(jié)構(gòu)敏感部位的應力和結(jié)構(gòu)總體變形進行監(jiān)測。劉志勇［9］基于全站儀搭建了監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對北京站無站臺柱雨棚的結(jié)構(gòu)應力和位移的監(jiān)測?？傮w來看，現(xiàn)有研究主要通過布設傳感器獲取應力、變形、振動加速度等信號，從而實現(xiàn)對雨棚結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場健康監(jiān)測。但由于高鐵無站臺柱雨棚具有面積大、數(shù)量多等特點，這將極大增加布設傳感器的工作量和難度，導致布設傳感器的方法難以在工程中得到推廣使用?；谝曨l圖像技術(shù)的振動測量方法作為一種新興測量手段，具有非接觸、測量距離遠等優(yōu)點［10－17］，避免了接觸式傳感器繁瑣的布設工作［18］，已在機械裝備［19］、簡支梁模型［20］的振動測量中進行了使用。

針對目前高鐵站臺雨棚健康檢測中傳感器布設所面臨的難題，文中提出一種使用視覺測振技術(shù)實現(xiàn)高鐵站臺雨棚振動測量的方法，實現(xiàn)了雨棚健康監(jiān)測所需振動信號的獲取。文中搭建了完整的測量系統(tǒng)，并通過試驗驗證了所提方法的有效性和準確性。

1 測量原理

文中所用的視覺測振技術(shù)采用了基于相位變化的測振（phase-based motion estimation，PME）算法原理，簡稱PME。Fleet等［21］首次提出PME方法的思路：即使用Gabor濾波器對圖像序列進行卷積操作：

式中：I（x，y，t）代表圖像亮度；Gabor（x，y，t，θ）是θ方向的Garbor濾波器；Aθ是響應的信息；?θ是響應的相位。Fleet等［21］已經(jīng)證明，上述相位信息與圖像的運動場緊密相關(guān)，且可以通過式（2）求得畫面中的運動場：

通過式（2）可以得到每一位置的速度信號，在時間上積分后可得位移信號，最后再進行快速傅里葉變換（FFT）計算出頻域信號，由此得到結(jié)構(gòu)的振動信息。

2 測量系統(tǒng)

文中所搭建的視覺測振系統(tǒng)的硬件由圖像采集裝置、固定裝置和計算機組成。圖像采集裝置包括工業(yè)相機（Basler公司的acA1440－220 um相機，分辨率為1 440 pixel×1 080 pixel，最高分辨率下采樣頻率500 fps）、鏡頭（12～120 mm 的變焦鏡頭）以及固定裝置（包括三腳架和云臺）。文中所搭建的視覺測振系統(tǒng)的軟件主要分為4個功能模塊：用戶交互模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊和信號分析模塊，各模塊的具體功能如圖2所示，軟件操作流程如圖3所示。圖2中的功能模塊對應了測量過程的主要操作環(huán)節(jié)。

圖2 測量系統(tǒng)軟件主要功能框架Fig.2 Main framework of software system

圖3 軟件使用的基本流程Fig.3 The basic process of software

3 測量精度驗證

文中基于某小型振動臺開展精度驗證試驗，將視覺測振系統(tǒng)的位移測量結(jié)果與該振動臺上光柵位移傳感器的輸出結(jié)果進行對比，以驗證所搭建視覺測振系統(tǒng)的精度。如圖4 所示，該振動臺采用伺服電機驅(qū)動，可實現(xiàn)在預設頻率和振幅條件下的振動，內(nèi)置的光柵位移傳感器可實時測量當前的位移值，其量程為0～10 mm，示值精度為±1%。在試驗過程中，將振動臺設置0.2 mm 振幅，1 Hz 頻率的振動，采集時相機幀率設置為500 fps，拍攝距離約1 m。

圖4 振動平臺Fig.4 Vibration platform

PME 算法得到位移是以像素為單位的，為了將其轉(zhuǎn)化為實際空間的距離，文中采用張正友標定方法［22］標定圖像的比例系數(shù)，得到結(jié)果為0.609 mm/pixel，即1 個像素對應實際空間的距離范圍是0.609 mm?；谠摫壤禂?shù)，可以計算得到工件的振動位移曲線，其與位移傳感器的得到的振動曲線對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 精度驗證試驗結(jié)果Fig.5 Accuracy verification test results

從圖5 可以看出，在整個測量時間范圍內(nèi)，以位移傳感器測量結(jié)果（Ssensor）為基準，視覺測振系統(tǒng)測量結(jié)果（Svision）的最大誤差（max|Svision,i-Ssensor,i|）為0.013 mm、平均誤差為0.002 9 mm、誤差標準偏差為0.004 2 mm，可以看出文中所搭建的視覺測振系統(tǒng)具有較高的測量精度。

4 高鐵站臺雨棚振動的測量方案

使用文中所搭建的視覺測振系統(tǒng)對某高鐵站臺雨棚結(jié)構(gòu)在實際工況下的振動進行測量，測量對象主要有屋面板和封邊板。測量系統(tǒng)架設在站臺安全區(qū)域內(nèi)，拍攝屋面板和封邊板在列車經(jīng)過時的視頻，拍攝距離12 m以上。在實際測量時，通過人為觀察列車來向，待列車即將進站時開始采集，列車完全過站并持續(xù)一定時間以后停止采集。

4.1 屋面板振動測量方案

屋面板振動的測量流程包括：待測目標鎖定、畫面調(diào)節(jié)、水平儀測量相機仰角、尺寸標定及振動提取計算5 個環(huán)節(jié)。這里需要說明的是，前述張正友標定法獲取的圖像比例系數(shù)僅對標定板所在相平面有效，當被測對象距離相機較遠時，往往難以把標定板和被測對象放在同一個相平面內(nèi)，此時并不適合使用張正友標定法獲取圖像比例系數(shù)；因此在對高鐵站臺雨棚振動進行現(xiàn)場測量時，文中通過圖像內(nèi)的已知長度的標記物來近似計算比例系數(shù)［16］。圖6 為屋面板的測量示意圖，已知屋面板的橫向?qū)挾葹閣（mm），相機畫面所占像素w′（pixels），可以得到圖像比例系數(shù)為k=w/w′。假設直接提取的振動結(jié)果為Δx′（pixels），則其對應的實際振動為Δx′?k（mm）。屋面板的真實振動近似垂直于地面，而相機拍攝方向則與地面呈一定夾角（相機仰角α），如圖6 所示。基于投影變換，可以得到屋面板在垂直于地面方向上的真實振動位移，即Δx= (Δx′?w)/(w′?cosα)。

圖6 雨棚屋面板的測量示意圖Fig.6 Schematic diagram of the measurement of canopy roof panel

4.2 封邊板振動測量方案

封邊板振動的測量流程與屋面板類似，如圖7 所示，但由于封邊板的已知尺寸為豎直方向尺寸，因此在標定環(huán)節(jié)的計算中與上述過程存在差異，且不需要測量相機仰角。

圖7 雨棚封邊板的測量示意圖Fig.7 Schematic diagram of the measurement of canopy edge board

已知封邊板實際高度為l（mm），相機畫面中所占像素為l′（pixel），可以得到圖像比例系數(shù)為k=lcosα/l′。假設直接提取的振動結(jié)果為Δx′（pixels），則其對應的實際振動為Δx′?k（mm）。同樣地，相機拍攝所得振動為封邊板真實振動的投影，因此封邊板的真實振動為Δx=Δx′?k/cosα=Δx′?l/l′。對比屋面板與封邊板的振動計算公式可以發(fā)現(xiàn)，對于封邊板的振動測量，標定過程中相機仰角產(chǎn)生的影響與投影變換中結(jié)構(gòu)平面與成像平面形成夾角產(chǎn)生的影響相互抵消，因此避免了仰角測量環(huán)節(jié)，這也減小了測量過程中產(chǎn)生的誤差。

5 高鐵無站臺柱雨棚振動實測

5.1 屋面板振動實測

使用文中所搭建的視覺測振系統(tǒng)對拍攝到的視頻進行處理，分別分析同車型同過站方向的8節(jié)列車，16節(jié)列車，重聯(lián)16節(jié)列車過站時的雨棚振動視頻，得到屋面板近軌側(cè)外檐的振動響應曲線及頻譜，如圖8所示。

圖8 雨棚屋面板振動響應曲線及頻譜Fig.8 Vibration response curve and frequency spectrum of canopy roof panel

從圖8 中的時域波形可看出，雨棚屋面板近軌側(cè)外檐的振幅在±8 mm 以內(nèi)，響應頻率為2.2～2.5 Hz，振動波形曲線清晰反映了雨棚屋面板近軌側(cè)外檐在列車車頭到達、車尾到達時刻受到風壓沖擊的響應：在列車到達前，雨棚結(jié)構(gòu)受到環(huán)境激勵發(fā)生微小的振動；在車頭到達時，受風載荷的影響，雨棚發(fā)生沖擊響應，產(chǎn)生振動；車廂陸續(xù)經(jīng)過時，沒有沖擊的風壓載荷，雨棚的振動開始衰減，波形呈現(xiàn)振蕩衰減形式；雨棚振動未完全衰減時，車尾到達，雨棚受到?jīng)_擊風壓載荷的影響，再次呈現(xiàn)沖擊響應曲線；待車尾駛過后，雨棚振動逐漸衰減，并且受車尾駛離的風壓力作用，可以看到波形出現(xiàn)了風壓尾波現(xiàn)象。

對于重聯(lián)16 節(jié)列車，其由兩列8 編組列車組成，中間處有車頭對接部位，從圖8（c）域波形數(shù)據(jù)可以看出，在重聯(lián)的車頭到達時，由于其車頭對接部位的形狀使得此部位經(jīng)過雨棚時對雨棚同樣產(chǎn)生了氣動力作用，產(chǎn)生了振動響應。

5.2 封邊板振動測量案例

封邊板的寬度為60 mm，在視頻中占像素55 pixels，圖像比例系數(shù)為1.091 mm/pixel。對同車型同過站方向的8節(jié)列車，16節(jié)列車，重聯(lián)16節(jié)列車過站時的封邊板振動視頻進行處理得到振動響應曲線及頻譜如圖9所示。

圖9 雨棚封邊板的振動響應曲線Fig.9 Vibration response curve of canopy edge board

封邊板的振動時域波形曲線中的兩個正峰值和兩個負峰值分別是對應了車頭到達和車尾到達時的振動響應，對于重聯(lián)16節(jié)列車來說，在車頭到達和車尾到達響應中，還存在有重聯(lián)車頭到達時的響應。車頭到達時，封邊板受到風壓沖擊，結(jié)構(gòu)迅速發(fā)生位移，偏向一側(cè)，到達正峰值；列車車頭經(jīng)過后，風壓反向造成氣壓吸力，使得結(jié)構(gòu)發(fā)生反向的位移并達到負峰值；車廂過站時，封邊板結(jié)構(gòu)發(fā)生響應振動；車尾到達時，風壓先負后正，封邊板的位移也先達到負峰值再達到正峰值，隨后振動逐漸消失。時域波形也體現(xiàn)了16 節(jié)列車車廂過站的時間約為8 節(jié)列車車廂過站時間的兩倍，重聯(lián)16 節(jié)列車車廂過站的時間包含兩個8 編組部分的過站時間。從頻譜圖可以看出，振動響應中包含了1.3～1.6 Hz，32～3 Hz 兩個區(qū)間的頻率峰值，1.3～1.6 Hz區(qū)間的頻率在車頭到達、車尾到達、重聯(lián)車頭到達時存在，32～34 Hz 區(qū)間的頻率則在整個列車過站期間都存在。

6 結(jié)語

文中采用基于相位的測振算法原理，搭建了視覺測振系統(tǒng)，并基于某小型振動臺開展了精度驗證試驗，結(jié)果表明，所搭建視覺測振系統(tǒng)與以某光柵接觸式位移傳感器為基準，所搭建視覺測振系統(tǒng)的最大誤差為0.013 mm、平均誤差為0.002 9 mm、誤差標準偏差為0.004 2 mm。然后以高鐵無站臺柱雨棚為對象，提出了屋面板和封邊板振動的具體測量方案，并開展了實際測量效果的試驗驗證工作。通過測量8節(jié)、16節(jié)、重聯(lián)16 節(jié)類型列車過站時屋面板近軌側(cè)外檐和封邊板的振動響應，獲得了列車運行對雨棚振動的影響規(guī)律，實現(xiàn)了對雨棚結(jié)構(gòu)振動的高效、非接觸式的測量，可以為無站臺柱雨棚的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供有效的數(shù)據(jù)。