AR技术为桥梁管养提供高效解决方案万博体育足球

来源:未知 作者:万博体育足球 日期:2018-11-21 03:06

  作为美国经济的支柱,基础设施是每项经济产出的必要投入。然而,在美国工程师学会(ASCE)每四年发布的基础设施报告中,美国的综合基础设施水平连续被评为D级,这凸显了加强基础设施投资的必要性。基础设施的养护、管理成本对政府和私营企业是一项巨大开支,但基础设施公司及业主单位也更加重视养护。运输公司希望提高效率,从现有基础设施中获取更多利润,而不是建造新的基础设施。基础设施的业主单位正在优先寻求高效实用的方法,来确定桥梁的当前状态和剩余的使用寿命。

  结构健康监测(SHM)作为量化结构系统不同性能与安全水平的手段,在业界受到了极大的关注。SHM系统的核心之一是数据采集系统,为设计人员、管理人员和决策者收集相关的数据。数据采集系统的成本高,且操作中对于未经培训的检测人员来说是相当复杂的。

  工程界面临的重大挑战之一是,采用新技术进行基础设施养护与管理,如低成本无线智能传感器、人工智能、机器学习、无人机系统(UAS)等。主要难题是,这些技术无法将检测人员与结构联系在一起。

  如果用户在检测中融入遥感监测,监测应用将变得更加容易接触,成本也会降低,而且作为检测的一部分,用户可以直接查看到收集的数据。一旦传感器与人类感知相融合,数据价值就变得显而易见。增强检测人员的感知能力,能够使检测人员现场查看、量化和比较检测结果,并使检测人员能够决定基础设施的哪些部件需要维修、更换或养护。

  增强现实(AR)是指通过虚拟世界来补充真实世界的丰富性。万博体育足球在虚拟现实(VR)中,真实世界被虚拟物体和系统取代。相比之下,增强现实通过将虚拟信息融入真实世界的方式来增强真实世界。AR的起源可以追溯到20世纪60年代,当时头戴式显示器就能呈现三维图形。这种AR技术通过多个传感器和先进光学仪器收集,并记录结构检测中的数据。计算机生成的信息能够自发收集和分析检测人员在相关特征部位(例如裂缝宽度和损伤量化)的测量结果。增强现实的另一好处在于免手动结构检测,最大限度地减少了检测时间并减少了安全方面的挑战。

  近期研究成果表明了测量结果收集的巨大前景。例如,AR摄像机(ARCam)已成功用于在安装钢柱之前检测钢柱锚栓位置,并在钢柱安装之后评估钢柱铅垂度。与传统的全站仪相比,ARCam具有时间方面的优势,从而提高了生产率并降低了成本。此外,研究发现测量精度符合标准公差的规定。但是,该系统仅限于实验室使用,不能在现场使用。

  随后在增强现实行业的进一步发展中,推出了谷歌眼镜、Moverio智能眼镜和当前的微软全息透镜等设备。

  微软全息透镜是一款完备的可穿戴计算机。全息处理单元(HPU)利用惯性测量单元、四个空间映射摄像头和深度摄像头生成的数据,创建周围环境的三维模型。此外,它还具有跟踪眼球运动、收听语音命令和执行手势命令的功能。为了感测用户在真实世界环境中的移动,全息透镜配置了大量的传感器。其使用这些传感器生成的信息和彩色玻璃层,创建可以从不同角度进行交互或调查研究的图像。利用全息透镜的这些功能,还可通过实验测试其在不同距离和角度下进行测量的可行性。

  新墨西哥大学正与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作开发增强现实的新应用。增强现实技术可将全息图覆盖在真实世界之上。它为检测人员提供了收集、交互、可视化和分析检测数据的全新方式。使用了全息透镜的增强现实技术,能够实现免手动结构检测、最大限度缩短时间和减少挑战的测量技术。图3展示了全息透镜的教学应用。图3(上)为桥梁三维全息图,可用于增强对结构的感知。图3(下)是Marlon Agüero,一名新墨西哥大学土木、建筑与环境工程系博士生,为桥梁检测增强现实编程。能够实现全息图和数据与检测人员之间交互的软件应用程序,类似于游戏行业开发的软件应用程序。研究人员目前正在编码并在Unity中建立他们的新应用程序。然后,在Visual Studio中加载已创建成功的程序包,将它们配置在全息透镜上以供用户进行交互。全息透镜的用户能够通过收集客观数据、体积与面积或者通过在三维环境中配置新标签,与不同全息图之间进行交互。这些标签或记录将使未来的检测人员能够跨时间和空间进行比较和学习。同理,记录检测人员姓名、日期和时间,可以在现场即刻访问检测历史记录,无需保存数据,并可在检测组内共享。新检测人员也可以访问锚定的数据,现在可以随着时间的推移将其覆盖,以确定与桥梁结构相关的变化。

  图3 利用增强现实生成全息图:(上)桥梁模型(下)在SMILab进行新应用程序编程

  与VR截然相反,全息图和信息的共享覆盖能够增强对事件的了解,这在虚拟现实中通过分离与合并是无法实现的。AR中,检测人员一直在积极增加对检测中所交互的周围结构的了解。图4是为高中生展示该项技术的拓展活动,他们以为房间里有一只大型幼犬并争先恐后地去触摸它。全息图的感知覆盖在现实之上,将真实的周围环境的感知与全息图的投影混淆。

  基础设施智能管理实验室目前在增强现实方面的努力投入,主要是为了让超级钢铁侠检测员能够实时收集数据并量化他们的环境,以便利用这些信息跨时间和空间对测量结果进行比较。收集现场客观数据中取得成功的首批应用程序之一是,距离和面积测量应用程序,万博体育足球该程序是由洛斯阿拉莫斯国家实验室开发,并用于洛斯阿拉莫斯县所需面积的量化。这种合作模式非常成功,证明了大学-国家实验室-公共所有者之间合作的重要性,并说明了研究工作对工程转型改革的贡献。

  在变化检测领域的第二大成功应用,包括时间机器的开发,能够实现数据收集,以及对可能产生突然变化的不同结构(例如在地震或异常事件之后发生移动的结构)的跨时间比较。图5为使用AR技术对预制构件的增强检测。该图中,在具有实际三维轮廓的检测期间,双室箱梁的体积被覆盖,通过重叠这两个体积告知检测人员,箱梁在不同时间的相对位置。这种覆盖功能使检测人员能够跨时间比较过去和当前的测量结果。

  在增强现实领域开发的第三个应用涉及监测员培训,万博体育足球!该培训是通过收集监测人员间可相互传递的信息来进行。更具体地说,新平台使检测人员能够共享桥梁检测员之间的统一信息,并且可以跨时间和空间共享,这样,组员之间就能更好地协调和分享学习。

  使用AR技术研究结构动力学,使研究人员能够增加对结构响应的认知,这是单靠局部传感器无法实现的。图6所示,带真实试样的振动台的振动实验,同样被实验前方增强的全息图覆盖。真实试样和全息图的叠加以及各种实验的比较,让我们能够认识到以前不可能实现的新结构特性。

  AR不仅可以用于桥梁检测,还可用于设计和施工作业中,促进可视化和人机交互的积极改进和参与度。AR与BIM模型集成可以融入其他FEM模型中,以便新结构集成的实时信息,可以用于同时更新桥梁设计和桥梁结构。

  AR还可为桥梁所有者提供两个实际位置不一致的结构之间的比较。全息图的叠加能够实现实时比较,这在过去是不可能的。

  AR与其他可接近桥梁的技术(如无人机或其他机器人设备)有望集成到远程AR中。该应用可以在现场施工和快速评估中具有实质性应用意义。

  最后,将AR与ML和AI集成一体,可以通过FEM模型实现现场所获数据的快速、安全、准确更新,为工程团队提供实用信息。

  将来,AR将实现并锚定为可以追踪桥梁随时间变化,以及检测人员的标记或标签的一部分。图7所示,为概念验证的实现,其中不同时间标签被添加到实时检测中并覆盖,使检测人员能够选择特定日期和时间的数据。

  AR的另一个潜在应用涉及与其他方面感测功能的整合,包括但不限于:加速度、位移、应变,以及它们与特定结构的模型之间的集成,可以与进行检测的工程师进行实时共享。

  AR与其他感测属性信息(如温度、化学性质、湿度及对他们相应的增强)的集成,使检测人员能够准确地报告和收集环境属性,进而提供现场决策。

  在灾后环境中,AR有助于改变的快速量化、通过数据采集进行测量,以及检测结果之间的比较。此外,在人通常被强制忽略的“人机回圈”预计会存在并提供决策。如今人可以改变决策过程的新框架得以实现。

  预计AR将与无人机研究相结合,因此检测人员现在可以看到目前由无人机检测实现的可达性和数据收集。因此可以预期可视化研究、人工智能和机器学习之间的协作。结合数据、结果和模型之间的交互,增强现实可以为桥梁管理现代化作出重要贡献。

  增强现实,即使现在处于起步阶段,但仍可以准确地展示实际环境中实现的新机遇。目前正在开发结构量化、感测和比较领域的应用(跨时间和空间的变化检测器)。三维可视化、实作全息设计与实现等教育领域,正在为未来的增强现实技术专业学生奠定基础。行业参与,展现了增强现实技术实现在工程领域的实质意义,已经证明AR可以用于土木工程领域的管理和养护,并且对工程师未来的研究、开发和使用而言也有着更重要的作用。