基于AR实景增强的桥梁轻量化监测关键技术的研究与应用

基于AR实景增强的桥梁轻量化监测关键技术的研究与应用摘""要：桥梁轻量化监测技术的应用为桥梁的运营提供了有力保障。通过轻量化监测，可以实时了解桥梁的健康状态，及早发现问题并实施保护措施。依托朝阳路桥，探讨了基于AR实景增强的桥梁轻量化监测关键技术，将AR实景可视化技术与监测分析数据深度融合，构建了一个集现实场景模拟、多维度层次划分、多元化功能集成、响应敏捷以及信息即时共享于一体的智能可视化系统架构，实现高效、精准、科学的典型大桥监测。关键词：桥梁"""轻量化监测"""基础设施"""增强现实技术增强现实（Augmented"Reality，AR）中图分类号：TN948.6Research"and"Application"of"Key"Technologies"for"Bridge"Lightweight"Monitoring"Based"on"AR"Reality"EnhancementZHANG"Tao""LI"JieKunshan"Transportation"Engineering"Development"Center，"Kunshan，"Jiangsu"Province，"215300"ChinaAbstract："The"application"of"lightweight"monitoring"technology"for"bridges"provides"strong"support"for"the"operation"of"bridges."Through"lightweight"monitoring，"the"health"status"of"the"bridge"can"be"monitored"in"real-time，"problemsnbsp;can"be"detected"early"and"protective"measures"can"be"implemented."Based"onnbsp;the"Chaoyang"Road"Bridge，"this"article"explores"the"key"technologies"for"bridge"lightweight"monitoring"based"on"Augmented"Reality（AR）"reality"enhancement."The"AR"reality"visualization"technology"is"deeply"integrated"with"monitoring"analysis"data"to"construct"an"intelligent"visualization"system"architecture"that"integrates"real"scene"simulation，"multi-dimensional"hierarchical"division，"diversified"functional"integration，"agile"response，"and"real-time"information"sharing，"achieving"efficient，"accurate，"scientific"monitoring"of"typical"bridges.Key"Words："Bridge;"Lightweight"monitoring;"Infrastructure;"Augmented"Reality"technology桥梁作为公共交通中关键性设施，其安全性、稳定性和耐久性成为城市管理中不可忽视的重要问题[1]。截至2023年末，全国公路桥梁已达107.93万座，桥梁的安全管理面临着前所未有的挑战。传统的桥梁监测方法不仅效率低，且难以保证监测的准确性和实时性[2]，严重威胁桥梁安全。在此背景下，提升桥梁监测技术的智能化水平成为当务之急[3]。近年来，增强现实（Augmented"Reality，"AR）技术在智慧交通等领域展现出巨大的潜力[4]，AR融合多媒体、三维空间建模、即时追踪定位以及智能化交互界面等技术，将虚拟信息融入现实环境，达到对物理世界的“增强”[5]。本文旨在研究基于AR实景增强的桥梁轻量化监测关键技术，构建桥梁AR实景可视化系统，实现桥梁监测的精准化和科学化。1""工程概况青阳港段航道整治工程朝阳路桥全长549.54"m，路面标准横断面宽度为40"m，桥孔跨布置为"（6×30）m+（40+90+40）m+（6×30）m，主桥采用（40+90+40）m钢箱拱桥结构，两侧引桥采用30"m跨径组合箱梁设计，边跨钢箱梁桥面宽40"m，中跨钢箱梁桥面宽度40～47"m。基于低成本、低功耗、低复杂度、强针对性的监测理念，以实时、直观的桥梁信息可视化为目标，形成一套基于AR实景增强的桥梁轻量化监测技术体系，为桥梁的监测和管理提供技术支撑。2""轻量化监测系统组成2.1""传感器模块传感器模块由监测元器件、附属及保护设施组成。在关键部位安装传感装置，获取环境和桥梁响应等变化数据。传感器类型包括应变、温度、振动和图像传感器。应变传感器可以对桥梁结构的应力及应变进行监测，分析结构的内力分布及响应特性。温度传感器用于监测因温度造成的线形变化，为分析结构变形提供依据。振动传感器用于追踪桥梁在风载、交通荷载及地震等因素影响下产生的振动加速度，实现桥梁结构健康状态的监测。图像传感器用于监测桥墩裂缝情况，评价桥梁关键部位损伤。2.2""数据采集与传输模块数据采集模块由数据采集子站、线缆传输网络和供配电子站组成。采集子站确保系统的稳定性；线缆传输网络采用冗余环网拓扑结构，保证信号传输的可靠性；供配电子站采用电源UPS+太阳能充电板对仪器供配电，保证系统供配电的质量。数据传输模块包括硬件和软件，接收来自传感器的模拟信号，执行模数转换（A/D），将模拟信号转换为数字信号，使之能够被计算机识别。随后依托有线通信或无线网络，安全、高效地传输至云端服务器及数据处理模块，以供进一步分析应用。2.3""数据处理与管理模块此模块为云平台与监控中心的“数据中枢”，集成了云服务器资源以及数据处理、数据库运维与接口软件服务，是桥梁智能化管理的核心驱动力。依托云服务器与监控中心的计算资源，实现监测数据的处理、分析、存储、展示及长期保存等全方位管理功能。通过网络配置与控制机制，可以远程调度桥梁现场的数据采集站点，确保数据采集的及时性与准确性。此外，它还肩负着桥梁全生命周期内静态基础资料与动态监测数据的综合管理与长期储存任务。2.4""数据分析与安全预警模块基于桥梁监测系统云服务器，提供数据图形展示、分析和预警服务功能。多元化运用静态与动态结构分析软件，完成结构的状态评估和高效监测预警工作，实现预测预判、快速响应、长期跟踪，有利于管理部门掌握桥梁重点监控指标动态情况、从容处理各类复杂事件。3""AR实景增强监测技术及应用3.1""AR实景增强技术的意义随着物联网、人工智能等技术的发展，AR作为一种新兴技术，在巡检和维修领域取得了显著成果。针对桥梁健康监测技术可视化程度低的问题，本项目在建筑模型的基础上采用AR技术进行优化，将传统的图表、三维虚拟模型转变为监测目标实景展示，将数字化信息融入实际环境，弥补了可视化管理平台的空白，赋予了设计流程更高的灵活性，有利于实现精准养护。3.2""AR实景增强实现方法AR技术由三大组件构成，分别是虚拟与现实的深度融合、即时的用户交互体验以及精确的三维空间定位与注册技术。本项目针对桥梁轻量化监测可视化需求，设计如下AR技术实现流程（如图2所示）。AR系统核心部分在于三维跟踪注册，主要分为基于硬件设备传感器的三维跟踪注册、基于计算机视觉的三维跟踪注册、基于混合方式的三维跟踪注册3种方式。本项目针对三维注册进行对比分析，优选出适用于桥梁轻量化监测的方案，3种方案对比情况如表1所示。3.3""AR系统集成与用户界面交互实时显示桥梁监测系统采集的数据，如形变、位移、应力等。使用AR技术将这些数据叠加在实际桥梁场景上，用户能够直观地观察桥梁结构的状态。允许用户选择显示不同层次的监测数据，从整体结构到具体细节，考虑不同AR设备的兼容性，确保系统在Windows、Android等设备上都能够提供一致的用户交互体验。本文将轻量化监测技术与AR可视化技术结合应用，以朝阳路桥为依托，设计了典型大桥轻量化监测方案，通过构建桥梁AR实景可视化系统，实现了监测数据的直观展示与实时分析，显著提升了桥梁监测的效率。研究成果不仅丰富了桥梁监测领域的技术手段，也为智慧交通与城市的建设提供了有力支持。随着AR技术的进步和桥梁监测需求的增长，该技术有望在桥梁轻量化监测中得到更广泛的应用，为桥梁的安全运维和可持续发展贡献更大力量。[1]张劲泉，李鹏飞，董振华，等.服役公路桥梁可靠性评估的若干问题探究[J].土木工程学报，2019，52（S1）：159-173.[2]樊博涵.基于数字孪生的架桥机施工智能监测系统的研究与开发[D].西安：长安大学，2023.[3]王健，任壬.智能化桥梁监测系统在工程管理中的应用研究[J].中国设备工程，2024（13）：192-194.[4]张雨桐.增强现实技术对城市通信基础设施