桥梁作为当今重要的交通枢纽，与行车的安全与畅通息息相关，它的正常运行能极大地推动经济的发展，促进社会的进步。随着时间的推移，外力的反复碾压及雨雪、洪水、冰冻、地震等这些自然因素的影响，必然会严重影响桥梁的安全和寿命，导致脱层和混凝土开裂，甚至会引发桥梁坍塌，造成不可挽回的经济损失和人员伤亡。
因此，及时检测并修复桥梁的已有损伤，保证服役桥梁在工作时的健康安全的状态，已经成为广大桥梁工程界研究者亟需解决的热门问题之一。由于裂缝是混凝土桥梁病害中破坏较为严重、威胁较大的一种，所以必须对桥梁裂缝进行监测，及时发现并修补，控制裂缝的产生、扩展，将其控制在合理的允许范围内，从而避免桥梁倒塌事故。
本系统针对桥梁裂缝的动态监测系统进行研究，采集桥梁上裂缝的微距图像并实时计算裂缝的宽度，同时监控桥梁上的行车情况，采用多传感器融合的方法，分析桥梁在各种荷载作用下，裂缝的开展和恢复状态，将其控制在安全合理范围内，为桥梁的安全运行服务。其意义有三：1）监测裂缝是否发生变化；2）监测桥上车辆行车状态；3）分析荷载对裂缝的影响。
Project Proposal
1. High-level project introduction and performance expectation
1.1背景及设计目的
桥梁作为交通运输系统中的关键枢纽，在我国城市交通建设过程中占据了无可替代的地位，是城市交通系统中的重要组成部分。改革开放以来，我国在公路桥梁上的建设己然得到了高速的发展。据不完全统计，截至到2014年的年末，国内的公路桥梁总数已经达到75万座，长度也已经超过4257万米。可是，当桥梁建成投入使用后，会受到外力的反复碾压及雨雪、洪水、冰冻、地震等这些自然因素的影响。随着时间的推移，这些不同形式的损伤必然会影响桥梁的安全和寿命，导致混凝土开裂，甚至会引发桥梁坍塌，造成不可挽回的经济损失和人员伤亡。
因此，及时检测并修复桥梁的已有损伤，保证服役桥梁在工作时的健康安全的状态，已经成为广大桥梁工程界研究者亟需解决的热门问题之一。由于裂缝是混凝土桥梁病害中破坏较为严重、威胁较大的一种，所以必须对桥梁裂缝进行监测。
1.2项目描述
本次提案研究的是通过多传感器融合实现桥梁裂缝的动态监测系统，其目的是：1）监测已知裂缝是否发生变化；2）监测桥上车辆行车状态并识别车辆种类；3）长期监测数据，可用于分析荷载对裂缝的影响。
1.3应用范围和目标用户
该系统可应用于出现裂缝的桥梁的动态监测，同时该系统也可以进行简化，单独对裂缝进行监控测量，可应用于大坝、隧道、楼宇等的裂缝监测。
1.4业绩预期
该系统一方面用于及时发现并处理桥梁在服役期间的异常，避免出现难以承担的后果，减轻人员伤亡和经济损失；另一方面，系统的投入使用可以减少桥梁监督消耗的人力物力；同时记录车辆运行状态和桥梁裂缝的扩张的数据，搭建数据库，可用于分析桥梁动态荷载和裂缝的关系，为桥梁建造和维护提供数据支持。
1.5选择FPGA原因
该系统采用PL端来实现测量裂缝宽度的微距摄像头的图像采集及裂缝宽度的实时计算，降低PS端ARM的运算资源消耗，采用PS端来实现数据和云端的通信，充分发挥SOC的各个部分的优势。
2. Block Diagram
2.1系统框图
2.2 PC端操作界面
2.3系统模块说明
本系统采用FPGA CLOUD CONNECTIVITY KIT和Microsoft Azure IoT套件实现基于图像的桥梁裂缝动态监测系统。系统包括：
1）裂缝宽度测量模块
2）车辆监测模块
3.）无线传输模块
2.3.1裂缝宽度测量模块
裂缝宽度测量模块主要作用是实现图片拍摄和裂缝计算。DE10连续拍摄裂缝图片，并实时计算图片中的裂缝宽度，并将裂缝宽度值上传到云端，生成裂缝曲线图。在计算中，如果裂缝动态值超过阈值，将触发报警机制，向云端推送报警信息和裂缝图片。
2.3.2车辆监测模块
车辆监测模块主要作用是监测桥面状况，采用AI人工智能分析系统分析桥面的荷载情况，并将荷载情况发送到云端。
2.3.3无线传输模块
无线传输模块主要作用是实现DE10和云端进行互联。主要功能有：裂缝宽度值上报、桥面荷载信息上报，裂缝图片数据上传、报警信息推送等。
3. Expected sustainability results, projected resource savings
3.1系统性能指标
1、实时采集裂缝图像并计算裂缝宽度；
2、云端显示裂缝宽度及视频图像；
3、裂缝检测精度0.01mm，裂缝检测范围0-8mm；
4、裂缝图像分辨率3268*2448，检测帧率30fps；
5、视频监控分辨率1920*1080，30fps；
3.2预期的可持续性结果和预期的资源节约
投入使用后，本系统针对桥梁裂缝的动态监测系统进行长期监督，采集桥梁上裂缝的微距图像并实时计算裂缝的宽度，同时监控桥梁上的行车情况，采用多传感器融合的方法，分析桥梁在各种荷载作用下，裂缝的开展和恢复状态，将其控制在安全合理范围内，为桥梁的安全运行服务。
该系统的投入使用可以减少桥梁监督消耗的人力物力；提前规避风险的出现，减少人员伤亡和经济损失；同时记录车辆运行状态和桥梁裂缝的扩张的数据，搭建数据库，可用于分析桥梁动态荷载和裂缝的关系，为桥梁建造和维护提供数据支持。
4. Design Introduction
4.1 背景及设计目的
桥梁作为交通运输系统中的关键枢纽，在我国城市交通建设过程中占据了无可替代的地位，是城市交通系统中的重要组成部分。改革开放以来，我国在公路桥梁上的建设己然得到了高速的发展。据不完全统计，截至到2014年的年末，国内的公路桥梁总数已经达到75万座，长度也已经超过4257万米。可是，当桥梁建成投入使用后，会受到外力的反复碾压及雨雪、洪水、冰冻、地震等这些自然因素的影响。随着时间的推移，这些不同形式的损伤必然会影响桥梁的安全和寿命，导致混凝土开裂，甚至会引发桥梁坍塌，造成不可挽回的经济损失和人员伤亡。
因此，及时检测并修复桥梁的已有损伤，保证服役桥梁在工作时的健康安全的状态，已经成为广大桥梁工程界研究者亟需解决的热门问题之一。由于裂缝是混凝土桥梁病害中破坏较为严重、威胁较大的一种，所以必须对桥梁裂缝进行监测。
目前对桥梁裂缝的监测主要还是依靠人工检测方法，借助桥梁检测车或搭建脚手架等使检测人员能近距离观察裂缝，通过检测仪器（如裂缝宽度测试仪）放大裂缝得到裂缝的宽度。裂缝宽度测试仪的测量范围是0.01毫米~2.00毫米 ，读数精度是0.005毫米 。但是，这种方法安全系数较低、劳动强度大。
2020年，华中科技大学的学生通过机器人搭载CCD相机，采集桥梁底面图像，并将图像利用无线模块传送至计算机。2021年，广州市交通设计研究院有限公司的黎兆丰提发表了《城市立交桥梁安全监测应用研究》。针对桥梁构件出现的不同问题，采取不同的监测方式，对于裂缝的测量，采用应变计测量，然后通过信号电缆传输至现场采集仪器，再通过远程无线方式发送至云平台。以上两种裂缝监测方式虽然突破了人工监测的壁垒，但是无法实现长期监测某条已知裂缝的状态，或不能直观查看裂缝的图片。
2018年《东南大学学报》的《移动车辆荷载作用下梁体裂缝扩展规律》采用数值模拟方法分析了路面等级、车重、车速、梁体损伤程度和裂缝角度对移动荷载作用下裂缝扩展性能的影响。结果表明：车辆荷载增加、路面等级退化和梁体损伤程度增大均会导致裂缝扩展性能参数变大，其中车辆荷载作用最为明显，车辆行驶速度及裂缝角度对其影响不大。由此可见，桥梁上的移动车辆也会对桥梁裂缝产生影响。
4.2项目描述
本次提案研究的是通过多传感器融合实现桥梁裂缝的动态监测系统，其目的是：1）监测已知裂缝是否发生变化；2）监测桥上车辆行车状态并辨别车辆种类；3）长期监测数据，可用于分析荷载对裂缝的影响。
4.3应用范围和目标用户
该系统可应用于出现裂缝的桥梁的动态监测，同时该系统也可以进行简化，单独对裂缝进行监控测量，可应用于大坝、隧道、楼宇等的裂缝监测。
4.4业绩预期
该系统一方面用于及时发现并处理桥梁在服役期间的异常，避免出现难以承担的后果，减轻人员伤亡和经济损失；另一方面，系统的投入使用可以减少桥梁监督消耗的人力物力；同时记录车辆运行状态和桥梁裂缝的扩张的数据，搭建数据库，可用于分析桥梁动态荷载和裂缝的关系，为桥梁建造和维护提供数据支持。
4.5选择FPGA原因
该系统采用PL端来实现测量裂缝宽度的微距摄像头的图像采集及裂缝宽度的实时计算，降低PS端ARM的运算资源消耗，采用PS端来实现数据和云端的通信，充分发挥SOC的各个部分的优势。
5. Functional description and implementation
本系统采用FPGA CLOUD CONNECTIVITY KIT和Microsoft Azure IoT套件实现基于图像的桥梁裂缝动态监测系统，具体功能如下：
- 裂缝宽度监控摄像头，挂载在开发套件的FPGA端，实时监测裂缝变化，并且每天上传桥梁裂缝图片，通过裂缝宽度的可调阈值触发报警机制。
- 桥面状况监控摄像头，通过AI人工智能分析系统，利用yolov3算法实现车辆检测,触发裂缝宽度监控摄像头视频功能。
- PC端按照图片与视频分类，通过曲线绘制裂缝宽度与时间关系。
- DE10 的PL端完成裂缝宽度算法，并通过DE0的WIFI模块上传到服务云。
该系统的各项功能由裂缝宽度测量模块，车辆监测模块，无线传输模块共同实现。
5.1裂缝宽度测量模块
裂缝宽度测量模块主要作用是实现图片拍摄和裂缝计算。DE10连续拍摄裂缝图片，并实时计算图片中的裂缝宽度，并将裂缝宽度值上传到云端，生成裂缝曲线图。在计算中，如果裂缝动态值超过阈值，将触发报警机制，向云端推送报警信息和裂缝图片。
5.2车辆监测模块
车辆监测模块主要作用是监测桥面状况，采用AI人工智能分析系统分析桥面的荷载情况，并将荷载情况发送到云端。
5.3无线传输模块
无线传输模块主要作用是实现DE10和云端进行互联。主要功能有：裂缝宽度值上报、桥面荷载信息上报，裂缝图片数据上传、报警信息推送等。
6. Performance metrics, performance to expectation
6.1系统性能指标
1、实时采集裂缝图像并计算裂缝宽度；
2、云端显示裂缝宽度及视频图像；
3、裂缝检测精度0.01mm，裂缝检测范围0-8mm；
4、裂缝图像分辨率3268*2448，检测帧率30fps；
5、视频监控分辨率1920*1080，30fps；
6.2预期的可持续性结果和预期的资源节约
投入使用后，本系统针对桥梁裂缝的动态监测系统进行长期监督，采集桥梁上裂缝的微距图像并实时计算裂缝的宽度，同时监控桥梁上的行车情况，采用多传感器融合的方法，分析桥梁在各种荷载作用下，裂缝的开展和恢复状态，将其控制在安全合理范围内，为桥梁的安全运行服务。
该系统的投入使用可以减少桥梁监督消耗的人力物力；提前规避风险的出现，减少人员伤亡和经济损失；同时记录车辆运行状态和桥梁裂缝的扩张的数据，搭建数据库，可用于分析桥梁动态荷载和裂缝的关系，为桥梁建造和维护提供数据支持。
7. Sustainability results, resource savings achieved
7.1系统设计方案
7. 1..系统设计框图
7.2 PC端显示界面
本系统采用FPGA CLOUD CONNECTIVITY KIT和Microsoft Azure IoT套件实现基于图像的桥梁裂缝动态监测系统。
该系统的各项功能由裂缝宽度测量模块，车辆监测模块，无线传输模块共同实现。
7.1.1裂缝宽度测量模块
裂缝宽度测量模块主要作用是实现图片拍摄和裂缝计算。DE10连续拍摄裂缝图片，并实时计算图片中的裂缝宽度，并将裂缝宽度值上传到云端，生成裂缝曲线图。在计算中，如果裂缝动态值超过阈值，将触发报警机制，向云端推送报警信息和裂缝图片。
7.1.2车辆监测模块
车辆监测模块主要作用是监测桥面状况，采用AI人工智能分析系统分析桥面的荷载情况，并将荷载情况发送到云端。
7.1.3无线传输模块
无线传输模块主要作用是实现DE10和云端进行互联。主要功能有：裂缝宽度值上报、桥面荷载信息上报，裂缝图片数据上传、报警信息推送等。
7.2硬件设计框图
7.3 硬件设计框图
7.4.硬件实物连接图
7.5 FPGA CLOUD CONNECTIVITY KIT 开发套件实物图
7.6 核心板资源分布图
7.7 微距相机设计图
7.3 软件流程
7.3.1检测桥梁是否有车，是否发送视频触发信号以及数据传输流程
7.8 桥梁监控摄像头工作流程图
7.3.2裂缝检测和裂缝监测摄像头数据传输流程图
7.9 裂缝监测摄像头工作流程图
8. Conclusion
8.1 系统功能
本系统采用FPGA CLOUD CONNECTIVITY KIT和Microsoft Azure IoT套件实现基于图像的桥梁裂缝动态监测系统，对桥梁裂缝的动态监测系统进行长期监督，采集桥梁上裂缝的微距图像并实时计算裂缝的宽度，同时监控桥梁上的行车情况，采用多传感器融合的方法，分析桥梁在各种荷载作用下，裂缝的开展和恢复状态，将其控制在安全合理范围内，为桥梁的安全运行服务。
8.2预期效果
该系统的投入使用可以减少桥梁监督消耗的人力物力；提前规避风险的出现，减少人员伤亡和经济损失；同时记录车辆运行状态和桥梁裂缝的扩张的数据，搭建数据库，可用于分析桥梁动态荷载和裂缝的关系，为桥梁建造和维护提供数据支持。
8.3展望
该系统的各项功能由裂缝宽度测量模块，车辆监测模块，无线传输模块共同实现。其中车辆监测模块，在本次提案中，暂时仅实现了车辆种类识别，用于研究动载对桥梁裂缝的影响。在未来的投入使用中，还可以开发车辆车速检测和车辆承重检测等功能，进行多因素，全方位的研究车辆运行状态和桥梁裂缝的关系。
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