CN104951883A - 一种采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，是一种采用机器视觉与计算机信息处理等技术构成，能够辅助完成大型土石坝工程填筑施工现场的机械设备信息跟踪、施工参数监测、工程测量放样与计量、质量监督控制以及实时调度等工作的信息处理系统设备。为大型土石坝填筑施工的实时、快速得现场运行信息采集，辅助工程施工调度。

Description

一种采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统

技术领域

本发明涉及信息工程处理中的视频图像数据采集和处理、GPS定位、重力传感及数据传输等应用技术，并将该技术建立起的数据模型实现与水电工程施工技术和管理相结合，尤其是涉及一种采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统。

背景技术

大中型土石坝工程施工填筑层平面在基础部分长宽约400～500m，最大的填筑面积约5万m2～8万m2，在填筑中由填筑层涉及边界条件和填筑工序作业面诸多，因工程施工人员实时信息不足而进行全面监督系统控制的施工过程难度极大。采用监视器扩大视角进行辅助调度，因监视画面不能准确的进行量化和自动反应显示现场实时数据的能力有限，不能较好的实时辅助施工调度。现在的机器视觉及视频处理能力可在监视器的基础上对现场视频图像进行实时量化分析，采用此技术手段可对施工现场进行广泛、实时及快速施工参数的采集分析，可弥补现场管理存在的上述不足，辅助工程施工调度。

发明内容

本发明提供了一种采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，是通过采用机器视觉、GPS定位及计算机信息处理技术，能够辅助完成大型土石坝工程施工现场的机械设备跟踪、施工参数监测、工程测量放样与计量、施工质量监督控制以及实时调度等工作，为大型土石坝填筑工程施工提供辅助调度的信息处理的系统设备。其技术方案如下所述：

一种采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，包括下列步骤：

(1)利用摄像机、GPS差分基站进行土石坝坝面施工现场的实时数据采集处理，保持视频图像覆盖大坝填筑施工面；

(2)对地面移动设备和检测站的实时数据采集处理，所述移动设备和检测站包括自卸车、碾压设备、自卸车总重量检测装置、手持式设备；

(3)前两个步骤采集的数据传送到中心计算机辅助系统，利用中心辅助系统实时数据处理，建立施工设备实时运行数据库，坝面填筑施工视频数据模型，并建立大型屏显的现场视频模拟，以及窗式动态数据模型显示，进而发布辅助现场施工调度的命令。

步骤(1)中所述土石坝坝面施工现场的实时数据采集处理的方法包括下列步骤：

1)依据土石坝基础填筑宽度和长度，在坝基两岸边坡多点位精确定位布置数台带有摄像机和GPS差分基站的现场观测终端设备，分别录入设备可视范围内的现场实时视频信息和接受GPS的定位信息，设备安装高程及部位随大坝填筑高度调整，始终保持视频图像覆盖大坝填筑施工面；

2)实时采集的填筑施工面视频图像，经视频处理器进行DPS数据处理后，同GPS的定位的差分计算信息，一并以固定的通讯格式传输给中心计算机辅助系统。

步骤(2)中所述地面移动设备和检测站实时数据采集处理包括下列步骤：

1)在运输填筑料的各自卸车上配置安装一台具GPS的定位接收、短信发送接收和语音通信功能终端设备，将实时GPS的定位、自卸车信息和辅助语音通讯信息传输给中心计算机辅助系统；

2)在碾压设备上安装一台具有GPS的定位接收、碾压振动器击振信息采集、短信发送接收和语音通信功能终端设备，将实时GPS的定位、碾压振动器击振信息采集和与辅助语音通讯信息传输给中心计算机辅助系统；

3)在各填筑料上坝道路入口处安装一台带有自卸车总重量检测装置，该装置是具有短信发送接收和语音通讯功能终端设备，将各自卸车的填筑料装载信息传输给中心计算机辅助系统，将中心计算机辅助系统传输的指令显示在指令显示器上；

4)现场手持式设备，其具有GPS的定位接收、显示控制及信息通讯功能，应用于填筑施工面的测量放样及计量。

步骤(3)中中心计算机辅助系统实时数据处理包括下列步骤：

1)中心计算机辅助系统建立施工设备实时运行数据库，将各终端设备数据以可移动设备为单位，记录设备运行数据，数据包括：车牌号、实时位置坐标、车载重量、卸车坐标位置及调度记录；

2)中心计算机辅助系统建立坝面填筑施工视频数据模型，将终端设备视频图像量化数据和现场运行检测数据建立施工面动态数据模型，用于现场数据统计，提供施工面的填筑材料计划、测量放样、质量监测、工程量统计及设备运行，进行实时数据控制分析；

3)中心计算机辅助系统将施工面量化处理后的实时视频图像拼接，建立大型屏显的现场视频模拟，以及窗式动态数据模型显示，直接提供坝面填筑施工的实时动态运行数据，辅助填筑工程施工调度；

4)中心计算机辅助系统提供系统与各终端网络的数据通讯，下达指挥命令辅助现场施工调度；

5)系统施工数据模型提供共享的数据资源平台，辅助各部门对该系统施工模型的数据应用。

其中，所述填筑施工面视频图像经视频处理器进行DPS数据处理的步骤如下所述：①采用光学的透视原理及图像插值技术的计算，对施工面视频图像视角调整，将与坝面呈一定视角画面调整为坝面俯视视频画面，所述坝面为水平面；②采用视频图像量化技术对坝面施工进行图像量化，提供数据模型基本单位计算标准，供坝面工程量化分析；③采用视频图像“团”检测技术对坝面施工移动设备运行进行跟踪检测分析；④将视频处理器处理后的坝面施工视频图像信息和现场运行分析的数据信息，同GPS的定位的差分计算信息，一并以固定的通讯格式传输给中心计算机辅助系统。

进一步的，所述中心计算机辅助系统设置有大型中心屏显。

步骤(3)中中心计算机辅助系统实时数据处理的步骤1)中，采用布置在坝前电子衡和分布在各部位的车辆识别装置，检测进场填筑运输车辆的车牌号、本次填筑料装载量、填筑料类别信息，同时启动进场填筑设备后续运行信息的跟踪。

所述填筑施工面视频图像经视频处理器进行DPS数据处理的步骤②中，图像量化采用矫正还原后的视频图像，以图像像素为单位，计算像素实际代表长度，建立图像像素与实际坐标的位置关系，采用像素量化视频图像方式来量化与现场实物工程。

本发明有如下优点：

(1)系统设备提供了土石坝现场全方位实时快速自动采集施工运行数据的方法；

(2)系统快速分析现场实时数据，建立以视频图像为基础的平面可视的土石坝填筑施工运行模型，实时直观显示堆筑坝面施工现场运行情况和数据，用于辅助现场调度施工；

(3)系统全方位实时记录数据，提供工程运行数据的共享平台，系统的保证工程实施的过程控制。

附图说明

图1是所述采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统的工作流程图；

图2是所述采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统的系统框图。

具体实施方式

本发明提供了一种采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，包括下列技术应用及设备原理：

如图1所示，首先获得施工现场视频及设备终端信息，然后视频图像视角调整及图像数据监测，将视频图像、监测数据及终端信息传输，建立现场运行数据库及数据输入现场多点视频图像量化与拼接，从而建立施工现场视频图像模拟及数据模型，在显示屏进行视频图像模拟及数据模型的显示，进行人工现场辅助调度及指令输入，同时记录现场施工图像和运行模型。

所述采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统是由①摄像机+视频处理器(DPS数据处理器)；②GPS地面差分基站；③车载终端设备；④地面终端设备；⑤辅助系统中心计算机；⑥辅助系统大型中心屏显；⑦其他终端设备构成，其中辅助系统原理及网络框图见图2。

摄像机+视频处理器(DPS)采集现场视频图像数据，采用视频图像处理中图形矫正技术，还原坝面填筑层实物图形并建立精确的图像比例量化填筑层(填筑面)，建立现场填筑分区虚拟轮廓数据线，进行填筑分区施工放样、填筑分区计量、填筑料分区边线监测、分层填筑面积及填筑总量测量和复核等施工量化控制过程；

采用视频图像处理中“团”检测定位和GPS辅助定位技术，实时监测跟踪坝面填筑层现场移动设备，建立现场设备运行记录(设备运行轨迹)，进行填筑设备实时运行情况检测，填筑分区实际填筑量检测，碾压设备运行及分区碾压质量检测；

采用布置在坝前电子衡和分布在各部位的车辆识别装置，检测进场填筑运输车辆的车牌号、本次填筑料装载量、填筑料类别等信息，同时启动进场填筑设备后续运行信息的跟踪；

采用带有GPS辅助定位、短信通讯装置和设备(车辆标识)的地面和移动设备的终端，进行设备定位复核、设备请求和系统指令等信息传输；

采用带有GPS辅助定位、碾压振动监测及短信通讯移动设备，可用于填筑层的碾压设备的运行参数及碾压参数的监测，同时采用现场实验检测进行监测数据进行复核和论证；

采用中心计算机建立中心数据库，负责对系统可检测的施工实时和历史数据的收集、对非系统自动检测数据由人工负责录入，数据库对工程现场数据进行整理、统计及发布(输出)，中心计算机并辅助完成现场指令，资源的共享；

中心显示器采用经拼接处理的视频数据进行全施工现场视频显示，显示实时现场运行状况视频图像，并能在中心显示器上“形象”的获得系统实时和历史数据。如：光标选择运行车辆，显示包括车号在内的实时和当班运行作业情况；光标选定坝面施工区域，可显示标定范围内的计算面积、填筑量、填筑车数、碾压遍数和未完成量等施工工程量及进度情况；采用光标在中心显示器上画分区线，用于检测各填筑分区情况和质量；

当料场终端装置将填筑料的种类数据标定在车载装置上时，填筑料的填筑错误和填筑区填筑完毕后都可主屏显示告知，并通知辅助调度和运输车辆示意现场施工运行错误。

中心数据库具备，现场施工实时和历史数据统计报表自动生成能力，甚至包括违规(随意卸料)车辆运行记录、指令发布记录、不同填筑区填筑料错误记录的偏差报告等，中心数库据提供数据以便工程进行过程控制。

本系统的基础原理及量化进度分析：

系统是施工现场采用多点位视频实时摄像、图像量化处理及组合显示播放技术构成。依据摄像机精确的安装位置和高清的视频图像，采用光学的透视原理及图像插值技术(视频处理对视频图像的每一像素可以进行计算和控制)，对视频图像进行实时矫正还原(矫正调整后的图像为填筑面垂直空中某高程正俯视图)。矫正还原后的视频图像以图像像素为单位，计算像素实际(实物)代表长度，建立图像像素与实际坐标的位置关系，采用像素量化视频图像方式来量化与现场实物工程。

像素单位的精度技术分析，以最大现场实际长度、最大摄影像素矩阵代表长度以及最大显示长度建立相互比例关系，最大实际长度与最大摄影像素矩阵长度间建立准确的比例关系是系统的数学模型基础，以保证填筑层平面尺寸计算精度。

图像像素与实际坐标的位置关系是系统对工程量化的数据基础，因图像像素与现场实物工程比例关系是线性关系。对于计算中非线性偏差可采用系统的非线性补尝和插值方式保证数据精度；

在计算工程量中以m为单位。依据系统原理分析，采用1200万像素的摄像机(相机)进行连续拍摄方式(2帧/秒)，最大覆盖面积为150m×200m＝30000m2,每平方米采用400个像素进行描述(代表)，系统的长度最小单位为5cm(一个像素代表长度)，实际应用和计算单位可考虑为20cm，工程量计量单位为0.25m3。土石方填筑中除上游面板基础填筑边线需进行补充控制测量外，此方式可满足土石开挖及填筑工程放样和计量的精度要求的。系统工作中因实际操作的随机偏差，最终偏差的合为零，且忽略不计。

本系统建立的是填筑层的平面数学图像模型，填筑厚度依据填筑区设计厚度为准，填筑厚度在层面中的不均匀、填筑层高程不准确等产生的填筑计量偏差都在设定的填筑层计量中自动补偿，因最终填筑高程和最终填筑层数是一定的。高程偏差引起的面积和工程量偏差此处为二阶小状态，可忽略不计，在实际过程中应测量复核，消除系统偏差，避免产生较大的量差。

系统在晚间和雨雾工程坝面填筑施工中，施工视频图像运行模型采用辅助光源或原视频图像暂时替代予以补充，同时采用加强的GPS定位采集模式弥补低能见度条件下的视频数据采集，保证视频图像模型的辅助系统运行。

上述系统基础原理和量化分析结果满足工程量化的要求。

Claims (8)

1.一种采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，包括下列步骤：

(1)利用摄像机、GPS差分基站进行土石坝坝面施工现场的实时数据采集处理，保持视频图像覆盖大坝填筑施工面；

(2)对地面移动设备和检测站的实时数据采集处理，所述移动设备和检测站包括自卸车、碾压设备、自卸车总重量检测装置、手持式设备；

(3)前两个步骤采集的数据传送到中心计算机辅助系统，利用中心辅助系统实时数据处理，建立施工设备实时运行数据库，坝面填筑施工视频数据模型，并建立大型屏显的现场视频模拟，以及窗式动态数据模型显示，进而发布辅助现场施工调度的命令。

2.根据权利要求1所述的采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，其特征在于：步骤(1)中所述土石坝坝面施工现场的实时数据采集处理的方法包括下列步骤：

1)依据土石坝基础填筑宽度和长度，在坝基两岸边坡多点位精确定位布置数台带有摄像机和GPS差分基站的现场观测终端设备，分别录入设备可视范围内的现场实时视频信息和接受GPS的定位信息，设备安装高程及部位随大坝填筑高度调整，始终保持视频图像覆盖大坝填筑施工面；

2)实时采集的填筑施工面视频图像，经视频处理器进行DPS数据处理后，同GPS的定位的差分计算信息，一并以固定的通讯格式传输给中心计算机辅助系统。

3.根据权利要求1所述的采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，其特征在于：步骤(2)中所述地面移动设备和检测站实时数据采集处理包括下列步骤：

1)在运输填筑料的各自卸车上配置安装一台具GPS的定位接收、短信发送接收和语音通信功能终端设备，将实时GPS的定位、自卸车信息和辅助语音通讯信息传输给中心计算机辅助系统；

2)在碾压设备上安装一台具有GPS的定位接收、碾压振动器击振信息采集、短信发送接收和语音通信功能终端设备，将实时GPS的定位、碾压振动器击振信息采集和与辅助语音通讯信息传输给中心计算机辅助系统；

3)在各填筑料上坝道路入口处安装一台带有自卸车总重量检测装置，该装置是具有短信发送接收和语音通讯功能终端设备，将各自卸车的填筑料装载信息传输给中心计算机辅助系统，将中心计算机辅助系统传输的指令显示在指令显示器上；

4)现场手持式设备，其具有GPS的定位接收、显示控制及信息通讯功能，应用于填筑施工面的测量放样及计量。

4.根据权利要求1所述的采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，其特征在于：步骤(3)中中心计算机辅助系统实时数据处理包括下列步骤：

1)中心计算机辅助系统建立施工设备实时运行数据库，将各终端设备数据以可移动设备为单位，记录设备运行数据，数据包括：车牌号、实时位置坐标、车载重量、卸车坐标位置及调度记录；

2)中心计算机辅助系统建立坝面填筑施工视频数据模型，将终端设备视频图像量化数据和现场运行检测数据建立施工面动态数据模型，用于现场数据统计，提供施工面的填筑材料计划、测量放样、质量监测、工程量统计及设备运行，进行实时数据控制分析；

3)中心计算机辅助系统将施工面量化处理后的实时视频图像拼接，建立大型屏显的现场视频模拟，以及窗式动态数据模型显示，直接提供坝面填筑施工的实时动态运行数据，辅助填筑工程施工调度；

4)中心计算机辅助系统提供系统与各终端网络的数据通讯，下达指挥命令辅助现场施工调度；

5)系统施工数据模型提供共享的数据资源平台，辅助各部门对该系统施工模型的数据应用。

5.根据权利要求2所述的采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，其特征在于：所述填筑施工面视频图像经视频处理器进行DPS数据处理的步骤如下所述：①采用光学的透视原理及图像插值技术的计算，对施工面视频图像视角调整，将与坝面呈一定视角画面调整为坝面俯视视频画面，所述坝面为水平面；②采用视频图像量化技术对坝面施工进行图像量化，提供数据模型基本单位计算标准，供坝面工程量化分析；③采用视频图像“团”检测技术对坝面施工移动设备运行进行跟踪检测分析；④将视频处理器处理后的坝面施工视频图像信息和现场运行分析的数据信息，同GPS的定位的差分计算信息，一并以固定的通讯格式传输给中心计算机辅助系统。

6.根据权利要求1所述的采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，其特征在于：所述中心计算机辅助系统设置有大型中心屏显。

7.根据权利要求4所述的采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，其特征在于：步骤1)中，采用布置在坝前电子衡和分布在各部位的车辆识别装置，检测进场填筑运输车辆的车牌号、本次填筑料装载量、填筑料类别信息，同时启动进场填筑设备后续运行信息的跟踪。

8.根据权利要求5所述的采用机器视觉技术的土石坝工程施工调度辅助系统，其特征在于：步骤②中，图像量化采用矫正还原后的视频图像，以图像像素为单位，计算像素实际代表长度，建立图像像素与实际坐标的位置关系，采用像素量化视频图像方式来量化与现场实物工程。