CN107087146A - 一种库区高边坡无人机自动监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种库区高边坡无人机自动监控系统及方法，包括监测系统、太阳能集电装置、无人机、无人机移动站、巡检车、监控分析中心；所述的监测系统布置在高边坡上，采集高边坡监测数据，在有移动网络覆盖的高边坡区域，通过移动网络与监控分析中心进行数据传输；在无移动网络覆盖的高边坡区域，通过蓝牙和无人机进行近距离数据传输，当无人机飞入移动网络覆盖区域，无人机通过移动网络连接监控分析中心实现数据传输；所述的无人机移动站布置在巡检车上，配置有燃油发电机，用于对无人机的维护、充电；监测系统可通过太阳能集电装置或无人机获取电能；本发明用于实现库区大量高边坡的快捷自动监测，为库区高边坡安全提供帮助，保障水库大坝及库区高边坡的安全。

Description

一种库区高边坡无人机自动监控系统及方法

技术领域

本发明涉及高边坡的监测和监控领域，特别是水库库区复杂环境下的大量高边坡的批量监测监控。

背景技术

到目前为止，全球范围内凡是人类居住和工程活动的山岭地区，几乎都有滑坡灾害发生，滑坡成为各种灾害中频度最高、损失最大的地质灾害类型。大量水库修筑于高山峡谷中，库区两岸常分布有大量高边坡。库区滑坡是人类工程活动导致的典型滑坡，这些高边坡除了受到降雨、地质的影响外，还受到库盆变形和水位波动的作用。由于库区高边坡的范围广、边坡数量多、都受到水库的影响，在水位变化过程中极易受到扰动，产生大量滑坡；对这类边坡进行监控，能极大的确保库区人民群众的安全及水库大坝的安全。

现有的滑坡监测和监控技术，多着重于对某一个或局部的滑坡开展； 对于大量滑坡的监测和监控预警，由于滑坡的范围广、交通不便、监控成本高、分析难度大，目前还未出现一种集成化、高效化的监控系统，以实现对大量高边坡的批量监控。伴随着无人机等低成本、大范围的飞行设备出现，能够对大范围进行快速高效的监测、监控成为现实；为此，利用无人机设备，进行大范围的监控，并通过无线传输设备将监测信息上报汇总，以辅助滑坡的监控预警，形成一套自动化程度高、性能强的库区高边坡无人机自动监控系统，提高了库区滑坡监控的效率，避免了滑坡灾害的发生。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种库区高边坡无人机自动监控系统及方法，在降低设备成本、提高监测效率的基础上，能够实现库区大量高边坡的无人机监控及监测数据远程采集，实现库区大量高边坡的自动监控，为库区边坡安全提供帮助，保障了水库大坝及库区高边坡的安全。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种库区高边坡无人机自动监控系统，包括监测系统、太阳能集电装置、无人机、无人机移动站、巡检车、监控分析中心；所述的监测系统布置在高边坡上，采集高边坡监测数据，在有移动网络覆盖的高边坡区域，通过移动网络与监控分析中心进行数据传输；在无移动网络覆盖的高边坡区域，通过蓝牙和无人机进行近距离数据传输，当无人机飞入移动网络覆盖区域，无人机通过移动网络连接监控分析中心实现数据传输；所述的无人机移动站布置在巡检车上，配置有燃油发电机，用于对无人机的维护、充电；监测系统可通过太阳能集电装置或无人机获取电能。

作为优选，所述的无人机包括无人机的机体、图片采集设备、移动网络模块、蓝牙模块、无人机电池、微距电能发射模块；所述的图片采集设备能够采集库区高边坡的图像数据，用于监控分析中心的监控分析。

作为优选，所述的监测系统包括若干变形、渗流、应力应变监测装置、采集传输装置、受电装置、坡面停机坪；若干变形、渗流、应力应变监测装置布置在高边坡的重点部位，通过电缆近距离连接采集传输装置；太阳能集电装置布置于无遮挡部位，与采集传输装置连接，用于将太阳能转化为电能，给采集传输装置供电；受电装置固定在坡面停机坪上，与采集传输装置连接。

作为优选，所述的采集传输装置包括采集装置、移动网络模块、蓝牙模块、锂电池；采集传输装置通过移动网络模块向监控分析中心传输数据；采集传输装置能通过蓝牙模块与无人机近距离交换数据。

作为优选，所述的受电装置包含微距电能接收模块，无人机停落在坡面停机坪上时，无人机的微距电能发射模块将电能传输到受电装置中，给采集传输装置的锂电池充电。

作为优选，所述的采集传输装置具有休眠功能，可以设置在固定时刻进行数据采集；所述的采集传输装置具有防水、保温、避雷电功能，用于防止雨水和低气温天气导致的设备失效；所述采集传输装置的锂电池为锂离子电池或锂聚合物电池，能通过太阳能集电装置存储电能，也能通过受电装置从无人机上获取电能，实现设备充电；坡面停机坪上部包含塑料材质保护盖，用于保护受电装置；坡面停机坪下部为混凝土墩，采集传输装置与坡面停机坪的直线距离小于5m。

一种库区高边坡无人机自动监控系统的监控方法，其特征在于，包括以下流程：

流程1，系统布置：在某座水库上游河流流域两岸，选择需要进行监控的多个高边坡，将若干变形、渗流、应力应变监测装置布置在高边坡的重点部位；太阳能集电装置布置在坡顶无树木遮挡部位；在高边坡上选择无树木遮挡部位且距离太阳能集电装置5m以上距离布置坡面停机坪，坡面停机坪深入高边坡表面以下0.5~1.0m，以确保设备稳固；采集传输装置布置在坡面停机坪附近，与坡面停机坪的直线距离小于5m，受电装置布置在坡面停机坪顶部保护盖内；各监测装置、太阳能集电装置、受电装置通过电缆与采集传输装置连接；监控分析中心布置于水库下游平原区域。

流程2，巡查、数据采集及供电：巡检车装有无人机移动站及若干台无人机，从水库出发，沿巡检车路径向上游行驶，当行驶到某处高边坡附近时，放飞一台无人机飞入高边坡区域，控制无人机的图片采集设备进行拍照，将所述无人机停落在坡面停机坪，给采集传输装置的锂电池充电，当所述高边坡区域无移动网络覆盖，无人机获取采集传输装置储存的历史监测数据；当所述高边坡区域有移动网络覆盖，采集传输装置自动通过移动网络实时将监测数据传输给监控分析中心；由于山区环境复杂，朝向、降雨、树木遮挡都会造成所述太阳能集电装置受光照不足，当太阳能集电装置电量小于20%时，无人机降落到坡面停机坪，通过无人机的微距电能发射模块将电能传输到受电装置中，实现给采集传输装置的锂电池充电。

流程3，设备维护：在进行流程2的同时，其他备用无人机放置在无人机移动站上进行充电、检修；当流程2完毕后，收回流程2中使用的无人机进行设备维护，巡检车进入下一个高边坡，选择备用无人机中的一台重复流程2的工作，按照以上流程逐次完成区域内所有高边坡的监控。

有益效果：针对现有高边坡监测监控系统的不足，充分考虑到山区高边坡环境恶略、功能不便、通讯交通条件差、人工巡查效率低的缺点。本发明在移动网络及光照充足的区域，采用无线网络传输数据和太阳能供电；在无移动网络及光照不充足的区域，采用无人机近距离传输数据和微距离充电的备用供电方法；同时，采用无人机空中对高边坡进行图片采集、远程监控分析，降低了对高边坡的监控成本、提高了监控效率，能够实现对大量高边坡的长期远距离监测和监控。

附图说明

图1 流域内高边坡的布置和巡检车路径示意图。

图2 监测系统布置示意图。

图3 坡面停机坪结构及无人机关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行进一步说明。

如图所示，该发明对某个水库上游河流两岸的高边坡进行监控，在河流两岸共选择了5处高边坡进行巡检、监测和监控；按照工程需求和目标，对其中3处高边坡（标记为黑色三角）安装了监测系统，同时进行无人机拍照和监测数据采集；另外两处高边坡，进行无人机拍照，不进行监测。

其中，监测系统1和监测系统2位于山体高边坡南岸，光照较为充分；监测系统3位于山体北岸，光照较少。为了避免太阳能集电装置因为光照不足导致的供电不足，3个采集系统都布设了受电装置，可通过无人机进行微距离充电。

大坝下游为平原生活区，交通及移动网络通讯条件较好，布设监控分析中心。

监测系统1距离水库下游平原较近，有移动网络覆盖，采集传输装置直接通过移动网络与监控分析中心进行数据传输；

监测系统2、监测系统3位于水库上游深山峡谷区域，无移动网络覆盖；监测系统1和监测系统2通过蓝牙和无人机进行近距离数据传输，当无人机飞入水库及大坝及下游平原区域，有移动网络时，将数据传回监控分析中心。

各监测系统均包含变形监测设备、渗流监测设备和应力应变监测设备；变形监测设备布置于高边坡表面，渗流监测设备和应力应变监测设备布置于高边坡内部。

为了确保无人机与采集传输装置数据蓝牙通讯的有效性，将采集传输装置布设在与坡面停机坪直线距离4m的位置，采集传输装置高度为50cm；为确保无人机停落的安全性和无遮挡，太阳能集电装置布置于高边坡顶部，与坡面停机坪距离大于10m；坡面停机坪高出地面2m，同时在坡面停机坪周边2m范围内清理植物杂草，表面浇筑混凝土。

巡检车装有两台无人机设备（1号机、2号机），从水库出发，在环山公路上，沿巡检车路径向上游行驶，当行驶到高边坡附近时，放飞1号机，控制无人机对监控高边坡拍照，将无人机停落在坡面停机坪上时，无人机的微距电能发射模块将电能传输到受电装置中，给采集传输装置的锂电池充电，同时进行数据传输。2号机进行充电、检修。工作完毕后，回收1号机，行驶到下一个高边坡附近，放飞2号机进行操作，1号机检修和充电。

之后，以此交替工作；对于无监测系统的高边坡，只进行图像采集；对于移动网络覆盖的区域的监测系统，不进行无人机的数据传输；对于监测系统中电量大于等于20%的监测系统，不进行无人机的微距离充电。

为了确保系统的有效运行，无人机锂电池为容量不低于40000mAh的高性能锂电池，保证多次使用（大于300次充放电循环）后，可用容量不低于85%。

巡检车用燃油发电机给无人机锂电池充电，考虑发电机的便携性和燃油的可获取性，发电机采用10kw 双缸柴油发电机（单相220V），每次配备2台发电机，其中一台备用。

监测系统日常采集频率为1次/日，在降雨等恶劣条件下，可加密采集，频率为1次/小时，移动网络采用3G以上，以确保实时数据的畅通；通过无人机进行自动监控的频率为1次/周。滑坡和降雨相关性较大，且当日累计降雨大于100mm时，滑坡数量明显增多，因此，当t日累积降雨量大于100mm，且t+1日或之后某日道路交通和通讯具备无人机监控条件时，需按照巡检车路径，在具备无人机监控条件当日进行一次无人机自动监控。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种库区高边坡无人机自动监控系统，其特征在于：包括监测系统、太阳能集电装置、无人机、无人机移动站、巡检车、监控分析中心；所述的监测系统布置在高边坡上，采集高边坡监测数据，在有移动网络覆盖的高边坡区域，通过移动网络与监控分析中心进行数据传输；在无移动网络覆盖的高边坡区域，通过蓝牙和无人机进行近距离数据传输，当无人机飞入移动网络覆盖区域，无人机通过移动网络连接监控分析中心实现数据传输；所述的无人机移动站布置在巡检车上，配置有燃油发电机，用于对无人机的维护、充电；监测系统可通过太阳能集电装置或无人机获取电能。

2.根据权利要求1所述的一种库区高边坡无人机自动监控系统，其特征在于，所述的无人机包括无人机的机体、图片采集设备、移动网络模块、蓝牙模块、无人机电池、微距电能发射模块；所述的图片采集设备能够采集库区高边坡的图像数据，用于监控分析中心的监控分析。

3.根据权利要求2所述的一种库区高边坡无人机自动监控系统，其特征在于，所述的监测系统包括若干变形、渗流、应力应变监测装置、采集传输装置、受电装置、坡面停机坪；若干变形、渗流、应力应变监测装置布置在高边坡的重点部位，通过电缆近距离连接采集传输装置；太阳能集电装置布置于无遮挡部位，与采集传输装置连接，用于将太阳能转化为电能，给采集传输装置供电；受电装置固定在坡面停机坪上，与采集传输装置连接。

4.根据权利要求3所述的一种库区高边坡无人机自动监控系统，其特征在于，所述的采集传输装置包括采集装置、移动网络模块、蓝牙模块、锂电池；采集传输装置通过移动网络模块向监控分析中心传输数据；采集传输装置能通过蓝牙模块与无人机近距离交换数据。

5.根据权利要求4所述的一种库区高边坡无人机自动监控系统，其特征在于，所述的受电装置包含微距电能接收模块，无人机停落在坡面停机坪上时，无人机的微距电能发射模块将电能传输到受电装置中，给采集传输装置的锂电池充电。

6.根据权利要求5所述的一种库区高边坡无人机自动监控系统，其特征在于，所述的采集传输装置具有休眠功能，可以设置在固定时刻进行数据采集；所述的采集传输装置具有防水、保温、避雷电功能，用于防止雨水和低气温天气导致的设备失效；所述采集传输装置的锂电池为锂离子电池或锂聚合物电池，能通过太阳能集电装置存储电能，也能通过受电装置从无人机上获取电能，实现设备充电；坡面停机坪上部包含塑料材质保护盖，用于保护受电装置；坡面停机坪下部为混凝土墩，采集传输装置与坡面停机坪的直线距离小于5m。

7.如权利要求6所述的一种库区高边坡无人机自动监控系统的监控方法，其特征在于，包括以下流程：

流程1，系统布置：在某座水库上游河流流域两岸，选择需要进行监控的多个高边坡，将若干变形、渗流、应力应变监测装置布置在高边坡的重点部位；太阳能集电装置布置在坡顶无树木遮挡部位；在高边坡上选择无树木遮挡部位且距离太阳能集电装置5m以上距离布置坡面停机坪，坡面停机坪深入高边坡表面以下0.5~1.0m，采集传输装置布置在坡面停机坪附近，与坡面停机坪的直线距离小于5m，受电装置布置在坡面停机坪顶部保护盖内；各监测装置、太阳能集电装置、受电装置通过电缆与采集传输装置连接；监控分析中心布置于水库下游平原区域；

流程2，巡查、数据采集及供电：巡检车装有无人机移动站及若干台无人机，从水库出发，沿巡检车路径向上游行驶，当行驶到某处高边坡附近时，放飞一台无人机飞入高边坡区域，控制无人机的图片采集设备进行拍照，将所述无人机停落在坡面停机坪，给采集传输装置的锂电池充电，当所述高边坡区域无移动网络覆盖，无人机获取采集传输装置储存的历史监测数据；当所述高边坡区域有移动网络覆盖，采集传输装置自动通过移动网络实时将监测数据传输给监控分析中心；由于山区环境复杂，朝向、降雨、树木遮挡都会造成所述太阳能集电装置受光照不足，当太阳能集电装置电量小于20%时，无人机降落到坡面停机坪通过无人机的微距电能发射模块将电能传输到受电装置中，实现给采集传输装置的锂电池充电；

流程3，设备维护：在进行流程2的同时，其他备用无人机放置在无人机移动站上进行充电、检修；当流程2完毕后，收回流程2中使用的无人机进行设备维护，巡检车进入下一个高边坡，选择备用无人机中的一台重复流程2的工作，按照以上流程逐次完成区域内所有高边坡的监控。