CN108344670A - 一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，包括：料界监测模块，用于对铺料情况进行检测，采用高分辨率照相机照相；监测数据传输模块，用于将图像上传至数据存储模块；数据存储模块，用于在服务器数据库上采用图像处理技术对坝料颗粒粒径进行统计分析；料界污染可视化监控模块，在监控中心配置监控终端，分别通过有线或无线通讯网络，读取作业状态数据，并进行实时计算和分析；反馈控制模块，用于识别物料摊铺是否按照设计要求的轮廓进行摊铺，如发现料界污染情况，发出报警；后处理模块，用于生成料界偏差情况图形报表及现场纠偏后料界分布情况图形报告，用文字性语句说明受污染分区及面积，作为工程建设管理的辅助材料。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程施工领域，尤其涉及一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统。
背景技术
在土石坝中粗骨料形成骨架支撑，而细料对孔隙进行填充。相关研究认为粗细料的比率，影响、甚至可以说控制了粗粒土的压实度、渗透性、以及变形量等。堆石料是岩石经过爆破后，无一定规格，无一定大小，能够满足设计粒径和级配要求的上坝料；而反滤料是指土石坝或一般堆砌石工程的防渗体与坝壳(土料、砂砾料或堆石料)之间的过渡区石料，由粒径、级配均有一定要求的砂、砾石(或碎石)等组成。
由于堆石料和反滤料在土石坝工程中起着不同的作用，所以二者的颗粒粒径和级配有着极大的不同。但在不同坝料的分界处，由于铺料机械无法精准控制，常常造成堆石料侵占反滤料或反滤料侵占堆石料等料界污染问题，从而导致施工质量缺陷问题，甚至引发大坝安全事故。
综上所述，不同作用坝料的严格分区对大坝填筑施工的质量有着直接、重大的影响。目前在大坝填筑过程中，坝料的区分主要依靠人工控制铺料机械进行，由于铺料机械操作精度的限制，不同作用的坝料容易在边界处发生料界污染问题，现场人工监管的方式浪费人力物力、不能进行精确识别，而且无法做到实时监测料界污染。
因此，本发明建设一套全天候、远程、实时坝面料界监控系统，确保施工质量及铺料位置满足设计的要求。
发明内容
本发明提供了一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，通过该分区料界污染监控系统确保施工质量及铺料位置满足设计要求，详见下文描述：
一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，所述监控系统包括：
料界监测模块，用于对铺料情况进行检测，采用高分辨率照相机照相；
监测数据传输模块，用于将图像上传至数据存储模块；
数据存储模块，用于在服务器数据库上采用图像处理技术对坝料颗粒粒径进行统计分析；
料界污染可视化监控模块，在监控中心配置监控终端，分别通过有线或无线通讯网络，读取作业状态数据，并进行实时计算和分析；
反馈控制模块，用于识别物料摊铺是否按照设计要求的轮廓进行摊铺，如发现料界污染情况，发出报警，指导现场进行处理，确保料界控制合格；
后处理模块，用于按施工时段、不同区域、不同设备条件进行过滤，并生成料界偏差情况图形报表及现场纠偏后料界分布情况图形报告，用文字性语句说明受污染分区及面积，作为工程建设管理的辅助材料。
进一步地，所述监测数据传输模块具体为：
将高分辨率照相机拍摄的图片数据经自主搭建的无线通讯网络传输至远程的数据库服务器中，作为分析判断物料摊铺是否按照设计要求轮廓进行的源数据。
具体实现时，所述源数据的获取具体为：
以固定时间间隔对坝面进行拍照并实时传输至服务器数据库，利用图像处理软件自动调取图像信息进行统计计算；
通过分析颗粒粒径分布确定坝料分界线，并将坝料分界线在图像中的位置坐标回传至服务器数据库。
其中，所述利用图像处理软件自动调取图像信息具体为：
对图像进行灰度变换、利用中值滤波进行图像平滑处理、以及轮廓提取与轮廓跟踪。
另一优选，所述源数据获取还包括：
结合夜间照明系统提高坝面的亮度，采用修正的Retinex算法，对坝面铺料情况的图像进行后处理；
根据暗原色先验原理求取深度值，提取深度值较大的区域，通过反射分量对该区域进行局部增强，提高远处场景和细节的局部可见度；
通过照射分量调高图像的全局对比度。
优选地，所述自主搭建的无线通讯网络具体为：
无中心对等式的无线网桥，在信道上的调制方式为直接序列扩频，实现任意两个站点的直接通信。
其中，所述自主搭建的无线通讯网络还包括：
增加断线重拨功能；增加看门狗计时机制，用于对设备死机状况进行处理和恢复。
优选地，所述料界污染可视化监控模块具体为：
根据料界识别和拟合、偏差数据的计算分析和显示，得出一系列数值和图表，在以坝面施工平面图为底图的可视化界面上进行展示，并用文字性语句说明受污染分区及面积。
具体实现时，所述监控系统还包括：
对数据存储模块和料界污染可视化监控模块扩容预留接口，包括：预留管理空间接口、数据存储空间接口、新增设备监测终端数量接口、监控区域扩展接口、以及新增显示空间模块接口。
进一步地，所述数据存储模块具体为：
由众多数据库服务器组成，可接收、储存和提取通过料界监测模块监测得到的源数据、以及经过料界污染可视化监控模块和后处理模块处理分析后的监测数据，有利于长期的统一管理。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明建立了一套坝面铺料全天候、远程、实时监控系统，以实现分区料界的实时控制，确保铺料位置满足设计要求；
2、本发明避免了由于旁站人工监测可能造成的准确度不高、人力资源浪费、易发生危险等问题；
3、本发明通过可视化技术，实现了坝面施工监测情况的可视化展示，并用文字性语句说明受污染分区及面积。
附图说明
图1为一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统的结构示意图；
图2为分区料界污染监控系统的工作流程图；
图3为分区料界污染监控系统的实施流程图；
图4为无线网桥搭接的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
针对坝料堆积存放过程中的料界污染问题，为避免由于人工监测的局限性造成料界污染而影响施工进度和施工质量，有效保证铺料位置的准确性，本发明实施例集成高分辨率成像技术、自动传输技术和图像处理技术，建设一套坝面铺料全天候、远程、实时监控系统，以实现分区料界的实时控制，从而确保铺料位置满足设计的要求。
实施例1
本发明实施例针对坝料堆积存放过程中的料界污染问题，构建了一套坝面铺料全天候、远程、实时监控系统，参见图1，该系统由以下模块组成：料界监测模块1、监测数据传输模块2、料界污染可视化监控模块3、反馈控制模块4、后处理模块5、以及数据存储模块6。
在坝面填筑施工现场安装上述监控系统，该监控系统对铺料界限控制情况进行高频度监测，具体为：
1)首先，应用料界监测模块1对铺料情况进行检测，采用高分辨率照相机照相；
2)其次，将图像通过监测数据传输模块2上传至数据存储模块6中服务器数据库，并在服务器数据库上采用图像处理技术对坝料颗粒粒径进行统计分析；
3)再次，料界污染可视化监控模块3得出一系列数值和图表，在以坝面施工平面图为底图的可视化界面上进行展示；
4)进一步，反馈控制模块4识别物料摊铺是否按照设计要求的轮廓进行摊铺，如发现料界污染情况，立即发出报警，指导现场进行处理，确保料界控制合格；最后进入后处理模块5，系统工作流程如图2所示。
综上所述，本发明实施例建立了一套坝面铺料全天候、远程、实时监控系统，以实现分区料界的实时控制，确保铺料位置满足设计的需求。
实施例2
下面结合表1、图2-图4对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
一、料界监测模块1：
料界监测模块1具体为：在坝体两侧边坡上分别安装高分辨率照相机，事先设定高分辨率照相机的技术参数，通过自动拍摄实现对于坝面铺料界限控制情况的高频度监测。
二、监测数据传输模块2：
监测数据传输模块2具体为：将高分辨率照相机拍摄的图片数据经自主搭建的无线通讯网络传输至远程的数据库服务器(位于数据存储模块6中)中，作为分析判断物料摊铺是否按照设计要求轮廓进行的源数据。
其中，源数据经加密计算后通过无线通讯网络传输至数据库服务器后由应用程序进行解析，存入数据库后由权限控制不得修改。
在数据无线传输过程中均为加密状态，确保了数据传输的安全。作为通讯手段障碍情况发生的备用手段，前端硬件设置存储空间，数据可通过移动存储设备拷贝。源数据进入服务器后，由后台应用程序进行计算分析，得到相关铺料界限的计算结果。
表1设备及设备参数
三、料界污染可视化监控模块3：
料界污染可视化监控模块3具体为：在监控中心配置监控终端，分别通过有线或无线通讯网络，读取作业状态数据，并进行实时计算和分析，包括：料界识别和拟合、偏差数据的计算分析和显示，得出一系列数值和图表，在以坝面施工平面图为底图的可视化界面上进行展示，并用文字性语句说明受污染分区及面积。
四、反馈控制模块4
反馈控制模块4具体为：根据预先设定的控制标准(如系统分析得到的料界轮廓线位置与设计位置偏差不超过10cm)，料界污染可视化监控模块3中的料界污染监控应用程序(即作为监控终端)实时分析判断铺料界限是否符合设计要求，一旦发现料界污染情况发生则立即发出提醒，指导相关人员做出现场反馈与控制措施；同时，料界污染监控应用程序(即监控终端)对这一过程进行持续监测，若发现未调整或未调整到位，则继续发出报警。
五、后处理模块5
后处理模块5具体为：在料界污染可视化监控模块3中的监控终端按照不同权限对已完工作业面的铺料分界情况进行历史回顾，可按施工时段、不同区域、不同设备等条件进行过滤，并分别生成料界偏差情况图形报表及现场纠偏后料界分布情况图形报告，作为工程建设管理的辅助材料。
监测数据存放于数据存储模块6中的中心数据库，统一进行长期妥善管理；编程人员将为现有数据存储模块6和料界污染可视化监控模块3等模块的扩容预留接口，包括：预留管理空间接口、数据存储空间接口、新增设备监测终端数量接口、监控区域扩展接口、新增的显示空间模块接口等。
六、数据存储模块6
数据存储模块6具体为：由众多数据库服务器组成，可接收、储存和提取通过料界监测模块1监测得到的源数据、以及经过料界污染可视化监控模块3和后处理模块5处理分析后的监测数据，有利于长期的统一管理。
综上所述，本发明实施例集成高分辨率成像技术、自动传输技术和图像处理技术，建设一套坝面铺料全天候、远程、实时监控系统，以实现分区料界的实时控制，从而确保铺料位置满足设计的要求。
实施例3
为了有效保证铺料位置的准确性，避免由于人工监测的局限性造成料界污染而影响施工质量，集成高分辨率成像技术(High Resolution Optical Imaging Technology)、自动传输技术和图像处理技术，建设一套坝面铺料全天候、远程、实时监控系统，以实现分区料界的实时控制，确保铺料位置满足设计要求，分区料界污染监控系统的实施方案如图3所示。
一、源数据获取
在坝体两侧边坡的某已知位置(横坐标x，纵坐标y，高程z)上安装固定高分辨率照相机，调整好并获取照相机的焦距h、仰角α、水平偏转角β及工作距离(观察物体时，镜头最后一面透镜顶点到被观察物体的距离)l，将以上数据录入到服务器数据库中。在施工过程中，以固定时间间隔(如每5分钟)对坝面进行拍照并实时传输至服务器数据库，并利用图像处理软件自动调取图像信息进行统计计算，通过分析颗粒粒径分布确定坝料分界线，并将坝料分界线在图像中的位置坐标回传至服务器数据库。
针对夜间拍摄照片的情况，可以结合夜间照明系统提高坝面的亮度，以提高照片的清晰度；同时在对图像进行分析计算时，采用修正的Retinex算法[1]，对坝面铺料情况的图像进行后处理，并根据暗原色先验原理求取深度值，提取深度值较大的区域，通过反射分量对该区域进行局部增强，提高远处场景和细节的局部可见度。为了在增强图像的同时，避免色彩失真，通过照射分量调高图像的全局对比度，该方法可有效提高恶劣天气(如雨天、雾天及光线较差等)情况下退化彩色图像清晰度。
其中，上述修正的Retinex算法为本领域技术人员所公知，本发明实施例仅是运用了已有的修正算法，在此对修正算法不做赘述。
(2)无线网桥
在坝体填筑过程中，分控站的选址一般距坝址较近，同时由于单位时间内传输的图像数量多且像素较高，需要较高的传输速率。通过AP(Access Point)模块搭建的无线网桥(Wireless Bridge)对图像进行传输，可以充分利用到无线网桥搭接简便及传输速率快的优点。无线网桥可以将位于相距几百米到几十千米之内不同的建筑或地点的两个或多个独立的网段联接起来，实现数据的互相传输，无线网桥搭接结构如图4所示。
无线网桥搭接的网络的拓扑结构为无中心对等式(Peer to Peer)结构，在信道上的调制方式为直接序列扩频，可以实现任意两个站点的直接通信。为保证数据传输的实时性，增加断线重拨功能；并增加看门狗计时机制(watchdogtimer，WDT)，能对设备死机状况进行处理和恢复。
(3)图像处理技术
首先对高分辨率照相机采集的坝面铺料情况图像进行预处理，包括：图像的灰度变换、平滑(去除噪声)、以及轮廓提取与轮廓跟踪。
1)灰度变换
灰度图像相对于彩色图像来说在光线较低的情况下清晰度高于彩色图像，因此为了适应不同的光线条件有必要把彩色的图像转换为灰度图像，这样既满足了处理需要又减少了信息运算量。
2)利用中值滤波进行图像平滑处理
图像的平滑是一种实用的数字图像处理技术，主要目的是为了减少图像的噪声。图像平滑包括：空域法和频域法。频域法的计算速度快，但是比较复杂，为了保证实时性，一般采用空域法。对于铺料界限轮廓识别来说，最重要的是保持坝料颗粒物轮廓的清晰，同时应该能够去除高频噪声，而中值滤波(median filter)恰好符合这一条件。
中值滤波器是一种非线性的滤波器，它能够很好地抑制脉冲干扰及图像扫描噪声，保护图像的边缘不变模糊。利用中值滤波进行平滑处理保留了更多的关于图像的灰度信息，使图像边缘检测的质量得到了提高，因此能检测出图像边缘的更多细节。
3)轮廓提取与轮廓跟踪
首先利用阈值分割方法把图像的灰度分成不同的等级，然后用设置最佳灰度阈值的方法确定有意义的区域或欲分割物体的边界。通过图像的阈值分割，获得了黑白二值图像，在此基础上进行轮廓提取与跟踪，其目的是获得图像的外部轮廓特征，为图像的形状分析做准备。
4)计算分析、可视化处理
实时计算和监控数据包括：预处理的图像信息及图像位置信息。通过对坝料颗粒粒径进行统计分析，确定坝面铺料分界线的位置坐标，并在以坝面施工平面图为底图的可视化界面上进行展示，可直观显示出实际铺料分界线与设计分区线的偏差。
5)提醒与报警
根据预先设定的控制标准(如系统分析得到的料界轮廓线位置与设计位置偏差不超过10cm)，料界污染监控终端的应用程序实时分析判断铺料界限是否符合设计要求，一旦发现料界污染情况发生立即发出提醒，指导相关人员做出现场反馈与控制措施；同时，系统后台程序对这一过程进行持续监测，若发现未调整或未调整到位，则继续发出报警。
6)监控成果统计
在监控终端按照不同权限对已完工作业面的铺料分界情况进行历史回顾，可按施工时段、不同区域、不同设备等条件进行过滤；同时，生成料界偏差情况图形报表及现场纠偏后料界分布情况图形报告，并用文字性语句说明受污染分区及面积，作为工程建设管理的辅助材料。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
参考文献
[1]吴一全,史骏鹏.基于多尺度Retinex的非下采样Contourlet域图像增强[J].光学学报,2015,35(03):87-96.
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述监控系统包括：
料界监测模块，用于对铺料情况进行检测，采用高分辨率照相机照相；
监测数据传输模块，用于将图像上传至数据存储模块；
数据存储模块，用于在服务器数据库上采用图像处理技术对坝料颗粒粒径进行统计分析；
料界污染可视化监控模块，在监控中心配置监控终端，分别通过有线或无线通讯网络，读取作业状态数据，并进行实时计算和分析；
反馈控制模块，用于识别物料摊铺是否按照设计要求的轮廓进行摊铺，如发现料界污染情况，发出报警，指导现场进行处理，确保料界控制合格；
后处理模块，用于按施工时段、不同区域、不同设备条件进行过滤，并生成料界偏差情况图形报表及现场纠偏后料界分布情况图形报告，用文字性语句说明受污染分区及面积，作为工程建设管理的辅助材料。
2.根据权利要求1所述的一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述监测数据传输模块具体为：
将高分辨率照相机拍摄的图片数据经自主搭建的无线通讯网络传输至远程的数据库服务器中，作为分析判断物料摊铺是否按照设计要求轮廓进行的源数据。
3.根据权利要求2所述的一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述源数据的获取具体为：
以固定时间间隔对坝面进行拍照并实时传输至服务器数据库，利用图像处理软件自动调取图像信息进行统计计算；
通过分析颗粒粒径分布确定坝料分界线，并将坝料分界线在图像中的位置坐标回传至服务器数据库。
4.根据权利要求3所述的一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述利用图像处理软件自动调取图像信息具体为：
对图像进行灰度变换、利用中值滤波进行图像平滑处理、以及轮廓提取与轮廓跟踪。
5.根据权利要求3所述的一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述源数据获取还包括：
结合夜间照明系统提高坝面的亮度，采用修正的Retinex算法，对坝面铺料情况的图像进行后处理；
根据暗原色先验原理求取深度值，提取深度值较大的区域，通过反射分量对该区域进行局部增强，提高远处场景和细节的局部可见度；
通过照射分量调高图像的全局对比度。
6.根据权利要求2所述的一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述自主搭建的无线通讯网络具体为：
无中心对等式的无线网桥，在信道上的调制方式为直接序列扩频，实现任意两个站点的直接通信。
7.根据权利要求6所述的一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述自主搭建的无线通讯网络还包括：
增加断线重拨功能；增加看门狗计时机制，用于对设备死机状况进行处理和恢复。
8.根据权利要求1所述的一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述料界污染可视化监控模块具体为：
根据料界识别和拟合、偏差数据的计算分析和显示，得出一系列数值和图表，在以坝面施工平面图为底图的可视化界面上进行展示，并用文字性语句说明受污染分区及面积。
9.根据权利要求1所述的一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述监控系统还包括：
对数据存储模块和料界污染可视化监控模块扩容预留接口，包括：预留管理空间接口、数据存储空间接口、新增设备监测终端数量接口、监控区域扩展接口、以及新增显示空间模块接口。
10.根据权利要求1所述的一种应用于坝面填筑施工现场的分区料界污染监控系统，其特征在于，所述数据存储模块具体为：
由众多数据库服务器组成，可接收、储存和提取通过料界监测模块监测得到的源数据、以及经过料界污染可视化监控模块和后处理模块处理分析后的监测数据，有利于长期的统一管理。
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|---|---|---|---|---|
| CN110243768A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-17 | 闽南师范大学 | 一种粘土压实度的检测方法 |
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2018
- 2018-01-09 CN CN201810018976.XA patent/CN108344670A/zh active Pending
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