CN108896046A - 落石定位系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种落石定位系统及测量方法，包括若干个测量装置和数据处理模块(局部融合中心)，每个测量装置监测一个预设区域，若干个测量装置依次排列，覆盖整个监测环境，测量装置包括视觉监测模块、微震监测模块；视觉监测模块和微震监测模块将监测信息传输给数据处理模块；本发明提供的落石定位系统及测量方法，采用视觉监测模块和微震监测模块两种监测系统同时对预设区域监测，提高了系统的总体定位性能，经过测量可以得到更精确的落石坐标。

Description

落石定位系统及测量方法

技术领域

本发明属于道路预警技术领域，更具体地说，是涉及一种落石定位系统及测量方法。

背景技术

近些年，我国的铁路技术发展迅速，列车的安全性是不容忽视的。尤其是在地质灾害频发地段的山区中，高陡边坡的危岩落石常常会掉落在铁轨区域内，会对列车的通行安全造成严重威胁。危岩落石的随机性使得人工观测的方法并不能及时发现并解决安全隐患，故需要完备的监测系统对危岩落石进行预警。目前国内外对此设计的监测系统已经存在很多。

对坡体的监测的方法可以采用微动技术对危岩落石倾向性调查，即利用物体的自振信号来判断岩块与基岩的连接状态从而进行预警，另外利用GPS技术对坡体的位移进行观测，可以对危岩早期的松动进行监测，但是GPS的应用会受到地域信号的限制。对高陡边坡的危岩落石采用锚索支护的方法，是一种比较新兴的支护技术，但是这种方法并不适合所有土质，稳定程度不能得到保证。这些方法都是属于主动预警，无法准确得到危岩掉落后的信息，

安装防护网对危岩落石进行阻挡是比较常见的工程方法，但是一方面防护网的安全监测是需要解决的问题，另一方面若防护网在落石的冲击下遭到破坏后，也无法预测落石的具体位置。并且防护网不能进行完全阻挡，落石完全有可能越过防护网，落在铁轨区域内，危及列车的通行。基于光纤光栅传感技术的监测系统可靠性高，但是系统成本以及维护、维修的成本较高。视频监测是很直观的方法，利用图像观测法监测落石的信息，但是会受到客观条件的影响，比如雨天、雾天，图像信息会受到影响，从而影响监测的精度。

综上所述，需要一种可以对高陡边坡落石进行在线判断、定位以及预警，经济性好，稳定性高的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种落石定位系统及测量方法，旨在将视频信息和音频信息(微震)融合在一起，对高陡边坡落石进行在线判断、定位以及预警更准确。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种落石定位系统，包括数据处理模块和若干个测量装置，每个所述测量装置监测一个预设区域，若干个所述测量装置依次排列，覆盖整个监测环境，所述测量装置包括视觉监测模块和微震监测模块；所述视觉监测模块和所述微震监测模块将监测信息传输给数据处理模块。

进一步地，所述视觉监测模块包括摄像头、安装所述摄像头的监控杆和视频监测单元，所述摄像头与所述视频监测模块相连，视频监测单元与数据处理模块相连。

进一步地，所述微震监测模块包括若干个微震传感器和微震监测单元，微震传感器与微震监测单元相连，微震监测单元与数据处理模块相连。

进一步地，所述微震监测模块中包括至少三个微震传感器。

进一步地，所述数据处理模块只有一个，若干个测量装置都与所述数据处理模块相连。

进一步地，落石定位测量方法，包括：

对监测区域进行标定，并获取预设融合参数；

对标定后的监测区域进行监测，并得出落石位置；

对落石位置的监测结果进行分析，并选择计算方法；

根据选择的所述计算方法，基于所述融合参数和所述落石位置计算落石坐标。

进一步地，所述对监测区域进行标定，并获取预设融合参数，包括：

对监测区域进行坐标变换，选取试验落石位置；

根据所述试验落石位置计算测量误差方差；

对所述测量误差方差进行曲线拟合，得到所述预设融合参数。

进一步地，所述所述对标定后的监测区域进行监测，并得出落石位置，包括：通过所述视觉监测模块和/或所述微震监测模块同时对所述监测区域进行监测，得出所述落石位置。

进一步地，对落石位置的监测结果进行分析，并选择计算方法，包括：

判断视觉监测模块和微震监测模块是否同时监测到所述落石位置；

若视觉监测模块和微震监测模块同时监测到所述落石位置，则选择数据融合算法；

若视觉监测模块和微震监测模块未同时监测到所述落石位置，则判定所述落石位置为所述落石坐标。

进一步地，根据选择的所述计算方法，基于所述融合参数和所述落石位置计算落石坐标，包括：

获取微震监测模块监测到的第一落石位置；

获取视觉监测模块监测到的第二落石位置；

基于第一落石位置、第二落石位置和预设融合参数，采用所述数据融合算法，计算落石坐标。

本发明提供的落石定位系统及测量方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明落石定位系统及测量方法采用视觉监测模块和微震监测模块两种监测方法同时对监测区域监测，将微震监测模块和视觉监测模块监测的区域进行坐标变换，随后对两个系统监测到的落石信号进行分析即获得两个系统测量方差的加权系数，最后通过融合算法进行参数融合。经过这种方法处理后，系统的测量误差的方差平均值小于单独使用两种定位算法以及算术平均法得到的方差，提高了系统的总体定位性能，经过测量可以得到更精确的落石坐标。

附图说明

图1为本发明实施例提供的落石定位系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的落石定位系统的模块图；

图3为本发明实施例提供的落石定位系统的另一个结构框图；

图4为本发明实施例提供的落石定位测量方法对监测区域进行标定，并获取预设融合参数的流程图；

图5为本发明实施例提供的落石定位测量方法落石坐标计算的流程图；

图6为本发明实施例算例验证的结构示意图。

图中：1、视频监测区域；2、微振监测区域；3、微震传感器；4、测试监测区域；5、测试断面；6、测试点。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1和图3，现对本发明提供的落石定位系统，包括若干个测量装置和数据处理模块，每个所述测量装置监测一个预设区域，若干个所述测量装置依次排列，覆盖整个监测环境，所述测量装置包括视觉监测模块和微震监测模块；所述视觉监测模块和所述微震监测模块将监测信息传输给数据处理模块，数据处理模块也是融合中心，在数据处理模块中进行参数标定、数据融合，最终得出准确坐标。

视觉监测模块和微震监测模块将监测获取的信息传输给数据处理模块，经过数据处理模块分析计算得到准确的落石坐标。将监测区域分成若干个小的区域，一方面方便布置监测仪器，另一方面能及时并同时准确监控。

本发明提供的落石定位系统，与现有技术相比，本系统借鉴人类大脑对视觉和听觉信息进行融合处理的方法，将视频信息和音频信息(微震)融合在一起，利用两者的时空相关性和互补性进行异类信息融合识别，提出了基于机器视觉和微震融合的落石定位方法，更好地实现对于高陡边坡落石的在线判断、定位以及预警，弥补了以单传感器信息为研究对象的落石监测方法的不足。

进一步地，作为本发明提供的落石定位系统的一种具体实施方式，视觉监测模块包括摄像头、安装摄像头的监控杆和视频监测单元，所述摄像头与所述视频监测模块相连，视频监测单元与数据处理模块相连。

摄像头所拍摄范围覆盖整个所在的测量装置区域，以防万一，每个测量装置内的摄像头拍摄的视频监测区域1范围也可以大于微震传感器所监测的微振监测区域2的范围。也可以几个测量装置共用一个摄像头，在一个摄像头的监测范围中可以布置若干个微震监测模块。摄像头所拍摄的信息传递给视频监测模块，经视频监测模块分析处理后再传输给数据处理模块，在数据处理模块处理得出落石坐标。

进一步地，作为本发明提供的落石定位系统的一种具体实施方式，微震监测模块包括若干个微震传感器3和微震监测单元，微震传感器3与微震监测单元相连，微震监测单元与数据处理模块相连。

微震传感器3监测到的信息传输给微震监测单元，经过微震监测单元将信息传输给数据处理模块。

进一步地，作为本发明提供的落石定位系统的一种具体实施方式，微震监测模块中包括至少三个微震传感器3，微震传感器3越多定位效果越好，但是要根据实际情况决定。

进一步地，作为本发明提供的落石定位系统的一种具体实施方式，数据处理模块只有一个，若干个测量装置都与所述数据处理模块相连。监测更准确清楚。数据处理模块先将若干个监测区域、微震监测模块监测的信息和视觉监测模块监测的信息都标定在同一个坐标系下，然后将实际监测到的信息传输到数据处理模块进行融合，最终得到准确落石坐标。

进一步地，落石定位测量方法，包括：

对监测区域进行标定，并获取预设融合参数；

对标定后的监测区域进行监测，并得出落石位置；

对落石位置的监测结果进行分析，并选择计算方法；

根据选择的所述计算方法，基于所述融合参数和所述落石位置计算落石坐标。

进一步地，请参考图4，作为本发明提供的落石定位测量方法的一种具体实施方式，对监测区域进行标定，并获取预设融合参数，包括：

对监测区域进行坐标变换，选取试验落石位置；

对监测区域进行标定及坐标变换，将监测区域和监测模块都统一到一个坐标系下，使得视频监测和微震监测两个监测方法的坐标系都为xoy。

根据所述试验落石位置计算测量误差方差；计算第i个子系统在(x，y)位置的测量误差方差：

其中：(x_ij，y_ij)：第i个子系统对第j次落石定位结果；(x，y)：监控区域内任意一个落石点的真值。

对所述测量误差方差进行曲线拟合，得到所述预设融合参数；

将误差方差转化成一个曲线拟合问题，即采用统计的方法在监控区域内选择n个点，即(x^(k)，y^(k))k＝1，2……n，对每个点进行m次测量得到

拟合模型为：其中：θ为待定参数；

采用最小二乘原理可以得到

分别求得基于微震监测模块的落石位置的方差拟合函数Q₁和基于视觉监则模块的落石位置的方差拟合函数Q₂。

进一步地，请参考图5，作为本发明提供的落石定位测量方法的一种具体实施方式，对标定后的监测区域进行监测，并得出落石位置，包括：通过所述视觉监测模块和/或所述微震监测模块同时对所述监测区域进行监测，得出所述落石位置；

开始测量，视觉监测系统和微震监测系统同时对xoy区域进行监测，获得落石位置。

进一步地，请参考图5，作为本发明提供的落石定位测量方法的一种具体实施方式，对落石位置的监测结果进行分析，并选择计算方法，包括：

判断视觉监测模块和微震监测模块是否同时监测到所述落石位置；

若视觉监测模块和微震监测模块同时监测到所述落石位置，则选择数据融合算法；

若视觉监测模块和微震监测模块未同时监测到所述落石位置，则判定所述落石位置为所述落石坐标。

进一步地，请参考图5，作为本发明提供的落石定位测量方法的一种具体实施方式，根据选择的所述计算方法，基于所述融合参数和所述落石位置计算落石坐标，包括：

获取微震监测模块监测到的第一落石位置；

获取视觉监测模块监测到的第二落石位置；

基于第一落石位置、第二落石位置和预设融合参数，采用所述数据融合算法，计算落石坐标。

视觉监测模块和微震监测模块同时出现信号，记录落石在微震监测模块中的第一落石位置(x₁，y₁)，视觉监测模块的第二落石位置(x₂，y₂)，采用融合算法式子得出准确落石坐标：(x_r，y_r)＝(Q₂(x₁，y₁)+Q₁(x₂，y₂))/(Q₁+Q₂)；

视觉监测模块和微震监测模块只出现一种信号，则选择该信号监测出的落石坐标位置。

进一步地，请参考图6，算例验证：

根据实际测试数据融合参数的过程，来验证通过融合之后，对落石的位置进行更准确的定位。

在本实例的融合定位系统中，测量系统分别是视觉监测模块和微震检测模块，测量定位结果分别由上述的方法来计算。现场定位试验在某铁路K141+250～270实施，布置示意图如图5：

测试监测区域4大小为20m*8m，分别选取监控区域1/4，1/2，3/4位置为测试断面5，在每个断面每隔0.8米设置测试点6，每个断面11个测试点6，3个断面共33个测试点。在每个测试点进行10次落石试验，落石尺寸约15mm*15mm*15mm，落石高度2.5米。从33个测点位置中选出23个作为拟合两个测量子系统测量误差方差的样本点(S1-1～S1-11,S2-1～S2-6,S3-1～S3-6)，其它10个测点(S2-7～S211,S3-7～S3-11)用于验证融合算法性能。本例中采用高次多项式曲线拟合方法。获得的数据如下表：

表1几种落石定位方法在x方向和y方向的误差

表2几种落石定位测量误差方差

从表1和表2可以看出，融合算法是对两种落石定位算法的综合，使用两种落石定位算法的测量误差方差作为融合算法的加权系数，测量误差方差小的所占的权重大，而测量误差方差大的所占的权重小。采用融合算法以后系统的测量误差方差平均值比单独使用两种定位算法要更好，比算术平均法也要好，提高了系统的总体定位性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.落石定位系统，其特征在于，包括数据处理模块和若干个测量装置，每个所述测量装置监测一个预设区域，若干个所述测量装置依次排列，覆盖整个监测环境，所述测量装置包括视觉监测模块和微震监测模块；所述视觉监测模块和所述微震监测模块将监测信息传输给数据处理模块。

2.如权利要求1所述的落石定位系统，其特征在于，所述视觉监测模块包括摄像头、安装所述摄像头的监控杆和视频监测单元，所述摄像头与所述视频监测模块相连，视频监测单元与数据处理模块相连。

3.如权利要求1所述的落石定位系统，其特征在于，所述微震监测模块包括若干个微震传感器和微震监测单元，微震传感器与微震监测单元相连，微震监测单元与数据处理模块相连。

4.如权利要求3所述的落石定位系统，其特征在于，所述微震监测模块中包括至少三个微震传感器。

5.如权利要求1所述的落石定位系统，其特征在于，所述数据处理模块只有一个，若干个测量装置都与所述数据处理模块相连。

6.落石定位测量方法，其特征在于，基于如权利要求1至5任一项所述的落石定位系统实现，所述落石定位方法包括：

对监测区域进行标定，并获取预设融合参数；

对标定后的监测区域进行监测，并得出落石位置；

对落石位置的监测结果进行分析，并选择计算方法；

根据选择的所述计算方法，基于所述融合参数和所述落石位置计算落石坐标。

7.如权利要求6所述的落石定位测量方法，其特征在于，所述对监测区域进行标定，并获取预设融合参数，包括：

对监测区域进行坐标变换，选取试验落石位置；

根据所述试验落石位置计算测量误差方差；

对所述测量误差方差进行曲线拟合，得到所述预设融合参数。

8.如权利要求6所述的落石定位测量方法，其特征在于，所述对标定后的监测区域进行监测，并得出落石位置，包括：通过所述视觉监测模块和/或所述微震监测模块同时对所述监测区域进行监测，得出所述落石位置。

9.如权利要求6所述的落石定位测量方法，其特征在于，所述对落石位置的监测结果进行分析，并选择计算方法，包括：

判断视觉监测模块和微震监测模块是否同时监测到所述落石位置；

若视觉监测模块和微震监测模块同时监测到所述落石位置，则选择数据融合算法；

若视觉监测模块和微震监测模块未同时监测到所述落石位置，则判定所述落石位置为所述落石坐标。

10.如权利要求6所述的落石定位测量方法，其特征在于，所述根据选择的所述计算方法，基于所述融合参数和所述落石位置计算落石坐标，包括：

获取微震监测模块监测到的第一落石位置；

获取视觉监测模块监测到的第二落石位置；

基于第一落石位置、第二落石位置和预设融合参数，采用所述数据融合算法，计算落石坐标。