CN111398997A - 一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置及方法 - Google Patents

一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置及方法，属于安全检测领域，其技术方案要点是，包括安装在待监测堤坝的位移姿态监测机构，用于对待监测堤坝上预先设置的监测点的微小位置和三维姿态变化进行实时连续测量；采集记录仪，与位移姿态监测机构连接，用于对位移姿态监测机构输出的三维姿态信号进行采集和记录，并将三维姿态信号输出；网络计算机，网络计算机通过数据传输链路与数据记录仪连接，用于接收三维姿态信号并分析提取桥梁的结构形变数据。对待监测堤坝上预先设置的监测点的微小位置和三维姿态变化进行实时连续测量，能够避免现有的监测装置在监测过程中发生微小的位移，造成监测精度下降的问题。

Description

一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置及方法
技术领域
本发明涉及安全检测技术领域，具体而言，涉及一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置及方法。
背景技术
堤坝泛指防水拦水的建筑物和构筑物，能够起到阻挡水势、使水势不会蔓延到地面的作用，是重要的水工建筑物，现代堤坝主要包括土石坝和混凝土坝两大类，堤坝在使用过程中，不可避免地受到环境侵蚀、结构老化、水力冲击、人为或自然的突发灾害等因素的作用而产生结构损伤、出现安全隐患，这些安全隐患达到一定程度时将影响堤坝的正常使用，甚至引起灾难性的突发事故，造成重大经济损失和人员伤亡。因此，采用有效的堤坝安全监测装置和方法，对堤坝的健康状况进行监测，对堤坝的损伤进行预警，能够提高堤坝的维护效率，并且在一定程度上预防潜在的安全事故，具有重要的社会与经济价值。
目前对于堤坝的安全监测主要通过监测堤坝的形变、渗流、压力、温度等参数的变化来实现。这些方法主要通过布设在堤坝周边或堤坝内部的传感器来获取堤坝的变化，从而实现堤坝的安全监测，如果在堤坝周边布置传感器，则只有当堤坝表面发生变化时，才能监测到堤坝的安全隐患，而一旦堤坝表面发生变化，堤坝内部可能已经发生非常明显的变化，堤坝的危险级别已经很高，因此该方法的预见性不强，如果在堤坝内部安装传感器，则由于传感器的加入，有可能改变堤坝的应力结构，而且施工难度加大，造成使用不便、成本高和监测精度低的问题。
为此，提出一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置及方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置，包括安装在待监测堤坝的位移姿态监测机构，用于对待监测堤坝上预先设置的监测点的微小位置和三维姿态变化进行实时连续测量；采集记录仪，与所述位移姿态监测机构连接，用于对位移姿态监测机构输出的三维姿态信号进行采集和记录，并将三维姿态信号输出；网络计算机，所述网络计算机通过数据传输链路与数据记录仪连接，用于接收三维姿态信号并分析提取桥梁的结构形变数据，并进一步对堤坝结构的安全健康情况进行综合评判，对达到预警阈值的情况发出安全预警信号。
进一步地，所述位移姿态监测机构通过监测点安装基座固定在待监测堤坝内的被监测点上。
进一步地，所述三维姿态信号由航向角ψ、俯仰角θ和倾斜角γ三个角度组成。
进一步地，所述位移姿态监测机构包括激光惯性导航设备、北斗接收机和卫星导航天线；所述激光惯性导航设备与北斗接收机安装在待监测堤坝内的被监测点上，所述激光惯性导航设备用于对待监测堤坝内的被监测点上的三维姿态变化进行实时连续测量；所述北斗接收机与卫星导航天线连接，所述北斗接收机用于测量输出待监测堤坝内的被监测点上的速度和位置信息，一方面作为所述位置姿态监测机构的位置信号直接输出，另一方面输出给所述激光惯性导航设备，以实现平台旋转角速度
Figure BDA0002446447240000031
的计算。
进一步地，其监测方法如下：
S1、将激光惯性导航设备与北斗接收机通过监测点安装基座固定在待监测隧道内的被监测点上；
S2、北斗接收机进入工作状态，测量并输出待监测堤坝内的被监测点上的速度和位置信息，；
S3、将激光惯性导航设备通电，并给激光惯性导航设备输入步骤2中的速度和位置信息；
S4、采集记录仪与所述位移姿态监测机构连接，以对北斗接收机输出的微小位移信号以及激光惯性导航设备输出的三维姿态信号进行采集和记录；
S5、网络计算机根据位移姿态监测机构测量的微小位移信号和三维姿态信号，分析提取堤坝的结构形变数据，并进一步对堤坝结构的安全健康情况进行综合评判，对达到预警阈值的情况发出安全预警信号。
应用本发明的技术方案，有益效果是：
1、将位移姿态监测机构直接安装在待监测堤坝上，无需改变被监测堤坝的现有结构，从而方便施工，有效地降低了监测成本；
2、通过安装在待监测堤坝的位移姿态监测机构，对待监测堤坝上预先设置的监测点的微小位置和三维姿态变化进行实时连续测量，能够避免现有的监测装置在监测过程中发生微小的位移，造成监测精度下降的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置的工作流程框图；
图2示出了基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置的安装示意图；
图3示出了基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置的位移姿态检测机构工作原理框图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、位移姿态监测机构；11、激光惯性导航设备；12、北斗接收机；13、卫星导航天线；20、采集记录仪；21、数据传输链路；30、网络计算机；40、待检测堤坝；41、监测点安装基座。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，本发明提供了一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置，包括安装在待监测堤坝40的位移姿态监测机构10，用于对待监测堤坝40上预先设置的监测点的微小位置和三维姿态变化进行实时连续测量；采集记录仪20，与位移姿态监测机构10连接，用于对位移姿态监测机构10输出的三维姿态信号进行采集和记录，并将三维姿态信号输出；网络计算机30，网络计算机30通过数据传输链路21与数据记录仪20连接，用于接收三维姿态信号并分析提取桥梁的结构形变数据，并进一步对堤坝结构的安全健康情况进行综合评判，对达到预警阈值的情况发出安全预警信号。
应用本实施例的技术方案，位移姿态监测机构10直接安装在待监测堤坝40的被监测部位上(根据桥梁设计维护数据和历史健康数据选择在桥梁结构上易产生病害或已产生病害的重点位置)，无需改变被监测堤坝的现有结构，从而方便施工，而且位移姿态监测机构10测量的待监测堤坝40上预先设置的监测点的微小位置和三维姿态信号输出给与之相连的采集记录仪20进行采集和收集，数据记录仪20通过数据传输链路21与网络计算机30进行数据交换，网络计算机30将接收到的位置和三维姿态信号进行分析处理，采用数字信号处理技术，从位移姿态监测机构10测量的位置和三维姿态信号中提取堤坝结构的形变数据，并对结构形变数据进行判定分析，从而实现堤坝的安全监测；
其中，网络计算机30的信号处理原理为：
位置姿态监测机构10测量的三维姿态为待监测堤坝40上的预置监测点相对于地球的姿态，具体地，三维姿态信号由航向角ψ、俯仰角θ和倾斜角γ三个角度组成，理想情况下，预置监测点相对于地球的姿态是固定的，因此这三个角度是恒定值，实际中，水力冲击、环境扰动等因素，预置监测点的实际姿态会产生微小波动，而且位置姿态监测机构中惯导设备的测量误差，这三个角度的测量值在理想值附近波动；
网络计算机30将接收到的位置和三个姿态角度信号进行简单滤波平滑处理，平滑处理后的数据波动范围即表征了被监测堤坝结构的形变大小。根据形变大小，可针对根据堤坝结构设计时的允许形变数据和专家经验选取不同的数据阈值，对被监测堤坝结构的安全健康状态做出评判，能够避免现有的监测装置在监测过程中发生微小的位移，造成监测精度下降的问题。
具体地，如图2所示，位移姿态监测机构10通过监测点安装基座41固定在待监测堤坝40内的被监测点上。
针对位于姿态监测机构10的具体结构，如图3所示，位移姿态监测机构10包括激光惯性导航设备11、北斗接收机12和卫星导航天线13；激光惯性导航设备11与北斗接收机12安装在待监测堤坝40内的被监测点上，激光惯性导航设备11用于对待监测堤坝40内的被监测点上的三维姿态变化进行实时连续测量；北斗接收机12与卫星导航天线13连接，北斗接收机12用于测量输出待监测堤坝40内的被监测点上的速度和位置信息，一方面作为位置姿态监测机构10的位置信号直接输出，另一方面输出给激光惯性导航设备11，以实现平台旋转角速度
Figure BDA0002446447240000061
的计算。
该种结构设计，通过北斗接收机12测量输出的速度和位置信息，一方面作为位置姿态检测机构10的位置信号直接输出，一方面输出给位置姿态监测机构10中的激光惯性导航设备11，以实现平台旋转角速度
Figure BDA0002446447240000071
的计算，激光惯性导航设备11根据陀螺仪测量的角速度信号
Figure BDA0002446447240000072
以及计算得到的平台旋转角速度
Figure BDA0002446447240000073
即可经过姿态积分解算，得到三维姿态信息。
针对基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置的具体结构，其监测方法如下：
S1、将激光惯性导航设备11与北斗接收机12通过监测点安装基座41固定在待监测隧道40内的被监测点上；
S2、北斗接收机12进入工作状态，测量并输出待监测堤坝40内的被监测点上的速度和位置信息，；
S3、将激光惯性导航设备11通电，并给激光惯性导航设备11输入步骤2中的速度和位置信息；
S4、采集记录仪20与位移姿态监测机构10连接，以对北斗接收机12输出的微小位移信号以及激光惯性导航设备11输出的三维姿态信号进行采集和记录；
S5、网络计算机30根据位移姿态监测机构10测量的微小位移信号和三维姿态信号，分析提取堤坝的结构形变数据，并进一步对堤坝结构的安全健康情况进行综合评判，对达到预警阈值的情况发出安全预警信号。
该种监测方法，采用北斗+惯导的一体化导航方案，利用北斗接收机输出的毫米级位置信息来计算平台旋转角速度
Figure BDA0002446447240000074
避免了激光惯性导航设备11的误差发散，从而有效地提高了监测精度。
下列为本实施例的部分组件型号及作用：
采集记录仪20：DP100。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例具体的使用方法及工作原理如下：
1、本发明采用北斗接收机对堤坝结构变化引起的微小位移进行连续实时监测；
2、本发明采用高精度惯导设备对堤坝结构变化引起的三维姿态改变进行连续实时监测；
3、本发明同时监测堤坝结构变化引起的微小位移和三维姿态改变；
4、本发明采用北斗+惯导的一体化导航方案，利用北斗接收机输出的毫米级位置信息来计算平台旋转角速度
Figure BDA0002446447240000081
避免了纯激光惯性导航设备的误差发散；
5、本发明采用处理中心对监测数据进行处理和记录，所得数据除对堤坝安全健康状态进行诊断和预警外，还可供水利和交通大数据分析、堤坝形变专家库等第三方平台进一步加工利用。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置，其特征在于：包括
安装在待监测堤坝(40)的位移姿态监测机构(10)，用于对待监测堤坝(40)上预先设置的监测点的微小位置和三维姿态变化进行实时连续测量；
采集记录仪(20)，与所述位移姿态监测机构(10)连接，用于对位移姿态监测机构(10)输出的三维姿态信号进行采集和记录，并将三维姿态信号输出；
网络计算机(30)，所述网络计算机(30)通过数据传输链路(21)与数据记录仪(20)连接，用于接收三维姿态信号并分析提取桥梁的结构形变数据，并进一步对堤坝结构的安全健康情况进行综合评判，对达到预警阈值的情况发出安全预警信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置，其特征在于：所述位移姿态监测机构(10)通过监测点安装基座(41)固定在待监测堤坝(40)内的被监测点上。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置，其特征在于：所述三维姿态信号由航向角ψ、俯仰角θ和倾斜角γ三个角度组成。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置，其特征在于：所述位移姿态监测机构(10)包括激光惯性导航设备(11)、北斗接收机(12)和卫星导航天线(13)；
所述激光惯性导航设备(11)与北斗接收机(12)安装在待监测堤坝(40)内的被监测点上，所述激光惯性导航设备(11)用于对待监测堤坝(40)内的被监测点上的三维姿态变化进行实时连续测量；
所述北斗接收机(12)与卫星导航天线(13)连接，所述北斗接收机(12)用于测量输出待监测堤坝(40)内的被监测点上的速度和位置信息，一方面作为所述位置姿态监测机构(10)的位置信号直接输出，另一方面输出给所述激光惯性导航设备(11)，以实现平台旋转角速度
Figure FDA0002446447230000021
的计算。
5.根据权利要求1所述的一种基于北斗+惯导的堤坝安全监测装置，其监测方法如下：
S1、将激光惯性导航设备(11)与北斗接收机(12)通过监测点安装基座(41)固定在待监测隧道(40)内的被监测点上；
S2、北斗接收机(12)进入工作状态，测量并输出待监测堤坝(40)内的被监测点上的速度和位置信息，；
S3、将激光惯性导航设备(11)通电，并给激光惯性导航设备(11)输入步骤2中的速度和位置信息；
S4、采集记录仪(20)与所述位移姿态监测机构(10)连接，以对北斗接收机(12)输出的微小位移信号以及激光惯性导航设备(11)输出的三维姿态信号进行采集和记录；
S5、网络计算机(30)根据位移姿态监测机构(10)测量的微小位移信号和三维姿态信号，分析提取堤坝的结构形变数据，并进一步对堤坝结构的安全健康情况进行综合评判，对达到预警阈值的情况发出安全预警信号。
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Application publication date: 20200710