CN111578858A - 一种自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置及方法，能够向支挡构筑物发射出多层水平圆圈形扫描线的第一激光雷达以及能够向支挡构筑物发射出多列竖直圆圈形扫描线的第二激光雷达；第一激光雷达与第二激光雷达的扫描线能够在支挡构筑物表面形成多个相交点；将支挡构筑物未发生变形时，相交点所在的位置定义为固定参考面；第一激光雷达与第二激光雷达能够将当前状态下相交点位置的点云数据反馈给工控机，工控机能够通过对当前相交点位置坐标与固定参考面的比较，来实时监测支挡构筑物是否发生变形。本公开能够实现大型支挡构筑物的实时监测，减少因支挡构筑物变形带来的危害。

Description

一种自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置及方法

技术领域

本公开属于裂缝变形监测技术领域，具体涉及一种自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

随着交通设施向跨山跨河跨海建设领域不断延伸，大型支挡构筑物日益增多。大型支挡构筑物工程线长、跨越地区广、环境条件复杂，受众多外界环境因素影响会出现各类病害，许多支挡构筑物墙体都出现了裂缝。而出现裂缝特征恰恰说明其实际强度或稳定性不足，是支挡构筑物失稳、破坏的前兆，将严重危害行车安全，是道路交通安全的重要隐患之一。

发明人了解到，目前的支挡构筑物病害预防仍然依靠人工定期和定点巡查为主，缺乏高效精确的监测体系。由于支挡构筑物的可观测性较差，其工程病害相对路面更难被及时发现，一旦诱发工程事故，易造成人员伤亡及财产损失等重大后果。因此有必要对高速公路大型支挡构筑物进行持续监测并对其病害超前预警。

现有技术中，众多学者提出了一系列的支挡结构物安全评估手段和预防措施，例如基于灰色关联与模糊数学的灾害评估以及定期观测等，但是这些评估手段难以实时全方位评估和观测，无法完成工程灾害的防治要求。

发明内容

本公开的目的是提供一种自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，能够实现支挡构筑物的实时评估与检测，减少支挡构筑物变形与裂缝监测不及时造成的危害。

为实现上述目的，本公开的第一方面提供一种自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，包括能够向支挡构筑物发射出多层水平圆圈形扫描线的第一激光雷达以及能够向支挡构筑物发射出多列竖直圆圈形扫描线的第二激光雷达；第一激光雷达与第二激光雷达的扫描线能够在支挡构筑物表面形成多个相交点；

将支挡构筑物未发生变形时，相交点所在的位置定义为固定参考面；第一激光雷达与第二激光雷达能够将当前状态下相交点位置的点云数据反馈给工控机，工控机能够通过对当前相交点位置坐标与固定参考面的比较，来实时监测支挡构筑物是否发生变形。

作为第一方面的进一步改进，还包括无人机以及涂覆在支挡构筑物表面的导电膜，无人机上安装有热像仪，所述热像仪能够在导电膜通电的情况下扫描支挡构筑物的表面，以得到支挡构筑物表面变形情况。多个导电膜沿支挡构筑物的延伸方向依次布置，支挡构筑物不同位置处的导电膜能够独立通断电。

本公开的第二方面提供一种自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的方法，利用了所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，包括以下步骤：

第一激光雷达与第二激光雷达以设定采样频率对扫描范围内的支挡构筑物扫描；第一激光雷达发出的水平方向的多层扫描线与第二激光雷达发出的竖直方向的多列扫描线在支挡构筑物的表面形成多个相交点；

工控机根据各相交点位置坐标是否发生变化来判断支挡构筑物是否发生变形。

以上一个或多个技术方案的有益效果：

采用第一激光雷达与第二激光雷达的配合使用，第一激光雷达与第二激光雷达扫描线分别为竖直与水平的方式，能够在支挡构筑物的表面形成多个相交点，进而判断相交点坐标位置是否发生变化。因为激光雷达能够以设定的采样频率不间断扫描，所以本装置能够实现支挡构筑物变形与裂缝的实时监测。同时，便于监测因位于高陡地区或因自身高度过高，而导致肉眼无法直接观测的大型支挡构筑物。

采用热成像仪与导电膜的组合，导电膜能够贴附在支挡构筑物表面，即支挡构筑物表面形状与导电膜表面形状相同，导电膜通电后散发热量，便于热成像仪采集数据以形成三维模型；能够辅助激光雷达进行支挡构筑物变形与裂缝的监测；能够避免因为极端天气造成激光雷达扫描侧面造成的误测情况。

因为采用激光雷达扫描以及热成像仪成像的方式，监测设备不需要预埋在支挡构筑物中，避免了因向支挡构筑物埋设监测设备而导致支挡构筑物本身强度、稳定度下降的影响。

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申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本公开实施例1中第一激光雷达与第二激光雷达配合使用的示意图；

图2为本公开实施例1中激光雷达外部设置保护罩的结构示意图；

图3为本公开实施例1中第一激光雷达与第二激光雷达中扫描线在支挡构筑物表面形成相交点的示意图；

图4为本公开实施例中激光雷达与热成像仪等配合使用的示意图；

图5为本公开实施例中整体装置使用时的示意图。

图中：1.混凝土墩；2、工控机；3、钢管；4、第一激光雷达；5、第二激光雷达；6、太阳能电池板；7、风力发电机；8、导电膜；9、支挡构筑物；10、巡查人员；11、无人机载热像仪；12、保护罩。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本公开中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

背景技术中提及，现有的大型支挡构筑物9监测过程中需要面临监测不及时、不能实时反馈信息的问题，容易因为大型支挡构筑物9变形裂缝造成危害。

同时，发明人了解到，激光雷达广泛应用于智能交通系统，如无人驾驶、智能检测、车联网技术等。随着激光雷达价格的逐渐降低，激光雷达的安装方式已经由传统的机载布设、车载布设等安装方式向路侧静态布设方向发展，即安装在路侧的激光雷达可以永久布设在电线杆、交通信号灯柱上。但现有静态布设的激光雷达仅用于辅助实现交通调度。

在本实施例中，支挡构筑物可以为挡土砖墙，也可以为混凝土墙等结构。

实施例1

如图1-5所示，本实施例提供一种自动监测大型支挡构筑物9裂缝变形的装置，包括能够向支挡构筑物发射出多层水平圆圈形扫描线的第一激光雷达4以及能够向支挡构筑物发射出多列竖直圆圈形扫描线的第二激光雷达5；第一激光雷达4与第二激光雷达5的扫描线能够在支挡构筑物表面形成多个相交点。

将支挡构筑物未发生变形时，相交点所在的位置定义为固定参考面；第一激光雷达4与第二激光雷达5能够将当前状态下相交点位置的点云数据反馈给工控机2，工控机2能够通过对当前相交点位置坐标与固定参考面的比较，来实时监测支挡构筑物是否发生变形。

在本实施例中，所述第一激光雷达4与第二激光雷达5所在的竖直轴线重合。可以理解的是，第一激光雷达4与第二激光雷达5的规格与大小可以相同，也可以不同。当二者规格相同时，仅是一个水平安装，一个竖直安装即可。

同时，可以理解的是，第一激光雷达4可以安装在第二激光雷达5的上方，也可以相反，具体的布置方式可由本领技术人员自行设置。

可以理解到是，当支挡构筑物9沿道路的方向进行延伸时，一个第一激光雷达4与第二激光雷法必然无法实现道路中长距离的支挡构筑物9的监测。因此，在本实施例中，一个第一激光雷达4与一个第二激光雷达5形成一组激光监测组件，多组激光监测组件沿支挡构筑物的延伸方向依次布置。也就是说，通过多组监测组件的组合，将扫描监测范围拼接，实现大范围的支挡构筑物9的监测。

可以理解的是，为了保护激光雷达免受雨雪风沙等极端天气的损害，所述第一激光雷达4和第二激光雷达5的外部分别套设有保护罩12，保护罩12在朝向支挡构筑物的一侧设置有开口，以通过激光扫描线。

可以理解的是，在安装保护罩的情况下，激光雷达发射出的圆圈形激光线会被保护罩阻挡一部分，只有靠近支挡构筑物一侧有激光雷达扫描线的射出。

可以理解的是，水平激光雷达是发射出多层水平的激光线，竖直激光雷达是发射出多列竖直的激光线。但是这里需要强调的是他们之间不是互相平行的，即水平方向的多列和竖直方向的多列。

可以理解的是，激光雷达通过向支挡构筑物发射激光并接收反射光线来完成扫描，激光同样会受大雾、雨雪等天气的影响，为了在激光雷达测得数据发生异常变化时，进行辅助监测，本实施例中测量装置还包括无人机以及涂覆在支挡构筑物表面的导电膜8，无人机上安装有热像仪11，所述热像仪11能够在导电膜8通电的情况下扫描支挡构筑物的表面，以得到支挡构筑物表面变形情况。

具体的，在本实施例中，导电膜采用高分子导电膜，在其他实施方式中，导电膜的具体材质及结构形式，可由本领域技术人员自行设置，此处不再赘述。

同样的，可以理解是，当支挡构筑物9面积较大时，多个导电膜8沿支挡构筑物的延伸方向依次布置，支挡构筑物不同位置处的导电膜8能够独立通断电。

具体的，同一个激光监测组件中，第一激光雷达4与第二激光雷达5通过支撑组件支撑，所述支撑组组件上安装有风力发电机7和/或太阳能电池板，所述风力发电机7和/或太阳能电池板能够向第一激光雷达4和第二激光雷达5供电。所述支撑组件包括混凝土墩1，混凝土墩1的上端竖直安装有钢管3，所述钢管3能够实现第一激光雷达4和第二激光雷达5的固定。

所述工控机2能够通过通信模块与上位机通信，以实现点云数据的备份；所述上位机能够控制无人机的运动，并控制导电膜8中电流的通断。

实施例2

本实施例提供一种自动监测大型支挡构筑物9裂缝变形的方法，利用了所述的自动监测大型支挡构筑物9裂缝变形的装置，包括以下步骤：

步骤1，设计装置的型号和尺寸：

根据预监测路段支挡构筑物9实际高度设计支撑组件中混凝土墩1大小和钢管3高度及直径相关尺寸；根据预监测支挡构筑物9面积，在钢管3上确定第一激光雷达4、第二激光雷达5合适高度。

步骤2，安装自动监测大型支挡构筑物9裂缝变形装置：

对于选定的装置地点先进行混凝土墩1的浇筑，在将预制好的钢管3锚固在混凝土基础上；安装第一激光雷达4、第二激光雷达5，并安装太阳能电池板6或风力发电机7(根据预监测路段实际情况选择)；在钢管3下部合适位置可安装工控机2，可收集处理第一激光雷达4、第二激光雷达5扫描支挡构筑物9后的点云数据；

步骤3，收集支挡构筑物9点云数据、进行裂缝变形监测。

3.1)通过第一激光雷达4、第二激光雷达5对支挡构筑物9全天候24小时不间断扫描，可获得其表面实时的点云数据，通过安装在钢管3上的工控机2对此点云数据处理，可实时反馈支挡构筑物9表面是否有裂缝产生，或裂缝变形发展情况，达到实时监测支挡构筑物9表面裂缝变形的目的，并将这些点云数据传输至交通控制中心的上位机进行数据存储备份。

3.2)现结合图3解释两个正交安装角度的第一激光雷达4、监测支挡构筑物9裂缝变形原理。处于下方的第一激光雷达4水平安装，其激光扫描线为水平圆圈，处于上方的第二激光雷达5竖直安装，其激光扫描线为竖直圆圈，水平圆圈和竖直圆圈成正交角度，故必在支挡构筑物9表面形成相交点(如图3支挡构筑物9表面9个小圆点所示，需注意的是相交点不限于9个)。在正常情况下，受限于混凝土墩1和钢管3，第一激光雷达4、第二激光雷达5位置不变，因此可将支挡构筑物未变形情况下，第一激光雷达4、第二激光雷达5相交点所组成的面看成是一个固定参考面，固定参考面中相交点所处位置不会发生变化。

而支挡构筑物9会因各种因素，出现裂缝变形，即支挡构筑物9表面出现位移变形，此时相交点的坐标会发生改变。故可根据点云数据中表示支挡构筑物9的相交点与固定参考面上的相交点位置相对变化来判断支挡构筑物9表面是否出现了裂缝变形。

3.3，由于一些外力不可抗因素(天气、人为)，点云数据有时会出现异常(例如，点云数据突然出现较大位移偏差)，针对此种情况，可利用无人机带动热像仪11辅助核实支挡构筑物9是否出现了裂缝变形。在进行使用无人机带动热像仪11运动之前，先对支挡构筑物9表面涂抹一层导电膜8，在巡查人员10的操控下，完成无人机载热像仪11对第一激光雷达4、第二激光雷达5所显示可能出现裂缝区域的核实验证。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，包括，

能够向支挡构筑物发射出多层水平圆圈形扫描线的第一激光雷达以及能够向支挡构筑物发射出多列竖直圆圈形扫描线的第二激光雷达；第一激光雷达与第二激光雷达的扫描线能够在支挡构筑物表面形成多个相交点；

将支挡构筑物未发生变形时，相交点所在的位置定义为固定参考面；第一激光雷达与第二激光雷达能够将当前状态下相交点位置的点云数据反馈给工控机，工控机能够通过对当前相交点位置坐标与固定参考面的比较，来实时监测支挡构筑物是否发生变形。

2.根据权利要求1所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，所述第一激光雷达与第二激光雷达所在的竖直轴线重合。

3.根据权利要求1所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，一个第一激光雷达与一个第二激光雷达形成一组激光监测组件，多组激光监测组件沿支挡构筑物的延伸方向依次布置。

4.根据权利要求3所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，同一个激光监测组件中，第一激光雷达与第二激光雷达通过支撑组件支撑，所述支撑组组件上安装有风力发电机和/或太阳能电池板，所述风力发电机和/或太阳能电池板能够向第一激光雷达和第二激光雷达供电。

5.根据权利要求1所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，还包括无人机以及涂覆在支挡构筑物表面的导电膜，无人机上安装有热像仪，所述热像仪能够在导电膜通电的情况下扫描支挡构筑物的表面，以得到支挡构筑物表面变形情况。

6.根据权利要求5所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，多个导电膜沿支挡构筑物的延伸方向依次布置，支挡构筑物不同位置处的导电膜能够独立通断电。

7.根据权利要求5所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，所述工控机能够通过通信模块与上位机通信，以实现点云数据的备份；所述上位机能够控制无人机的运动，并控制导电膜中电流的通断。

8.根据权利要求7所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，所述支撑组件包括混凝土墩，混凝土墩的上端竖直安装有钢管，所述钢管能够实现第一激光雷达和第二激光雷达的固定。

9.根据权利要求1所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，所述第一激光雷达和第二激光雷达的外部分别套设有保护罩，保护罩在朝向支挡构筑物的一侧设置有开口，以通过激光扫描线。

10.一种自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的方法，利用了权利要求1-9中任意一项所述的自动监测大型支挡构筑物裂缝变形的装置，其特征在于，包括以下步骤：

第一激光雷达与第二激光雷达以设定采样频率对扫描范围内的支挡构筑物扫描；

第一激光雷达发出的水平方向的多层扫描线与第二激光雷达发出的竖直方向的多列扫描线在支挡构筑物的表面形成多个相交点；

工控机根据各相交点位置坐标是否发生变化来判断支挡构筑物是否发生变形。

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