CN111664930A - 一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统及方法，包括岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元、报警单元与供能单元；所述的岩石固有频率监测设备、视觉监测设备与报警单元均分别连接到智能分析控制单元；所述的供能单元分别连接到岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元与报警单元；所述的岩石固有频率监测设备包括连续式扫描激光测振仪与数据采集仪；本发明有效克服了现有监测系统存在的灾害前兆判识效果差、监测精度与可靠性低的缺陷，为高边坡落石监测提供了一种具有时效性、精确性与可靠性的监测系统和方法，为采取针对性地避险处置措施、保障高边坡毗邻交通基础设施的人身财产安全提供保障。

Description

一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统及方法

技术领域

本发明涉及边坡地质灾害监测技术领域，特别是一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统及方法。

背景技术

高边坡是我国交通设施建设中的常见土木工程形式之一。高边坡落石灾害已对交通运输安全形成了巨大威胁，据统计我国每年产生的落石灾害频数在2000次至8000次不等，由此造成的经济损失高达数十亿元。随着我国高速铁路与高速公路的快速发展，高边坡的安全问题重要性与日俱增，系统开展针对高边坡落石的监测工作迫在眉睫。

高边坡落石监测的目的之一即为判识是否出现落石灾害前兆，并为开展防灾减灾措施、减少生命财产损失赢得时间。研究表明，边坡落石的破坏发展过程可分为稳定-分离-加速破坏-破坏上述4阶段，当前针对落石灾害前兆的判识多通过监测识别加速破坏阶段的落石位移变形予以实现。而由于处于该阶段的落石位移变形具有突发性和破坏瞬时性，导致现有监测方法对落石灾害前兆的判识效果较差，进而影响后续措施开展的时效性。

此外，当前对于高边坡落石监测的实施，多采用人工观测、传感器监测、GPS监测、激光三维监测、合成孔径雷达监测等手段，且上述实施手段均各自存在一定的局限性。人工观测受执行人员的能力、气候环境等主客观因素影响较大，随机性较强，存在误报漏报风险。传感器虽可实现对监测区域内的落石情况实施监测，但其元器件易损毁。GPS的监测精度易受实施区域的地理、环境与大气条件所影响。激光三维监测所需的时间通常较长，监测精度受天气等外界因素影响较大。合成孔径雷达虽可对落石目标实现高精度监测，但无法识别因人或动物闯入监测区域所引起的误报，易对毗邻交通设施的正常运营产生不必要干扰。

综上所述，现有的高边坡落石监测手段存在着灾害前兆判识效果较差、结果的精度与可靠度较低等不足。为对高边坡落石灾害进行更为有效监测，亟需在上述不足方面予以改进提升。

发明内容

本发明的目的在于：为解决现有的高边坡落石监测手段存在着灾害前兆判识效果较差、结果的精度与可靠度较低的问题，特提供一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统及方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统，包括岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元、报警单元与供能单元；所述的岩石固有频率监测设备、视觉监测设备与报警单元均分别连接到智能分析控制单元；所述的供能单元分别连接到岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元与报警单元；

所述的岩石固有频率监测设备包括连续式扫描激光测振仪与数据采集仪。

上述方案中，所述连续式激光测振仪用于采集监测区域内的岩体振动加速度信号，所述数据采集仪用于将采集得到的振动加速度换算为对应的固有频率，同时根据其预设的固有频率异常提示阈值，将固有频率异常区域的位置信息发送至智能分析控制单元。

上述方案中，所述的视觉监测设备为具有转动支架的红外数字摄像机，可在夜晚、阴雨天等不利环境条件下连续正常工作。

上述方案中，所述的智能分析控制单元包括数据交互模块、数据分析模块与设备控制模块，所述的数据交互模块用于接收传回的现场监测原始数据，所述的数据分析模块用于结合现场监测原始数据来实现落石灾害的识别确认与空间位置信息计算，所述的设备控制模块用于控制监测设备与报警单元正常工作。

上述方案中，所述的供能单元包括蓄电池模块与太阳能模块，且太阳能模块能对蓄电池模块进行充电。

上述方案中，所述报警单元包括高分贝喇叭、LED显示屏与无线传输模块。

一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测方法，包括如下步骤，

S1：将上述方案中的集成监测系统安装至指定位置，并保证置于现场工点的岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元、供能单元与报警单元均处于工作状态；设置、调试岩石固有频率监测设备，以确保其能连续扫描整个待测区域；

S2：使用视觉监测设备对监测区域进行拍照，并将获得的监测区域图像信息进行位置分区与对应的编号；

S3：通过岩石固有频率监测设备对岩体的固有频率进行检测，当落石区域岩体的固有频率表现出明显的变化趋势，并在超过相应异常情况对应的阈值时，上述异常区域的位置编号信息将被岩石固有频率监测设备通过智能分析控制单元的数据交互模块反馈至智能分析控制单元，智能分析控制单元根据编号信息，通过其内置的设备控制模块指挥视觉监测设备对该区域进行详细监测，并将得到的数字监测图像传回至该单元的数据分析模块，由其对发生的落石灾害目标进行快速识别，同时计算获取灾害目标相对于视觉监测的实时空间坐标信息；

S4：基于获得落石灾害目标的实时空间坐标信息，智能分析控制单元的数据分析模块通过空间距离求解算法来计算该目标同视觉监测设备之间的实时距离信息，求得的距离信息由智能分析控制单元通过设备控制模块传至报警单元；

S5：报警单元将获得的实时距离信息，通过置于工点现场的高分贝喇叭、LED显示屏进行不间断播报、警示，并通过无线传输模块将距离信息发送至相应的手机险情预报app，实现落石灾害发展情况的全方位警示。

上述方案中，所述步骤S3中岩石固有频率监测设备的对岩体的固有频率的监测方法为，

S31：使用连续扫描式激光测振仪在待测边坡表面进行测点布设，测点数量与间距应根据被测区域的实际情况予以确定；

S32：完成测点布设后，设定测点的扫描路径、扫描频次等相关监测参数；

S33：根据设定的的监测参数，使用连续扫描式激光测振仪不间断获取各测点的振动加速度信号。采集到的各测点振动加速度信号将被传输至数据采集仪中，并通过其内置的工作变形频响函数算法(F_{ODS FRF})，计算得到各测点的固有频率数值；

S34：基于预设在数据采集仪的落石灾害固有频率报警阈值，将所得的各测点固有频率数值同其进行比较分析；

S35：当某一个或某一些测点的固有频率数据超过落石灾害固有频率提示阈值时，由数据采集仪通过智能分析控制单元的数据交换模块向单元发出异常提示信息。同时根据激光测振仪的设备坐标系与大地坐标系的转换关系，将上述异常测点在设备坐标系下的位置信息转换为大地坐标系下的位置信息，并根据基于大地坐标系的监测区域分区交点坐标，实现异常测点在监测区域内的定位，并将其所属的区域编号由智能分析控制单元的数据交互模块反馈至智能分析控制单元。

本发明的有益效果如下：

1.本发明有效克服了现有监测系统存在的灾害前兆判识效果差、监测精度与可靠性低等缺陷，为高边坡落石监测提供了一种具有时效性、精确性与可靠性的方法，并能实时掌握、发布落石灾害的发展情况，为采取针对性地避险处置措施、保障高边坡毗邻交通基础设施的人身财产安全提供有力支撑。

2.本发明通过岩石固有频率监测设备及视觉监测设备的设置，有效解决了现有的高边坡落石监测系统无法识别因人或动物闯入监测区域所引起的误报，易对毗邻交通设施的正常运营产生不必要干扰的问题，当岩石固有频率监测设备探测到岩石固有频率发生改变时，启动视觉监测设备对该区域进行详细监测，并将得到的数字监测图像传回至该单元的数据分析模块，由其对发生的落石灾害目标进行快速识别，有效的排除了因人或动物闯入监测区域所引起的误报，使得对高边坡落石的监测更加的准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1为本发明中集成监测系统的结构示意图；

图2为本发明中集成监测系统的模块示意图；

图3为本发明中集成监测方法的工作流程图；

附图标记：1-岩石固有频率监测设备；2-视觉监测设备；3-供能单元；4-智能分析控制单元；5-报警单元；6-毗邻高边坡的交通设施；7-高边坡；8-连续式扫描激光测振仪；9-数据采集仪；10-具有转动支架的红外数字摄像机；11-蓄电池模块；12太阳能模块；13-高分贝喇叭；14-LED显示屏；15-无线传输模块；16-数据交互模块；17-数据分析模块；18-设备控制模块。。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统，包括岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元、报警单元与供能单元；所述的岩石固有频率监测设备、视觉监测设备与报警单元均分别连接到智能分析控制单元；所述的供能单元分别连接到岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元与报警单元；

所述的岩石固有频率监测设备包括连续式扫描激光测振仪与数据采集仪；

作为优选的，所述连续式激光测振仪用于采集监测区域内的岩体振动加速度信号，所述数据采集仪用于将采集得到的振动加速度换算为对应的固有频率，同时根据其预设的固有频率异常提示阈值，将固有频率异常区域的位置信息发送至智能分析控制单元。

作为优选的，所述的视觉监测设备为具有转动支架的红外数字摄像机，可在夜晚、阴雨天等不利环境条件下连续正常工作。

作为优选的，所述的智能分析控制单元包括数据交互模块、数据分析模块与设备控制模块，所述的数据交互模块用于接收传回的现场监测原始数据，所述的数据分析模块用于结合现场监测原始数据来实现落石灾害的识别确认与空间位置信息计算，所述的设备控制模块用于控制监测设备与报警单元正常工作。

作为优选的，所述的供能单元包括蓄电池模块与太阳能模块，且太阳能模块能对蓄电池模块进行充电。

作为优选的，所述报警单元包括高分贝喇叭、LED显示屏与无线传输模块。

一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测方法，包括如下步骤

S1将权利要求1-6中的集成监测系统安装至指定位置，并保证置于现场工点的岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元、供能单元与报警单元均处于工作状态；设置、调试岩石固有频率监测设备，以确保其能连续扫描整个待测区域；

S2使用视觉监测设备对监测区域进行拍照，并将获得的监测区域图像信息进行位置分区与对应的编号；

S3通过岩石固有频率监测设备对岩体的固有频率进行检测，当落石区域岩体的固有频率表现出明显的变化趋势，并在超过相应异常情况对应的阈值时，上述异常区域的位置编号信息将被岩石固有频率监测设备通过智能分析控制单元的数据交互模块反馈至智能分析控制单元，智能分析控制单元根据编号信息，通过其内置的设备控制模块指挥视觉监测设备对该区域进行详细监测，并将得到的数字监测图像传回至该单元的数据分析模块，由其对发生的落石灾害目标进行快速识别，同时计算获取灾害目标相对于视觉监测的实时空间坐标信息；

S4基于获得落石灾害目标的实时空间坐标信息，智能分析控制单元的数据分析模块通过空间距离求解算法来计算该目标同视觉监测设备之间的实时距离信息，求得的距离信息由智能分析控制单元通过设备控制模块传至报警单元；

S5报警单元将获得的实时距离信息，通过置于工点现场的高分贝喇叭、LED显示屏进行不间断播报、警示，并通过无线传输模块将距离信息发送至相应的手机险情预报app，实现落石灾害发展情况的全方位警示。

作为优选的，所述步骤S3中岩石固有频率监测设备的对岩体的固有频率的监测方法为，

S31使用连续扫描式激光测振仪在待测边坡表面进行测点布设，测点数量与间距应根据被测区域的实际情况予以确定；

S32完成测点布设后，设定测点的扫描路径、扫描频次等相关监测参数；

S33根据设定的的监测参数，使用连续扫描式激光测振仪不间断获取各测点的振动加速度信号。采集到的各测点振动加速度信号将被传输至数据采集仪中，并通过其内置的工作变形频响函数算法(F_{ODS FRF})，计算得到各测点的固有频率数值；

S34基于预设在数据采集仪的落石灾害固有频率报警阈值，将所得的各测点固有频率数值同其进行比较分析；

S35当某一个或某一些测点的固有频率数据超过落石灾害固有频率提示阈值时，由数据采集仪通过智能分析控制单元的数据交换模块向单元发出异常提示信息。同时根据激光测振仪的设备坐标系与大地坐标系的转换关系，将上述异常测点在设备坐标系下的位置信息转换为大地坐标系下的位置信息，并根据基于大地坐标系的监测区域分区交点坐标，实现异常测点在监测区域内的定位，并将其所属的区域编号由智能分析控制单元的数据交互模块反馈至智能分析控制单元。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统，包括岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元、报警单元与供能单元；所述的岩石固有频率监测设备、视觉监测设备与报警单元均分别连接到智能分析控制单元；所述的供能单元分别连接到岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元与报警单元；

所述的岩石固有频率监测设备包括连续式扫描激光测振仪与数据采集仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统，其特征在于：所述连续式激光测振仪用于采集监测区域内的岩体振动加速度信号，所述数据采集仪用于将采集得到的振动加速度换算为对应的固有频率，同时根据其预设的固有频率异常提示阈值，将固有频率异常区域的位置信息发送至智能分析控制单元。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统，其特征在于：所述的视觉监测设备为具有转动支架的红外数字摄像机，可在夜晚、阴雨天等不利环境条件下连续正常工作。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统，其特征在于：所述的智能分析控制单元包括数据交互模块、数据分析模块与设备控制模块，所述的数据交互模块用于接收传回的现场监测原始数据，所述的数据分析模块用于结合现场监测原始数据来实现落石灾害的识别确认与空间位置信息计算，所述的设备控制模块用于控制监测设备与报警单元正常工作。

5.根据权利要求1所述的一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统，其特征在于：所述的供能单元包括蓄电池模块与太阳能模块，且太阳能模块能对蓄电池模块进行充电。

6.根据权利要求1所述的一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测系统，其特征在于：所述报警单元包括高分贝喇叭、LED显示屏与无线传输模块。

7.一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤，

S1将权利要求1-6中的集成监测系统安装至指定位置，并保证置于现场工点的岩石固有频率监测设备、视觉监测设备、智能分析控制单元、供能单元与报警单元均处于工作状态；设置、调试岩石固有频率监测设备，以确保其能连续扫描整个待测区域；

S2使用视觉监测设备对监测区域进行拍照，并将获得的监测区域图像信息进行位置分区与对应的编号；

S3通过岩石固有频率监测设备对岩体的固有频率进行检测，当落石区域岩体的固有频率表现出明显的变化趋势，并在超过相应异常情况对应的阈值时，上述异常区域的位置编号信息将被岩石固有频率监测设备通过智能分析控制单元的数据交互模块反馈至智能分析控制单元，智能分析控制单元根据编号信息，通过其内置的设备控制模块指挥视觉监测设备对该区域进行详细监测，并将得到的数字监测图像传回至该单元的数据分析模块，由其对发生的落石灾害目标进行快速识别，同时计算获取灾害目标相对于视觉监测的实时空间坐标信息；

S4基于获得落石灾害目标的实时空间坐标信息，智能分析控制单元的数据分析模块通过空间距离求解算法来计算该目标同视觉监测设备之间的实时距离信息，求得的距离信息由智能分析控制单元通过设备控制模块传至报警单元；

S5报警单元将获得的实时距离信息，通过置于工点现场的高分贝喇叭、LED显示屏进行不间断播报、警示，并通过无线传输模块将距离信息发送至相应的手机险情预报app，实现落石灾害发展情况的全方位警示。

8.根据权利要求7所述的一种基于频率与图像的高边坡落石集成监测方法，其特征在于：所述步骤S3中岩石固有频率监测设备的对岩体的固有频率的监测方法为，

S31使用连续扫描式激光测振仪在待测边坡表面进行测点布设，测点数量与间距应根据被测区域的实际情况予以确定；

S32完成测点布设后，设定测点的扫描路径、扫描频次等相关监测参数；

S33根据设定的的监测参数，使用连续扫描式激光测振仪不间断获取各测点的振动加速度信号，采集到的各测点振动加速度信号将被传输至数据采集仪中，并通过其内置的工作变形频响函数算法(F_{ODS FRF})，计算得到各测点的固有频率数值；

S34基于预设在数据采集仪的落石灾害固有频率报警阈值，将所得的各测点固有频率数值同其进行比较分析；

S35当某一个或某一些测点的固有频率数据超过落石灾害固有频率提示阈值时，由数据采集仪通过智能分析控制单元的数据交换模块向单元发出异常提示信息。同时根据激光测振仪的设备坐标系与大地坐标系的转换关系，将上述异常测点在设备坐标系下的位置信息转换为大地坐标系下的位置信息，并根据基于大地坐标系的监测区域分区交点坐标，实现异常测点在监测区域内的定位，并将其所属的区域编号由智能分析控制单元的数据交互模块反馈至智能分析控制单元。

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