CN112834406B - 一种基坑管涌图像采集装置与使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基坑管涌图像采集装置与使用方法，该装置可以模拟出在一套基坑管涌装置同时采集了在不同光照条件、不同水压下采取不同拍摄角度获得的管涌图像，所述基坑管涌装置可以改变粉砂和中粗砂的种类，实现了大量基坑管涌图像的采集，解决了现有基坑管涌图像较少的问题。
Description
技术领域
本发明涉及工程模型试验与图像采集技术领域，尤其涉及一种基坑管涌图像采集装置与使用方法。
背景技术
渗透破坏是土体在渗流作用下发生的破坏现象，根据土的颗粒组成、密度和结构状态等因素综合分析，将破坏形式分为流土、管涌、接触流失和接触冲刷四种形式。前两种形式发生在单一土层中，后两种形式发生在成层土中。其中管涌是指在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道中移动，在渗流溢出处流失的现象，它是沿着渗流方向发生的，可发生于土体内部和渗流溢出处。从管涌开始到破坏有一定的时间发展过程，是一种渐进性质的破坏，其产生的后果有两种：一种是随着细颗粒的流失，孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也渐渐流失，导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷；另一种是粉砂被带走，粗粒土形成的骨架尚能支持，渗漏量加大，但不一定随时即发生破坏。
随着我国经济的快速发展和人口的逐渐增多，城市地下空间的开发也逐渐走入了人们的视野，成为一种新兴符合时代发展的“潮流”，基坑工程在地下空间的开发占据了不可忽视的地位。然而在基坑工程中，管涌等渗透破坏屡见不鲜，据统计海堤溃口、基坑失事等险情很多是管涌等渗透破坏所致。根据管涌发生机理轻则土粒移动，重则土体塌陷，这对工程的安全性存在着巨大的威胁。所以在基坑工程施工过程中及时发现管涌现象并迅速评估风险程度、采取相应工程措施具有重要意义和实用价值。然而在实际工程中，工人和管理人员不可能时刻关注基坑底部管涌情况，一些初期的管涌征兆也难以辨别；若管涌发生在夜间停工时、或者发生在光线比较暗处，则更加难以辨别。
目前，信息化施工的快速发展为我们提供了许多便利，用智能代替人工的方法，可以通过摄像机对基坑工程的各个环节进行实时监控，但从采集的连续图像中识别基坑底部是否存在管涌情况则需要先进的图像识别方法支撑。其中，人工智能领域的深度学习方法是实现图像中对象识别的一种智能方法。深度学习需要获得大量的基坑底部管涌从开始到破坏的照片用于训练神经网络。然而实际工程中发生管涌的情况毕竟是少数，仅仅依靠实际工程采集图片是很难以满足深度神经网络训练的图片数量需求的，因此，如何获取大量的基坑底部管涌图像，构建足够大的样本数据库成为基坑底管涌风险智能监测的关键。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基坑管涌图像采集装置与使用方法，该装置可以模拟出在一套基坑管涌装置同时采集了在不同光照条件、不同水压下采取不同拍摄角度获得的基坑管涌图像，所述基坑管涌装置中的砂土可以替换为不同材质的砂土，实现了大量基坑壁渗漏水图像的采集。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案如下：
一种基坑管涌图像采集装置，包括供水系统、模拟箱、相机及控制单元，所述模拟箱成L型，所述模拟箱水平管道内放置粉砂、竖直管道放置中粗砂，所述竖直管道还包含水平方向的多孔板，所述多孔板置于中粗砂内部，所述竖直管道和水平管道相互连通，所述模拟箱的水平管道另一端和供水系统相连；
所述模拟箱的竖直管道成顶端开口的长方体型，所述相机固定在升降单元的底部，所述升降单元顶端固定在滑动单元的滑块上，所述滑动单元滑动接于所述竖直管道中两个相对的侧壁顶端，所述竖直管道的侧壁还设置LED灯，所述控制单元和LED灯、相机连接。
进一步地，所述滑动单元还包括齿条Ⅰ、步进电机Ⅰ、滑轮、滚动轴承Ⅰ，所述齿条Ⅰ两端分别通过滚动轴承Ⅰ和滑轮转动连接，所述滑轮外侧连接步进电机Ⅰ，所述竖直管道中两个相对的侧壁顶端设有滑轨，所述滑轮滑动接于滑轨内；所述滑块内部固定步进电机Ⅱ、两侧设有和齿条Ⅰ方向相同的限位槽，所述步进电机Ⅱ两侧均固定连接滑动杆，所述滑动杆沿着垂直齿条Ⅰ方向放置且另一端和滑块内部侧壁转动连接，所述限位槽顶部开口，所述齿条Ⅰ穿过限位槽且和滑动杆上的齿轮Ⅰ卡接实现滑块沿着齿条Ⅰ滑动；
所述控制单元还和步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ连接。
进一步地，所述升降单元包括伸缩杆、步进电机Ⅲ、齿条Ⅱ及齿轮Ⅱ，所述步进电机Ⅲ的输出轴和齿轮Ⅱ连接，所述齿轮Ⅱ和齿条Ⅱ卡接，所述伸缩杆呈一端开口的圆柱型，所述齿条Ⅱ一端不固定、另一端穿过伸缩杆并固定在伸缩杆的底部，所述伸缩杆的末端固定相机。
进一步地，所述供水系统包括水箱、智能液位控制器、电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、水泵及水位探头，所述智能液位控制器和电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、水泵及水位探头有线连接；所述水箱顶部通过电磁阀Ⅰ及水管和水泵连接、底部通过电磁阀Ⅱ及水管和模拟箱水平管道连接，所述水箱内部设置多个水探头。
进一步地，所述模拟箱水平管道上方设有漏斗用于添加粉砂。
进一步地，所述水箱采用透明材料，且水箱侧壁上具有刻度，水位探头为抗腐蚀不锈钢探头。
本发明还提供一种基坑管涌图像采集装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：在所述模拟箱的水平管道添加粉砂、竖直管道添加中粗砂，并将多孔板放置水平放置在中粗砂内部；
步骤2：利用控制单元控制LED灯打开、并控制滑动单元和升降单元将相机置于初始位置；
步骤3：利用供水系统提供水压模拟管涌实验:在同一水压下，控制单元控制滑动单元和升降单元控制电机沿着设定的拍摄轨迹进行拍摄并将图片发送至控制单元进行存储，直至管涌现象终止。
步骤4：改变水压、LED灯亮度、粉砂和中粗砂的种类，重复上述步骤1到步骤3；
步骤5：使用标记软件对存储单元里面的图片进行标记，圈出每张照片的管涌范围并保存。
本发明的有益效果在于：该装置可以模拟出在一套基坑管涌装置同时采集了在不同光照条件、不同水压下采取不同拍摄角度获得的管涌图像，所述基坑管涌装置可以改变粉砂和中粗砂的种类，实现了大量基坑管涌图像的采集。
附图说明
图1是一实施例中一种基坑管涌图像采集装置的整体结构示意图；
图2是一实施例中多孔板的整体结构示意图；
图3是一实施例中升降单元及滑动单元的整体结构示意图；
图4是图3中滑动单元的局部放大图；
图中标号：供水系统1、水箱1-1、智能液位控制器1-2、电磁阀Ⅰ1-3、电磁阀Ⅱ1-4、水泵1-5、水位探头1-6、模拟箱2、水平管道2-1、竖直管道2-2、滑轨2-3、漏斗2-4、相机3、控制单元4、多孔板5、粉砂6、中粗砂7、升降单元8、伸缩杆8-1、步进电机Ⅲ8-2、齿条Ⅱ8-3、齿轮Ⅱ8-4、滑动单元9、滑块9-1、步进电机Ⅱ9-2、限位槽9-3、滑动杆9-4、齿轮Ⅰ9-5、齿条Ⅰ9-6、步进电机Ⅰ9-7、滑轮9-8、LED灯10
具体实施方式
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，实施例中的水平、竖直、前、后、左、右仅仅是为了更好地说明方向及起区分作用，不能作为本发明的限制依据。
如图1所示，一种基坑管涌图像采集装置，包括供水系统1、模拟箱2、相机3及控制单元4，所述模拟箱2成L型，所述模拟箱2水平管道2-1内放置粉砂6、竖直管道2-2放置中粗砂，所述竖直管道2-2还包含水平方向的多孔板5，所述多孔板5置于中粗砂7内部，所述竖直管道2-2和水平管道2-1相互连通，所述模拟箱2的水平管道2-1另一端和供水系统1相连；
所述模拟箱2的竖直管道2-2成顶端开口的长方体型，所述相机3固定在升降单元8的底部，所述升降单元8顶端固定在滑动单元9的滑块9-1上，所述滑动单元9滑动接于所述竖直管道2-2中两个相对的侧壁顶端，所述竖直管道2-2的侧壁还设置LED灯10，所述控制单元4和LED灯10、相机3连接；
如图3及图4所示，所述滑动单元9还包括2个齿条Ⅰ9-6、至少2个步进电机Ⅰ9-7、4个滑轮9-8、4个滚动轴承Ⅰ，所述齿条Ⅰ9-6两端分别通过滚动轴承Ⅰ和滑轮9-8转动连接，所述滑轮9-8外侧连接步进电机Ⅰ9-7的输出轴，所述竖直管道2-2中两个相对的侧壁顶端设有滑轨2-3，所述滑轮9-8滑动接于滑轨2-3内，当滑轮9-8在步进电机Ⅰ9-7的驱动下沿着滑轨2-3滑动时，滚动轴承Ⅰ保证了滑块9-1一直处于水平位置，从而保证了相机3拍摄的稳定性，此时相机3可以沿着前后方向运动；所述滑块9-1内部固定步进电机Ⅱ9-2、两侧设有和齿条Ⅰ9-6方向相同的限位槽9-3，所述步进电机Ⅱ9-2的输出轴及另一侧分别和滑动杆9-4连固定连接，所述滑动杆9-4沿着垂直齿条Ⅰ9-6方向放置且另一端和滑块9-1内部侧壁转动连接，所述限位槽9-3顶部开口，所述齿条Ⅰ9-6穿过限位槽9-3且和滑动杆9-4上的齿轮Ⅰ9-5卡接从而实现滑块9-1沿着齿条Ⅰ9-6滑动，所述步进电机Ⅱ9-2驱动滑动杆9-4上的齿轮Ⅰ9-5沿着齿条Ⅰ9-6滑动，由于滑动杆9-4的另一端和滑块9-1的侧壁通过滚动轴承转动连接，从而实现滑块9-1沿着齿条Ⅰ9-6滑动以在，上述限位槽9-3可以限制齿条Ⅰ9-6位置保证齿条Ⅰ9-6和齿轮Ⅰ9-5的紧密卡合，此时相机3可以沿着左右方向运动。
所述控制单元4还和步进电机Ⅰ9-7、步进电机Ⅱ9-2连接；
如图3所示，所述升降单元8包括伸缩杆8-1、步进电机Ⅲ8-2、齿条Ⅱ8-3及齿轮Ⅱ8-4，所述步进电机Ⅲ8-2的输出轴和齿轮Ⅱ8-4连接，所述齿轮Ⅱ8-4和齿条Ⅱ8-3的一端卡接，所述伸缩杆8-1呈一端开口的圆柱型，所述齿条Ⅱ8-3一端不固定、另一端穿过伸缩杆8-1并固定在伸缩杆8-1的底部，所述伸缩杆8-1的末端固定相机3，此时相机3可以沿着上下方向运动。
所述供水系统1包括水箱1-1、智能液位控制器1-2、电磁阀Ⅰ1-3、电磁阀Ⅱ1-4、水泵1-5及水位探头1-6，所述智能液位控制器1-2和电磁阀Ⅰ1-3、电磁阀Ⅱ1-4、水泵1-5及水位探头1-6有线连接；所述水箱1-1顶部通过电磁阀Ⅰ1-3及水管和水泵1-5连接、底部通过电磁阀Ⅱ1-4及水管和模拟箱2水平管道2-1连接，所述水箱1-1内部设置多个水探头。所述供水系统1可提供多个不同的水压，同一水压利用2个水位探头1-6来监测维持，当水面低于低水位的水位探头1-6时，智能液位控制器1-2控制电磁阀Ⅰ1-3打开、电磁阀Ⅱ1-4关闭并利用水泵1-5加水，当正好水面触碰到高水位的水位探头1-6时，智能液位控制器1-2控制电磁阀Ⅰ1-3关闭、电磁阀Ⅱ1-4开打并控制水泵1-5停止加水。
所述模拟箱2水平管道2-1上方设有漏斗2-4用于添加粉砂，所述水箱1-1采用透明材料，且水箱1-1侧壁上具有刻度，水位探头1-6为抗腐蚀不锈钢探头。
本发明还提供一种基坑管涌图像采集装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：在所述模拟箱2的水平管道2-1添加粉砂、竖直管道2-2添加中粗砂7，并将多孔板5放置水平放置在中粗砂7内部；
步骤2：利用控制单元4控制LED灯10打开、并控制滑动单元9和升降单元8将相机3置于初始位置；初始位置一般位于竖直管道2-2的中心位置。
步骤3：利用供水系统1提供水压模拟管涌实验:在同一水压下，控制单元4控制滑动单元9和升降单元8控制电机沿着设定的拍摄轨迹进行拍摄并将图片发送至控制单元4进行存储，直至管涌现象终止，所示水平面上的拍摄轨迹根据多孔板5的孔位置进行确定，即能够准确拍摄到管涌细节图片；
步骤4：改变水压、LED灯10亮度、粉砂和中粗砂7的种类，重复上述步骤1到步骤3；
本实施例中采用三个阶段拍摄：第一阶段：先控制一样的水压、一样的LED灯10亮度进行拍摄不同种类的粉砂和中粗砂7的管涌图片，直至管涌完成；第二阶段：接着改变LED灯10亮度重述第一阶段拍摄；第三阶段：最后改变水压重复第二阶段拍摄；
步骤5：使用标记软件对存储单元里面的图片进行标记，圈出每张照片的管涌范围并保存。
上所述仅为本申请的部分优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基坑管涌图像采集装置，包括供水系统、模拟箱、相机及控制单元，其特征在于,所述模拟箱成L型，所述模拟箱水平管道内放置粉砂、竖直管道放置中粗砂，所述竖直管道还包含水平方向的多孔板，所述多孔板置于中粗砂内部，所述竖直管道和水平管道相互连通，所述模拟箱的水平管道另一端和供水系统相连；
所述模拟箱的竖直管道成顶端开口的长方体型，所述相机固定在升降单元的底部，所述升降单元顶端固定在滑动单元的滑块上，所述滑动单元滑动接于所述竖直管道中两个相对的侧壁顶端，所述竖直管道的侧壁还设置LED灯，所述控制单元和LED灯、相机连接；
所述滑动单元还包括齿条Ⅰ、步进电机Ⅰ、滑轮、滚动轴承Ⅰ，所述齿条Ⅰ两端分别通过滚动轴承Ⅰ和滑轮转动连接，所述滑轮外侧连接步进电机Ⅰ，所述竖直管道中两个相对的侧壁顶端设有滑轨，所述滑轮滑动接于滑轨内；所述滑块内部固定步进电机Ⅱ、两侧设有和齿条Ⅰ方向相同的限位槽，所述步进电机Ⅱ两侧均固定连接滑动杆，所述滑动杆沿着垂直齿条Ⅰ方向放置且另一端和滑块内部侧壁转动连接，所述限位槽顶部开口，所述齿条Ⅰ穿过限位槽且和滑动杆上的齿轮Ⅰ卡接实现滑块沿着齿条Ⅰ滑动；
所述控制单元还和步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ连接；
所述升降单元包括伸缩杆、步进电机Ⅲ、齿条Ⅱ及齿轮Ⅱ，所述步进电机Ⅲ的输出轴和齿轮Ⅱ连接，所述齿轮Ⅱ和齿条Ⅱ卡接，所述伸缩杆呈一端开口的圆柱型，所述齿条Ⅱ一端不固定、另一端穿过伸缩杆并固定在伸缩杆的底部，所述伸缩杆的末端固定相机；
所述供水系统包括水箱、智能液位控制器、电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、水泵及水位探头，所述智能液位控制器和电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、水泵及水位探头有线连接；所述水箱顶部通过电磁阀Ⅰ及水管和水泵连接、底部通过电磁阀Ⅱ及水管和模拟箱水平管道连接，所述水箱内部设置多个水探头。
2.根据权利要求1所述的基坑管涌图像采集装置，其特征在于，所述模拟箱水平管道上方设有漏斗用于添加粉砂。
3.根据权利要求1-2任一项所述的基坑管涌图像采集装置，其特征在于，所述水箱采用透明材料，且水箱侧壁上具有刻度，水位探头为抗腐蚀不锈钢探头。
4.根据权利要求1所述的一种基坑管涌图像采集装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在所述模拟箱的水平管道添加粉砂、竖直管道添加中粗砂，并将多孔板放置水平放置在中粗砂内部；
步骤2：利用控制单元控制LED灯打开、并控制滑动单元和升降单元将相机置于初始位置；步骤3：利用供水系统提供水压模拟管涌实验:在同一水压下，控制单元控制滑动单元和升降单元控制电机沿着设定的拍摄轨迹进行拍摄并将图片发送至控制单元进行存储，直至管涌现象终止；
步骤4：改变水压、LED灯亮度、粉砂和中粗砂的种类，重复上述步骤1到步骤3；
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