CN114719755A - 一种基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置及监测、安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置及监测、安装方法，装置包括保护套管，一端通过第一柔性波纹管与基准点密封固定连接，另一端通过第二柔性波纹管与船闸闸墙之间密封固定连接；钢丝线，设置在所述保护套管内，其一端通过长度可伸缩单元与基准点连接，另一端与船闸闸墙连接，钢丝线上设有指示标志；观测尺，设置在所述保护套管内且与所述钢丝线平行布置，观测尺上带有温度计；图像采集单元，设置在所述保护套管内，正对所述观测尺；无线通信模块，用于将所述图像采集单元拍摄的图像信号传输给外部图像处理器。本发明基于主动土压力理论，通过识别图像中钢丝线上指示标志的刻度反映闸墙水平位移变化，能够实时、准确地监测船闸闸墙的水平位移。
Description
技术领域
本发明涉及视觉识别领域，尤其涉及一种基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置及监测、安装方法。
背景技术
船闸闸墙在施工及运行过程中，在结构内力及外部荷载作用下会产生向内水平位移，监测船闸闸墙位移变化能够对船闸闸墙的稳定性进行判断，通过位移的变化量确定船闸闸墙结构的状态是否在安全范围内，以此为标准对可能发生的事故及时、准确进行预警。
目前船闸工程通常采用测斜仪进行船闸闸墙的位移测量，或者采用交会法测量位移变化量，这些方法通常为人工观测，且效率低、工作量大，另一种为卫星定位方法，如GPS观测，成本较高。对船闸闸墙位移监测，采用位移计改造也可实现监测功能，传统位移计中应用的传感器类型有电感式、电容式、光电式、超声波式、霍尔式，上述传感器通过将被测物理量转化成电量，再经过相应的换算进行位移监测，但传统位移计埋设在结构中后，无法远程人工校核数据并确定其工作状态，且不能避免由于数据漂移而引起的误差。
现阶段，数字图像处理技术日趋成熟，以可视化、便捷性、高精度等优势成为工程研究领域的重点，本发明应用机器视觉和图像识别技术进行船闸闸墙水平位移监测仪器的设计和工程观测。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提出一种基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置及监测、安装方法，通过自动识别图像中钢丝线上固定指示标志点处的刻度变化，实时监测船闸闸墙的水平位移，本发明满足了工程中对于船闸闸墙位移高精度、低成本、实时监测与复核的需求。
技术方案：为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置，包括：
保护套管，一端通过第一柔性波纹管与基准点密封固定连接，另一端通过第二柔性波纹管与船闸闸墙之间密封固定连接，保护套管内具有空腔；
钢丝线，设置在所述保护套管的空腔内，其一端通过长度可伸缩单元与基准点连接，另一端与船闸闸墙连接，钢丝线上设有指示标志；
观测尺，设置在所述保护套管内且与所述钢丝线平行布置，观测尺上带有温度计；
图像采集单元，设置在所述保护套管内，正对所述观测尺；
无线通信模块，用于将所述图像采集单元拍摄的图像信号传输给外部图像处理器。
还包括保护外壳，固定在保护套管内，保护外壳为两端开口设置，保护外壳一端位于靠近基准点的一侧，所述钢丝线的一部分、观测尺、图像采集单元以及无线通信模块均设置在所述保护外壳内。
所述图像采集单元包括摄像头和补光单元，所述摄像头和补光单元均固定在所述保护外壳的内壁一侧，所述观测尺固定在所述保护外壳的内壁另一侧。
所述补光单元为红外补光单元。
所述长度可伸缩单元为弹簧。
还包括电源模块，用于向所述图像采集单元和无线通信模块供电。
本发明进一步公开了一种船闸闸墙水平位移监测方法，基于所述基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置，包括以下步骤：
（1）、响应位移变化：船闸闸墙发生水平位移时，船闸闸墙带动钢丝线伸长，钢丝线上的指示标志位置随之变化；
（2）、采集位移图像：通过无线通信模块远程控制图像采集单元采集图像，图像内容包括指示标志、观测尺和温度计刻度；
（3）、图像预处理：获取图像后，通过所述无线通信模块将图像信号发送至外部处理器，外部图像处理器对所采集图像进行灰度化、平滑处理、形态学等操作，形成预处理图像；
（4）、匹配及定位：根据预制模板库，对预处理图像进行模板匹配，通过定位指示标志和观测尺刻度位置得到当前状态刻度位移值；
（5）、图像信息识别：
根据刻度数字和指示标志的相对位置关系计算船闸闸墙水平位移，依据匹配结果确定指示标志中心点位置的水平坐标
和刻度数字的水平坐标
，根据坐标差值和刻度数字的取值计算钢丝线上指示标志的水平位移
；
（6）、温度位移修正：材料会随温度的变化而膨胀或收缩，通过图像识别提取温度值，根据测量状态与初始状态的温度差值计算由于温度变化钢丝线产生的位移，对船闸闸墙位移变化值进行修正，得到精确值，公式如下：
式中：
——指示标志的水平位移；
本发明进一步公开了一种基于所述基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置的安装方法，包括以下步骤：
（a）、基准点选址：基准点设置于距离船闸闸墙高度5~10倍距离且不易产生位移的位置，远离可能存在的破环面；
（b）、沟槽开挖：根据已确定的基准点垂直向船闸闸墙位置开挖沟槽，要求开挖基础平整夯实，深度为监测装置两倍；
（c）、监测装置安装：位移监测装置与保护套管固定安装，水平放置于预先开挖完成的槽内，钢丝线一端通过长度可伸缩单元安装于船闸闸墙、另一端安装于基准点，保护套管两端连接柔性波纹管，以适应地基沉降和土体变形，温度计以年平均地下温度刻度位置正对图像采集单元；
（d）、调平及调焦：设置完成后，观察初始成像效果，调整钢丝线垂直固定位置至水平状态，同时调节图像采集单元焦距至拍摄图像中钢丝线、刻度值、指示标志图像清晰可见；
（e）、图像处理系统：预制图像模板库，设置图像预处理、匹配及输出结果功能。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
（1）、本发明采用基于计算机视觉的图像识别系统进行位移监测，以弹簧的伸长量反映水平位移变化，并进行温度校正，可代替测斜仪进行位移测量，实现低成本工程监测。
（2）、本发明采用视觉识别技术，提取观测图像中的刻度值计算船闸闸墙的水平位移，结果直观、可靠，并且能够远程复核监测数据。
（3）、本发明中监测装置的设计、安装及监测方法能够适应地基沉降，在保护套管两端设置波纹管，不仅起到保护防水作用，同时能够适应土体变形。
（4）、本发明所述的安装方法基于土力学理论，当钢丝线足够长时，即使船闸闸墙同时发生水平和垂直位移，因船闸闸墙的垂直位移而产生钢丝线长度的变化量是垂直位移的高阶小量，仍可以准确计算水平位移变化值，能够良好的适应复杂工程条件。
附图说明
图1为本发明的应用示意图；
图2为本发明中位移监测装置示意图；
图3为本发明中位移监测装置俯视图；
图4为本发明中水平位移计算示意图；
图5为本发明中图像识别流程示意图。
1钢丝线、2拍摄系统、3控制芯片、4观测尺、5温度计、6保护外壳、7基准点、8保护套管、9柔性波纹管、10土体滑动面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
本发明公开了一种基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置及监测、安装方法。
如图1，整套监测装置设置于地基较浅处，以采集船闸闸墙上部最大水平位移，监测装置一端固定于船闸闸墙，一端固定于基准位置，整体采用保护套管连接，保护套管两侧为柔性波纹管以适应地基沉降和土体变形。
本装置配套方法基于主动土压力理论，船闸闸墙发生位移时，钢丝线随之伸长，该位移反映船闸闸墙水平位移变化，通过拍摄钢丝线上指示标志处的刻度值，计算其变化量确定船闸闸墙水平位移，并根据温差对位移进行修正，进一步，当钢丝线足够长时，船闸闸墙的垂直位移是钢丝线长度变化值的高阶小量，因此船闸闸墙的垂直位移对本装置的测量结果几乎没有影响。
如图2和图3，监测装置内部包括响应位移装置：一端固定于基准点的弹簧、连接弹簧与船闸闸墙的钢丝线、位于钢丝线上的指示标志；指示标志刻度装置：固定于保护外壳内部的观测尺及温度计；拍摄图像装置：固定于保护外壳内部且正对观测尺的可调焦镜头、红外补光灯和控制芯片。
其中，拍摄系统和控制芯片之间有图像数据传输带，并采用连接螺栓固定。
其中，控制芯片上包括无线通信模块、低压电源模块、USB数据接口和电源开关。
进一步，结合图1阐述监测装置的安装步骤：
（a）、基准点选址：基准点设置于距离船闸闸墙高度5~10倍距离且不易产生位移的位置，远离可能存在的破环面；
（b）、沟槽开挖：根据已确定的基准点垂直向船闸闸墙位置开挖沟槽，要求开挖基础平整夯实，深度为监测装置两倍；
（c）、监测装置安装：位移监测装置与保护套管固定安装，水平放置于预先开挖完成的槽内，钢丝线一端通过长度可伸缩单元安装于船闸闸墙，另一端安装于基准点，保护套管两端连接柔性波纹管，以适应地基沉降和土体变形，温度计以年平均地下温度刻度位置正对图像采集单元；
（d）、调平及调焦：设置完成后，观察初始成像效果，调整钢丝线垂直固定位置至水平状态，同时调节图像采集单元焦距至拍摄图像中钢丝线、刻度值、指示标志图像清晰可见；
（e）、图像处理系统：预制图像模板库，设置图像预处理、匹配及输出结果功能。
进一步结合图4和图5说明船闸闸墙水平位移监测方法步骤：
（1）、响应位移变化：船闸闸墙发生水平位移时，船闸闸墙带动钢丝线伸长，钢丝线上的指示标志位置随之变化；
（2）、采集位移图像：通过无线通信模块远程控制图像采集单元采集图像，图像内容包括指示标志、观测尺和温度计刻度；
（3）、图像预处理：获取图像后，通过所述无线通信模块将图像信号发送至外部处理器，外部图像处理器对所采集图像进行灰度化、平滑处理、形态学等操作，形成预处理图像；
（4）、匹配及定位：根据预制模板库，对预处理图像进行模板匹配，通过定位指示标志和观测尺刻度位置得到当前状态刻度位移值；
（5）、图像信息识别：
根据刻度数字和指示标志的相对位置关系计算船闸闸墙水平位移，依据匹配结果确定指示标志中心点位置的水平坐标
和刻度数字的水平坐标
，根据坐标差值和刻度数字的取值计算钢丝线上指示标志的水平位移
；
（6）、温度位移修正：材料会随温度的变化而膨胀或收缩，通过图像识别提取温度值，根据测量状态与初始状态的温度差值计算由于温度变化钢丝线产生的位移，对船闸闸墙位移变化值进行修正，得到精确值，公式如下：
式中：
——指示标志的水平位移；
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置，其特征在于，包括：
保护套管，一端通过第一柔性波纹管与基准点密封固定连接，另一端通过第二柔性波纹管与船闸闸墙之间密封固定连接，保护套管内具有空腔；
钢丝线，设置在所述保护套管的空腔内，其一端通过长度可伸缩单元与基准点连接，另一端与船闸闸墙连接，钢丝线上设有指示标志；
观测尺，设置在所述保护套管内且与所述钢丝线平行布置，观测尺上带有温度计；
图像采集单元，设置在所述保护套管内，正对所述观测尺；
无线通信模块，用于将所述图像采集单元拍摄的图像信号传输给外部图像处理器。
2.根据权利要求1所述的基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置，其特征在于，还包括保护外壳，固定在保护套管内，保护外壳为两端开口设置，保护外壳一端位于靠近基准点的一侧，所述钢丝线的一部分、观测尺、图像采集单元以及无线通信模块均设置在所述保护外壳内。
3.根据权利要求1所述的基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置，其特征在于，所述图像采集单元包括摄像头和补光单元，所述摄像头和补光单元均固定在所述保护外壳的内壁一侧，所述观测尺固定在所述保护外壳的内壁另一侧。
4.根据权利要求3所述的基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置，其特征在于，所述补光单元为红外补光单元。
5.根据权利要求1所述的基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置，其特征在于，所述长度可伸缩单元为弹簧。
6.根据权利要求1所述的基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置，其特征在于，还包括电源模块，用于向所述图像采集单元和无线通信模块供电。
7.一种船闸闸墙水平位移监测方法，其特征在于，基于权利要求1~6中任一所述基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置，包括以下步骤：
（1）、响应位移变化：船闸闸墙发生水平位移时，船闸闸墙带动钢丝线伸长，钢丝线上的指示标志位置随之变化；
（2）、采集位移图像：通过无线通信模块远程控制图像采集单元采集图像，图像内容包括指示标志、观测尺和温度计刻度；
（3）、图像预处理：获取图像后，通过所述无线通信模块将图像信号发送至外部处理器，外部图像处理器对所采集图像进行灰度化、平滑处理、形态学等操作，形成预处理图像；
（4）、匹配及定位：根据预制模板库，对预处理图像进行模板匹配，通过定位指示标志和观测尺刻度位置得到当前状态刻度位移值；
（5）、图像信息识别：根据刻度数字和指示标志的相对位置关系计算船闸闸墙水平位
移，依据匹配结果确定指示标志中心点位置的水平坐标
和刻度数字的水平坐标
，根
据坐标差值和刻度数字的取值计算钢丝线上指示标志的水平位移
；
（6）、温度位移修正：材料会随温度的变化而膨胀或收缩，通过图像识别提取温度值，根据测量状态与初始状态的温度差值计算由于温度变化钢丝线产生的位移，对船闸闸墙位移变化值进行修正，得到精确值，公式如下：
式中：
——指示标志的水平位移；
8.一种基于权利要求1~6中任一所述基于视觉识别的船闸闸墙水平位移监测装置的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）、基准点选址：基准点设置于距离船闸闸墙高度5~10倍距离且不易产生位移的位置，远离可能存在的破环面；
（b）、沟槽开挖：根据已确定的基准点垂直向船闸闸墙位置开挖沟槽，要求开挖基础平整夯实，深度为监测装置两倍；
（c）、监测装置安装：位移监测装置与保护套管固定安装，水平放置于预先开挖完成的槽内，钢丝线一端通过长度可伸缩单元安装于船闸闸墙、另一端安装于基准点，保护套管两端连接柔性波纹管，以适应地基沉降和土体变形，温度计以年平均地下温度刻度位置正对图像采集单元；
（d）、调平及调焦：设置完成后，观察初始成像效果，调整钢丝线垂直固定位置至水平状态，同时调节图像采集单元焦距至拍摄图像中钢丝线、刻度值、指示标志图像清晰可见；
（e）、图像处理系统：预制图像模板库，设置图像预处理、匹配及输出结果功能。
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| CN114719755B (zh) | 2024-02-20 |
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| PB01 | Publication | ||
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