劉 亮，王 平，邢建春，謝立強

(中國人民解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

實用新型防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)*

劉 亮，王 平，邢建春，謝立強

(中國人民解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

通過對防波堤結(jié)構(gòu)損壞原因的分析，提出一種實用新型防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)。水上和水下部分分別利用無人機航拍和聲納成像進行巡檢，此方法方便全局監(jiān)測防波堤的隱患情況。

防波堤；無人機航拍；聲納成像；結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測

0 引言

防波堤作為港口水工建筑物，獨立建立某海域或與岸基相連接，其長度幾百米、幾千米及上萬米不等。防波堤的使命任務(wù)[1]是防御波浪、冰凌、泥沙、水中激流等入侵港口區(qū)域，為港口提供一個安全穩(wěn)定的掩蔽水域，保證港內(nèi)船舶的平穩(wěn)工作以及保護港內(nèi)各種設(shè)施和裝備的安全。

斜坡式防波堤對地基承載力要求較低，可建在水深較淺和地基松軟的海域，也可用于深水海域。由于斜坡式防波堤施工簡單，可充分利用當?shù)氐纳笆牧?，且消浪效果比較好，損壞后易于修復(fù)，因此是我國港口建設(shè)防波堤最常采用的結(jié)構(gòu)形式[2]之一，其結(jié)構(gòu)斷面圖如圖1所示。

圖1 防波堤斷面示意圖

通過對防波堤結(jié)構(gòu)損壞原因的分析[3]可知，由于防波堤的工作環(huán)境比較惡劣，易遭受狂風巨浪、地震、海嘯的強烈沖擊，導(dǎo)致防波堤護面塊體間易出現(xiàn)斷層，破壞了原本互相咬合的護面塊體間的穩(wěn)定性，繼而引發(fā)斜坡護面塊體扭工字塊的脫落、移位以及坍塌等一系列問題，最終破壞防波堤的坡面。由此引發(fā)的安全事故，不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，還將直接影響到港口內(nèi)工作人員的安全以及各種裝備設(shè)施的正常運轉(zhuǎn)。防波堤的造價成本非常高，通過對現(xiàn)有防波堤建設(shè)成本的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，防波堤建設(shè)的資金投入占整個港口建設(shè)總費用的50%～60%。而目前，已有相應(yīng)的防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方案被提出并開始應(yīng)用，但工作效率較低，主要依靠潛水員的目測和卷尺測量，檢測結(jié)果無法很好地展示防波堤的整體面貌，且手工測量存在人為主觀因素，導(dǎo)致測量誤差較大，測量結(jié)果比較粗放。

基于對防波堤損壞危害的認識以及針對現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的不足，構(gòu)建一個有效可行的防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要(研究思路如圖2所示)，并已成為港口防波堤建設(shè)的重要組成部分，是近年來國內(nèi)外研究的重要課題。

圖2 研究思路

圖3 技術(shù)方案

1 技術(shù)方案

通過對提出的實用新型防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的細化分析，明確技術(shù)方案如圖3所示。對于水上部分，利用多旋翼無人機搭載云臺和攝像機對防波堤進行安全隱患檢測[4]，這種巡檢模式不僅結(jié)成果展現(xiàn)形式直觀清楚，而且極大地提高了檢測效率。利用聲納成像技術(shù)[5-8]來獲取斜坡式防波堤水下部分的整體面貌，對圖像分辨率和位置定位有較高的要求，并且水下無人航行器[9]相比船舶攜帶成像設(shè)備，更加適應(yīng)海況。最后，將兩部分結(jié)合起來，以便用來全面地參照分析防波堤的安全隱患情況。

2 防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)

2.1 防波堤水上部分

在無人機技術(shù)越發(fā)成熟的背景下，首選多旋翼無人機對防波堤水上部分進行安全隱患監(jiān)測。無人機沿防波堤飛行，獲取具有一定重疊度并且覆蓋完全的防波堤數(shù)碼照片，接著利用影像處理軟件獲取斜坡式防波堤的2D正射影像和3D數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)，得出防波堤水上部分的整體面貌。

無人機在防波堤上方沿中心線飛行，利用GPS定位記錄拍攝路徑，隨照片一起傳入計算機，在后期處理圖像數(shù)據(jù)時結(jié)合定位信息，一來方便檢查防波堤的損壞嚴重程度，二來方便獲知損壞具體的位置，再結(jié)合防波堤實際運行情況，采取相應(yīng)的維護措施。

除了波浪沖擊、水中激流等常規(guī)事件外，防波堤的損壞還是一個由量變引起質(zhì)變的緩慢動態(tài)變化過程，利用無人機對防波堤進行檢查可以達到對防波堤水上部分全覆蓋的效果，通過對多次檢查的結(jié)果進行比對，能夠及時發(fā)現(xiàn)防波堤的破壞、形變情況，為防波堤的損傷規(guī)律研究提供詳細數(shù)據(jù)信息。

2.2 防波堤水下部分

通過水下無人航行器搭載聲納成像設(shè)備沿防波堤航行[10]，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。為獲得圖像清楚、位置關(guān)系準確、覆蓋完全的防波堤斜坡面貌圖，首先，因聲納數(shù)據(jù)的特殊性，需對原始聲納數(shù)據(jù)進行解碼和濾波；其次，由于每幅圖片之間位置關(guān)系比較模糊，需對每幅圖片進行斜距校正和速度校正；然后，利用聲納數(shù)據(jù)頭文件中的GPS定位信息對整幅圖像的位置進行校正和轉(zhuǎn)換；最后，利用OpenCV或MATLAB軟件對圖像進行一系列的銳化、分割、增強以及匹配等運算，再結(jié)合防波堤自身的連續(xù)性，對圖像進行修補和拼接，從而實現(xiàn)防波堤水下部分面貌的計算機整體繪制。

通過圖像拼接技術(shù)將防波堤水上部分和水下部分融合起來，呈現(xiàn)出防波堤的整體面貌的全景圖，并結(jié)合防波堤斜坡護面塊體的施工安裝情況，在港口岸基后方監(jiān)測管理中心建造“防波堤比例模型”，方便用來更加精準地對照分析防波堤的損壞情況以及具體的損傷位置，為防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測提供一種可靠有效的預(yù)警機制。

3 結(jié)論

本文首先對防波堤的研究現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)損壞機理進行了介紹，并針對現(xiàn)有監(jiān)測手段的缺點進行了分析，提出了一種實用新型防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)。通過利用無人機對防波堤水上部分進行航拍和利用無人航行器掛載聲納成像設(shè)備對水下部分進行巡檢，結(jié)合圖像拼接技術(shù)，呈現(xiàn)防波堤斜坡面的整體面貌，全面監(jiān)測防波堤的結(jié)構(gòu)損傷情況，以便及時對其進行修復(fù)，并在后期的日常檢測中重點關(guān)注易損部位。同時，通過分析防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，可進一步了解防波堤在不同水域的實際工作情況和結(jié)構(gòu)損壞機理，為以后優(yōu)化防波堤的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更加科學合理的依據(jù)。

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The utility model breakwater structure safety monitoring system

Liu Liang，Wang Ping，Xing Jianchun，Xie Liqiang

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007,China)

By analyzing the structure of the breakwater damage reason, we propose a utility model breakwater structure safety monitoring system. Above water using the UAV aerial photography, the underwater part is monitored using sonar imaging equipment.By this method it is easy to detect hidden cases globally breakwater.

breakwater; UAV aerial photography; sonar imaging; structural safety monitoring

國家自然科學基金(51505499)

U656.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.023

劉亮，王平，邢建春，等.實用新型防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(4)：78-79，83.

2016-08-31)

劉亮,(1993-)，通信作者，男,碩士研究生，主要研究方向：計算機視覺與圖像處理。E-mail：18262281433@163.com。

王平(1970-)，男，碩士，教授，主要研究方向：國防工程智能化。

邢建春(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：計算機視覺與圖像處理、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、智能控制。