余浙科

（象山縣土地勘測(cè)有限公司，浙江 寧波 315000）

尾礦壩是礦石經(jīng)過(guò)萃取、提煉、選別出精礦后，剩下的廢物構(gòu)成了一座特殊的礦山工業(yè)構(gòu)筑物，一般位于山谷之中。當(dāng)尾礦壩的穩(wěn)定性較差時(shí)，容易發(fā)生潰壩事故，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，周邊的居民生命財(cái)產(chǎn)安全也會(huì)受到威脅。而穩(wěn)定性不足的前期表現(xiàn)就是壩體變形。因此對(duì)尾礦壩壩體變形進(jìn)行檢測(cè)是保證礦區(qū)安全生產(chǎn)最重要的內(nèi)容[1]。

傳統(tǒng)的尾礦壩壩體變形監(jiān)測(cè)方法中，采用的固定翼無(wú)人機(jī)在這種不確定、非線性系統(tǒng)上的控制效果不理想，因此本文對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)在尾礦壩壩體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。多翼無(wú)人機(jī)相對(duì)比與固定翼無(wú)人機(jī)，可以垂直起降，頂點(diǎn)盤(pán)旋，對(duì)于尾礦壩壩體的監(jiān)測(cè)拍照更加穩(wěn)定。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)在尾礦壩壩體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

1.1 設(shè)計(jì)多旋翼無(wú)人機(jī)圖像采集模塊

本文使用多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)尾礦壩壩體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，飛行空間有限，多旋翼無(wú)人機(jī)具有垂直起降和懸停功能，其機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性較好。在多旋翼無(wú)人機(jī)中，主要分為兩部分，一部分為機(jī)載控制部分，另一部分為地面遙測(cè)監(jiān)控。在機(jī)載控制部分中，包括視覺(jué)模塊與飛行控制模塊，飛行控制模塊通過(guò)電調(diào)與DC電機(jī)相連，除此之外，接收機(jī)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、超聲波高度計(jì)都與控制模塊相連；視覺(jué)模塊由云臺(tái)、攝像頭、圖像處理器等構(gòu)成，與飛行控制模塊之間通過(guò)圖像處理器相連接。其中攝像頭是多旋翼無(wú)人機(jī)中最重要的傳感器，為了精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)尾礦壩壩體變形監(jiān)測(cè)，攝像頭選擇的是CMOS型號(hào)150°廣角攝像頭，其分辨力為1920＊1080，配備USB2.0接口，幀速最大能夠達(dá)到1080P，焦距最小為10mm，畸變指數(shù)最大為2%，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用在無(wú)人機(jī)上比較輕便。攝像頭要與圖像處理器連接，方便讀取視頻。利用云臺(tái)固定攝像頭，使其保證無(wú)論無(wú)人機(jī)處于何種飛行姿態(tài)時(shí)，攝像頭始終保持垂直向下。本文選擇的云臺(tái)為T(mén)AROT Gopro二軸無(wú)刷云臺(tái)，能夠分別控制滾轉(zhuǎn)通道和俯仰通道，滾轉(zhuǎn)角的控制范圍為-45°～45°，俯仰角的控制范圍為-135°～90°，這兩通道的控制精度均可達(dá)到0.1°[2]。圖像處理器主要負(fù)責(zé)將視頻圖像轉(zhuǎn)化為需要的數(shù)據(jù)信息并經(jīng)過(guò)串口發(fā)送給飛行控制模塊，在選型上也要考慮重量和大小的問(wèn)題。

1.2 數(shù)據(jù)建模

尾礦壩壩體的變形是一種不確定的非線性的動(dòng)力系統(tǒng)，涉及到水土力學(xué)、流體力學(xué)等方面的知識(shí)，其影響因素包括水位、干灘長(zhǎng)度、壩體高度等，造成尾礦壩壩體不均勻沉降等，發(fā)生變形。要實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體的監(jiān)測(cè)，就要對(duì)壩體的形變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，深度挖掘數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并建立壩體預(yù)測(cè)模型。伴隨著自動(dòng)控制工程和材料領(lǐng)域的發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)具備實(shí)施性強(qiáng)、成本低、機(jī)動(dòng)靈活、幾乎不受場(chǎng)地限制等有優(yōu)勢(shì)，成為快速獲得地理數(shù)據(jù)的有效平臺(tái)。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載多臺(tái)傾斜攝影傳感器，從垂直和多個(gè)傾斜角度同時(shí)獲取影像，突破傳統(tǒng)航測(cè)從垂直角度拍攝的局限，尾礦壩壩體的數(shù)據(jù)主要由多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)量獲得，工作原理是利用相同的飛行軌跡KML文件，在相同天氣、風(fēng)速條件下，多時(shí)段觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。機(jī)載傳感器測(cè)量讀數(shù)時(shí)，每距離0.24m測(cè)讀一次，直至測(cè)斜管的管口頂部，把這組讀數(shù)記作L，為使測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)化，在電纜0.24m作有一個(gè)標(biāo)記。取出測(cè)斜管中的探頭，旋轉(zhuǎn)180°后再測(cè)得到另組記作L'讀數(shù)。通過(guò)（L,L'）的兩組讀數(shù)，計(jì)算出垂直位置各點(diǎn)的水平偏移量，土體變形動(dòng)態(tài)變化，從而使得無(wú)人機(jī)測(cè)得的偏移量不斷積累，本文采用支持向量機(jī)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)建模，這是一類(lèi)以結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理為基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，最初是用來(lái)解決模式識(shí)別，目前已經(jīng)擴(kuò)展到各行各業(yè)非線性問(wèn)題的解決應(yīng)用中。該方法更容易訓(xùn)練，并不需要預(yù)先鋪設(shè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此在圖像識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用比較多。支持向量機(jī)是通過(guò)非線性映射將樣本映射帶高維特征空間。通過(guò)非線性映射函數(shù)將訓(xùn)練樣本映射到更高維的特征空間，并進(jìn)行線性回歸，構(gòu)建出超平面或逼近函數(shù)，如下式所示：

上式中，N為測(cè)量中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，b表示偏置值，wi表示權(quán)向量，xi表示輸入樣本，經(jīng)過(guò)映射變換，能夠求出不敏感損失函數(shù)，并引入大于0的正則化參數(shù)。

非線性映射函數(shù)挖掘過(guò)程中，需要對(duì)尾礦壩體變形測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)價(jià)，利用計(jì)算公式得到模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值，如下所示：

尾礦壩體變形監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)的各種實(shí)際問(wèn)題，預(yù)測(cè)函數(shù)表示方式有所差異，有針對(duì)性的監(jiān)理預(yù)測(cè)模型，才可以反映出尾礦壩壩體變形測(cè)量的精確度。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

本文實(shí)驗(yàn)中選擇某地一處上游式尾礦筑壩山谷型尾礦壩壩體，堆積高度約為67.33m，壩體長(zhǎng)約586m，尾礦壩的整體容積達(dá)到590萬(wàn)立方米，尾礦壩周?chē)巧狡拢掠斡写笮退畮?kù)重要設(shè)施和居民區(qū)，為三等尾礦庫(kù)。在該尾礦中布設(shè)壩體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，數(shù)量為10，監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的間距設(shè)定在40m～160m之間，并在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)布設(shè)3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，可以選擇比較牢固的土基上，并安裝保護(hù)設(shè)施。本次實(shí)驗(yàn)中航測(cè)采用的是多旋翼無(wú)人機(jī)，其航測(cè)性能指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)如下表所示：

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，將兩種監(jiān)測(cè)方法得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如下表所示：

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖1 不同方法對(duì)尾礦壩壩體變形量進(jìn)行測(cè)量結(jié)果圖

從上表中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在布設(shè)的10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，均出現(xiàn)了不同程度的壩體形變。將兩種監(jiān)控方法測(cè)到的監(jiān)控結(jié)果與實(shí)際人工測(cè)量得到的形變值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本文方法得到的監(jiān)測(cè)形變量更加接近人工測(cè)量的真實(shí)值，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的方法在對(duì)尾礦壩壩體變形監(jiān)測(cè)法過(guò)程中具有一定的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的尾礦壩數(shù)量多，穩(wěn)定性差，尾礦壩的穩(wěn)定情況關(guān)系著周?chē)用竦纳?cái)產(chǎn)安全和企業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)壩體出現(xiàn)面部位變形位移時(shí)，存在著很大的安全隱患，因此需要對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)的壩體位移監(jiān)測(cè)。本文將多旋翼無(wú)人機(jī)和監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，有利于即使了解尾礦壩壩體的運(yùn)行情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法的監(jiān)測(cè)精度更高。但由于技術(shù)等方面原因的限制，本文方法還有很多不足之處，本文的技術(shù)能夠?qū)ψ冃芜M(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)綜合分析出尾礦壩的穩(wěn)定性，因此在之后的工作中，還需要加強(qiáng)對(duì)尾礦壩的位移規(guī)律和穩(wěn)定性之間的探究。