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        基于機(jī)器視覺的水閘動靜一體化位移監(jiān)測系統(tǒng)

        2022-09-28 09:23:28方衛(wèi)華徐孟啟
        江蘇水利 2022年9期
        關(guān)鍵詞:靶標(biāo)水閘監(jiān)測

        方衛(wèi)華,胡 豐,孫 勇,馬 聰,徐孟啟

        (1.水利部南京水利水文自動化研究所,江蘇 南京 210012;2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇 南京 210022;3.上海同禾工程科技股份有限公司,上海 200092;4.河海大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院,江蘇 南京 211100)

        1 概述

        近幾年來,水閘安全性問題已引發(fā)各方的高度重視。水利部不僅開展了大規(guī)模病險水閘除險加固建設(shè)工作,還于2018年頒布了水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水閘安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL—768)[1],這部規(guī)范可為今后的水閘建設(shè)及安全監(jiān)測工作提供了依據(jù)。然而受水閘運行狀態(tài)及環(huán)境影響,危及結(jié)構(gòu)安全的不確定因素較多[2],傳統(tǒng)監(jiān)測手段難以排查全部問題。

        目前水閘安全監(jiān)測很多都是套用大壩安全監(jiān)測技術(shù),實際上水閘作為薄壁鋼筋混凝土及金屬組合結(jié)構(gòu),長期受動水壓力作用,在波浪及流動水體的作用下,由于液固耦合作用水閘不僅僅存在與大壩一樣的靜態(tài)變形,同時也存在振動等動位移、動滲流和動應(yīng)力。位移監(jiān)測由于測值直觀、影響因素少,一直是安全監(jiān)測的首選項目。眾所周知,結(jié)構(gòu)振動過程中的振幅與頻率能反映結(jié)構(gòu)的健康狀況[3]。相對于靜態(tài)監(jiān)測而言,動態(tài)監(jiān)測在模態(tài)分析、損傷識別方面具有更高的優(yōu)勢,將動靜位移結(jié)合可以更好地分析結(jié)構(gòu)由于動靜力影響導(dǎo)致的安全風(fēng)險,更精準(zhǔn)地實現(xiàn)預(yù)測預(yù)警。目前在橋梁、高層建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中就采用了振動監(jiān)測方法[4],但在水閘結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測中還較少應(yīng)用。目前常規(guī)的電測振動傳感器均是接觸式傳感器,安裝布設(shè)和運行維護(hù)存在困難。

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器視覺技術(shù)已成為一種新的結(jié)構(gòu)振動量測方法[5],機(jī)器視覺通過算法將圖像轉(zhuǎn)換為位移數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)非接觸長期監(jiān)測。本文將結(jié)合以上技術(shù),提出一種基于云邊端協(xié)同的水閘振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案,以實現(xiàn)高精度、自動化、智能化監(jiān)測。

        2 系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 基本原理

        本系統(tǒng)采用機(jī)器視覺監(jiān)測原理,即攝像機(jī)固定在水工結(jié)構(gòu)端部的穩(wěn)定基點上(如無穩(wěn)定基巖則采用雙金屬標(biāo)結(jié)合倒垂修正),待監(jiān)測水工結(jié)構(gòu)的測點上設(shè)置靶標(biāo)(靶標(biāo)數(shù)量根據(jù)測點需要確定),當(dāng)被測物體發(fā)生位移時,靶標(biāo)坐標(biāo)也隨之變化,從而通過機(jī)器視覺技術(shù)可對靶標(biāo)進(jìn)行跟蹤計算,以得到相應(yīng)位置物體表面的位移?;驹砣鐖D1所示。

        圖1 機(jī)器視覺位移測量原理

        2.2 機(jī)器視覺算法

        2.2.1 圖像預(yù)處理

        圖像在拍攝過程中,受各種因素影響不可避免會產(chǎn)生噪聲,極大影響了圖像質(zhì)量。故在特征提取前,需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理,主要手段包括:直方圖變換和圖像平滑。

        直方圖是圖像最基本的統(tǒng)計特征,是圖像亮度分布的概率密度函數(shù),反映圖像的清晰程度。直方圖均勻分布時,圖像最清晰。直方圖均衡化就是將給定圖像的直方圖變換為均勻分布的直方圖,本系統(tǒng)采用直方圖變換。

        圖像平滑可消除圖像中的各類噪聲。如椒鹽噪聲是圖像中常見的一種噪聲,由信號的脈沖強(qiáng)度引起,表現(xiàn)為黑色和白色像素隨機(jī)出現(xiàn)在圖像上,可通過中值濾波方法來消除。中值濾波是基于排序統(tǒng)計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù),這種濾波器的優(yōu)點是運算簡單而且快速,在濾除疊加白噪聲和長尾疊加噪聲方面顯示出了極好的性能。中值濾波器在濾除噪聲的同時又能很好地保護(hù)細(xì)節(jié)信息(如邊緣、銳角等),本系統(tǒng)采用實用和計算復(fù)雜度小的中值濾波進(jìn)行圖像平滑處理。

        2.2.2 搜索靶標(biāo)區(qū)域

        將濾波平滑后的圖像經(jīng)過圖像分割得到二值圖,并進(jìn)行篩選,找到感興趣區(qū)域(ROI),這個步驟稱為搜索靶標(biāo)區(qū)域。主要手段包括:圖像分割、ROI篩選。

        圖像分割是將圖像分割為互不相交的區(qū)域,可通過圖像二值化來實現(xiàn)。若一幅圖像只含兩個灰度級,則稱這幅圖像為二值圖像。二值圖像具有存儲容量小,計算速度快,便于進(jìn)行布爾運算、提取目標(biāo)物的幾何特征的優(yōu)點。圖像二值化不等同于圖像黑白化,實質(zhì)是一種模式分類方法,即將用L個灰度級表示的圖像用兩個有特殊含義的灰度級來表示,一個灰度級表示背景,另一個灰度級表示前景。

        圖像經(jīng)過二值化后,即可根據(jù)目標(biāo)物的幾何特性、拓?fù)涮匦缘冗M(jìn)行形態(tài)學(xué)分析,篩選出感興趣區(qū)域(靶標(biāo)區(qū)域)即ROI篩選。

        2.2.3 特征提取匹配與位移計算

        通過二值圖篩選出靶標(biāo)區(qū)域后,便可利用特征提取匹配算法得到特征點坐標(biāo),進(jìn)而計算出目標(biāo)的真實位移。特征點可以選擇圖像亮度變化劇烈的點或圖像邊緣曲線上具有曲率極大值的點,常用的特征點檢測算法有Harris算法、Susan算法等[6]。

        2.2.4 算法流程

        按機(jī)器視覺方法測量靶標(biāo)位移算法流程如圖2所示,最終位移結(jié)果發(fā)送至云端保存。

        圖2 算法流程

        2.3 關(guān)鍵問題及解決方法

        2.3.1 日夜連續(xù)監(jiān)測問題

        采用可見光/紅外雙光相機(jī),同時采用夜間補(bǔ)光定位方式,相關(guān)相機(jī)技術(shù)指標(biāo)為系統(tǒng)分辨率:1/100 000FOV(視場范圍);圖像傳感器分辨率:不低于3 840×2 160;系統(tǒng)精度:±1/50 000FOV(視場范圍);測量距離:0~400 m;防護(hù)等級:IP65;工作溫度:-40~80℃。

        2.3.2 圖像處理速度問題

        為提高圖像處理速度,采用嵌入式系統(tǒng)邊緣計算方式,智能嵌入式系統(tǒng)與相機(jī)采用一體化設(shè)計,內(nèi)置AI算法能自動修正轉(zhuǎn)角及距離影響,無需測距與調(diào)平;自動進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正;去霧算法,克服水閘運行水霧以及天氣大霧影響;利用邊緣計算設(shè)備先將圖像轉(zhuǎn)換為位移數(shù)據(jù),再將位移數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云端,減少傳輸帶寬要求。

        2.3.3 溫度漂移問題

        全面考慮相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各部件熱影響以及溫度對紅外傳感器的影響,從儀器設(shè)備選型、配套溫度控制裝置以及恒溫保證裝置設(shè)計、溫度補(bǔ)償修正算法等方面入手,系統(tǒng)解決本變形監(jiān)測系統(tǒng)的溫度漂移問題。

        3 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

        3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

        水閘振動監(jiān)測系統(tǒng)包含硬件及軟件部分,為實現(xiàn)自動化的監(jiān)測及預(yù)警,監(jiān)測系統(tǒng)采用分層架構(gòu),分為傳感層、采集傳輸層和數(shù)據(jù)管理層,如圖3所示。傳感層為硬件層,類似于人類的感官系統(tǒng),通過傳感器采集各種物理量及環(huán)境量,包括位移、應(yīng)力、振動、噪聲、水情、雨情傳感器等;采集傳輸層為中間層,連接硬件層和軟件層,包括通用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和云數(shù)據(jù)服務(wù)接口部分,傳感器數(shù)據(jù)首先匯總到通用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),然后再由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送到云數(shù)據(jù)服務(wù)接口;數(shù)據(jù)管理層是軟件層,類似于人類的大腦,不僅保存數(shù)據(jù),還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及預(yù)測,通常部署在云端。

        圖3 監(jiān)測系統(tǒng)分層架構(gòu)

        3.2 機(jī)器視覺測量儀軟硬件集成

        機(jī)器視覺智能測量儀為裝有嵌入式系統(tǒng)的邊緣計算設(shè)備,軟硬件均采用分層架構(gòu)。硬件架構(gòu)包括通訊層、傳感層、計算層及電源層,如圖4所示。軟件架構(gòu)如圖5所示,將嵌入式系統(tǒng)軟件從下至上分為HAL(Hardware Abstraction Layer)層、基礎(chǔ)算法層、測量算法層與業(yè)務(wù)層,實現(xiàn)軟件與硬件的解耦,便于集成與測試。

        圖4 測量儀硬件架構(gòu)

        圖5 嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)

        HAL層負(fù)責(zé)實現(xiàn)硬件的虛擬化,包括CMOS感光芯片的驅(qū)動,通過MIPI協(xié)議,實現(xiàn)高清視頻圖像的傳輸;IRIS光圈驅(qū)動實現(xiàn)對鏡頭光圈的控制;通過FLASH抽象庫,實現(xiàn)片上存儲空間的驅(qū)動,用于測量數(shù)據(jù)的存儲;通過WIFI/網(wǎng)口Ethernet芯片驅(qū)動實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。其他上層模塊只需要調(diào)用HAL層的軟件接口,就可以實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)硬件的調(diào)用與集成。

        基礎(chǔ)算法層,提供上層多種基礎(chǔ)算法,包括矩陣計算、FFT、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、特征算子、圖像放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等線性變換。實現(xiàn)基礎(chǔ)算法復(fù)用,降低開發(fā)、測試與維護(hù)的成本。

        測量算法層,是在基礎(chǔ)算法層的基礎(chǔ)上,進(jìn)行圖像處理,獲取最終的微變形數(shù)據(jù)。包括圖像預(yù)處理、圖像分割與ROI區(qū)域選取、特征匹配、位移計算等重點算法。

        業(yè)務(wù)層,主要處理程序的業(yè)務(wù)邏輯,實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試、參數(shù)配置、測量流程控制、數(shù)據(jù)上傳等邏輯,用戶通過界面與該層進(jìn)行交互。

        本次監(jiān)測研發(fā)系統(tǒng)最高采樣頻率為60 Hz,監(jiān)測距離為0~400 m。機(jī)器視覺智能測量儀和靶標(biāo)通過定制支架安裝在既有觀測墩上,現(xiàn)場布設(shè)紅外補(bǔ)光燈確保夜間及雨霧天氣下觀測不受影響。

        3.3 數(shù)據(jù)管理平臺

        數(shù)據(jù)管理平臺部署在云端,由虛擬主機(jī)和數(shù)據(jù)庫組成,包含數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析程序,可實現(xiàn)以下功能:

        數(shù)據(jù)分析。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理。剔除異常數(shù)據(jù),建立異常數(shù)據(jù)檔案,由人工判斷產(chǎn)生原因。將正常數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫,并對數(shù)據(jù)做傅里葉變換,得到時域與頻率分布曲線。

        數(shù)據(jù)可視化。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化,建立Web端數(shù)據(jù)顯示界面,可在瀏覽器中輸出位移、加速度等物理量變化曲線,可視化界面如圖6所示。

        圖6 數(shù)據(jù)可視化界面

        監(jiān)測與預(yù)警。通過數(shù)據(jù)監(jiān)測,可實時獲取水閘的振動頻率和振幅,得到結(jié)構(gòu)剛度的變化趨勢,掌握水閘的健康狀態(tài)。建立分級預(yù)警管理制度,預(yù)警等級根據(jù)測項的實測值占最終控制值的占比分為三級(70%)、二級(80%)、一級(100%)3個級別,當(dāng)處于不同預(yù)警等級時,采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

        4 室內(nèi)及現(xiàn)場測試

        4.1 室內(nèi)測試

        室內(nèi)測試選擇在高精密三坐標(biāo)機(jī)器,采用高精密絲桿(參考螺旋測微器設(shè)計)驅(qū)動標(biāo)靶做二維運動,標(biāo)靶位移由本系統(tǒng)和二維激光變形監(jiān)測裝置同步測量。為盡量逼近室外環(huán)境,率定室不設(shè)空調(diào),窗口敞開,經(jīng)過一個完整年周期試驗測量。由于激光DIC測值精度為0.01 mm,所以以此為基準(zhǔn),每天測量一次,共獲得365對本裝置與激光測值。計算誤差得到水平方向為0.28 mm、豎直方向0.36 mm。

        4.2 現(xiàn)場測試

        選擇典型水閘,要求其位于水閘工程上下游水頭變化幅度盡可能大、頻次盡可能頻繁,以檢驗本系統(tǒng)動態(tài)測量能力;選擇盡可能水霧或大霧天氣比較多的地方,以檢驗環(huán)境因素對本系統(tǒng)的影響;選擇已經(jīng)安裝運行穩(wěn)定變形監(jiān)測系統(tǒng),以檢驗本系統(tǒng)的測量精度。

        綜合以上方面,選擇的典型工程特征如下:工程為Ⅰ等工程,主要建筑物擋潮泄洪閘、堵壩、岸墻、翼墻組成,擋潮泄洪閘總凈寬560 m,閘底板高程-0.5 m,共設(shè)28孔,閘孔凈寬采用20.0 m。擋潮閘垂直水流方向總長697 m,順?biāo)鞣较蜷L502.5 m。工程于2005年12月29日開工,全部工程于2007年4月22日完工。經(jīng)過水位變化3個月的測量與已有引張線-靜力水準(zhǔn)變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)同步監(jiān)測,采用誤差傳導(dǎo)公式得到本系統(tǒng)水平方向測值精度計算中誤差為0.88 mm、豎直方向測值精度計算中誤差得到0.96 mm。圖7為10月4—5日夜間(18:00—次日06:00)時間段內(nèi)1~6號靶標(biāo)水平和豎向位移與江水位對比情況,靶標(biāo)水平位移以順江流向為正,靶標(biāo)豎向位移以向上為正。

        圖7 試測位移變化曲線

        由圖9可知:(1)水平方向上隨著漲潮和潮水有倒,在壓力差作用下,閘體產(chǎn)生向上游的位移,當(dāng)潮水達(dá)到最高水位時,閘體的水平位移也幾乎同步達(dá)到極值,隨后伴隨退潮,壓力消散,閘體水平變形恢復(fù);(2)豎向方向上,漲潮時閘體有上浮的趨勢,當(dāng)潮水達(dá)到最高水位時,閘體的豎向位移也幾乎同步達(dá)到極值,隨后伴隨退潮,壓力消散,閘體豎向變形恢復(fù)。

        由此可見,本系統(tǒng)能精準(zhǔn)捕捉水閘變形,發(fā)現(xiàn)常規(guī)監(jiān)測難以發(fā)現(xiàn)的變形規(guī)律。

        4.3 綜合技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)特點

        4.3.1 綜合技術(shù)指標(biāo)

        根據(jù)室內(nèi)外試驗結(jié)果綜合分析,考慮到各類誤差傳導(dǎo),確定本系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)如下:

        (1)監(jiān)測物理量:同時測量豎向與水平二維位移;(2)最高采樣頻率:60 Hz;(3)位移測量精度:水平1 mm,豎直1.2 mm(視場范圍);(4)測量距離:0~400 m;(5)防護(hù)等級:IP65;(6)工作溫度:-40~80℃;(7)系統(tǒng)功率7~10 W;(8)通訊接口:Ethernet(支持POE供電)。

        經(jīng)過與相應(yīng)科研項目要求對比發(fā)現(xiàn),本技術(shù)指標(biāo)全面達(dá)到或超過任務(wù)書要求。

        4.3.2 系統(tǒng)特點

        非接觸式測量,安裝調(diào)試方便,不受現(xiàn)場惡劣環(huán)境干擾,不影響水閘的正常運行,適合在大中小各類型水閘中使用。

        測量精度高,有效測量精度可達(dá)1/50 000視場角,對水閘可實現(xiàn)亞毫米級位移監(jiān)測。

        實時數(shù)據(jù)提取,利用邊緣計算設(shè)備,可直接提取水閘位移及振動數(shù)據(jù),避免了圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延時。

        實現(xiàn)靜動力全監(jiān)測,由位移監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅能得到水閘的動態(tài)響應(yīng),還能獲取水閘長期沉降及變形情況。

        自動化智能化監(jiān)測,從位移測量到分析預(yù)警全過程均由智能程序?qū)崿F(xiàn),無需人工操作。

        5 結(jié)論

        本文基于邊緣計算與機(jī)器視覺技術(shù)研制了水閘變形一體化監(jiān)測系統(tǒng),室內(nèi)和現(xiàn)場測試表明,系統(tǒng)綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過項目任務(wù)書要求,具有進(jìn)一步在示范工程應(yīng)用推廣的條件。

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