基于視頻圖像識別的邊坡安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

卿啟維，張志輝，李均

（國能大渡河革什扎水電開發(fā)有限公司，四川 甘孜州丹巴縣 626300）

邊坡常處于地勢險(xiǎn)要地段，地理環(huán)境復(fù)雜多變，穩(wěn)定狀態(tài)不同，常因監(jiān)控不到位造成損失，危及項(xiàng)目及人員安全。為了降低邊坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，勢必要加大對邊坡安全防治的投入，設(shè)計(jì)出基于視頻圖像識別的邊坡安全預(yù)警系統(tǒng)，開展基于視頻圖像識別的邊坡變形和穩(wěn)定性實(shí)時連續(xù)監(jiān)測及智能預(yù)測研究，對邊坡安全的管理具有重要的意義。

1 基于視頻圖像識別的邊坡安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

基于視頻圖像識別的邊坡安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中最重要的是傳感器的選擇。位移參數(shù)由expV-800監(jiān)測，頻率約1600MHz，功耗200mW，使用標(biāo)準(zhǔn)接口。邊坡傳感器為壓力型，范圍在0~145mpa，輸出信號為5~25mA。內(nèi)部參數(shù)測量采用硅固定儀，傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)接口輸出鉆孔安裝，可有效監(jiān)測邊坡位移的內(nèi)部情況。輸出端和微固定傾斜儀通過接口連接到無線傳感器，接口可通過簡單的轉(zhuǎn)換接入壓力傳感器，滲透壓力傳感器和DLK傳感器輸出5~18mA電流，通過電流為0~7v電壓信號，轉(zhuǎn)換成可用的A/D轉(zhuǎn)換器電壓信號。數(shù)據(jù)采集電源模塊、CPU模塊和無線傳輸模塊需要電源來支持運(yùn)行。為了能夠讓邊坡安全預(yù)警系統(tǒng)在長時間內(nèi)使用，一般會選擇單功率在5w左右的太陽能電池板構(gòu)成電源組合部件，且要求在信號較強(qiáng)的地方使用，可以標(biāo)準(zhǔn)預(yù)警電壓和電流的檢測過程。根據(jù)傳感器輸出信號的方式，設(shè)計(jì)傳感器接口時，一定要考慮其使用節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一性，在分別連接5種傳感器時，一定要注意接口設(shè)計(jì)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 視頻圖像識別處理模塊

在提出的邊坡安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，視頻圖像災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過無線方式將監(jiān)測高邊坡的攝像頭直接連接到測控中心。系統(tǒng)用戶分為監(jiān)控中心管理員和普通用戶。監(jiān)控中心管理員具備系統(tǒng)提供的所有功能，包括邊坡信息管理、監(jiān)控類型信息管理、攝像頭信息管理、圖像模板特征數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)用戶信息管理、圖像信息查看和預(yù)警信息查看、確認(rèn)和預(yù)警消除；普通用戶只能查看動態(tài)邊坡監(jiān)控預(yù)警信息，不能添加、刪除、修改，圖1顯示了接收圖像信息的過程。

圖1 圖像信息識別流程

圖像識別子系統(tǒng)的功能是接收和存儲圖像，同時向圖像處理子系統(tǒng)發(fā)送圖像處理命令（包括圖像編號），使圖像處理子系統(tǒng)能夠?qū)D像進(jìn)行后續(xù)處理。圖像識別與傳輸終端定時或發(fā)送拍攝命令將拍攝的圖像傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器端對圖像進(jìn)行預(yù)處理、確定圖像名稱、保存圖像，將圖像相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫，這部分由圖像識別子系統(tǒng)完成。

1.2.2 有限元邊坡安全計(jì)算

數(shù)值模擬計(jì)算前坡需要建立邊坡滑坡的三維仿真模型，并進(jìn)行高精度的計(jì)算，要求廣泛應(yīng)用于數(shù)值模擬。數(shù)值模擬邊坡體并采取三維數(shù)值模擬的形式，三維有限元數(shù)值模擬比二維平面多了許多大型數(shù)值模擬計(jì)算，每個節(jié)點(diǎn)的位移有3個，應(yīng)力和應(yīng)變量也增加為6個，X，Y，Z 3個方向分別組件、結(jié)構(gòu)化六面體單元是六面體的最基本結(jié)構(gòu)單元，它是學(xué)習(xí)的基本單位——任意六面體和彎曲的六面體，因?yàn)闊o論什么樣的六面體都可以轉(zhuǎn)化為正六面體幾何映射，這樣的元素有良好的兼容性，如下式1所示。

式中，M為邊坡監(jiān)測點(diǎn)質(zhì)量矩陣；u為邊坡監(jiān)測點(diǎn)的X方向位移向量；C為邊坡監(jiān)測點(diǎn)的Y方向位移向量；K為邊坡監(jiān)測點(diǎn)剛度矩陣；F為邊坡監(jiān)測點(diǎn)彈性模量。離散單元法與有限元數(shù)值計(jì)算、位移法在結(jié)構(gòu)力學(xué)中的相似之處，第一步要求將連續(xù)矩陣轉(zhuǎn)化為離散的單元矩陣，將連續(xù)的節(jié)點(diǎn)相互連接在一起，對桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散分析，單元之間可以存在3邊或4邊的平面構(gòu)架，也可以存在4面或6面的空間架構(gòu)，之后依照類似的離散結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移分析，并調(diào)用位移形狀函數(shù)公式，使用有限元法進(jìn)行計(jì)算，公式可以通過位移模態(tài)導(dǎo)出，位移的模態(tài)選擇和有限元法的計(jì)算收斂精度息息相關(guān)，想要最大程度上反映真實(shí)位移，就一定要滿足位移單元的剛體要求。

1.2.3 安全預(yù)警數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)采集一般會花費(fèi)12h左右的檢測時間，因?yàn)檫吰率Х€(wěn)過程異常緩慢，具體安全預(yù)警數(shù)據(jù)采集流程，如圖2所示。

圖2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集流程

接收到路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，該數(shù)據(jù)若是與節(jié)點(diǎn)之前的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)相似，數(shù)據(jù)就不會被發(fā)送匯聚；若是檢測差異超標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)被再次監(jiān)視可能存在的異常。使用無線通信來監(jiān)聽，在節(jié)點(diǎn)開啟之后會進(jìn)入無休眠時間的休息狀態(tài)，達(dá)到12h的休眠時間后就必須開啟數(shù)據(jù)采集，對所有內(nèi)容進(jìn)行發(fā)送處理，數(shù)據(jù)在發(fā)送和保存完畢之后繼續(xù)進(jìn)行休眠模式。在數(shù)據(jù)采集過程中，節(jié)點(diǎn)以1khz的速率接收和讀取數(shù)據(jù)，通過濾波對平均數(shù)值去掉最大和最小的2個數(shù)據(jù)并平均計(jì)算，最終數(shù)值就是本次采集的最終節(jié)點(diǎn)。

2 測試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在某邊坡進(jìn)行了測試。為了實(shí)現(xiàn)邊坡安全的及時、準(zhǔn)確監(jiān)測預(yù)警，必須從環(huán)境復(fù)雜性和安全監(jiān)測時效性的角度出發(fā)，采用硬件和軟件集成的方法開發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。在現(xiàn)有預(yù)測模型和穩(wěn)定性評估模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合視頻圖像識別系統(tǒng)，通過軟件編寫將模型導(dǎo)入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全天候無人采集、自動快速傳輸?shù)V區(qū)地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時計(jì)算與處理。監(jiān)測信息可視化和短信群發(fā)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)邊坡災(zāi)害全天24h獨(dú)立實(shí)時監(jiān)測預(yù)警。在Windows環(huán)境下開發(fā)了基于視頻圖像的坡度預(yù)警系統(tǒng)。具體開發(fā)環(huán)境如表1所示。

表1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

試驗(yàn)條件設(shè)置為壩體2側(cè)155m范圍內(nèi)部署10個節(jié)點(diǎn)，共5個路由節(jié)點(diǎn)。由于試驗(yàn)條件的限制和安全考慮，試驗(yàn)對地表位移進(jìn)行了1個半月的監(jiān)測。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述測試節(jié)點(diǎn)的部署，完成視頻圖像識別的采集及安全預(yù)警處理。視頻圖像數(shù)據(jù)的采集通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)，分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，將傳感器轉(zhuǎn)換為實(shí)際數(shù)值，視頻圖像存儲對存儲在數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)做出分解統(tǒng)計(jì)和顯示，列出了實(shí)驗(yàn)中提取的5個邊坡安全預(yù)警系統(tǒng)的測量結(jié)果，以及系統(tǒng)在5個地點(diǎn)應(yīng)用后對于不安全的預(yù)警誤差。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 表面位移測試誤差分析結(jié)果

對比5個預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的分析結(jié)果與實(shí)際位移情況，實(shí)驗(yàn)中的最小誤差為0.0004mm；測得最大誤差值均小于2mm，最大均方誤差為0.6108mm；平均誤差是測量誤差的數(shù)學(xué)期望，均小于1.2mm。誤差越小，坡度預(yù)警越準(zhǔn)確，預(yù)警的收斂性越強(qiáng)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過實(shí)例得到的數(shù)據(jù)誤差是穩(wěn)定的，本設(shè)計(jì)計(jì)算誤差穩(wěn)定，可以準(zhǔn)確獲得安全預(yù)警，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可以保證預(yù)警報(bào)告將在視頻圖像識別后的第一時間發(fā)布。

3 結(jié)語

由于自然條件等因素的影響，邊坡災(zāi)害越來越頻繁。基于視頻圖像的邊坡安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對邊坡地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)防具有重要意義。