劉亮，王平，邢建春，謝立強(qiáng)

　　(中國人民解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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

　　關(guān)鍵詞：防波堤；無人機(jī)航拍；聲納成像；結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)

　　中圖分類號(hào)：U656.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.023

　　引用格式：劉亮，王平，邢建春，等.實(shí)用新型防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（4）：78-79，83.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51505499）防波堤作為港口水工建筑物，獨(dú)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(gè)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(hù)港內(nèi)各種設(shè)施和裝備的安全。

　　斜坡式防波堤對(duì)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(dāng)?shù)氐纳笆牧希蚁诵Ч容^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。

　　通過對(duì)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(fēng)巨浪、地震、海嘯的強(qiáng)烈沖擊，導(dǎo)致防波堤護(hù)面塊體間易出現(xiàn)斷層，破壞了原本互相咬合的護(hù)面塊體間的穩(wěn)定性，繼而引發(fā)斜坡護(hù)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(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)。防波堤的造價(jià)成本非常高，通過對(duì)現(xiàn)有防波堤建設(shè)成本的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，防波堤建設(shè)的資金投入占整個(gè)港口建設(shè)總費(fèi)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(cè)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(cè)和卷尺測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果無法很好地展示防波堤的整體面貌，且手工測(cè)量存在人為主觀因素，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，測(cè)量結(jié)果比較粗放。

　　基于對(duì)防波堤損壞危害的認(rèn)識(shí)以及針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，構(gòu)建一個(gè)有效可行的防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)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。

1技術(shù)方案

　　通過對(duì)提出的實(shí)用新型防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的細(xì)化分析，明確技術(shù)方案如圖3所示。對(duì)于水上部分，利用多旋翼無人機(jī)搭載云臺(tái)和攝像機(jī)對(duì)防波堤進(jìn)行安全隱患檢測(cè)［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(cè)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(duì)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(cè)技術(shù)

　　2.1防波堤水上部分

　　在無人機(jī)技術(shù)越發(fā)成熟的背景下，首選多旋翼無人機(jī)對(duì)防波堤水上部分進(jìn)行安全隱患監(jiān)測(cè)。無人機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)，在后期處理圖像數(shù)據(jù)時(shí)結(jié)合定位信息，一來方便檢查防波堤的損壞嚴(yán)重程度，二來方便獲知損壞具體的位置，再結(jié)合防波堤實(shí)際運(yùn)行情況，采取相應(yīng)的維護(hù)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(gè)由量變引起質(zhì)變的緩慢動(dòng)態(tài)變化過程，利用無人機(jī)對(duì)防波堤進(jìn)行檢查可以達(dá)到對(duì)防波堤水上部分全覆蓋的效果，通過對(duì)多次檢查的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，能夠及時(shí)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(xì)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(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。為獲得圖像清楚、位置關(guān)系準(zhǔn)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(duì)原始聲納數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)每幅圖片進(jìn)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(duì)整幅圖像的位置進(jìn)行校正和轉(zhuǎn)換；最后，利用OpenCV或MATLAB軟件對(duì)圖像進(jìn)行一系列的銳化、分割、增強(qiáng)以及匹配等運(yùn)算，再結(jié)合防波堤自身的連續(xù)性，對(duì)圖像進(jìn)行修補(bǔ)和拼接，從而實(shí)現(xiàn)防波堤水下部分面貌的計(jì)算機(jī)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(hù)面塊體的施工安裝情況，在港口岸基后方監(jiān)測(cè)管理中心建造“防波堤比例模型”，方便用來更加精準(zhǔn)地對(duì)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(cè)提供一種可靠有效的預(yù)警機(jī)制。

3結(jié)論

　　本文首先對(duì)防波堤的研究現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)損壞機(jī)理進(jìn)行了介紹，并針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段的缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了一種實(shí)用新型防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過利用無人機(jī)對(duì)防波堤水上部分進(jìn)行航拍和利用無人航行器掛載聲納成像設(shè)備對(duì)水下部分進(jìn)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(cè)防波堤的結(jié)構(gòu)損傷情況，以便及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，并在后期的日常檢測(cè)中重點(diǎn)關(guān)注易損部位。同時(shí)，通過分析防波堤結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息，可進(jìn)一步了解防波堤在不同水域的實(shí)際工作情況和結(jié)構(gòu)損壞機(jī)理，為以后優(yōu)化防波堤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)合理的依據(jù)。

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