土木工程领域的边坡、矿山非接触式无需供电自动化监测新设备--变焦视觉

一、边坡监测的概述

1.1 边坡监测的背景

我国地域辽阔，地形地貌复杂多样，随着全球气候变化加剧，极端气候事件增多，以及人类工程活动对地表结构的强烈扰动，导致边坡失稳的风险日益增大。边坡失稳有可能引发滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，对人民生命财产安全构成威胁。

随着中国经济的快速发展，公路、铁路、水利、电力、矿山等基础设施建设越来越多，而边坡作为基础设施的重要组成部分，其安全性和稳定性直接关系到整个工程的安全和效益。近年来由于高速公路边坡滑坡灾害引发的事故频繁发生，高速公路滑坡灾害造成的后果是不容小觑的，轻则阻断交通，重则造成重大的经济损失和人员伤亡。因此，边坡监测成为预防灾害、保障生命财产安全的重要手段。

 

1.2 当前边坡监测的不足

传统的边坡监测主要依靠人工巡查配合全站仪、水准仪等简易设备，这些设备在实际应用中存在人工成本高、测量精度低、实时性差等较多不足，同时，由于施工现场环境复杂，存在一定的安全隐患。

①高风险：人工监测需要现场进行测量和观察，特别是在一些高风险的边坡区域，人员安全难以得到保障。

②高成本：人工监测需要耗费大量的人力和时间，成本较高。同时，在一些偏远地区或地形复杂的地区，人工监测的难度和成本也会增加。

③误差较大：人工监测容易受到人为因素和环境因素的影响，如天气、地形等，导致测量误差较大，数据精度较低。

④难以持续监测：人工监测难以实现持续监测和实时预警，需要人员定期进行测量和观察，无法及时发现和预警边坡失稳等问题。

⑤数据管理和分析难度大：人工监测获取的数据难以实现有效地管理和分析，难以对边坡的状态和趋势进行全面的评估和预测。

随着物联网技术、传感器技术、机器视觉技术和大数据分析技术的快速发展，边坡监测手段从传统的地面测量转变为现代智能化、自动化监测系统，能够实时、连续、准确地获取边坡变形信息。采用变焦视觉位移监测仪，加强数据处理和分析能力，完善预警系统。

基于变焦视觉位移技术的边坡健康监测系统

2.1 设计依据

《建筑边坡工程技术规范[附条文说明]》

《建筑边坡工程鉴定与加固技术规范[附条文说明] 》

《建筑结构检测技术标准》

《滑坡防治设计规范》

2.2 主要监测内容设计

边坡主要监测内容设计包括以下几个方面：

①表面位移监测：通过变焦视觉位移监测仪监测边坡表面的水平位移和垂直位移，通过定期测量各点的位置变化，计算出边坡表面的位移量，从而了解边坡的变形情况，判断其是否稳定。

②裂缝监测：裂缝是边坡破坏的主要形式之一，通过变焦视觉位移监测仪在裂缝两端安装测点靶标即可监测裂缝的位置、长度、宽度等，可以了解边坡的裂缝发展情况。

③环境因素监测：降雨量、温湿度、土壤含水率等也会影响边坡的稳定性，通过变焦视觉位移监测仪接入环境监测传感器即可监测降雨量、温湿度、土壤含水率的变化，无需网关、重新拉线，了解其对边坡稳定性的影响。

④视频监测：当数据超出阈值时还可远程查看现场实时视频画面、下载历史视频，避免现场测点误触，导致上限预警。

综上所述，可通过变焦视觉位移监测仪直接或间接对边坡完成监测。通过对边坡进行全面地监测和分析，获取边坡的各项参数和变化情况，判断其稳定性和安全性，为灾害预警和治理提供科学依据。

系统结构

系统主要由变焦视觉位移监测仪、编码靶标、安锐云及多设备终端组成。靶标自带编码信息，无需用户标定设置及调试，变焦视觉位移监测仪智能识别唯一靶标编号和对应的位移数据，通过自带的无线网络上传到云平台，即可在终端获取位移信息，实现结构位移的非接触式测量。

 

测点设计布设

4.1 边坡表面位移（水平位移、沉降）监测

监测仪安装在边坡台阶上，这是监测边坡滑动或坍塌最为理想的方向，但由于现场条件有限，一般台阶均为滑动面，无可靠稳定的区域安装仪器，所以现场应用中，该安装方式也应用较少。在边坡远离相对滑动面的一端稳固的地方（若没有混凝土地面，需先制作边长为600mm立方体混凝土基础）安装变焦视觉位移监测仪，在边坡测点处安装好靶标，监测仪需要看到所有测点，靶标应尽量正对监测仪且靶标相互无遮挡，将变焦视觉位移计上电后即可智能识别视野范围内的靶标，即可实现边坡整排台阶的水平位移、沉降的自动化监测。监测仪为非接触式测量，测点只需要安装靶标即可，无需拉线布线安装传感器，节省劳动力、成本，方便快捷，巡回扫描监测。若需对某测点高频采集，则其他测点巡回扫描会暂时停止。通过编码靶标对边坡的表面位移监测，可以了解边坡的稳定性和安全性。

 

监测仪安装在边坡前方，该安装方式对于边坡较小、测点较为集中，或者边坡台阶无稳定区域的情况，运用也较为广泛，可以选择在边坡正前方（对面）稳固且视野开阔的地方安装变焦视觉位移监测仪（无稳定地面需浇筑砼基础），无需现场人工调试，插电即可实现边坡表面位移自动化监测，机器自动可识别变焦视野范围内的所有靶标。

这种安装方式也可以监测边坡的水平位移、竖向位移，但其水平位移不是边坡正前方最不利的水平位移，而是左右侧的位移（监测方向如图所示），一般参考意义不大，但竖向位移也可直接反映出边坡的实际位移，这种安装方式一般选择定焦版单断面的即可实现自动化监测，无需选择高配版的变焦监测功能，节省成本。

 

4.2 边坡裂缝监测

裂缝监测时，监测仪的安装监测方向建议与裂缝的发展方向一致，这样监测的测点数量是最多的，且相对的监测精度是最高的。若裂缝是水平时，一般监测仪安装在边坡台阶稳固且视野开阔的地方（无稳定地面需浇筑砼基础），若裂缝是垂直时，一般监测仪安装在边坡正前方或对面稳固的地方，尽量能看到裂缝所有测点，然后在裂缝两侧安装靶标，靶标应尽量正对监测仪且靶标相互无遮挡，无需现场人工调试，插电即可实现边坡裂缝自动化监测，还可设置高频采集，获取相应的振动频率。

 

4.3 边坡环境监测

变焦视觉位移监测仪可间接完成其他影响边坡的稳定性因素（降雨量、温湿度、土壤含水率、土压力等），仅需在仪器接口接入环境监测传感器（或其他监测项的传感器）即可，无需外加网关采集器、重新拉线，实现环境监测和位移监测数据综合分析，不同的角度剖析边坡稳定性，更准确地评估边坡的稳定性，从而采取有效的措施来预防地质灾害的发生。