夯土墙施工变形智能监测系统的制作方法

1.本发明涉及一种夯土墙施工变形智能监测系统。


背景技术：

2.传统村落承载着宝贵的历史记忆，但是大量老旧房屋涉及建筑结构安全、建筑功能缺失等隐患，需要实施进一步的传统村落建筑施工与修缮，作为传统村落中广泛存在的主要承重结构，夯土墙在修缮施工过程中的变形情况关系到结构的安全与质量。
3.目前，传统村落存在建设水平低、施工能力差等诸多问题，一般依赖人眼观察实现施工中夯土墙实时变形观测，或者靠全站仪等测量手段定期测量夯土墙空间位置，进而获得夯土墙变形情况。
4.但是，已有的观测或者测量方法中，人眼观察夯土墙变形会受到光线、背景等影响，观测变形结果精度较低且具有主观性；利用全站仪等测量仪器测量需要耗费大量的人力物力成本，且测量频率较低、无法实时监测施工过程中的夯土墙变形。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种夯土墙施工变形智能监测系统。
6.为解决上述问题，本发明提供一种夯土墙施工变形智能监测系统，包括：
7.监测影像采集模块，用于将监测影像目标点位的数字图像信号收集到电子计算机中，传至监测影像计算模块；
8.监测影像计算模块，用于将影像采集模块中传输的数字图像信号进行计算，获得夯土墙表面目标点位移信息，并传至变形数据处理模块；
9.变形数据处理模块，用于接收监测摄影计算模块得到的夯土墙表面目标点位移信息，基于有限元计算分析得到阈值与施工过程中的结构变形特点来进行对夯土墙表面目标点位移信息的分析；
10.变形安全预警模块，用于基于夯土墙表面目标点位移信息的分析，对夯土墙施工过程中进行分级预警，并输出预警信号。
11.进一步的，在上述系统中，所述监测影像采集模块，包括：
12.监测影像目标点位，设置在施工过程中夯土墙的具有变形特征的位置处；
13.监测影像收集部分，安装在可以清晰拍摄到监测影像目标点位的位置，以监测夯土墙施工变形，监测影像收集部分用于将监测影像目标点位的图像特征收集到电子计算机中，并传至监测影像计算模块。
14.进一步的，在上述系统中，所述监测影像目标点位，为夯土墙表面花纹或特殊符号。
15.进一步的，在上述系统中，所述监测影像目标点位，为可见光源或者红外光源。
16.进一步的，在上述系统中，所述监测影像收集部分，为采用将光学影像转化为数字信号的ccd图像传感器。
17.进一步的，在上述系统中，所述监测影像计算模块，用于采用单应性矩阵方法进行相机标定；在图像追踪与像素计算方面，直接采用灰度图像的灰度值或者彩色图像转化之后的灰度值，根据选定的图像特征对被测结构或其标志物进行位置追踪,以确定其在视频或者图像序列中每帧的位置，最终计算出其在图像中的运动情况。
18.进一步的，在上述系统中，所述监测影像计算模块，还用于根据施工过程中的具体情况，选定确定不发生位移的点位，作为基准点，实现夯土墙变形的进一步误差校正。
19.进一步的，在上述系统中，所述变形数据处理模块，用于根据夯土墙结构本身特点，对结构建立相应的有限元模型，基于力学分析结构在不同工况下可允许的夯土墙变形极限，作为夯土墙施工过程中的分级变形阈值；
20.所述变形安全预警模块，用于根据分级变形阈值，当夯土墙监测的变形达到相应分级变形阈值时，自动发出分级警报。
21.进一步的，在上述系统中，所述变形数据处理模块，用于施工过程中根据夯土墙本身的位移和时间曲线形态，若发现夯土墙结构发生缓慢且具有周期性并且与温度变化高度相关的位移，则将此变形认为是温度变形；若测得夯土墙整体产生预设类型的突发变形，则结合发生变形时的施工工况，确定为夯土墙结构拆除变形；若监测位移出现单个监测影像目标点位发生大于预设阈值的突变，且其他监测影像目标点位信息以及现场施工状态未发生变化，则判断为由于光线扰动造成的误差；
22.所述变形安全预警模块，用于根据温度变形、夯土墙结构拆除变形或由于光线扰动造成的误差的分析结果，发出相应的警报。
23.进一步的，在上述系统中，所述变形数据处理模块，还用于计算不同监测影像目标点位处位移时域信号的频谱，对位移和时间信息进行傅里叶变换，计算对应的频率信息，获得夯土墙自振的模态性质，并对自振频率建立对应的概率模型；
24.所述变形安全预警模块，还用于基于所述概率模型，若的定实时监测得的夯土墙自振频率出现概率较低并小于预设阈值，则发出相应报警信息。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果主要有以下几点：
26.(1)监测精度高。本发明基于影像监测方法，可以达到像素级别精度，远高于基于人眼观测等主观监测方法，监测达到较高精度；
27.(2)监测频率高。相比全站仪每日监测，本发明可输出每秒内夯土墙变形情况，实时监测施工过程中的夯土墙变形细节情况；
28.(3)变形测量与处理智能化。本发明结合有限元监测信息与不同施工过程，自动分析不同工况下夯土墙变形情况，避免反复人工测量，实现变形测量与处理智能化。
附图说明
29.图1是本发明一实施例的夯土墙施工变形智能监测系统的整体架构图；
30.图2是本发明一实施例的监测系统的影像采集模块的示意图；
31.图3是本发明一实施例的监测影像计算模块的示意图；
32.图4是本发明一实施例的变形数据处理模块与变形安全预警模块的示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.如图1至4所示，本发明提供一种夯土墙施工变形智能监测系统，包括：
35.监测影像采集模块，用于将监测影像目标点位的数字图像信号收集到电子计算机中，传至监测影像计算模块；
36.监测影像计算模块，用于将影像采集模块中传输的数字图像信号进行计算，获得夯土墙表面目标点位移信息，并传至变形数据处理模块；
37.变形数据处理模块，用于接收监测摄影计算模块得到的夯土墙表面目标点位移信息，基于有限元计算分析得到阈值与施工过程中的结构变形特点来进行对夯土墙表面目标点位移信息的分析；
38.变形安全预警模块，用于基于夯土墙表面目标点位移信息的分析，对夯土墙施工过程中进行分级预警，并输出预警信号。
39.在此，变形安全预警模块结合变形数据处理模块的结果，实现夯土墙施工过程中的分级预警，并输出预警信号。
40.如图2所示，本发明的夯土墙施工变形智能监测系统一实施例中，所述监测影像采集模块，包括：
41.监测影像目标点位，设置在施工过程中夯土墙待测变形点位处，可将夯土墙表面花纹或特殊符号处作为监测影像目标点位，也可以根据实际情况设置主动目标构件，如额外设置可见光源或者红外光源；
42.在此，监测影像目标点位一般在施工过程中，如果夯土墙发生相应变形，则选定的具有变形特征的监测影像目标将会跟随夯土墙的变形而产生位移；监测影像目标应设置在夯土墙具有一定变形特征的位置，以体现夯土墙在施工过程中的变形情况；
43.监测影像收集部分，安装在可以清晰拍摄到监测影像目标点位的位置，以监测夯土墙施工变形，监测影像收集部分用于将监测影像目标点位的图像特征收集到电子计算机中，并传至监测影像计算模块；
44.在此，采用将光学影像转化为数字信号的ccd图像传感器，ccd图像传感器将监测影像目标点位的图像特征收集到电子计算机中，传至监测影像计算模块。
45.如图3所示，本发明的夯土墙施工变形智能监测系统一实施例中，所述监测影像计算模块，用于采用单应性矩阵方法进行相机标定；在图像追踪与像素计算方面，直接采用灰度图像的灰度值或者彩色图像转化之后的灰度值，根据选定的图像特征对被测结构或其标志物进行位置追踪,以确定其在视频或者图像序列中每帧的位置，最终计算出其在图像中的运动情况；最后，所述监测影像计算模块，还用于根据施工过程中的具体情况，选定确定不发生位移的点位，作为基准点，实现夯土墙变形的进一步误差校正。
46.在此，相机标定的主要目的是找出三维世界坐标到二维图像坐标的投影关系,以实现图像中各点到三维世界的转换。
47.如图4所示，本发明的夯土墙施工变形智能监测系统一实施例中，所述变形数据处理模块，首先，用于根据夯土墙结构本身特点，对结构建立相应的有限元模型，基于力学分析结构在不同工况下可允许的夯土墙变形极限，作为夯土墙施工过程中的分级变形阈值；
48.之后，用于施工过程中根据夯土墙本身的位移和时间曲线形态，若发现夯土墙结构发生缓慢且具有周期性并且与温度变化高度相关的位移，则可将此变形认为是温度变形；
49.施工过程中根据夯土墙本身的位移和时间曲线形态，若测得夯土墙整体产生特定类型的突发变形，则结合发生变形时的施工工况如排架拆除、部分墙体凿除，确定为夯土墙结构拆除变形；
50.施工过程中根据夯土墙本身的位移和时间曲线形态，若监测位移出现单个监测影像目标点位发生大于预设阈值的突变，且其他监测影像目标点位信息以及现场施工状态未发生变化，则可判断为由于光线扰动造成的误差；
51.最后，计算不同监测影像目标点位处位移时域信号的频谱，对位移和时间信息进行傅里叶变换，计算对应的主要频率信息，获得夯土墙自振的模态性质，并对自振频率建立对应的概率模型如正态分布模型。
52.如图4所示，本发明的夯土墙施工变形智能监测系统一实施例中，所述变形安全预警模块，用于首先，根据变形数据处理模块中有限元计算不同工况下的分级变形阈值，当夯土墙监测的变形达到相应分级变形阈值时，自动发出分级警报；
53.其次，根据变形数据处理模块中的位移和时间曲线形态判断得到的分析结果，如果发生相应异常情况(包括光线扰动造成误差)则发出相应的警报；
54.最后，关于自振频率分布的概率模型，如果实时监测得的夯土墙自振频率出现概率较低并小于一定的阈值，则同样发出相应报警信息。
55.为解决已有人眼观察夯土墙变形受到光线、背景等影响，观测变形结果精度较低且具有主观性；利用全站仪等测量仪器测量需要耗费大量的人力物力成本，且测量频率较低、无法实时监测施工过程中的夯土墙变形的问题，本发明提出一种新的基于无接触式监测的夯土墙施工变形智能监测系统，包括：监测影像采集模块、监测影像计算模块、变形数据处理模块与变形安全预警模块。本系统整体架构如图1所示。
56.综上所述，本发明提出的一种夯土墙施工变形智能监测系统，监测系统的影像采集模块分为监测影像目标点位与监测影像收集部分，监测影像目标点位设置在施工过程中夯土墙待测变形点位处，并通过监测影像收集部分获得其变形图像信息；监测影像计算模块将影像采集模块中传输的数字图像信号进行计算，获得监测位置的位移信息，并传至变形数据处理模块；变形数据处理模块接收监测摄影计算模块得到的夯土墙表面目标点位移情况，基于有限元计算分析得到阈值与施工过程中的结构变形特点来进行数据分析；变形安全预警模块结合变形数据处理模块的结果，实现夯土墙施工过程中的分级预警，并输出预警信号。至此，夯土墙施工变形智能监测方法全部完成。
57.本发明基于夯土墙施工过程中已有变形观测方法精度低、主观性强、频率低、耗费大量人力成本的问题，提出一种新的基于无接触式监测的夯土墙施工变形智能监测系统，能够在传统村落的夯土墙施工过程中，完成对夯土墙变形情况进行过程稳定、测量精度高、节省人力成本的施工监测。
58.本发明可以改进并解决已有施工过程中夯土墙变形观测方法精度低、主观性强、频率低、耗费大量人力成本的问题。
59.相比于现阶段的夯土墙变形监测方案，本发明的有益效果主要有以下几点：
60.(1)监测精度高。本发明基于影像监测方法，可以达到像素级别精度，远高于基于人眼观测等主观监测方法，监测达到较高精度；
61.(2)监测频率高。相比全站仪每日监测，本发明可输出每秒内夯土墙变形情况，实时监测施工过程中的夯土墙变形细节情况；
62.(3)变形测量与处理智能化。本发明结合有限元监测信息与不同施工过程，自动分析不同工况下夯土墙变形情况，避免反复人工测量，实现变形测量与处理智能化。
63.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
64.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
65.显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，包括：监测影像采集模块，用于将监测影像目标点位的数字图像信号收集到电子计算机中，传至监测影像计算模块；监测影像计算模块，用于将影像采集模块中传输的数字图像信号进行计算，获得夯土墙表面目标点位移信息，并传至变形数据处理模块；变形数据处理模块，用于接收监测摄影计算模块得到的夯土墙表面目标点位移信息，基于有限元计算分析得到阈值与施工过程中的结构变形特点来进行对夯土墙表面目标点位移信息的分析；变形安全预警模块，用于基于夯土墙表面目标点位移信息的分析，对夯土墙施工过程中进行分级预警，并输出预警信号。2.如权利要求1所述的夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，所述监测影像采集模块，包括：监测影像目标点位，设置在施工过程中夯土墙的具有变形特征的位置处；监测影像收集部分，安装在可以清晰拍摄到监测影像目标点位的位置，以监测夯土墙施工变形，监测影像收集部分用于将监测影像目标点位的图像特征收集到电子计算机中，并传至监测影像计算模块。3.如权利要求1所述的夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，所述监测影像目标点位，为夯土墙表面花纹或特殊符号。4.如权利要求1所述的夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，所述监测影像目标点位，为可见光源或者红外光源。5.如权利要求1所述的夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，所述监测影像收集部分，为采用将光学影像转化为数字信号的ccd图像传感器。6.如权利要求1所述的夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，所述监测影像计算模块，用于采用单应性矩阵方法进行相机标定；在图像追踪与像素计算方面，直接采用灰度图像的灰度值或者彩色图像转化之后的灰度值，根据选定的图像特征对被测结构或其标志物进行位置追踪,以确定其在视频或者图像序列中每帧的位置，最终计算出其在图像中的运动情况。7.如权利要求6所述的夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，所述监测影像计算模块，还用于根据施工过程中的具体情况，选定确定不发生位移的点位，作为基准点，实现夯土墙变形的进一步误差校正。8.如权利要求1所述的夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，所述变形数据处理模块，用于根据夯土墙结构本身特点，对结构建立相应的有限元模型，基于力学分析结构在不同工况下可允许的夯土墙变形极限，作为夯土墙施工过程中的分级变形阈值；所述变形安全预警模块，用于根据分级变形阈值，当夯土墙监测的变形达到相应分级变形阈值时，自动发出分级警报。9.如权利要求1所述的夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，所述变形数据处理模块，用于施工过程中根据夯土墙本身的位移和时间曲线形态，若发现夯土墙结构发生缓慢且具有周期性并且与温度变化高度相关的位移，则将此变形认为是温度变形；若测得夯土墙整体产生预设类型的突发变形，则结合发生变形时的施工工况，确定为夯土墙结构拆
除变形；若监测位移出现单个监测影像目标点位发生大于预设阈值的突变，且其他监测影像目标点位信息以及现场施工状态未发生变化，则判断为由于光线扰动造成的误差；所述变形安全预警模块，用于根据温度变形、夯土墙结构拆除变形或由于光线扰动造成的误差的分析结果，发出相应的警报。10.如权利要求1所述的夯土墙施工变形智能监测系统，其特征在于，所述变形数据处理模块，还用于计算不同监测影像目标点位处位移时域信号的频谱，对位移和时间信息进行傅里叶变换，计算对应的频率信息，获得夯土墙自振的模态性质，并对自振频率建立对应的概率模型；所述变形安全预警模块，还用于基于所述概率模型，若的定实时监测得的夯土墙自振频率出现概率较低并小于预设阈值，则发出相应报警信息。

技术总结
本发明提供了一种夯土墙施工变形智能监测系统，本发明基于夯土墙施工过程中已有变形观测方法精度低、主观性强、频率低、耗费大量人力成本的问题，通过监测影像采集模块、监测影像计算模块、变形数据处理模块和变形安全预警模块，能够在传统村落的夯土墙施工过程中，完成对夯土墙变形情况进行过程稳定、测量精度高、节省人力成本的施工监测。节省人力成本的施工监测。节省人力成本的施工监测。


技术研发人员：张英楠 张书楷 张铭 谷志旺 李海青 王伟茂 孙沈鹏 何娇 任瑛楠 陈雪峡 马燕
受保护的技术使用者：上海建工四建集团有限公司
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/7/21