实用新型防波堤结构安全监测系统*

刘 亮，王 平，邢建春，谢立强

(中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

实用新型防波堤结构安全监测系统*

刘 亮，王 平，邢建春，谢立强

(中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

通过对防波堤结构损坏原因的分析，提出一种实用新型防波堤结构安全监测系统。水上和水下部分分别利用无人机航拍和声纳成像进行巡检，此方法方便全局监测防波堤的隐患情况。

防波堤；无人机航拍；声纳成像；结构安全监测

0 引言

防波堤作为港口水工建筑物，独立建立某海域或与岸基相连接，其长度几百米、几千米及上万米不等。防波堤的使命任务[1]是防御波浪、冰凌、泥沙、水中激流等入侵港口区域，为港口提供一个安全稳定的掩蔽水域，保证港内船舶的平稳工作以及保护港内各种设施和装备的安全。

斜坡式防波堤对地基承载力要求较低，可建在水深较浅和地基松软的海域，也可用于深水海域。由于斜坡式防波堤施工简单，可充分利用当地的砂石材料，且消浪效果比较好，损坏后易于修复，因此是我国港口建设防波堤最常采用的结构形式[2]之一，其结构断面图如图1所示。

图1 防波堤断面示意图

通过对防波堤结构损坏原因的分析[3]可知，由于防波堤的工作环境比较恶劣，易遭受狂风巨浪、地震、海啸的强烈冲击，导致防波堤护面块体间易出现断层，破坏了原本互相咬合的护面块体间的稳定性，继而引发斜坡护面块体扭工字块的脱落、移位以及坍塌等一系列问题，最终破坏防波堤的坡面。由此引发的安全事故，不仅会造成巨大的经济损失，还将直接影响到港口内工作人员的安全以及各种装备设施的正常运转。防波堤的造价成本非常高，通过对现有防波堤建设成本的统计分析发现，防波堤建设的资金投入占整个港口建设总费用的50%～60%。而目前，已有相应的防波堤结构安全监测方案被提出并开始应用，但工作效率较低，主要依靠潜水员的目测和卷尺测量，检测结果无法很好地展示防波堤的整体面貌，且手工测量存在人为主观因素，导致测量误差较大，测量结果比较粗放。

基于对防波堤损坏危害的认识以及针对现有监测技术的不足，构建一个有效可行的防波堤结构安全监测系统显得尤为重要(研究思路如图2所示)，并已成为港口防波堤建设的重要组成部分，是近年来国内外研究的重要课题。

图2 研究思路

图3 技术方案

1 技术方案

通过对提出的实用新型防波堤结构安全监测系统的细化分析，明确技术方案如图3所示。对于水上部分，利用多旋翼无人机搭载云台和摄像机对防波堤进行安全隐患检测[4]，这种巡检模式不仅结成果展现形式直观清楚，而且极大地提高了检测效率。利用声纳成像技术[5-8]来获取斜坡式防波堤水下部分的整体面貌，对图像分辨率和位置定位有较高的要求，并且水下无人航行器[9]相比船舶携带成像设备，更加适应海况。最后，将两部分结合起来，以便用来全面地参照分析防波堤的安全隐患情况。

2 防波堤结构安全监测技术

2.1 防波堤水上部分

在无人机技术越发成熟的背景下，首选多旋翼无人机对防波堤水上部分进行安全隐患监测。无人机沿防波堤飞行，获取具有一定重叠度并且覆盖完全的防波堤数码照片，接着利用影像处理软件获取斜坡式防波堤的2D正射影像和3D数字表面模型数据，得出防波堤水上部分的整体面貌。

无人机在防波堤上方沿中心线飞行，利用GPS定位记录拍摄路径，随照片一起传入计算机，在后期处理图像数据时结合定位信息，一来方便检查防波堤的损坏严重程度，二来方便获知损坏具体的位置，再结合防波堤实际运行情况，采取相应的维护措施。

除了波浪冲击、水中激流等常规事件外，防波堤的损坏还是一个由量变引起质变的缓慢动态变化过程，利用无人机对防波堤进行检查可以达到对防波堤水上部分全覆盖的效果，通过对多次检查的结果进行比对，能够及时发现防波堤的破坏、形变情况，为防波堤的损伤规律研究提供详细数据信息。

2.2 防波堤水下部分

通过水下无人航行器搭载声纳成像设备沿防波堤航行[10]，进行相应的数据采集。为获得图像清楚、位置关系准确、覆盖完全的防波堤斜坡面貌图，首先，因声纳数据的特殊性，需对原始声纳数据进行解码和滤波；其次，由于每幅图片之间位置关系比较模糊，需对每幅图片进行斜距校正和速度校正；然后，利用声纳数据头文件中的GPS定位信息对整幅图像的位置进行校正和转换；最后，利用OpenCV或MATLAB软件对图像进行一系列的锐化、分割、增强以及匹配等运算，再结合防波堤自身的连续性，对图像进行修补和拼接，从而实现防波堤水下部分面貌的计算机整体绘制。

通过图像拼接技术将防波堤水上部分和水下部分融合起来，呈现出防波堤的整体面貌的全景图，并结合防波堤斜坡护面块体的施工安装情况，在港口岸基后方监测管理中心建造“防波堤比例模型”，方便用来更加精准地对照分析防波堤的损坏情况以及具体的损伤位置，为防波堤结构安全监测提供一种可靠有效的预警机制。

3 结论

本文首先对防波堤的研究现状及其结构损坏机理进行了介绍，并针对现有监测手段的缺点进行了分析，提出了一种实用新型防波堤结构安全监测系统。通过利用无人机对防波堤水上部分进行航拍和利用无人航行器挂载声纳成像设备对水下部分进行巡检，结合图像拼接技术，呈现防波堤斜坡面的整体面貌，全面监测防波堤的结构损伤情况，以便及时对其进行修复，并在后期的日常检测中重点关注易损部位。同时，通过分析防波堤结构安全监测的数据信息，可进一步了解防波堤在不同水域的实际工作情况和结构损坏机理，为以后优化防波堤的结构设计提供更加科学合理的依据。

[1] 谢世楞. 90年代我国防波堤设计进展[J]. 水运工程, 1999(10): 11-17.

[2] 张健. 防波堤破坏形式及影响因素浅析[J]. 城市建设理论研究(电子版), 2013(2).

[3] 降英. 圆弧形护面斜坡式防波堤水动力及消浪特性研究[D]. 长沙:长沙理工大学, 2012.

[4] 胡健波, 张飞. 基于无人机的防波堤巡检[J].水道港口, 2015, 36(4):355-358.

[5] MANI J S. Design of Y-frame floating breakwater[J].Journal of Waterway Port Coastal and Ocean Engineering，1991，117(2): 105-118.

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[7] 丁继胜, 周兴华, 唐秋华, 等. 基于等效声速剖面法的多波束测深系统声线折射改正技术[J]. 海洋测绘, 2004, 24(6): 27-29.

[8] 刘晓, 李海森, 周天, 等. 基于多子阵检测法的多波束海底成像技术[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2012, 33(2): 1-6.

[9] 郝阳, 赵新华, 辛久元. 自主水下航行器模糊自校正航迹控制[J]. 微型机与应用, 2014, 33(8):75-77.

[10] 邓莹莹. 侧扫声纳图像拼接系统研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2013.

The utility model breakwater structure safety monitoring system

Liu Liang，Wang Ping，Xing Jianchun，Xie Liqiang

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007,China)

By analyzing the structure of the breakwater damage reason, we propose a utility model breakwater structure safety monitoring system. Above water using the UAV aerial photography, the underwater part is monitored using sonar imaging equipment.By this method it is easy to detect hidden cases globally breakwater.

breakwater; UAV aerial photography; sonar imaging; structural safety monitoring

国家自然科学基金(51505499)

U656.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.023

刘亮，王平，邢建春，等.实用新型防波堤结构安全监测系统[J].微型机与应用，2017,36(4)：78-79，83.

2016-08-31)

刘亮,(1993-)，通信作者，男,硕士研究生，主要研究方向：计算机视觉与图像处理。E-mail：18262281433@163.com。

王平(1970-)，男，硕士，教授，主要研究方向：国防工程智能化。

邢建春(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：计算机视觉与图像处理、虚拟现实技术、智能控制。