大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统技术方案

本发明专利技术提供一种大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统，该方法通过在大坝内部铺设一条专用测量管道并利用机器人携带测量设备在管道内行走同时完成对大坝内部变形的监测；本发明专利技术的监测系统提供一种直接测量方式，利用测量机器人直接进入埋设于大坝内部的专用测量管道内进行测量，并将测量数据实时地传输至外部的监控系统，可保证监测的准确性、实时性，克服间接测量带来的误差。

【技术实现步骤摘要】
大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统
本专利技术涉及岩土工程安全监测
，具体而言涉及一种大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统，适于对大坝内部的垂直位移和水平位移变形进行监测。
技术介绍
水库大坝内部变形是指坝体内部的垂直沉降和水平位移，这种变形超过正常范围时，直接影响大坝的安全性，甚至造成大坝毁损。根据《土石坝安全监测技术规范》SL551-2012（以下简称《规范》），在坝体内部选择变形监测断面，布置观测仪器进行监测。目前国内外面板堆石坝内部变形监测通常采用“水管式”沉降计测量垂直变形，和采用“引张线式”位移计测量水平变形方法。这两种方法是在大坝填筑到设计规定的监测高程时，预先在大坝内部从上游到下游设置一条垂直于坝轴线的监测管道，在这条管路中同时安装埋设“水管式”沉降计和“引张线式”测量计，具体工作原理和测量方法简述如下。（1）“水管式”沉降测量方法（参见图1a）水管式沉降测量方法是基于“连通管”原理。其中：100为连通水管，101为刻度尺，102为测量管，103为沉降测头，连通管的一端位于被测位置（随坝体沉降），另一端位于观测房（基准端），测量时将连通管内充满液体（水）直至被测端溢流，此时观测房内水管水位与被测点在同一水平位置，只要测量观测房内水管水位，即可换算出被测点位置高程。（2）“引张线式”水平位移测量方法（参见图1b）引张线式水平位移计是由受张拉的铟瓦合金钢丝构成的机械式测量水平位移的装置，铟瓦合金钢丝是一种变形很小的材料，直径2mm左右，钢丝牵引系统的保护管直径在200mm左右，管路越长、测点越、多钢丝越多，保护管直径增大。如图1b所示，其中200为水平位移测点，201为伸缩管头，202为保护管，203为平衡锤，204为卡尺，205为导向轮，206为铟瓦钢丝。坝体水平位移测点（随坝体水平位移）通过一个装置与保护管内钢丝的一端连接，钢丝另一端位于观测房，观测房一端作为基准点。测量时采用固定重量的砝码给钢丝施加恒定张力，测点的水平位移通过这根钢丝传递到观测房，使用游标卡尺或位移计测量钢丝的位移，即可换算出测点位置的水平位移。一条测量管路可以布置多个测点，《规范》规定测量管路上每隔20~40m布置一个测点，每一个测点包括了“沉降”和“水平”两个测头。测量管路长度在200~300m范围之内，测量精度基本可以满足规范要求。然而目前使用的水管式沉降计和引张线位移计所采用的是一种“间接测量”方式，将将大坝内部的变形通过一定方式（水管或引张线）传递到大坝外部的观测房进行测量。对于坝高200m测量、管路长度超过300m时，由于管线太长使得仪器的灵敏度降低，误差大大增加。（1）对于水管式沉降计，超过300m长的水管由于管壁阻力加大、水管中液体夹有气体，使得液体流动滞后、加水后水位平衡困难、测量等待时间长，误差增大。（2）对于引张线位移计，线路太长，需选用粗直径钢丝，钢丝自重增加、引导装置增加、位移传递阻力增大、误差增大。不能无限制增加钢丝张力，任何一条钢丝断裂、缠绕，可以影响到管路中其他引张线的测量工作。另外，一条管路中引张线钢丝超过10根以后，这种机械结构十分复杂，现场安装非常困难，观测房测量装置同样很庞大、复杂。近来我国面板堆石坝建设水平有了很大提高，随着西部水电开发进程的加快，开展了300m高级面板堆石坝筑坝技术和大坝安全监测技术研究。这种超高大坝的底部横断面长度超过800m，对于坝体内部800m一条测量管路上需要布置几十个测点，显然无法沿用传统的水管式沉降计和引张线位移计方法监测坝体内部变形。针对这种超长的测量范围，国内外目前尚无有效的监测手段和方法，急需开发研制监测坝体内部变形的新型测量仪器。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统，利用测量机器人直接进入埋设于大坝内部的专用测量管道内进行测量，保证监测的准确性、及时性，克服间接测量带来的误差。本专利技术的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。为达成上述目的，本专利技术的第一方面提出一种大坝内部变形的机器人监测方法，包括以下步骤：在大坝内部埋设一垂直于大坝轴线的变形监测管道，其随着大坝同步变形；机器人根据控制指令在变形监测管道内行走，并利用其搭载的多种测量装置来检测大坝内部变形，该机器人与外部监控系统之间设有信息传输通道，机器人藉由该信息传输通道将采集的数据传输至外部监控系统；外部监控系统利用监控软件对机器人采集的数据进行处理分析，得出大坝内部变形的结果。进一步，所述机器人监测方法更包含以下步骤：在变形监测管道内设置一水平倾斜测量专用轨道，其外端与大坝基准点固定，作为垂直沉降位移的测量基准点；在变形监测管道的外部设置水平位移测点装置，其随大坝变形而水平移位并可被在变形监测管道内行走的机器人感知到。进一步，所述机器人监测方法更包含以下步骤：所述机器人可随时利用编码器记录其在变形监测管道内行走的距离。进一步，所述机器人在变形监测管道内行走，并探测水平位移测点装置；当检测到一个水平位移测点装置时，机器人同步记录当前位置；以同样方法依次检测所有水平位移测点装置并保存数据，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的水平位移变形量；测量结束后机器人自动从变形监测管道返回。进一步，所述机器人在变形监测管道内行走，并检测所述水平倾斜测量专用轨道的倾斜角度，机器人间隔一定距离记录每一段轨道倾斜角度；以这种方法检测各点数据并保存，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的垂直位移变形量；测量结束后机器人自动从变形监测管道返回。进一步，所述机器人还搭载有摄像装置用以对变形监测管道内部进行全景检查，并通过前述信息传输通道将拍摄的图像传输至外部监控系统。进一步，所述信息传输通道包括监控数据传输通道和图像传输通道，分别用于传输测量装置采集的监测数据和摄像装置采集的图像数据。进一步，所述机器人还根据外部监控系统的控制指令，利用搭载在机器人作业平台上的清洁工作臂对监测管道内部进行清洁工作。进一步，所述机器人还根据所述外部控制系统的指令执行下述操作中的一种或多种：采用多任务同步工作方式，同步采集倾角、位置、速度、温度数据；利用编码器记录机器人行走距离；同时监测环境温度变化，以消除由于温度影响带来的测量误差；同时修正由于管路垂直沉降和测向偏移带来的坝体水平位移测量误差；利用机器人作业平台上搭载的多种设备或工具，执行预定的操作；对于大坝内部埋设的多条变形监测管道，利用同一台机器人完成所有管道的监测工作。进一步，其特征在于，所述多种测量装置至少包括倾角传感器、水平位移测点探测仪以及位置记录仪。根据本专利技术的改进，本专利技术的另一方面还提出一种大坝内部变形的机器人监测系统，包括：埋设于大坝内部的并随大坝内部变形而变形的监测管道、一行走于该监测管道内并用于监测大坝内部变形的测量机器人以及一外部监控系统，测量机器人与外部监控系统之间配置有信息传输通道，其中：所述监测管道包括：一位于监测管道内部的水平倾斜测量专用轨道，其外端与大坝基准点固定，作为垂直沉降位移的测量基准点；若干个设置于所述监测管道外部的水平位移测点装置，其随大坝的水平变形而水平移动并可被在监测管道内行走的测量机器人探测到；所述测量机器人搭载本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于，包括以下步骤：????在大坝内部埋设一垂直于大坝轴线的变形监测管道，该变形监测管道随着大坝同步变形；????机器人根据控制指令在变形监测管道内行走，并利用其搭载的多种测量装置来检测大坝内部变形，该机器人与外部监控系统之间设有信息传输通道，机器人藉由该信息传输通道将采集的数据传输至外部监控系统；????外部监控系统利用监控软件对机器人采集的数据进行处理分析，得出大坝内部变形的结果。

【技术特征摘要】
1.一种大坝内部变形的机器人监测系统，包括：埋设于大坝内部的并随大坝内部变形而变形的监测管道（1）、一行走于该监测管道内并用于监测大坝内部变形的测量机器人（2）以及一外部监控系统（20），其中：所述监测管道（1）包括：一位于监测管道内部的水平倾斜测量专用轨道，其外端与大坝基准点固定，作为垂直沉降位移的测量基准点；若干个设置于所述监测管道外部的水平位移测点装置，其随大坝的水平变形而水平移动并可被在监测管道内行走的测量机器人（2）探测到；所述测量机器人（2）搭载有多种测量装置并受控制地在所述监测管道（1）内行走和实时检测大坝内部变形情况，其特征在于，所述测量机器人（2）包括控制单元（9）和连接至控制单元（9）的行走驱动单元（10）、工作单元（11）、信息传输单元（12）以及供电单元13；所述控制单元（9），用于控制测量机器人（2）执行具体的操作；所述行走驱动单元（10），用于驱动测量机器人（2）在变形监测管道（1）内行走；工作单元（11），用于执行大坝内部变形测量和监测操作，包括用于执行大坝内部变形测量的测量模块（11a）和用于提供摄像和照明功能的摄像模块（11b）；信息传输单元（12），用于测量机器人（2）与外部监控系统（20）之间交互数据信息；供电单元13，用于提供测量机器人（2）的供电和电源管理；所述测量机器人监测系统还包括线缆装置，该线缆装置包括光纤线缆、线缆收放装置和无线通信装置，其中光纤线缆（15）包括数据通信和图像传输双通道的光纤；所述线缆收放装置包括线缆卷筒（16a）；无线通信装置包括第二数据传输光端机、第二图像传输光端机和无线通讯模块，其中数据传输光端机安装在可旋转的线缆卷筒（16a）内部，第二数据传输光端机、第二图像传输光端机的一端分别通过所述光纤线缆（15）连接至测量机器人（2）内的第一数据传输光端机和第一图像传输光端机，以接收监测数据和/或图像数据；所述无线通信装置通过无线链路将监测数据和/或图像数据传输至外部监控系统（20）。2.根据权利要求1所述的大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于，所述监测管道（1）由多节保护管和连接于各保护管之间的管接头连接而成，以形成测量机器人的行走与检测通道；所述外部监...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙汝建，何宁，王国利，汪璋淳，何斌，钱亚俊，李登华，周彦章，吴毅，仲深意，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：