一种在火灾时利用激光定位监测建筑结构变形的方法与流程

本发明涉及消防安全技术领域，具体地讲，是涉及一种在火灾时利用激光定位监测建筑结构变形的方法。

背景技术：

火灾一般是人们因用火不当所产生的意外事故，一旦发生火灾事故，人们尽力去减少其所带来的生命财产损失，消防救援也因此产生。当建筑发生火灾时，火场产生的烟气、高温以及火对建筑构件的燃烧都会对建筑结构进行破坏，使建筑发生一定的变形，当变形达到一定程度，建筑将发生倒塌，这将严重威胁到火场中消防救援人员的生命安全。因此，如何在火灾中提前检测到建筑物将要发生的结构变形变的至关重要，这相当于是为消防救援人员提供提前预警，保障这些人员的生命安全。

在长期消防工作中的经验总结和对火灾现场情况的多角度研究，我们发现在火灾环境中检测建筑物结构情况不同于常规的建筑变形检测。首先是动态实时性，由于火灾中监测建筑结构变形的主要目的是为了保证消防人员的生命安全，在建筑发生倒塌前提供预警，因此需要做到动态监测，并能够实时反馈监测结果；其次是环境适应性，通常建筑物发生火灾时会产生大量烟气、高温等诸多不良影响，这些情况对监测手段都会产生干扰，因此如何克服这些因素影响至关重要，同时由于火灾事故的突发性，火灾完全可能出现在夜间或刮风下雨等天气，自然环境光线暗、监测条件困难都是对监测技术的巨大挑战；另外就是非接触性，由于火灾发生位置的不确定性，以及灭火救援的紧迫性，都没有充足的条件和时间去布设辅助监测点或反射点，使现有技术中的多种监测手段无法在火灾场景中实际应用，相比之下，只有非接触式的监测手段是最优选择。

对于建筑变形的特性研究，最主要的特征参量是位移，其他如挠度、倾斜、沉降，从本质上来讲都可以归纳为位移，也就是说，我们可以通过测量建筑构件或整体的位移，来实现对建筑物空间维度上变形的监测，在连续的时间范围内测量，可以实现建筑物时间维度上变形的监测。

一般来说，对于建筑物的变形监测手段可分为接触式和非接触式，基于上述研究基础，我们主要对现有的非接触式变形监测手段及相关产品进行了调研。

非接触式变形监测大多是利用激光、电磁波、数字摄影、光学监测及以上形式组合等手段来实现，对应产品有①激光监测手段：激光全站仪、三维激光扫描仪等，②电磁波监测手段：雷达；③数字摄影：基于数字摄影及图像处理的测量；④光学监测手段：利用传统光学手段结合激光辅助技术。

激光全站仪在建筑变形测量上的应用，具有操作相对简便、测量误差小的优点；投入成本中等，一台仪器价格在几万到十几万不等；但是在火灾场景中，测量极易受到火场烟气和温度的干扰，检测数据存在误差，或者根本检测不到数据，并且一台全站仪只能单点测量，动态实时性不高，而且市场上通用的全站仪在使用过程中要求工作人员从一个直接约5mm的小孔进行观测，较为不便，实际应用性能和监测效果一般。

三维激光扫描仪也称为“实景复制技术”，利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图像数据。该技术在建筑变形监测上应用，具有快速性、非接触性、数字化、自动化等优势，科技含量高，但是设备价格高昂，一台普通三维激光扫描仪价格高达50万以上，并且由于数据产生量大，实时处理难以达到消防要求，其后期的数据处理也需要较强的专业性，整体的经济适应性不强、实时性不强。

雷达技术主要在大范围空间遥感监测领域应用，在建筑变形监测方面的应用主要依赖于步进频率连续波技术、合成孔径雷达技术和干涉测量技术，可以做到不需要安装反射装置配合即可实时监测的目的，具有连续、全面、高精度等优点，可对空间连续覆盖，不依赖可见光，但是同样受制于其设备成本高，雷达系统目标识别率低，需要配套相关信标才能提高识别率，但在火灾中，建筑上快速安装信标难以实现，另外雷达所获取的是径向方向的数据，后期处理也不便。

基于数字摄影及图像处理的监测技术主要是利用机器视觉手段实现，通过连续采集建筑物目标特征点的位置识别出建筑物变形情况，一次性可采集多个特征点，可实现连续动态的数据采集，但是对图像精度要求高，数据存储量大，后期图像处理要求高，在火灾场景中很容易受到光线、烟气等不利条件影响。

传统的光学监测手段具有成本较低优势，在动态实时性和测量精度上反馈较差，上不太能够满足火灾场景的应用需求，在结合激光辅助技术后，更接近于全站仪等设备的应用方式，并且受环境因素影响也较大。

因此，何如较低成本、较高精度地实现针对于火灾场景的建筑物变形监测成为了本领域技术人员重点研究的课题。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种在火灾时利用激光定位监测建筑结构变形的方法，能够满足动态实时性、环境适应性、非接触性的监测需求，并且满足成本较低、监测精度较高的应用要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种在火灾时利用激光定位监测建筑结构变形的方法，包括如下步骤：

(1)在火灾火场内建筑的两个不同方位与之保持一定距离地各设置一个激光定位设备，使所述激光定位设备能够将激光射在所述建筑上，且两个所述激光定位设备分别与所述建筑构成的两条线相互之间的夹角处于90±20°范围内；

(2)在所述建筑正对于所述激光定位设备的侧面上选定一个能够被观测到的特征区域，该特征区域内具有至少一个可被识别为沿纵向走向的参考线的建筑特征；

(3)调整所述激光定位设备瞄准所述特征区域，并射出多条激光，这些激光在该特征区域内的射点排列在同一直线上且排列的线段与所述参考线相交；

(4)持续观测这些射点与所述参考线的相对位置，当所述相对位置的变动超过设定阈值时，发出预警信号；

其中，所述相对位置的变动由当前观测到的相对位置与初始相对位置的差值体现。

具体地，所述激光在特征区域内的射点所在直线与所述参考线的夹角处于90±30°范围内。

具体地，所述射点排列的线段与所述参考线相交的位置位于该线段内。

优选地，所述激光的条数不低于4条，相邻的所述射点中心间距不低于10cm且不高于20cm。

具体地，所述步骤(2)中的建筑特征包括窗户边沿、门边沿、建筑外侧边沿、梁柱或建筑外表面棱。

进一步地，所述激光定位设备包括安装平台，设置于安装平台上的调节装置，多个并排安置于该安装平台上的激光发射器，以及为所述激光发射器供电的电源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明根据火灾场景中遇到的问题针对性设计，巧妙利用了多条激光构建测量线段与火场内建筑上已有的固定参考物作对照，并实时监控二者产生的变化差量，从而对比获得火场建筑变形的参数，实现建筑倒塌前的预警，并且本发明环境适应性强，应用性好，成本较低，能够满足火场环境测量的精度要求，在消防救援领域具有良好的应用前景，适合推广应用。

(2)根据我们的经验和研究总结，火场建筑倒塌前的变形情况主要为整体或部分横向倾斜，所设计的激光定位设备也主要是针对建筑所对侧面水平方向的位移监测，因此在本发明中通过对火场建筑的两个方位进行监测，可分别获得x向和y向的建筑变形参数，从而保证对建筑变形情况较为全面的监测，进而准确判断出是否出现建筑倒塌的情况。

(3)由于火灾事故发生的不确定性，在实际的消防救援中没有条件和时间专门布设监测点或标记点，针对这样的情况，本发明采用在火场建筑本身上选择参考点的方式，巧妙地解决了这个问题，而且基于火场建筑本身的监测也更容易提前发现其变形情况，保证预警的可靠性，同时这种根据火场建筑实际情况选择特征区域的方式，也有利于减小火灾烟气等恶劣环境对激光定位的干扰，一定程度上提高了变形监测的精准度。

(4)由于本发明中只是采用多条激光构建测量线段，后续并不需要过于复杂的数据处理，所采用激光发射器只要能满足基本要求即可，成本较低，相比现有技术中其他类型的监测手段及所用的仪器设备，大大降低了设备成本。

附图说明

图1为本发明中激光定位设备的安置位置示意图。

图2为本发明中激光射点部位的监测示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1和图2所示，该在火灾时利用激光定位监测建筑结构变形的方法，包括如下步骤：

(1)在火灾火场内建筑的两个不同方位与之保持一定距离地各设置一个激光定位设备，使所述激光定位设备能够将激光射在所述建筑上，且两个所述激光定位设备分别与所述建筑构成的两条线相互之间的夹角处于90±20°范围内；

(2)在所述建筑正对于所述激光定位设备的侧面上选定一个能够被观测到的特征区域，该特征区域内具有至少一个可被识别为沿纵向走向的参考线的建筑特征；其中，建筑特征包括窗户边沿、门边沿、建筑外侧边沿、梁柱或建筑外表面棱等；

(3)调整所述激光定位设备瞄准所述特征区域，并射出多条激光，这些激光在该特征区域内的射点排列在同一直线上且排列的线段与所述参考线相交；所述激光在特征区域内的射点所在直线与所述参考线的夹角处于90±30°范围内，所述射点排列的线段与所述参考线相交的位置位于该线段的中心，所述激光的条数不低于4条，相邻的所述射点中心间距不低于10cm且不高于20cm；

(4)持续观测这些射点与所述参考线的相对位置，当所述相对位置的变动超过设定阈值时，发出预警信号；

其中，所述相对位置的变动由当前观测到的相对位置与初始相对位置的差值体现。

进一步地，所述激光定位设备包括安装平台，设置于安装平台上的调节装置，多个并排安置于该安装平台上的激光发射器，以及为所述激光发射器供电的电源。通过调节装置可调节所发射的激光的角度，以及各条激光的间距和光斑射点大小，以满足监测需求。

对于激光条数，即激光发射器数量，出于精度的考虑，不能太少，出于成本的考虑，又不能太多，综合来看，优选8条为宜。

对于参考线相对位置的观测，根据实际情况，可以采用人工直接观测结合报警设备发出预警，也可以采用人工配合望远镜等辅助观测工具观测，还可以采用带有机器视觉的智能设备进行观测预警。通过本发明在火灾场景的应用，为消防救援人员的生命安全提供了可靠的保障。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。