CN108271136A - 岩土工程安全智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了岩土工程安全智能监测系统，包括数据采集无线传感器网络、通信网络和数据处理中心，数据采集无线传感器网络通过通信网络与数据处理中心相连接，所述的数据采集无线传感器网络由传感器节点和汇聚节点通过无线传感器网络连接构成。本发明利用无线传感器网络技术实现了岩土工程安全监测。

Description

岩土工程安全智能监测系统

技术领域

本发明涉及岩土结构监测技术领域，具体涉及岩土工程安全智能监测系统。

背景技术

目前，岩土工程安全监测主要是通过仪器观测和巡视检查方式对铁路、公路及水利水电工程主体结构、两岸边坡、地基基础、土体位移和沉降等状况做出评估，判断工程的安全情况，为监管人员提供管理依据，或者做出危险预警，以防止灾害事故的发生。现有监测方法存在的主要问题是：1、传感器安装埋设施工过程复杂，传感器信号线缆用量多，线缆布设施工量大，费工费时；2、埋设大量线缆造成现场施工管理困难，在混凝土中埋设的大量线缆还会降低结构强度，带来安全隐患，一旦在施工建设中损坏线缆将造成安全监测设备无法正常工作；3、在传感器安装埋设后，将信号线缆引至数据采集设备，数据采集设备负责将模拟信号转换为数字信号，数据采集设备与计算机连接获取数据进行分析，在无人值守的情况下，通常会定期派出技术人员携带数据传输及存储设备前往现场连接数据采集设备获取数据，因此在数据的采集和利用方面存在信号传输层次多、数据利用滞后、响应速度缓慢的缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明提供岩土工程安全智能监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了岩土工程安全智能监测系统，包括数据采集无线传感器网络、通信网络和数据处理中心，数据采集无线传感器网络通过通信网络与数据处理中心相连接，所述的数据采集无线传感器网络由传感器节点和汇聚节点通过无线传感器网络连接构成。

其中，传感器节点对岩土结构进行监测感知，并将获得的岩土安全监测数据发送至汇聚节点；汇聚节点汇聚各传感器节点发送的岩土安全监测数据，进行处理后转发至数据处理中心。

数据处理中心用于对汇聚节点发送的岩土安全监测数据进行分析处理和显示，并在岩土安全监测数据异常时进行报警。

优选地，所述数据处理中心包括数据处理器和显示器，该数据处理器将收到的岩土安全监测数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示器进行比较结果显示。

本发明的有益效果为：实现了岩土工程安全岩土安全监测数据的即时采集、即时汇集和即时利用功能，解决了现场传感器安装埋设和信号线缆布设带来的问题，具有自动组网、可靠性高、监测准确、安装维护方便、运行费用低廉等特点。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明一个实施例岩土工程安全智能监测系统的结构示意框图；

图2是本发明一个实施例的数据处理中心的框图示意图。

附图标记：

数据采集无线传感器网络1、通信网络2、数据处理中心3、报警器4、数据处理器10、显示器20。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例提供的岩土工程安全智能监测系统，包括数据采集无线传感器网络1、通信网络2和数据处理中心3，数据采集无线传感器网络1通过通信网络2与数据处理中心3相连接，所述的数据采集无线传感器网络1由传感器节点和汇聚节点通过无线传感器网络连接构成。

其中，通信网络2为卫星通信网、以太网、现场总线网络或无线电台。

其中，传感器节点对岩土结构进行监测感知，并将获得的岩土安全监测数据发送至汇聚节点。传感器节点包括传感器、信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块和电源模块，电源模块为微处理器供电，传感器连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与微处理器的I/O接口相连接，该微处理器还通过I/O接口与射频无线模块和存储器相连接。

其中，汇聚节点汇聚各传感器节点发送的岩土安全监测数据，进行处理后转发至数据处理中心3。

其中，数据处理中心3用于对汇聚节点发送的岩土安全监测数据进行分析处理和显示，并在岩土安全监测数据异常时进行报警。

其中，所述岩土安全监测数据包括岩土的土体位移数据。

在一个实施例中，如图2所示，数据处理中心3包括数据处理器10和显示器20，该数据处理器10将收到的岩土安全监测数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示器20进行比较结果显示。显示器20还用于实时显示岩土安全监测数据，从而供监测人员实时查看岩土结构的状态信息。

可选地，岩土工程安全智能监测系统还包括与数据处理器10连接的报警器4，当岩土安全监测数据超出对应设定的安全阈值时，所述数据处理器10驱动报警器4进行报警。

其中，所述的报警器40包括蜂鸣报警器或者声光报警器，本实施例对此不作限定。

本发明上述实施例实现了岩土工程安全岩土安全监测数据的即时采集、即时汇集和即时利用功能，解决了现场传感器安装埋设和信号线缆布设带来的问题，具有自动组网、可靠性高、监测准确、安装维护方便、运行费用低廉等特点。

网络启动后，汇聚节点按照设定的休眠机制对确定为冗余节点的传感器节点进行休眠，其余传感器节点开始采集感知范围内的岩土安全监测数据。

在一个实施例中，通过冗余分析进行冗余节点确定，具体为：

(1)在设定的监测区域内部署多个传感器节点后，将监测区域平均划分为多个子区域，计算每个子区域中心到汇聚节点的距离；

(2)对各传感器节点进行冗余分析，若传感器节点满足下列冗余关系，则将该传感器节点视为冗余节点：

式中，定义邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其余传感器节点，A(i)表示传感器节点i的邻居节点集合，area(∪_j∈A(i)j∩i)表示传感器节点i的感知范围与其所有邻居节点感知范围的重合部分，area(i)为传感器节点i的感知范围；T_max表示设定的最大冗余度，d_i-o表示传感器节点i所在子区域中心到汇聚节点的距离，d_max表示子区域中心到汇聚节点的最大距离；

(3)根据确定的冗余节点构建冗余节点列表并将冗余节点列表发送至汇聚节点。

可选地，可通过计算机进行上述的冗余分析。

相关技术中，随机部署传感器节点通常会出现大量冗余节点的情况，带来信息冗余过度、能量过度浪费的问题。为解决该问题，本实施例通过对冗余节点进行休眠的方式来优化传感器节点的部署，有利于降低岩土安全监测数据采集和传输的能耗，延长无线传感器网络的生命周期，从而提高系统运行的可靠性。

本实施例进一步设定了传感器节点的冗余分析机制，提供了一个衡量传感器节点冗余情况的指标，提高了对传感器节点进行冗余分析的效率和精度，以实现传感器节点部署的快速优化，由于靠近汇聚节点的传感器节点需要消耗更多的能量，本实施例设定的冗余分析机制中，根据与汇聚节点的距离设定不同的冗余度阈值，使得距离汇聚节点更近的区域能够拥有更多的传感器节点，有助于均衡该区域的能耗，从而延长无线传感器网络的生命周期。

在一个实施例中，设定休眠机制为：

(1)汇聚节点根据冗余节点列表向各冗余节点发送休眠判定信息；

(2)收到休眠判定信息的冗余节点通过节点交互获取邻居节点的信息，并根据邻居节点的信息进行休眠判定，当满足下列条件时向汇聚节点反馈并将状态转变为休眠模式：

式中，R_μ表示传感器节点μ的感知距离，R_μv表示传感器节点μ的第v个未休眠的邻居节点的感知距离，N(μ)表示传感器节点μ的未休眠的邻居节点数量，η_T为设定的覆盖度阈值。

如果把冗余节点的状态设置为休眠，那么会降低无线传感器网络的覆盖率，若对多个冗余节点的状态同时设置为休眠，将会出现大量的感知盲点。本实施例基于这个问题，设定了一种针对冗余节点的休眠机制。该机制通过冗余节点自身进行休眠判定，由于每个冗余节点接收休眠判定信息的时间存在差别，且冗余节点在进行休眠判定时需要重新获取未休眠邻居节点的信息，从而使得冗余节点的休眠决定能够根据未休眠的邻居节点的变化而改变，使得休眠的判定更具灵活性，避免因为同时休眠带来感知盲点的问题，保障一定的网络覆盖率，确保岩土安全监测数据感知的全面性。

在一个实施例中，汇聚节点根据冗余节点的反馈信息构建已休眠冗余节点列表；

任意传感器节点a在自身能量低于设定的能量阈值时向汇聚节点发送能量预警信息，汇聚节点在收到能量预警信息后，触发传感器节点a通信范围内的已休眠冗余节点进入工作，具体为：

(1)汇聚节点在收到能量预警信息后，根据已休眠冗余节点列表构建传感器节点a通信范围内的已休眠冗余节点集合；

(2)若该已休眠冗余节点集合不为空集，进一步确定传感器节点a的邻居节点中是否存在自身能量低于设定的能量阈值的邻居节点，若不存在，汇聚节点直接在所述的已休眠冗余节点集合中选择距离传感器节点a最近的已休眠冗余节点进入工作，若存在，汇聚节点选择所述的已休眠冗余节点集合中权值最大的已休眠冗余节点进入工作；

其中，权值的计算公式为：

式中，Q_ρ表示已休眠冗余节点集合中第ρ个已休眠冗余节点的权值，d_aρ为所述第ρ个已休眠冗余节点与传感器节点a之间的距离，d_bρ表示所述第ρ个已休眠冗余节点与自身能量低于设定的能量阈值的第b个邻居节点之间的距离，m_a为传感器节点a的自身能量低于设定的能量阈值的邻居节点数量，λ₁、2₂为设定的权重系数，2₁+2₂＝1。

可选地，该已休眠冗余节点集合为空集时，汇聚节点不作任何操作。

传感器节点在剩余能量低于设定的最小能量值时，容易失效，传感器节点的失效将会降低网络覆盖率。本实施例汇聚节点在收到传感器节点的能量预警信息后，触发传感器节点通信范围内的已休眠冗余节点进入工作，能够填补传感器节点在失效时可能会带来的感知盲点，从而保证网络的覆盖质量，提高岩土安全监测数据采集和传输的稳定性。其中设定了冗余节点的选择策略，基于该策略唤醒具有位置优势的冗余节点，有利于使得唤醒的冗余节点能够更优化地填补感知盲点，实现岩土工程安全智能监测系统中资源较优化的布置。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.岩土工程安全智能监测系统，其特征是，包括数据采集无线传感器网络、通信网络和数据处理中心，数据采集无线传感器网络通过通信网络与数据处理中心相连接，所述的数据采集无线传感器网络由传感器节点和汇聚节点通过无线传感器网络连接构成。

2.根据权利要求1所述的岩土工程安全智能监测系统，其特征是，所述数据处理中心包括数据处理器和显示器，该数据处理器将收到的岩土安全监测数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示器进行比较结果显示。

3.根据权利要求2所述的岩土工程安全智能监测系统，其特征是，还包括与数据处理器连接的报警器，当岩土安全监测数据超出对应设定的安全阈值时，所述数据处理器驱动报警器进行报警。

4.根据权利要求1所述的岩土工程安全智能监测系统，其特征是，传感器节点包括传感器、信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块和电源模块，电源模块为微处理器供电，传感器连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与微处理器的I/O接口相连接，该微处理器还通过I/O接口与射频无线模块和存储器相连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的岩土工程安全智能监测系统，其特征是，汇聚节点按照设定的休眠机制对确定为冗余节点的传感器节点进行休眠，其余传感器节点开始采集感知范围内的岩土安全监测数据。

6.根据权利要求5所述的岩土工程安全智能监测系统，其特征是，通过冗余分析进行冗余节点确定，具体为：

(1)在设定的监测区域内部署多个传感器节点后，将监测区域平均划分为多个子区域，计算每个子区域中心到汇聚节点的距离；

(2)对各传感器节点进行冗余分析，若传感器节点满足下列冗余关系，则将该传感器节点视为冗余节点：

式中，定义邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其余传感器节点，A(i)表示传感器节点i的邻居节点集合，area(∪_j∈A(i)j∩i)表示传感器节点i的感知范围与其所有邻居节点感知范围的重合部分，area(i)为传感器节点i的感知范围；T_max表示设定的最大冗余度，d_i-o表示传感器节点i所在子区域中心到汇聚节点的距离，d_max表示子区域中心到汇聚节点的最大距离；

(3)根据确定的冗余节点构建冗余节点列表并将冗余节点列表发送至汇聚节点。