CN108288354A - 山体滑坡智能监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了山体滑坡智能监测系统，包括依次通信连接的滑坡监测装置、基站和监测中心；滑坡监测装置包括多个传感器节点，基站和多个传感器节点一同构建成用于感知和采集滑坡环境指标监测数据的无线传感器网络，传感器节点采集的滑坡环境指标监测数据最终传送到基站，进而由基站汇聚滑坡环境指标监测数据并传送至监测中心加以集中处理、存储和显示。本发明实现了对山体滑坡的智能监测。

Description

山体滑坡智能监测系统
技术领域
本发明涉及山体滑坡灾害监测领域，具体涉及山体滑坡智能监测系统。
背景技术
传统的山体滑坡监测预警系统的滑坡环境指标监测数据通常采取有线方式传输，但是山区地理调节复杂，线路架设困难，不方便实现对整个山体滑坡监测区域进行大范围的节点布置，不可保证数据采集的深度，不能为实现山体滑坡状态监测和预警提供巨量数据基础，从而不能自动实现对山体滑坡的远程实时监控和预警工作。
发明内容
针对上述问题，本发明提供山体滑坡智能监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了山体滑坡智能监测系统，包括依次通信连接的滑坡监测装置、基站和监测中心；所述的滑坡监测装置包括多个传感器节点，基站和多个传感器节点一同构建成用于感知和采集滑坡环境指标监测数据的无线传感器网络，传感器节点采集的滑坡环境指标监测数据最终传送到基站，进而由基站汇聚滑坡环境指标监测数据并传送至监测中心加以集中处理、存储和显示。
本发明的有益效果为：以无线传感器网络技术为基础，构建山体滑坡无线传感器监测网络，不需要大量布线就能实现对山体滑坡监测区域的远程实时监测，为实现山体滑坡状态监测和预警提供巨量数据基础，并通过监测中心和报警器的配合，可自动实现对山体滑坡的远程智能监控和预警工作。
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本发明一个实施例的山体滑坡智能监测系统结构示意框图；
图2是本发明一个实施例的监测中心的结构示意框图。
附图标记：
滑坡监测装置1、基站2、监测中心3、报警装置4、收发器10、处理器12、存储器14、显示器16。
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，本实施例提供的山体滑坡智能监测系统，包括依次通信连接的滑坡监测装置1、基站2和监测中心3。
其中，滑坡监测装置1用于采集、处理滑坡环境指标监测数据并将处理后的滑坡环境指标监测数据传送到基站2。滑坡监测装置1包括多个传感器节点，基站2和多个传感器节点一同构建成用于感知和采集滑坡环境指标监测数据的无线传感器网络，传感器节点采集的滑坡环境指标监测数据最终传送到基站2，进而由基站2汇聚滑坡环境指标监测数据并传送至监测中心3加以集中处理、存储和显示。
可选地，如图2所示，所述的监测中心3包括收发器10、处理器12、存储器14、显示器16，所述处理器12电连接收发器10、存储器14和显示器。
其中，收发器10可接收基站2传送的滑坡环境指标监测数据，并把滑坡环境指标监测数据发送至处理器12。
处理器12用于对滑坡环境指标监测数据进行处理，将滑坡环境指标监测数据与其存储器14中存储的对应标准阈值进行比较分析，输出分析结果。可选地，所述的处理器12在滑坡环境指标监测数据超出其存储器14中存储的对应标准阈值时输出该滑坡环境指标监测数据为异常的分析结果。
存储器14主要用于存储滑坡环境指标监测数据、标准阈值，所述的显示器16用于显示滑坡环境指标监测数据以及处理器12的分析结果。
可选地，山体滑坡监测预警系统还包括与处理器12通信连接的报警装置4。所述的报警装置4在滑坡环境指标监测数据为异常时启动报警。
可选地，所述的报警装置4包括蜂鸣报警器和LED信号指示灯。
可选地，传感器节点包括数据采集模块、数据分析处理模块以及数据通信模块；数据采集模块由传感器与模数转换器完成，数据分析处理模块由微处理器与存储器完成，数据通信模块由无线收发器完成。其中传感器类型有：倾角传感器、液位传感器、位移传感器以及加速度传感器。
本发明上述实施例中，以无线传感器网络技术为基础，构建山体滑坡无线传感器监测网络，实现对山体滑坡监测区域的远程实时监测，为实现山体滑坡状态监测和预警提供巨量数据基础，并通过监测中心3和报警器的配合，可自动实现对山体滑坡的远程实时监控和预警工作。
可选地，多个传感器节点皆随机部署于设定的山体监测区域内。为了得到山体滑坡监测区域的实时有效信息，在山体滑坡监测区域安放大量的传感器节点测量山体位移值和加速度值，由于山体滑坡主要是由地下水侵蚀产生，因此，地下水位深度是显示山体滑坡危险度的重要指标，通过现场打孔，由部署在孔洞最下端的液位深度传感器采集并通过通信模块发送液位值。山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度不同，发生这种现象时，部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据，通过倾角传感器可以监测山体的运动状况。
在一个实施例中，传感器节点通过分簇分为簇首和簇成员节点，簇成员节点用于采集滑坡环境指标监测数据并将滑坡环境指标监测数据发送至所属簇的簇首；簇首用于接收并处理簇成员发送的滑坡环境指标监测数据，还用于将处理后的滑坡环境指标监测数据发送至基站2。
可选地，传感器节点可采用LEACH路由协议进行分簇。
在一个实施例中，簇首将处理后的滑坡环境指标监测数据发送至基站2，具体包括：
(1)初始阶段，设始发滑坡环境指标监测数据的簇首为源节点，源节点向基站2发送多个路径请求消息，并接收基站2根据路径请求消息生成并发送的路径反馈信息，其中，每个路径反馈信息包括一条从源节点到基站2的路由路径信息；
(2)源节点处理各路径反馈信息，获取多条从其到基站2的路由路径，归入路径集合P；
(3)当源节点的单次发送的滑坡环境指标监测数据量低于设定的数据量阈值时，源节点从路径集合P中随机选择一条路由路径进行传输，当源节点的单次发送的滑坡环境指标监测数据量高于设定的数据量阈值时，源节点对要发送的滑坡环境指标监测数据进行分割后分配给路径集合P中的各路由路径进行传输。
其中，源节点向基站2发送路径请求消息，此时路径请求消息携带有该源节点的身份标识(ID)、当前剩余能量和带宽需求，收到路径请求消息的簇首将自身的ID、当前剩余能量以及与上一跳簇首间的单跳链路信息加入到接收到的路径请求消息中，再将路径请求消息发送至下一跳簇首，直至路径请求消息到达基站2。
当数据量很大的情况下，单路由路径无法满足网络滑坡环境指标监测数据通信的性能要求。本实施例中，簇首在滑坡环境指标监测数据量大的情况下将滑坡环境指标监测数据分流到多条路由路径中进行传输，能够有效提高滑坡环境指标监测数据传输效率。
其中，路由路径i被分到的滑坡环境指标监测数据量为：
式中，Si为路由路径i被分到的滑坡环境指标监测数据量，S为需要传输到基站2的总滑坡环境指标监测数据量，Wi-1为路由路径i中源节点的下一跳簇首的当前剩余能量，Wj-1为路径集合P内的第j个路由路径中源节点的下一跳簇首的当前剩余能量，Wi-0为路由路径i中源节点的下一跳簇首的初始能量，Wj-0为路径集合P内的第j个路由路径中源节点的下一跳簇首的当前剩余能量，Li为路由路径i的路径长度，Lj为路径集合P内的第j个路由路径的路径长度。
本实施例进一步基于能量和距离因素设定了权重值的计算公式，本实施例在滑坡环境指标监测数据量较大时根据权重值比例对滑坡环境指标监测数据进行分割后分配给各路由路径进行传输，能够平衡各路由路径上源节点的下一跳簇首的能耗，并尽可能将较多的滑坡环境指标监测数据沿这较短的路由路径传输至基站2，有益于节省滑坡环境指标监测数据转发的能耗，在整体上节省了山体滑坡智能监测系统的能量成本，实现了节能型的山体滑坡环境监控。
在一个实施例中，基站2根据路径请求消息生成并向源节点发送路径反馈信息，包括：
(1)在接收阶段，基站2在第一次接收到源节点发送的路径请求消息时开始计时，在设定时间段内继续接收从各源节点始发的多个路径请求消息，并对接收的路径请求消息进行存储，超时后不再接收路径请求消息；
(2)在处理阶段，基站2对路径请求消息进行处理，得到多条从源节点A到基站2的路由路径，并归入初始路径集合PA，A＝1,…,n，n为源节点个数；
(3)对于初始路径集合PA，基站2将多条满足网络服务质量条件的从源节点A到基站2的路由路径作为初始粒子群，采用改进的多种群粒子群优化算法对初始粒子群进行优化，得到多条从源节点A到基站2的优选路由路径，并沿每条优选路由路径将对应的优选路由路径信息发送给源节点A。
本实施例由基站2来确定各源节点到基站2的路由路径，减少了源节点在确定到基站2的路由方面的负担。
相关技术中采用多种群粒子群优化算法对路由路径进行优化时，通常是将簇首到基站2的所有路由路径作为初始粒子群，当路由路径数量较多的情况下无疑增加了粒子搜索的复杂性。本实施例剔除了不满足网络服务质量条件的路由路径，进一步有益于降低粒子搜索的复杂度，提高路由路径优化的速度。
其中，上述的网络服务质量条件为：
NA(λ)为第λ条从源节点A到基站2的路由路径的总链路开销；DA(λ)为第λ条从源节点A到基站2的路由路径的带宽，由路径中的最小带宽决定；ZA(λ)为第λ条从源节点A到基站2的路由路径的总延时；Nmin、Dmin、Zmax分别是为满足网络服务质量要求而设定的链路开销上限、带宽下限、延时上限，Ω为设定的网络服务质量阈值。
本实施例在确定用于路径优化的初始粒子群时，基于链路开销、带宽和延时要求设置了网络服务质量条件，创造性地预先将不满足网络服务质量条件的路由路径进行剔除，将剩余的路由路径作为初始粒子群，使得作为粒子的路由路径都能够满足传输滑坡环境指标监测数据的基本服务质量需求。
在一个实施例中，改进的多种群粒子群优化算法具体包括：
(1)计算初始粒子群中每个粒子的适应度；
(2)根据源节点的带宽需求估计需要的路由路径数K，对初始粒子群进行K均值聚类，根据聚类结果将粒子分成K个种群；
(3)各种群找出自己的全局最优位置；
(4)各种群粒子按照下列改进的速度公式求出飞行速度：
式中，Vi(t+1)表示粒子i在t+1时刻的速度，Vi(t)表示粒子i在t时刻的速度，Yi(t)为粒子i在t时刻的位置，Pigest为粒子i自身所经历的历史最优位置，Pggest表示粒子i所在种群的全局最优位置，P8gest(j)表示第j个种群的全局最优位置，其中j＝1,…,K，α1、α2、α3皆为加速常数，β1、β2、β3皆为在区间[0,1]内均匀分布的随机数，w为惯性权重；
(5)各种群粒子按照下列位置公式改变自身位置：
Yi(t+1)＝Yi(t)+Vi(t+1)
式中，Yi(t+1)表示粒子i在t+1时刻的位置；
(6)达到优化目标，输出每个种群的路由路径Pgges；(j)，即多条从源节点A到基站2的路由路径，结束，否则回到(1)。
本实施例提出了改进的多种群粒子群优化算法，考虑了各种群全局最优位置的交集，改进了粒子的速度公式，使不同种群的粒子能够向不同的方向飞行，避免相互交叉，从而减少种群粒子交叉的概率，保证任意两条路由路径之间不存在共同的传感器节点。
其中，定义适应度函数为：
式中，Pi表示粒子i的适应度值，Qi-min为粒子i中当前剩余能量最小的簇首的剩余能量，Qi-min-0为粒子i中当前剩余能量最小的簇首的初始能量，Li-min为粒子i中当前剩余能量最小的簇首与其下一跳簇首间的距离，Qelec为射频传输系数，εamp为放大器功放能耗系数；
本实施例考虑到路由路径的生命期受到最小能量的簇首的剩余能量和该簇首与邻近簇首之间的距离的影响，最小能量的簇首剩余能量越大、节点间通信距离越短，则路由路径的生命期越大，从而在设计适应度函数时考虑到能量和节点间距两个因素，能够使得优化出的路由路径稳定性更高，链路更强壮，从而能够更可靠地将滑坡环境指标监测数据转发至基站2，使得山体滑坡智能监测系统能够长期稳定运行。
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 (7)

1.山体滑坡智能监测系统，其特征是，包括依次通信连接的滑坡监测装置、基站和监测中心；所述的滑坡监测装置包括多个传感器节点，基站和多个传感器节点一同构建成用于感知和采集滑坡环境指标监测数据的无线传感器网络，传感器节点采集的滑坡环境指标监测数据最终传送到基站，进而由基站汇聚滑坡环境指标监测数据并传送至监测中心加以集中处理、存储和显示。
2.根据权利要求1所述的山体滑坡智能监测系统，其特征是，所述的监测中心包括收发器、处理器、存储器和显示器，所述处理器电连接收发器、存储器和显示器。
3.根据权利要求2所述的山体滑坡智能监测系统，其特征是，还包括与处理器通信连接的报警装置。
4.根据权利要求3所述的山体滑坡智能监测系统，其特征是，所述的报警装置包括蜂鸣报警器和LED信号指示灯。
5.根据权利要求1-4任一项所述的山体滑坡智能监测系统，其特征是，传感器节点通过分簇分为簇首和簇成员节点，簇成员节点用于采集滑坡环境指标监测数据并将滑坡环境指标监测数据发送至所属簇的簇首；簇首用于接收并处理簇成员发送的滑坡环境指标监测数据，还用于将处理后的滑坡环境指标监测数据发送至基站。
6.根据权利要求5所述的山体滑坡智能监测系统，其特征是，簇首将处理后的滑坡环境指标监测数据发送至基站，具体包括：
(1)初始阶段，设始发滑坡环境指标监测数据的簇首为源节点，源节点向基站2发送多个路径请求消息，并接收基站根据路径请求消息生成并发送的路径反馈信息，其中，每个路径反馈信息包括一条从源节点到基站的路由路径信息；
(2)源节点处理各路径反馈信息，获取多条从其到基站的路由路径，归入路径集合P；
(3)当源节点的单次发送的滑坡环境指标监测数据量低于设定的数据量阈值时，源节点从路径集合P中随机选择一条路由路径进行传输，当源节点的单次发送的滑坡环境指标监测数据量高于设定的数据量阈值时，源节点对要发送的滑坡环境指标监测数据进行分割后分配给路径集合P中的各路由路径进行传输。
7.根据权利要求6所述的山体滑坡智能监测系统，其特征是，源节点向基站发送路径请求消息，路径请求消息携带有该源节点的身份标识(ID)、当前剩余能量和带宽需求，收到路径请求消息的簇首将自身的ID、当前剩余能量以及与上一跳簇首间的单跳链路信息加入到接收到的路径请求消息中，再将路径请求消息发送至下一跳簇首，直至路径请求消息到达基站。
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