CN109362051A - 一种岩土工程安全监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种岩土工程安全监测系统，该岩土工程安全监测系统包括数据采集装置、基站设备和安全监测中心；数据采集装置包括通过无线传感器网络连接的多个传感器节点，传感器节点用于采集岩土安全监测数据并发送至基站设备，基站设备汇聚各个传感器节点发送的安全监测数据后传输至安全监测中心。本发明实现了安全监测数据的即时采集、即时收集和即时利用功能，解决了现场传感器安装埋设和信号线缆布设带来的问题。本发明根据安全监测项目区域的大小，可以密集布置多种传感器，而不用考虑线缆布设拥挤度，减少了监测盲区；通过传感器无线网络采集和处理大量的数据，提高了监测的准确度。

Description

一种岩土工程安全监测系统
技术领域
本发明涉及岩土结构监测技术领域，具体涉及一种岩土工程安全监测系统。
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、传感器安装埋设史工过程复杂，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，在混凝土中埋没的大量先按还会降低结构强度，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MCU(数据采集设备)，MCU负责将模拟信号转换为数字信号，MCU与PC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MCU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。虽然，近年来广泛通过CDMA/GPRS公众无线数据网络获取数据的方法，但是，由于在数据远程传输环节存在多种不确定因素，其可靠性也受到质疑。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种岩土工程安全监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种岩土工程安全监测系统，该岩土工程安全监测系统包括数据采集装置、基站设备和安全监测中心；数据采集装置包括通过无线传感器网络连接的多个传感器节点，传感器节点用于采集岩土安全监测数据并发送至基站设备，基站设备(BS)汇聚各个传感器节点发送的安全监测数据后传输至安全监测中心。
优选地，安全监测中心包括数据处理模块和显示模块，数据处理模块用于将收到的安全监测数据与对应预设的安全阈值进行比较，并输出比较结果至显示模块。
优选地，安全监测中心还包括报警器，当安全监测数据超过对应预设的安全阈值时，数据处理模块驱动报警器进行报警。
优选地，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，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。
本发明实现了安全监测数据的即时采集、即时收集和即时利用功能，解决了现场传感器安装埋设和信号线缆布设带来的问题。本发明根据安全监测项目区域的大小，可以密集布置多种传感器，而不用考虑线缆布设拥挤度，减少了监测盲区；通过传感器无线网络采集和处理大量的数据，提高了监测的准确度。
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是本发明一个实施例岩土工程安全监测系统的框架示意图；
图2是本发明一个实施例的安全监测中心的框架结构图。
附图标记：数据采集装置1；基站设备2；安全监测中心3；数据处理模块31；显示模块32；报警器33。
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1，一种岩土工程安全监测系统，该岩土工程安全监测系统包括数据采集装置1、基站设备2和安全监测中心3；数据采集装置1包括通过无线传感器网络连接的多个传感器节点，传感器节点用于采集岩土安全监测数据并发送至基站设备2，基站设备2汇聚各个传感器节点发送的安全监测数据后传输至安全监测中心3。
优选地，安全监测中心3包括数据处理模块31和显示模块32，数据处理模块31用于将收到的安全监测数据与对应预设的安全阈值进行比较，并输出比较结果至显示模块32。
优选地，参见图2，安全监测中心3还包括报警器33，当安全监测数据超过对应预设的安全阈值时，数据处理模块31驱动报警器33进行报警。
优选地，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，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。
本发明实现了安全监测数据的即时采集、即时收集和即时利用功能，解决了现场传感器安装埋设和信号线缆布设带来的问题。本发明根据安全监测项目区域的大小，可以密集布置多种传感器，而不用考虑线缆布设拥挤度，减少了监测盲区；通过传感器无线网络采集和处理大量的数据，提高了监测的准确度。
优选地，在该岩土工程安全监测系统中，各传感器节点在采集岩土安全监测数据之前，先通过拓扑演化的方式构建无线传感器网络拓扑结构，具体为：
(1)在撒布好的传感器节点中，基站设备2从其附近的个传感器节点中选取N个传感器节点作为簇首，基站设备2和其附近的个传感器节点一同构成初始拓扑；
(2)每隔一个时间步长，从当前拓扑以外的可选范围内选择一个距离基站设备2最近的传感器节点加入当前拓扑，并获得该传感器节点的邻节点集；计算新加入的传感器节点与每一个既在其通信半径内又在当前拓扑内的传感器节点、基站设备2之间的连接概率；
(3)如果新加入的传感器节点与基站设备2的连接概率最大，则该传感器节点当选为簇首，否则，该传感器节点归属于与其连接概率值最大的簇首，成为该簇首的簇成员节点；
(4)继续执行(2)-(3)，直至撒布在待监测区域内的所有传感器节点加入拓扑，得到更新后的无线传感器网络拓扑结构。
优选地，基站设备2从其附近的个传感器节点中选取N个传感器节点作为簇首，具体是：计算的个传感器节点的成簇参数，并将得到的成簇参数进行降序排列，选择成簇参数排序靠前的前N个传感器节点作为簇首，N为预设的初始簇首数，其中，传感器节点u的成簇参数可利用下式计算得到：
式中，Pre（u）为传感器节点u的成簇参数，成簇参数用来评价传感器节点成为簇首的能力，成簇参数越大，代表传感器节点成为簇首的可能性越大；Eres(u)为传感器节点u的剩余能量值，Eres(i)为传感器节点i的剩余能量值，且Du,BS为传感器节点u与基站设备BS的广义距离，Di,BS为传感器节点i与基站设备的广义距离，Du,i为传感器节点u与传感器节点i的广义距离，且当i＝u时，此时Du,i=0，Pu为传感器节点u的发射功率，PBS为基站设备2的接收功率，α为衰减因子，d(u,BS)为传感器节点u和基站设备2的空间距离，ε为调控因子，其取值范围为3～8。
有益效果：在本实施例中，定义了基站设备2附近的传感器节点的成簇参数，将成簇参数进行降序排列，并选择排序后成簇参数中，排序靠前的前N个传感器节点作为簇首，由该成簇参数的计算公式可知，本实施例考虑了各个传感器节点的剩余能量、广义距离和传感器节点的发射功率以及基站设备2的接收功率的影响，使得剩余能量值较大的、发射功率高的传感器节点更有可能当选为簇首，并进而实现初始拓扑结构的构建，该做法更有益于增强初始拓扑结构的稳定性，为后续拓扑结构的演化奠定了良好的基础。且本实施例中给出的成簇参数加入了距离因素，传感器节点连接时在其他条件相同的情况下优先选择距离相对更近的节点，避免传感器节点的能量因通信距离的增加过度消耗。
在一个可行的实施方案中，传感器节点u到基站设备2的广义距离指的就是传感器节点u到基站设备2的空间距离；
在一个更优的实施方案中，传感器节点u到基站设备2的广义距离可利用下式计算得到：
式中，Du，BS为传感器节点u到基站设备2的广义距离，d(u，BS)为传感器节点u和基站设备2的空间距离，Ju为传感器节点u的属性评价值，JBS为基站设备2的属性评价值，Jc为第c个传感器节点的属性评价值，且Yu，BS为|Ju-JBS|的权值，Yc，BS为|Jc-JBS|的权值，且满足ω1d和ω1s分别表示在传感器节点u到基站设备2的广义距离中的空间距离和属性距离的权重，且满足ω1d+ω1s＝1。
属性主要是指传感器节点和基站设备的计算能力、存储能力、传输能力、功耗等，属性评价值是对传感器节点或基站设备属性的综合评价，其综合评价值越高，代表传感器节点或基站设备的性能2越好。
有益效果：在本实施例中，定义了传感器节点到基站设备2的广义距离，该广义距离用来衡量传感器节点u和基站设备2的空间距离及属性距离对传感器节点的影响。由该广义距离的计算公式可知，传感器节点与基站设备2的空间距离越大、其传感器节点与基站设备2的广义距离就越大，传感器节点与基站设备2的属性距离越大，其传感器节点与基站设备2的广义距离就越大，进而使得该传感器节点的成簇参数越大。通过本实施例定义的传感器节点到基站设备2的广义距离，使得传感器节点与基站设备2的空间距离越大的、传感器节点与基站设备2的属性距离越大的传感器节点更有可能当选为簇首，从而有利于均衡能耗，最终使得到的无线传感器网络拓扑结构具有更好的稳定性和抗毁性能，有利于降低在采集岩土安全监测数据过程中的能量消耗，节省了该监测系统的成本，延长了该监测系统的生命周期。
在一个可行的实施方案中，传感器节点u到传感器节点i的广义距离指的就是传感器节点u到基站设备2的空间距离；
在一个更优的实施方案中，传感器节点u到传感器节点i的广义距离可利用下式计算得到：
式中，Du，i为传感器节点u与传感器节点i的广义距离，d(u，i)为传感器节点u与传感器节点i的空间距离，d(u，k)为传感器节点u与传感器节点k的空间距离，d(i，k)为传感器节点i和传感器节点k的空间距离，COM(u，i)表示传感器节点u和传感器节点i之间共同邻居节点的个数，Ω为除去传感器节点u和传感器节点i，当前拓扑结构中剩余传感器节点构成的集合，Ju为传感器节点u的属性评价值，Ji为传感器节点i的属性评价值，Jc为第c个传感器节点的属性评价值，且Yui为|Ju-Ji|的权值，Yuc为|Ju-Jc|的权值，且满足δ为设定的一个很小的常数因子，ω2d和ω2s分别表示在两个传感器节点的广义距离中空间距离和属性距离的权重，满足ω2d+ω2s＝1。
有益效果：在本实施例中，定义了两个传感器节点之间的广义距离，该广义距离用来衡量两个传感器节点之间的空间距离及属性距离对新加入的传感器节点的影响。由该广义距离的计算公式可知，传感器节点与其他传感器节点的空间距离越大、传感器节点与其他传感器节点之间的广义距离就越大，传感器节点与其他传感器节点之间的属性距离越大，传感器节点与其他传感器节点之间的广义距离就越大，进而使得该传感器节点的成簇参数越大。通过本实施例定义的两个传感器节点之间的广义距离，使得两个传感器节点之间的空间距离越大的、两个传感器节点之间的属性距离越大的传感器节点更有可能当选为簇首，从而有利于均衡能耗，最终使得到的无线传感器网络拓扑结构具有更好的稳定性和抗毁性能，有利于降低在采集岩土安全监测数据过程中的能量消耗，节省了该监测系统的成本，延长了该监测系统的生命周期。
在一个实施例中，新加入的传感器节点x与基站设备2的连接概率的计算公式为：
式中，Πx，BS(BS)表示传感器节点x与基站设备2的连接概率值，mx为传感器节点x到基站设备2组成的直线的斜率，mc为传感器节点c到基站设备2组成的直线的斜率，F{d(x，BS)}为判决函数，该判决函数用来判定传感器节点x与所述基站设备2是否可以直接进行信息交互，d(x，BS)表示传感器节点x与基站设备BS的空间距离，local(x)表示传感器节点x的邻节点集，kx为传感器节点x的节点度，kc为传感器节点c的节点度，RIx为传感器节点x接收信号强度值，RIc为传感器节点c的接收信号强度值，Lmax为簇首与所述基站设备2的最大通信距离，即当传感器节点x与所述基站设备的空间距离大于Lmax，传感器节点x与所述基站设备之间不能直接进行信息交互，反之，传感器节点x与所述基站设备2之间可以直接进行信息交互，ε为拓扑参数，其满足0＜ε＜1。
有益效果：在本实施例中，定义了新加入的传感器节点与基站设备之间的连接概率，该连接概率表述了新加入的传感器节点能够与基站设备2进行信息交互的可能性大小，由该计算公式可知，连接概率从传感器节点的节点度、传感器节点与基站设备2的位置关系等多个角度考虑了新加入的传感器节点与基站设备2的连接关系，从而能够全方位地、更准确地衡量新加入的传感器节点与基站设备2的连接关系，有利于后续对新加入的传感器节点归属问题的准确判定。
在一个实施例中，新加入的传感器节点与任意一个簇首的连接概率的计算公式为：
其中：
式中，Πx，n(n)表示传感器节点x与簇首n的连接概率值，Eres(x)为传感器节点x的剩余能量值，kx为传感器节点x的节点度，Eres(c)为传感器节点c的剩余能量值，kc为传感器节点c的节点度，F{d(x，n)}为判决函数，该判决函数用来判定传感器节点x与簇首n是否可以直接进行信息交互，d(x，n)表示传感器节点x与基站设备2的空间距离，local(x)表示传感器节点x的邻节点集，Lmin为簇成员节点的最大通信距离，即当传感器节点x与簇首n的空间距离大于Lmin，传感器节点x与簇首n之间不能直接进行信息交互，反之，传感器节点x与簇首n之间可以直接进行信息交互，η1、η2为权重因子，其满足η1+η2＝1，Hx，n表示传感器节点x与簇首n通信链路质量权重值，Hx，c表示传感器节点x与传感器节点c的通信链路质量权重值。
有益效果：在本实施例中，定义了新加入的传感器节点与簇首之间的连接概率，该连接概率表述了新加入的传感器节点能够与簇首进行信息交互的可能性大小，由该计算公式可知，连接概率从传感器节点的节点度、传感器节点剩余能量值与传感器节点与其邻节点的链路强度等多个角度考虑了新加入的传感器节点与簇首的连接关系，从而能够准确地对新加入传感器节点的归属进行判定，得到稳定性能好的无线传感器拓扑结构。
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)

1.一种岩土工程安全监测系统，其特征是，包括数据采集装置、基站设备和安全监测中心；数据采集装置包括通过无线传感器网络连接的多个传感器节点，所述传感器节点用于采集岩土安全监测数据并发送至所述基站设备，所述基站设备汇聚各个传感器节点发送的安全监测数据后传输至所述安全监测中心。
2.根据权利要求1所述的岩土工程安全监测系统，其特征是，所述安全监测中心包括数据处理模块和显示模块，所述数据处理模块用于将收到的安全监测数据与对应预设的安全阈值进行比较，并输出比较结果至显示模块。
3.根据权利要求2所述的岩土工程安全监测系统，其特征是，所述安全监测中心还包括报警器，当安全监测数据超过对应预设的安全阈值时，所述数据处理模块驱动报警器进行报警。
4.根据权利要求3所述的岩土工程安全监测系统，其特征是，所述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，所述微处理器还通过I/O接口与所述射频无线模块和存储器相连接。
5.根据权利要求4所述的岩土工程安全监测系统，其特征是，所述岩土工程安全监测系统中，各传感器节点在采集岩土安全监测数据之前，先通过拓扑演化的方式构建无线传感器网络拓扑结构，具体为：
(1)在撒布好的传感器节点中，所述基站设备从其附近的个传感器节点中选取N个传感器节点作为簇首，所述基站设备和其附近的个传感器节点一同构成初始拓扑；
(2)每隔一个时间步长，从当前拓扑以外的可选范围内选择一个距离所述基站设备最近的传感器节点加入当前拓扑，并获得该传感器节点的邻节点集；计算新加入的传感器节点与每一个既在其通信半径内又在当前拓扑内的传感器节点、基站设备之间的连接概率；
(3)如果新加入的传感器节点与所述基站设备的连接概率最大，则该传感器节点当选为簇首，否则，该传感器节点归属于与其连接概率值最大的簇首，成为该簇首的簇成员节点；
(4)继续执行(2)-(3)，直至撒布在待监测区域内的所有传感器节点加入拓扑，得到更新后的无线传感器网络拓扑结构。
6.根据权利要求5所述的岩土工程安全监测系统，其特征是，所述基站设备从其附近的个传感器节点中选取N个传感器节点作为簇首，具体是：计算所述的个传感器节点的成簇参数，并将得到的成簇参数进行降序排列，选择成簇参数排序靠前的前N个传感器节点作为簇首，N为预设的初始簇首数，其中，传感器节点u的成簇参数可利用下式计算得到：
式中，Pre(u)为传感器节点u的成簇参数，成簇参数用来评价传感器节点成为簇首的能力，成簇参数越大，代表传感器节点成为簇首的可能性越大；Eres(u)为传感器节点u的剩余能量值，Eres(i)为传感器节点i的剩余能量值，且Du,BS为传感器节点u与所述基站设备的广义距离，Di,BS为传感器节点i与所述基站设备的广义距离，Du,i为传感器节点u与传感器节点i的广义距离，且当i＝u时，此时Du,i＝0，Pu为传感器节点u的发射功率，PBs为所述基站设备BS的接收功率，α为衰减因子，d(u,BS)为传感器节点u和基站设备的空间距离，ε为调控因子，其取值范围为3～8。
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CN110562623A (zh) * 2019-09-02 2019-12-13 邹瑜 一种智能垃圾分类系统

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