CN110879053A - 一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置 - Google Patents

一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置，包括观测墩和传感器集合；所述观测墩内安装有GNSS天线，并通过射频电缆连接到防雨机箱中GNSS接收机；所述传感器集合包括雨量计、地表裂缝计、土壤含水率计以及深层位移计；其中，所述雨量计通过脉冲信号采集电缆连接至所述防雨机箱中的所述GNSS接收机，所述深层位移计、地表裂缝计、以及土壤含水率计同时分别通过通信电缆连接至该GNSS接收机，并通过接收GNSS接收机下发的数据采集指令进行实时数据回传反馈。各类传感器的数据在GNSS接收机内对进行分析、处理和汇集，最终通过GNSS接收机打包上传至监控中心，实现对边坡的表面、内部、诱导变形因素的远程综合监测和预警，有效提高监测预警的准确度和可靠性。

Description

一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置
技术领域
本发明属于变形监测技术领域，更具体地，涉及一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置。
背景技术
边坡变形造成的失稳滑塌已成为山区公路交通的一大安全隐患，会严重威胁到附近工程的建设和安全运行，造成人员伤亡和财产损失，甚至是带来毁灭性的灾难。近年来边坡灾害数量不断增多，对边坡安全性提出了更高的要求和更大的需求，变形监测结果是对边坡进行破坏分析的重要依据，如何监控和预警边坡安全问题引起了越来越多的重视。一方面需要对不宜处理或危险性较大的滑坡，监测其变形动态，及时预警，能够预防灾害的发生；另一方面对于加固处理中以及处理完的边坡，监测也能为施工提供可靠的资料，保障施工安全。
目前，边坡变形监测方法主要有：大地测量法、近景拍摄法、GPS法、激光法等，其中GPS法因方便实现自动化，而被使用的较为广泛。基于GPS法的边坡变形监测装置中，主要包含GNSS变形监测、深部位移监测、地表裂缝监测、土壤含水率监测及雨量监测等多类传感器监测方式，通过对以上监测数据进行长期综合分析和处理，得出该坡面的边坡变形量、变形速率以及变形发展趋势。
鉴于此，现有边坡变形预警装置存在以下缺陷：各种类的传感器设备的数据采样和上传彼此独立，每一种监测传感器均需配备一套采集和传输设备，造成现场安装调试复杂、综合成本高、后期运行维护难度大等难以避免的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置，将地表裂缝监测、深部位移监测、雨量监测、土壤含水率监测等传感器集成到GNSS接收机，并在GNSS接收机内对各类传感器的数据进行分析、处理和汇集，最终通过GNSS接收机打包上传至监控中心，实现对边坡的表面、内部、诱导变形因素的远程综合监测和预警，有效提高监测预警的准确度和可靠性。
为实现上述目的，提供一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置，包括观测墩和传感器集合；其中，
所述观测墩内安装有GNSS天线，并通过射频电缆连接到防雨机箱中GNSS接收机；
所述传感器集合包括雨量计、地表裂缝计、土壤含水率计以及深层位移计；其中，所述雨量计通过脉冲信号采集电缆连接至所述防雨机箱中的所述GNSS接收机，且所述深层位移计、地表裂缝计、以及土壤含水率计同时分别通过通信电缆连接至该GNSS接收机，并通过接收所述GNSS接收机下发的数据采集指令进行实时数据回传反馈，各类传感器的数据在GNSS接收机内对进行分析、处理和汇集，最终通过所述GNSS接收机打包上传至监控中心。
进一步地，所述GNSS接收机包括机箱、主控CPU板、GNSS导航模块、4G全网通通信模块。
进一步地，所述GNSS导航模块通过插针与所述主控CPU板进行连接，所述4G全网通通信模块通过插针与所述主控CPU板进行连接。
进一步地，所述GNSS接收机具有232调试串口、以太网传输接口，GNSS天线和4G天线接口，直流12V输入和输出接口。
进一步地，所述GNSS接收机还具有雨量采集接口、土壤含水率采集接口、裂缝采集接口以及深层位移采集接口，与对应的所述雨量计、土壤含水量计、地表裂缝计以及深层位移计连接。
进一步地，所述防雨机箱内设有固定供电装置，包括蓄电池、充放电控制器和连接线缆。
进一步地，所述观测墩上预装有雨量计安装支架以及地表裂缝计、深层位移计、土壤含水率计的电缆接口。
进一步地，所述观测墩顶部设有天线罩。
进一步地，所述雨量计固定在横杆支架上，该横杆支架通过抱箍固定在所述观测墩的筒体上。
进一步地，所述地表裂缝计安装在需监测边坡的地表裂缝处，所述土壤含水率计安装在监测边坡的所述观测墩旁，所述深层位移计埋入到监测边坡的观测墩旁预先选定的垂直到地面管孔中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，将地表裂缝监测、深部位移监测、雨量监测、土壤含水率监测等传感器集成到GNSS接收机，实现对边坡的表面、内部、诱导因素进行综合监测预警，有效提高监测预警的准确度和可靠性。
(2)本发明的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，将地表裂缝测量数值、深部位移测量数值、雨量、土壤含水率等数据通过有线方式接入GNSS接收机，并同GNSS数据一起进行整体封装，采用同一个无线传输模块上传至数据中心，解决传统边坡监测方法中需要多个无线模块和数据采集模块的痛点，有效降低边坡监测设备的硬件成本。
(3)本发明的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其对GNSS星率数据、深部位移监测数据、地表裂缝数据及土壤含水率数据的采集监测频率可以通过GNSS接收机进行控制和自动调整，以实现在正常监测条件下，采用低采集频率工作模式，降低整个监测装置的功耗，而在可能出现边坡位移的情况时，能自动增大采集频率，提高监测预警准确度。
(4)本发明的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，在观测墩上预装了雨量计安装支架，预留了地表裂缝计、深层位移计、土壤含水率计的电缆接口，可以有效降低辅助传感器的安装难度，节省现场施工成本。
(5)本发明的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，实现了采用一套边坡变形自动监测装置完成一个对边坡的表面、内部、诱导因素进行综合监测预警的解决方案，在有效降低硬件设备成本的同时，极大的提升了现场装调方便性和可维护性。
附图说明
图1为本发明实施例一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置结构示意图；
图2为本发明实施例一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置涉及的GNSS接收机的组成示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-天线罩、2-太阳能电池板、3-雨量计、4-防雨机箱、5-观测墩、6-地表裂缝计、7-土壤含水率计、8-深层位移计。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置结构示意图，如图1所示，本发明的多传感器集成的边坡变形自动监测装置包括天线罩1、太阳能电池板2、雨量计3、防雨机箱4、观测墩5、地表裂缝计6、土壤含水率计7以及深层位移计8。
观测墩5的底座通过膨胀螺钉固定在边坡的水平基面上，并与水平面呈90度垂直，观测墩5上部正中间设有GNSS天线安装支架，用于安装和固定圆盘状的GNSS天线，天线罩1通过螺母固定安装在观测墩正上方，对GNSS天线形成保护。
具体地，观测墩5包括观测柱本体，观测柱本体通过底部的若干个M12安装孔垂直固定安装在监测点的水泥底座上，优选实施例中M12安装孔为至少4个以保证其牢固固定。观测墩5上设有防雨机箱4、太阳能板支架、天线罩1以及GNSS天线强制对中器。太阳能板支架和防雨机箱4通过抱箍固定在观测柱的侧面上，太阳能支架用于安装固定太阳能电池板2，GNSS天线强制对中器位于观测柱本体内靠上部分，用于固定GNSS天线。天线罩固定安装在观测柱本体的上方(GNSS天线上方)，对GNSS天线形成防雨、防雷、防破坏保护。
优选地，太阳能电池板2和防雨机箱4，两者呈180度设置于观测墩5的两侧，使得两侧受力更为稳定，从而有利于整个监测装置的可靠固定。
防雨机箱4内设有固定供电装置，包括蓄电池、充放电控制器和连接线缆，防雨机箱4内还设有GNSS接收机，GNSS天线固定安装在观测墩5内GNSS天线强制对中器上，并通过射频电缆连接到GNSS接收机。优选地，防雨机箱4的上下两端均设有固定抱箍，并通过抱箍固定在观测墩5的筒体上，实现防雨机箱4的有效固定。当然在优选实施例中，防雨机箱4内置蓄电池安装支架用于安装蓄电池；并在防雨机箱4上附带防雨通风窗以及在机箱的箱门配备防盗门锁。
上述固定供电装置为太阳能供电系统，优选实施例中，包括2块100W单晶硅太阳能电池板、1个12V200AH胶体铅酸免维护蓄电池和1个充放电控制器，太阳能电池板2安装固定在观测墩的太阳能板支架上，蓄电池和充放电控制固定安装在防雨机箱4中，供电系统为整个监测装置提供稳定的12V直流电源。
进一步地，雨量计3通过螺钉螺母固定在横杆支架上，该横杆支架通过抱箍固定在观测墩5的筒体上；地表裂缝计6安装在需监测边坡的地表裂缝处，并通过通信电缆连接至防雨机箱4中的GNSS接收机；土壤含水率计7安装在监测边坡的观测墩5附近，并通过通信电缆连接至防雨机箱4中的GNSS接收机；深层位移计8埋入到监测边坡的观测墩5筒体附近的预先选定的垂直到地面管孔中，并通过通信电缆连接至防雨机箱4中的GNSS接收机。
优选地，深部位移监测仪(深层位移计8)、地表裂缝计6、土壤含水率计7分别通过485总线连接至GNSS接收机，并通过接收GNSS接收机下发的数据采集指令进行实时数据回传反馈。各类传感器的数据在GNSS接收机内对进行分析、处理和汇集，最终通过GNSS接收机打包上传至监控中心。
优选地，雨量计3通过脉冲信号采集电缆连接至GNSS接收机，实现对监测点雨量的实时采集监测。
优选地，观测墩5上预装了雨量计安装支架，预留了地表裂缝计、深层位移计、土壤含水率计的电缆接口，可以有效降低辅助传感器的安装难度，节省现场施工成本。
GNSS星率数据及各类集成传感器的数据采样频率通过GNSS接收机进行控制和自动调整，以实现在正常监测条件下，采用低采集频率工作模式，而在可能出现边坡位移的情况时，能自动增大采集频率。
GNSS接收机的对星率数据、深部位移监测数据、地表裂缝数据及土壤含水率数据的监测采用固定频率方式，其采集时间间隔通过GNSS接收机的软件程序进行控制，当监测到一定阈值的累计雨量和土壤含水率时，GNSS接收机自动调整，加大采集频率，提高可能出现滑坡的监测时效性；当监测到是无下雨的气候条件下，GNSS接收机自动调整，并降低采集频率，有效降低整个装置的运行功耗。
本发明的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，以GNSS接收机为核心设备，在接收机上预留深部位移监测仪、地表裂缝计、土壤含水率计及雨量计等多类传感器采集接口，并将采集的数据进行汇总和封装，通过GNSS接收机内的无线数据传输模块上传至数据中心。数据中心通过对监测到的卫星定位数据、实时雨量、土壤含水率、地表裂缝数值、深层位移值等数据进行综合分析处理，计算输出该监测点边坡从内部到表面的三维位移实时变化趋势图，并在数据超出预先设定的阈值时，输出预警推送信息，供相关人员进行查询、使用和判断处理。
本发明的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，可以将地表裂缝监测、深部位移监测、雨量监测、土壤含水率监测等传感器集成到GNSS接收机，实现对边坡的表面、内部、诱导因素进行综合监测预警，有效提高监测预警的准确度和可靠性。
图2为本发明实施例一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置涉及的GNSS接收机的组成示意图。结合图1和图2，本发明的核心设备GNSS接收机设于防雨机箱4中，并通过两芯室外屏蔽电缆和超五类室外屏蔽网线将设备电源和调试网络接口引出。
GNSS接收机包括机箱、主控CPU板、GNSS导航模块、4G全网通通信模块等。其中，GNSS导航模块通过插针与主控CPU板进行连接，并优选用螺钉固定，4G全网通通信模块通过插针与主控CPU板进行连接，并优选用螺钉固定。
GNSS接收机具有232调试串口、以太网传输接口，GNSS天线和4G天线接口，直流输入和输出接口，因为供电系统为整个监测装置提供稳定的12V直流电源，与此相对应的，直流输入和输出接口优选为直流12V输入和输出接口。还具有雨量采集、土壤含水率采集、裂缝采集与深层位移采集4个传感器采集接口，用于与对应的雨量计3、土壤含水量计7、地表裂缝计5以及深层位移计8实现连接，以实现对边坡的表面、内部、诱导因素进行综合监测预警。
GNSS接收机能够实现对GNSS导航模块进行1秒、5秒、15秒和30秒间隔时间的RTCM数据采样，并通过网络通信模块实时上传至GNSS管理平台的云服务器，供云服务器进行综合差分解算，并得到小于5mm的位移监测精度。GNSS接收机的功耗小于5W，在100W的太阳能供电系统下可以满足连续阴雨天气下运行7天。
本发明的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，可以将地表裂缝测量数值、深部位移测量数值、雨量、土壤含水率等数据通过有线方式接入GNSS接收机，并同GNSS数据一起进行整体封装，采用同一个无线传输模块上传至数据中心，解决传统边坡监测方法中需要多个无线模块和数据采集模块的痛点，有效降低边坡监测设备的硬件成本。
并且对GNSS星率数据、深部位移监测数据、地表裂缝数据及土壤含水率数据的采集监测频率可以通过GNSS接收机进行控制和自动调整，以实现在正常监测条件下，采用低采集频率工作模式，降低整个监测装置的功耗，而在可能出现边坡位移的情况时，能自动增大采集频率，提高监测预警准确度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，包括观测墩(5)和传感器集合；其中，
所述观测墩(5)内安装有GNSS天线，并通过射频电缆连接到防雨机箱(4)中GNSS接收机；
所述传感器集合包括雨量计(3)、地表裂缝计(6)、土壤含水率计(7)以及深层位移计(8)；其中，所述雨量计(3)通过脉冲信号采集电缆连接至所述防雨机箱(4)中的所述GNSS接收机，且所述深层位移计(8)、地表裂缝计(6)、以及土壤含水率计(7)同时分别通过通信电缆连接至该GNSS接收机，并通过接收所述GNSS接收机下发的数据采集指令进行实时数据回传反馈，各类传感器的数据在GNSS接收机内对进行分析、处理和汇集，最终通过所述GNSS接收机打包上传至监控中心。
2.根据权利要求1所述的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，所述GNSS接收机包括机箱、主控CPU板、GNSS导航模块、4G全网通通信模块。
3.根据权利要求2所述的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，所述GNSS导航模块通过插针与所述主控CPU板进行连接，所述4G全网通通信模块通过插针与所述主控CPU板进行连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，所述GNSS接收机具有232调试串口、以太网传输接口，GNSS天线和4G天线接口，直流输入和输出接口。
5.根据权利要求1-4任一项所述的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，所述GNSS接收机还具有雨量采集接口、土壤含水率采集接口、裂缝采集接口以及深层位移采集接口，与对应的所述雨量计(3)、土壤含水量计(7)、地表裂缝计(5)以及深层位移计(8)连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，所述防雨机箱(4)内设有固定供电装置，包括蓄电池、充放电控制器和连接线缆。
7.根据权利要求1-6任一项所述的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，所述观测墩(5)上预装有雨量计安装支架以及地表裂缝计、深层位移计、土壤含水率计的电缆接口。
8.根据权利要求1-7任一项所述的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，所述观测墩(5)顶部设有天线罩(1)。
9.根据权利要求1-8任一项所述的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，所述雨量计(3)固定在横杆支架上，该横杆支架通过抱箍固定在所述观测墩(5)的筒体上。
10.根据权利要求1-9任一项所述的多传感器集成的边坡变形自动监测装置，其特征在于，所述地表裂缝计(6)安装在需监测边坡的地表裂缝处，所述土壤含水率计(7)安装在监测边坡的所述观测墩(5)旁，所述深层位移计(8)埋入到监测边坡的观测墩(5)旁预先选定的垂直到地面管孔中。
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