CN111275931B - 一种危岩体断裂预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种危岩体断裂预警方法及系统，该方法包括：在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息，通过无线组网将所述岩石振动信号和所述姿态信息发送至数据处理中心；所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态。通过该方案解决了现有预警方法难以提前预警、成本高的问题，可以同时对多个区域的危岩体进行监测预警，不仅可以提前准确预警，而且能降低硬件成本，简单易实施。

Description

一种危岩体断裂预警方法及系统

技术领域

本发明涉及灾害预警领域，尤其涉及一种危岩体断裂信号采集处理方法及系统。

背景技术

对于山地地貌，危岩体断裂崩塌是比较常见的自然灾害。一些高差大、孤立陡峭的山嘴或存在凹形陡坡的岩体，受地震、风化、腐蚀等因素影响，导致岩体结构断裂，常会对周围的道路、建筑物或工程设备造成破坏，同时还可能对人的生命安全造成威胁。

目前，对于危岩体断裂检测预警，多是在岩体发生形变时，通过加装位移检测装置在岩体坠落前及时进行预警，保障相关人员安全，这种方式简单且成本较低，但预警提前时间过短，预留的反应时间及防治时间不够，一旦预警出错或不及时会造成严重后果；而通过激光全息摄影、超声波检测、大地形变测量等方法虽然可以较早的发现危险提前预警，但检测设备陈本高，分析过程复杂，适用范围有限。

有鉴于此，有必要提出一种能提前预警、成本低的危岩体断裂预警方法。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种危岩体断裂预警方法及系统，以解决现有危岩体检测预警成本高、预警不及时的问题。

在本发明实施例的第一方面，提供了一种危岩体断裂预警方法，包括：

在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息，通过无线组网将所述岩石振动信号和所述姿态信息发送至数据处理中心；

所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态。

在本发明实施例的第二方面，提供了一种危岩体断裂预警系统，包括：

采集模块，用于在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息，通过无线组网将所述岩石振动信号和所述姿态信息发送至数据处理中心；

分析模块，用于所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态。

本发明实施例中，在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息，通过无线组网将岩石振动信号和所述姿态信息发送至数据处理中心，数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态，从而解决了现有危岩体预警方法成本高，预警不及时的问题，通过部署小型传感器采集数据，基于大数据分析可以准确判断危岩体体状态，进而可以及时对危岩体进行预警，基于传感器可以实现对大片区域的危岩体检测预警，适用范围广，成本低廉，方便区域监测预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。

图1为本发明的一个实施例提供的危岩体断裂预警方法的流程示意图；

图2为本发明的一个实施例提供的危岩体断裂预警系统的结构示意图。

图3为本发明的一个实施例提供的危岩体断裂预警系统的另一结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的危岩体断裂方法的流程示意图，如图1所示：

S101、在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息，通过无线组网将所述岩石振动信号和所述姿态信息发送至数据处理中心；

所述危岩体是指存在崩塌风险的岩石，岩石崩塌会对周围房屋、道路及其他设施造成破坏，更严重的是会对危及人的生命安全，由于危岩体在崩塌前会产生一些物理现象，如位移、产生振动信号等，这些变化比较细微，可以通过传感器进行采集。

所述传感器包括角度传感器和微振动传感器。通过角度超感器可以采集岩石角度变化，即姿态信息，进而计算整体位移变化，所述微振动传感器用于采集微振动信号，或称振动信号，所述岩石振动信号一般是在岩体发生状态变化时产生的微小振动信号，根据振动信号的幅度变化可以判断岩石是否产生状态改变。

在同一危岩体上布置安装传感器间可以进行无线组网(如ZigBee、WiFi 等)，不同危岩体上的传感器间也可以进行组网，不同区域的路由器、协调器等也可以实现组网。传感器中安装的无线模块可以实现自动连接，并基于无线模块进行数据传输。基于无线组网的数据传输可以消除单个单片机损坏的影响，同时方便更换。

可选的，对于采集得到的岩石振动信号，可以对其进行FFT频谱转换及加窗滤波处理。

S102、所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态。

所述数据处理中心用于对采集的岩石振动信号和姿态信息进行收集分析，将分析判断结果发送至对应终端设备，生成预警提示。

可选的，对同一传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行自相关分析，根据同一传感器不同时间采集的岩石振动信号和姿态信息变化，判断传感器状态。

可选的，在传感器节点初次安装时进行调零补偿，间隔预设周期采集危岩体姿态信息；根据同一传感器节点当前时刻危岩体姿态与上一时刻危岩体姿态的空间变化量，以及同一危岩体不同传感器节点的空间变化量，加权计算危岩体整体的空间变化量；将危岩体整体的空间变化量与第一预设阈值比对，判断危岩体的危险等级。

示例性的，分别在危岩体的凸表面和基底石体上安装传感器，定义为w_n. 和d_m。一般按照危岩体规模每立方米可安装5个左右传感器，每个传感器上集成角度传感器和振动传感器。

设X_dm、Y_dm、Z_dm分别表示第d_m号传感器采集节点采集的危岩基底石体的角度信息，V_dm表示第d_m个传感器采集节点采集的危岩基底石体处的振动信息。

设X_wm、Y_wm、Z_wm分别表示第w_m号传感器采集节点采集的危岩的角度信息， V_wm表示第w_m个传感器采集节点采集的危岩处的振动信息。

根据各节点传感器采集的危岩基底石体的角度信息：X_dm、Y_dm、Z_dm及X_wm、 Y_wm、Z_wm，计算出每个节点传感器在X、Y、Z轴之间的角度变化数据来反应危岩体的姿态变化情况。

为了便于描述，在下述公式中用id来统一代指d_m、w_m两种传感器的编号。

令f_1-id＝f(X_id,Y_id,m_1-id)表示节点传感器在X、Y轴上的空间变化量，X_id,Y_id为传感器采集的在X轴、Y轴的角度，m_1-id为f_1-dm的调零补偿值。 f_2-id＝f(X_id,Z_id,m_2-id)表示节点传感器在X、Z轴上的空间变化量，X_id,Z_id为传感器采集的在X轴、Y轴的角度，m_2-id为f_2-dm的调零补偿值。f_3-id＝f(Y_id,Z_id,m_3-id)表示节点传感器在Y、Z轴上的空间变化量，Y_id,Z_id为传感器采集的在Y轴、 Z轴的角度，m_3-id为f_3-dm的调零补偿值。

f_4-id＝f(V_id,m_4-id，t)表示节点传感器采集到的振动信号随时间变化的波形，m_4-id为f_4-id的调零补偿值。

当危岩体上传感器初次安装固定完成后，则通过调零补偿值对传感器 f₁,f₂,f₃,f₄进行调零。

设采集周期为T，t₀表示零校验时刻，t_i表示当前采集时刻。Δf_1-id、Δf_2-id、Δf_3-id分别表示当前时刻与上一次零校验时刻相比X轴与Y轴、X轴与Z轴、 Y轴与Z轴空间变化量的差值。用加权求和的方法求得该节点一个采集周期前后姿态变化量ΔF_posture-id，a、b、c为空间变化量加权系数：

ΔF_posture-id＝aΔf_1-id+bΔf_2-id+cΔf_3-id

进一步的，计算监测区域所对应的危岩姿态变化量ΔF_posture。

K_id为贡献系数与当前节点传感器的姿态变化量相关，ΔF_posture-id越大对应的K_id越大。一般情况下，危岩基底石体的空间变化量ΔF_posture-id为0，所以在进行危岩姿态的状态判断时，与之对应的K_id＝0。

若|ΔF_posture|≤F_safe，表示监控区域内危岩姿态正常，继续监测。

若F_safe＜|ΔF_posture|＜F_danger，表示监控区域内危岩姿态有微变，将该监测区域设为重点监测区域。

若|ΔF_posture|≥F_danger，表示危岩姿态发生了明显变化，脱落风险大。

可选的，在传感器节点初次安装时进行调零补偿，间隔预设周期采集危岩体振动信号；设置时间窗截取振动信号，计算同一危岩体不同传感器节点在时间窗内振动信号的相关度；将振动信号与第二预设阈值比对，判断危岩体的危险等级。

示例性的，将f_4-id＝f(V_id,m_4-id，t)定义为被监测点采集到的振动信号随时间变化的波形，m_4-id为f_4-id的调零补偿值。假设f_4-dm＝f(V_dm,m_4-dm，t)、f_4-wm＝ f(V_wm,m_4-wm，t)为两条已做调零处理的实时曲线。一般危岩体有剥离，内部的振动信号可以通过曲线进行反应。

设采集周期为T，t_i表示当前采集时刻。f_4-id表示当前时刻振动信号幅值，其中，f_4-dm表示危岩基底石体表面第dm号传感器采集到的振动信号幅值， f_4-wm表示危岩表面第wm号传感器采集到的当前时刻振动信号幅值。

当|f_4-id|≥V_M即当|f_4-dm|≥V_m-dm或者|f_4-wm|≥V_m-wm时，记录下当前时刻t_i，并启动下一步；否则，继续监测。

以t_i时刻为中心，设置时间窗Δt，截取f_4-dm＝f(V_dm,m_4-dm，t)、f_4-wm＝ f(V_wm,m_4-wm，t)两条波形曲线上对应的波形。对两段曲线对应的信号做相关性度量，设C_ti表示t_i时刻监测到有振动信号后，Δt时间窗内f_4-dm(Δt)与f_4-wm(Δt)两条波形曲线的相关性程度，C_ti越大表示两个信号越相关。。

若C_ti≥R_similar，说明基底表面和危岩表面采集到的振动信号为同一种能量信号，判断为ti时刻危岩与基底发生过剥离行为，应详细记录本次剥离行为发生的时间、位置、振动幅度、功率谱密度等信息，为后续危岩状态的评估提供依据。

若C_ti<R_similar，说明基底表面和危岩表面只有一方采集到振动信号，判断为外界其他干扰(如雨点、动物或其他偶发干扰)，不属于危岩剥离行为，不做处理，继续监测。

优选的，基于大数据分析量化危岩体姿态变化和振动信号相关度对岩石脱落的影响程度或相关程度，方便设定脱落判断阈值及综合岩体姿态、振动信号判定岩石的脱落，实现对危岩体断裂脱落更早预警。

可选的，当判定危岩体有脱落风险时，对危岩体对应区域进行预警提示，如广播、向手机终端用户发送提示等；

当判定危岩体有状态变化时，对危岩体进行重点监测，详细记录状态变化时间、位置、幅度、功率谱密度等信息，方便对危岩体状态评估，同时提高数据采集频率。

当判定危岩体状态稳定时，进行正常监测。

在本实施例中，通过传感器采集危岩体角度姿态信息和振动信息，通过无线组网发送将采集数据发送的数据处理中，基于同一危岩体不同传感器采集数据进行相关性分析，方便准确确定岩石状态，及时提供预警信息。同时基于低成本的传感器部署可以有效降低成本，增大可监测区域。

应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

图2为本发明实施例提供的一种危岩体断裂预警系统的结构示意图，该系统包括：

采集模块210，用于在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息，通过无线组网将所述岩石振动信号和所述姿态信息发送至数据处理中心；

可选的，所述传感器包括角度传感器和微振动传感器。

可选的，所述在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息包括：

对所述岩石振动信号进行FFT频谱转换及加窗滤波处理。

岩石信号的频谱转换和滤波处理可以在传输到数据处理中心前统一进行处理，或由数据处理中心进行频谱转换和加窗滤波，在此不做限定。

分析模块220，用于所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态。

可选的，所述分析模块220包括：

自相关分析单元，用于对同一传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行自相关分析，根据同一传感器不同时间采集的岩石振动信号和姿态信息变化，判断传感器状态。

可选的，所述分析模块220包括：

第一补偿单元，用于在传感器节点初次安装时进行调零补偿，间隔预设周期采集危岩体姿态信息；

第一计算单元，用于根据同一传感器节点当前时刻危岩体姿态与上一时刻危岩体姿态的空间变化量，以及同一危岩体不同传感器节点的空间变化量，加权计算危岩体整体的空间变化量；

第一判断单元，用于将危岩体整体的空间变化量与第一预设阈值比对，判断危岩体的危险等级。

可选的，所述分析模块230还包括：

第二补偿单元，用于在传感器节点初次安装时进行调零补偿，间隔预设周期采集危岩体振动信号；

第二计算单元，用于设置时间窗截取振动信号，计算同一危岩体不同传感器节点在时间窗内振动信号的相关度；

第二判断单元，用于将振动信号与第二预设阈值比对，判断危岩体的危险等级。

可选的，所述所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态还包括：

当判定危岩体有脱落风险时，对危岩体对应区域进行预警提示；

当判定危岩体有状态变化时，对危岩体进行重点监测，提高数据采集频率。

当判定危岩体状态稳定时，进行正常监测。

本实施例提供的系统，可以准确可靠地进行危岩体断裂脱落预警，不仅可以及时准确预警，而且成本低廉，方便大范围应用。

图3为本发明实施例提供的一种危岩体断裂预警系统的另一结构示意图，该系统包括：监测区域310、基础通信平台320、数据处理中心330、预警系统340、云平台350和外部服务平台360。

所述监测区域310即危岩体区域，可以对应一块或多块区域，通过在危岩体上安装传感器采集危岩的状态数据，实现对危岩体状态监测。采集到的危岩状态数据通过无线组网的方式上传到基础通信平台320(无线组网协议不限于ZigBee、WiFi)。所述基础通信平台320用于提供传感器的基础通信，已经集成、铺设、组网了无线网络中的WiFi热点(WiFiAP)、ZigBee协调器、路由器等结构(无线组网协议不限于ZigBee、WiFi)，当监测区域310 中的传感器节点接入到相应的无线网络中时，就可以通过相应的无线网络协议将数据发送到基础通信平台320。基础通信平台320将接收到的危岩状态数据通过移动互联网(如4G)、光缆专网等发送到数据处理中心330进行处理。

数据处理中心330对采集到的危岩体状态数据分区域进行过滤分析、并定位至对应区域，并将危岩体状态通过预警系统340中预警大屏、手机APP 等展示。数据处理中心330对各监测区域的危岩状态进行判断，由预警系统 340控制对应设备进行对应预警显示或发送预警信息至对应的设备。

数据处理中心330还与云平台350、外部服务平台360连接，云平台350 用于将采集的危岩监测数据进行存储，便于后期进行危岩大数据分析统计。外部服务平台360用于与外部服务平台连接(如旅游委服务平台)，便于危岩管理。

在预警系统340中危岩状态可以设置三个级别的状态红色、黄色、绿色：

红色预警：说明危岩有高度脱落风险，通过本地大屏、语音广播、手机 APP同时进行报警，疏散人群，同时提醒管理方立即进行人工巡查和处理。

红色预警的条件：|ΔF_posture|≥F_danger，表示危岩姿态发生了明显变化，脱落风险大。

黄色预警：说明监测到危岩状态有变化，通过分析列入重点监测区域，需要在相应位置架设物理防护措施，同时加强人工巡检。

黄色预警的条件：C_ti≥R_similar表示基底表面和危岩表面采集到同一种能量信号，危岩与基底发生过剥离行为。

或者F_safe＜|ΔF_posture|＜F_danger，表示监控区域内危岩姿态有微变，将该监测区域设为重点监测区域。

绿色预警：说明危岩状态稳定，脱落风险低，正常监测暂无预警。

绿色预警的条件：C_ti<R_similar，表明危岩与基底未发生过剥离行为。

或者若|ΔF_posture|≤F_safe，表示监控区域内危岩姿态正常，继续监测。

其中，ΔF_posture为危岩姿态变化量，F_danger为危岩姿态变化危险阈值，F_safe为危岩姿态变化安全阈值，C_ti表示两个振动信号相关度，R_similar为振动信号阈值。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括步骤S101至S102，所述的存储介质包括如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种危岩体断裂预警方法，其特征在于，包括：

在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息，通过无线组网将所述岩石振动信号和所述姿态信息发送至数据处理中心；

在同一危岩体上布置安装传感器间可以进行无线组网，不同危岩体上的传感器间也可以进行组网；

所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态；

其中，所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析包括：

在传感器节点初次安装时进行调零补偿，间隔预设周期采集危岩体姿态信息；

根据同一传感器节点当前时刻危岩体姿态与上一时刻危岩体姿态的空间变化量，以及同一危岩体不同传感器节点的空间变化量，加权计算危岩体整体的空间变化量；

将危岩体整体的空间变化量与第一预设阈值比对，判断危岩体的危险等级；

在传感器节点初次安装时进行调零补偿，间隔预设周期采集危岩体振动信号；

设置时间窗截取振动信号，计算同一危岩体不同传感器节点在时间窗内振动信号的相关度；

将振动信号与第二预设阈值比对，判断危岩体的危险等级。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器包括角度传感器和微振动传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息包括：

对所述岩石振动信号进行FFT频谱转换及加窗滤波处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析还包括：

对同一传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行自相关分析，根据同一传感器不同时间采集的岩石振动信号和姿态信息变化，判断传感器状态。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态还包括：

当判定危岩体有脱落风险时，对危岩体对应区域进行预警提示；

当判定危岩体有状态变化时，对危岩体进行重点监测，提高数据采集频率；

当判定危岩体状态稳定时，进行正常监测。

6.一种危岩体断裂预警系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息，通过无线组网将所述岩石振动信号和所述姿态信息发送至数据处理中心；

其中，在同一危岩体上布置安装传感器间可以进行无线组网，不同危岩体上的传感器间也可以进行组网；

分析模块，用于所述数据处理中心对不同传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行互相关分析，以判断危岩体状态；

所述分析模块包括：

第一补偿单元，用于在传感器节点初次安装时进行调零补偿，间隔预设周期采集危岩体姿态信息；

第一计算单元，用于根据同一传感器节点当前时刻危岩体姿态与上一时刻危岩体姿态的空间变化量，以及同一危岩体不同传感器节点的空间变化量，加权计算危岩体整体的空间变化量；

第一判断单元，用于将危岩体整体的空间变化量与第一预设阈值比对，判断危岩体的危险等级；

第二补偿单元，用于在传感器节点初次安装时进行调零补偿，间隔预设周期采集危岩体振动信号；

第二计算单元，用于设置时间窗截取振动信号，计算同一危岩体不同传感器节点在时间窗内振动信号的相关度；

第二判断单元，用于将振动信号与第二预设阈值比对，判断危岩体的危险等级。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述在危岩体上安装多个传感器采集岩石振动信号和姿态信息包括：

对所述岩石振动信号进行FFT频谱转换及加窗滤波处理。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述分析模块还包括：

自相关分析单元，用于对同一传感器采集的岩石振动信号和姿态信息进行自相关分析，根据同一传感器不同时间采集的岩石振动信号和姿态信息变化，判断传感器状态。

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