CN111561917B - 一种道路边坡监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种道路边坡监测系统，所述系统包括：若干个设置于待检测边坡上的当前数据采集传感器、数据传输设备以及数据存储设备，其中，所述当前数据采集传感器阵列设置在待检测边坡上；所述当前数据采集传感器上预先存储有自身的标准坐标；当前数据采集传感器获取自身的当前坐标，比较当前坐标与标准坐标之间的差异，在所述差异小于第一预设阈值时，发出自身坐标发生变化的判断结果；数据传输设备用于接收当前数据采集传感器发送的自身坐标是否发生变化的判断结果；数据存储设备用于存储所述判断结果。应用本发明实施例，进而可以降低无线传感器数据传输负荷。

Description

一种道路边坡监测系统

技术领域

本发明涉及山体灾害监测，具体涉及一种道路边坡监测系统。

背景技术

山体滑坡严重威胁人民的生命财产安全，如何对山体滑坡进行预警是亟待解决的技术问题。

目前，通常使用无线技术对山体进行监测，其方法是：将若干个无线传感器设置在山体上的预设位置，利用无线传感器探测山体的各项与滑坡有关的技术参数，并将所采集的参数通过无线的方式发送至数据接收设备。然后，通过专用的分析软件或者专业的分析人员进行数据判读，进而得到山体是否存在潜在的滑坡风险，如果山体存在潜在的滑坡风险，则发出预警。

但是，发明人在研究中发现，无线传感器采集的数据项目较多，通常包括坐标、含水率等几十项参数，需要传输的数据量较大；进一步的，无线传感器的辐射功率有限，通常使用多跳路由的方式进行数据的中继传输，进一步加剧了处于路由中部的无线传感器的工作负荷，因此，现有技术中存在无线传感器数据传输负荷较大的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种道路边坡监测系统以降低无线传感器数据传输负荷。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

本发明实施例提供了一种道路边坡监测系统，所述系统包括：若干个设置于待检测边坡上的当前数据采集传感器、数据传输设备以及数据存储设备，其中，

所述当前数据采集传感器阵列设置在待检测边坡上；所述当前数据采集传感器上预先存储有自身的标准坐标；当前数据采集传感器获取自身的当前坐标，比较当前坐标与标准坐标之间的差异，在所述差异小于第一预设阈值时，发出自身坐标发生变化的判断结果；

数据传输设备用于接收当前数据采集传感器发送的自身坐标是否发生变化的判断结果；

数据存储设备用于存储所述判断结果。

可选的，所述当前数据采集传感器间隔均匀的阵列设置在待检测边坡上。

可选的，所述发出自身坐标发生变化的判断结果，包括：

向所述当前数据采集传感器周围的其他数据采集传感器发送询问指令；

所述其他数据采集传感器在接收到所述询问指令后，判断自身的坐标是否发生变化；

在自身的坐标未发生变化的情况下，向所述当前数据采集传感器返回否的结果；当所返回否的结果的其他数据采集传感器的数量超过第二预设阈值时，判定自身坐标未发生变化；

在自身的坐标发生变化的情况下，向所述当前数据采集传感器返回是的结果；当所返回是的结果的其他数据采集传感器的数量超过第二预设阈值时，判定自身坐标发生变化。

可选的，所述第二预设阈值为，所述当前数据采集传感器周围的邻接设置的其他数据采集传感器总数量的一半。

可选的，所述当前数据采集传感器获取自身的当前坐标，包括：

所述当前数据采集传感器获取当前时刻的太阳高度角和太阳方位角，并根据所述太阳高度角和太阳方位角计算出自身在当前时刻的坐标。

可选的，所述数据采集传感器上设有高度角测量装置以及方位角测量装置；

所述高度角测量装置包括：依次沿光轴设置的单色光滤光片、水平狭缝、第一凸透镜、高度角光栅尺，且所述水平狭缝、第一凸透镜、高度角光栅尺构成夫琅禾费衍射光路；数据采集传感器基于高度角光栅尺上的光电传感器测量出夫琅禾费衍射条纹的中心位置，根据所述中心位置偏离光轴的距离计算出入射光偏离光轴的角度，根据入射光偏离光轴的角度与光轴对应的高度角计算出太阳的高度角；

所述方位角测量装置包括：依次沿光轴设置的单色光滤光片、垂直狭缝、第二凸透镜、高度角光栅尺，且所述垂直狭缝、第二凸透镜、高度角光栅尺构成夫琅禾费衍射光路；数据采集传感器基于方位角光栅尺上的光电传感器测量出夫琅禾费衍射条纹的中心位置，根据所述中心位置偏离光轴的距离计算出入射光偏离光轴的角度，根据入射光偏离光轴的角度与光轴对应的高度角计算出太阳的方位角。

可选的，所述高度角测量装置的光轴的高度角为预先设置的。

可选的，所述方位角测量装置的光轴的方位角为预先设置的。

可选的，所述系统还包括：功能实现设备，用于根据采集的数据进行待检测边坡的稳定性分析。

可选的，所述述数据采集传感器还采集边坡的含水量数据。

本发明的优点在于：

应用本发明实施例，由于在进行边坡检测时使用的坐标数据是具有较高的精度，因此，其数据串的长度较大，当前数据采集传感器仅发送是否的结果，并不会发送具体的自身的坐标数据，可以降低所要发送的数据的量，进而可以降低无线传感器数据传输负荷。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种道路边坡监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种道路边坡监测系统中的高度角测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种道路边坡监测系统的结构示意图，如图1所示，所述系统包括：若干个设置于待检测边坡上的当前数据采集传感器、数据传输设备以及数据存储设备，其中，

所述当前数据采集传感器阵列设置在待检测边坡上，其中待检测边坡即为图1中的监控区域。以其中一个数据采集传感器为例对本发明实施例的具体实现过程进行说明。为了将该数据采集传感器与其他数据采集传感器加以区分，将该传感器称为当前数据采集传感器。

当前数据采集传感器上预先存储有自身的标准坐标，标准坐标可以是在安装当前数据采集传感器时，使用精度达到1-10cm的GPS设备测量得到的，还可以是使用普通民用GPS(Global Positioning System，全球定位系统)设备进行测量并辅之以RTK(RealTimeKinematic，实时动态)载波相位差分技术进行精确测绘的坐标，该坐标是评价承载有当前数据采集传感器的坐标是否发生变化的依据，即标准坐标是绝对正确的坐标，是不会发生错误的坐标。需要强调的是，上述二者的坐标测量方式均为现有技术，本发明实施例在此不再赘述。

随着天气的变化或者地质条件的变化，当前数据采集传感器的位置可能发生变化，因此，当前数据采集传感器可以通过GPS设备、激光定位设备等设备测量出自身的当前坐标。当前数据采集传感器将当前坐标与标准坐标进行求差处理，如果二者之差小于第一预设阈值时，判定当前数据采集传感器的当前坐标与标准坐标一致，即当前数据采集传感器的坐标并未发生变化；如果二者之差大于或者等于第一预设阈值，则判定当前数据采集传感器的坐标发生了变化。当前数据采集传感器将当前时刻对应的坐标是否发生变化的判断结果发送出去。

数据传输设备用于接收当前数据采集传感器发送的自身坐标是否发生变化的判断结果；

数据存储设备用于存储所述判断结果。

应用本发明实施例，由于在进行边坡检测时使用的坐标数据是具有较高的精度，因此，其数据串的长度较大，当前数据采集传感器仅发送是否的结果，并不会发送具体的自身的坐标数据，可以降低所要发送的数据的量，进而可以降低无线传感器数据传输负荷。

进一步的，为了能够实现充分的边坡检测，所述当前数据采集传感器间隔均匀的阵列设置在待检测边坡上。通常情况下，当前数据采集传感器可以横向纵向均间隔1m设置。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，当前数据采集传感器A可以向所述当前数据采集传感器A周围的其他数据采集传感器B发送询问指令；

所述其他数据采集传感器B在接收到所述询问指令后，利用与当前数据采集传感器A相同的方法判断自身的坐标是否发生变化；

在自身的坐标未发生变化的情况下，其他数据采集传感器B向所述当前数据采集传感器A返回自身坐标未发生变化的结果；当前数据采集传感器A统计所接收的邻接的其他数据采集传感器B返回的自身坐标未发生变化结果。通常情况下，一个当前数据采集传感器A邻接的其他数据采集传感器B的数量为8个，当所返回否的结果的其他数据采集传感器的数量超过第二预设阈值4时，判定自身坐标未发生变化。

类似的，在自身的坐标发生变化的情况下，向所述当前数据采集传感器返回是的结果；当所返回是的结果的其他数据采集传感器的数量超过第二预设阈值时，判定自身坐标发生变化。

需要强调的是，第二预设阈值可以为前数据采集传感器A邻接的其他数据采集传感器B的数量的一半，也可以为其他数值，例如3个，或者2个，进一步的，还可以为5个或者6个。

由于数据采集传感器是设置在道路的边坡上，如图1所示的铁路一侧的边坡上，因此，数据采集传感器通常是工作在野外环境中，数据采集传感器在道路上车辆的震动下，或者野生动物的破坏下，或者自然沉降的条件下，某些数据采集传感器的坐标可能会发生变化。这些因素导致的坐标的变化并不属于滑坡，因此，如果此时发出滑坡警告属于误报的范畴。为了降低误报，发明人经过研究发现，边坡发生土体蠕动进而发生滑坡属于连锁式的反应，即，边坡上的某一个数据采集传感器所在位置点发生土体蠕动时，该数据采集传感器所在位置点周围的其他数据采集传感器所在位置点也在发生土体蠕动的位置点的影响下发生土体蠕动甚至滑坡，同时，海拔低于该数据采集传感器所在位置点的其他数据采集传感器所在位置点也会在发生土体蠕动山体的压迫下发生蠕动，进而会导致坐标的改变。如果在降雨量较大的时期，海拔高于该数据采集传感器所在位置点的土体失去支撑，或者支撑力较小的情况下，海拔高于该数据采集传感器所在位置点的土体也会发生蠕动。因此，在当前数据采集传感器探测到自身的当前坐标发生变化时，向周围的其他数据采集传感器发出询问指令，可以避免当期数据采集传感器的坐标发生变化导致的误报。

进一步的为了提高检测的准确度，所述第二预设阈值为，所述当前数据采集传感器周围的邻接设置的其他数据采集传感器总数量的一半。

更进一步的，为了实现更小范围的发生蠕动的山体的检测，当前数据采集传感器仅向与自身邻接设置的，且海拔低于自身的其他数据采集传感器发出询问指令。也就是说，当一个位置点上的数据采集传感器的坐标发生了变化，其邻接的、海拔较低的数据采集传感器的坐标必然会发生变化，因此，该位置点上的数据采集传感器向海拔低于自身的其他数据采集传感器发出询问指令，在确定出自身的判断结果为非误报的同时，还可以利用自身检测出范围小于1*1m的土体蠕动。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述当前数据采集传感器可以获取当前时刻的太阳高度角和太阳方位角，并根据所述太阳高度角和太阳方位角计算出自身在当前时刻的坐标。

需要强调的是，当前时刻的太阳高度角和太阳方位角的获取过程为现有技术，例如可以采用“王慧、崔连延，太阳高度角和方位角的计算算法”或者中国气象科学研究院王炳忠研究员编写的《太阳辐射计算讲座》中提供的计算方法实现。

进一步的，所述数据采集传感器上设有高度角测量装置以及方位角测量装置；

图2为本发明实施例提供的一种道路边坡监测系统中的高度角测量装置的结构示意图，如图2所示，所述高度角测量装置包括：依次沿光轴210设置的单色光滤光片201、水平狭缝202、第一凸透镜203、高度角光栅尺204，且所述水平狭缝202、第一凸透镜203、高度角光栅尺204构成夫琅禾费衍射光路。需要说明的是，单色光滤光片201垂直光轴210设置；光轴210为第一凸透镜203的光轴；水平狭缝202的长度方向为水平，且水平狭缝202的所在的板状物垂直于光轴210；光轴210穿过水平狭缝202宽度的中点；高度角光栅尺204平行于水平狭缝202，垂直于光轴210，且与光轴210共面设置。

数据采集传感器基于高度角光栅尺204上的光电传感器测量出夫琅禾费衍射条纹的中心位置，通常情况下，夫琅禾费衍射条纹的中心位置的光强度最高，因此，可以将光强度最高的位置作为夫琅禾费衍射条纹的中心位置；或者，还可以测量出夫琅禾费衍射条纹中位于中间的最宽的条纹的两侧边缘的位置，根据两侧边缘位置的平均值计算出夫琅禾费衍射条纹的中心位置。根据所述中心位置偏离光轴的垂直距离计算出入射光偏离光轴的角度；需要说明的是，根据中心位置偏离光轴的距离计算出入射光偏离光轴的角度的计算方法可以使用“陕西理工学院，谭毅，夫琅禾费单缝衍射实验的仿真研究”中公开的方法进行计算。光轴对应的高度角可以为待检测边坡所在地区的太阳高度角变化范围的中间值；当照射到高度角光栅尺204上的夫琅禾费衍射条纹的中心位置低于光轴在高度角光栅尺204上的垂足时，可以根据入射光偏离光轴的角度与光轴对应的高度角之差计算出太阳的高度角；当照射到高度角光栅尺204上的夫琅禾费衍射条纹的中心位置高于光轴在高度角光栅尺204上的垂足时，可以根据入射光偏离光轴的角度与光轴对应的高度角之和计算出太阳的高度角，其中，光轴对应的高度角为高度角测量装置设计时预先设定好的角度。

进一步的，为了降低当前数据采集传感器的计算量，可以在对高度角光栅尺204的位置进行预先标定，例如，将高度角光栅尺204的上的每一个栅格对应的入射光偏离光轴的角度预先测量出来，并存储在数据采集传感器中，当入射光到达该位置时，直接读取出该位置对应的入射光偏离光轴的角度，进而得到太阳的高度角。

需要强调的是，上述入射光是指，夫琅禾费衍射条纹的中心位置对应的光。

所述方位角测量装置包括：依次沿光轴设置的单色光滤光片、垂直狭缝、第二凸透镜、高度角光栅尺，且所述垂直狭缝、第二凸透镜、高度角光栅尺构成夫琅禾费衍射光路；数据采集传感器基于方位角光栅尺上的光电传感器测量出夫琅禾费衍射条纹的中心位置，根据所述中心位置偏离光轴的距离计算出入射光偏离光轴的角度，根据入射光偏离光轴的角度与光轴对应的高度角计算出太阳的方位角。类似的，方位角测量装置的工作原理与高度角测量装置的工作原理相同，区别仅在于二者的测量方向不同。

现有的当前数据采集传感器的定位通常采用民用GPS系统实现，但是民用GPS系统的定位精度在2m-20m之间，如此低的定位精度，是无法在边坡发生滑坡之间进行土体蠕动的预警的，因此需要更加高精度的坐标数据，因此，现有技术中发展出了RTK技术以及军码GPS，其中，RTK技术需要另设校准基站，因此导致系统复杂，成本较高；军码GPS囿于保密的原因不适宜广泛应用。

应用本发明上述实施例，可以根据太阳的高度角、方位角与当前时刻以及坐标之间的精确对应关系计算出当前数据采集传感器的坐标，本发明实施例中采用光栅尺进行偏移距离的精确测量，进而可以精确测量太阳高度角以及太阳方位角，研究表明，只要太阳高度角和太阳方位角的精度够高，是可以实现5-50厘米的准确定位的。由于太阳的位置是不会变化的，因此，只要可以接收太阳光即可实现对当前数据采集传感器的准确定位。相对于RTK技术，无需另设校准基站；现对于现有的民用GPS系统2m-20m的定位精度，可以实现更高准确度的定位，进而实现精确监测。

进一步的，数据采集传感器本体400的顶部设有透明罩壳301。透明罩壳301内容纳有液态水。高度角测量装置以及方位角测量装置的下方设有浮体220，且高度角测量装置以及方位角测量装置通过支架固定在浮体220上方。浮体220的质量为高度角测量装置或者方位角测量装置质量的3-5倍，且浮体220漂浮在液态水中，在正常状态下，浮体220高度角测量装置或者方位角测量装置均不与罩壳301直接接触。应用本发明上述实施例，不管安装时数据采集传感器本体400处于何种姿态，液态水的水平面永远水平，进而可以保证高度角测量装置姿态的稳定性，进而可以保证光轴与水平面之间的夹角的准确性。

在实际中，可以将方位角测量装置和高度角测量装置固定在同一个浮体220上。

进一步的，为了保证方位角测量装置指向的准确性，可以在罩壳301内固定有水平滑轨502，水平滑轨502水平设置，且浮体220内设有腰型通孔501，腰型通孔501在水平方向上的宽度与水平滑轨502在水平方向上的宽度相适应，进而迫使浮体220可以在垂直于水平面的方向上进行姿态的调节变化，而不会发生旋转。同时，罩壳301的底部设有与数据采集传感器本体400上的螺纹相配合的螺纹，在安装时，将数据采集传感器本体400固定在待检测坡体上，然后将罩壳301旋接固定在数据采集传感器本体400的顶部或者其他位置上，然后旋转罩壳301的角度，进而使方位角测量装置中的光轴指向预设的方向；然后通过罩壳301上的注射孔注入水，注水量以使浮体220漂浮为宜。

进一步的，所述系统还包括：功能实现设备，用于根据采集的数据进行待检测边坡的稳定性分析。

进一步的，所述述数据采集传感器还采集边坡的含水量数据。在实际应用中，还可以监测如表1所示的项目，表1为本发明实施例提供来的边坡监测内容分类表。

表1

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 (9)

1.一种道路边坡监测系统，其特征在于，所述系统包括：若干个设置于待检测边坡上的当前数据采集传感器、数据传输设备以及数据存储设备，其中，

所述当前数据采集传感器阵列设置在待检测边坡上；所述当前数据采集传感器上预先存储有自身的标准坐标；当前数据采集传感器获取自身的当前坐标，比较当前坐标与标准坐标之间的差异，如果二者之差小于第一预设阈值时，判定当前数据采集传感器的当前坐标与标准坐标一致，即当前数据采集传感器的坐标并未发生变化；如果二者之差大于或者等于第一预设阈值，则判定当前数据采集传感器的坐标发生了变化；当前数据采集传感器将当前时刻对应的坐标是否发生变化的判断结果发送出去；

数据传输设备用于接收当前数据采集传感器发送的自身坐标是否发生变化的判断结果，所述发出自身坐标发生变化的判断结果还包括以下内容：

向所述当前数据采集传感器周围的其他数据采集传感器发送询问指令；

所述其他数据采集传感器在接收到所述询问指令后，判断自身的坐标是否发生变化；

在自身的坐标未发生变化的情况下，向所述当前数据采集传感器返回否的结果；当所返回否的结果的其他数据采集传感器的数量超过第二预设阈值时，判定自身坐标未发生变化；

在自身的坐标发生变化的情况下，向所述当前数据采集传感器返回是的结果；当所返回是的结果的其他数据采集传感器的数量超过第二预设阈值时，判定自身坐标发生变化；

数据存储设备用于存储所述判断结果。

2.根据权利要求1所述的一种道路边坡监测系统，其特征在于，所述当前数据采集传感器间隔均匀的阵列设置在待检测边坡上。

3.根究权利要求1所述的一种道路边坡监测系统，其特征在于，所述第二预设阈值为，所述当前数据采集传感器周围的邻接设置的其他数据采集传感器总数量的一半。

4.根据权利要求2-3任一项所述的一种道路边坡监测系统，其特征在于，所述当前数据采集传感器获取自身的当前坐标，包括：

所述当前数据采集传感器获取当前时刻的太阳高度角和太阳方位角，并根据所述太阳高度角和太阳方位角计算出自身在当前时刻的坐标。

5.根据权利要求4所述的一种道路边坡监测系统，其特征在于，所述数据采集传感器上设有高度角测量装置以及方位角测量装置；

所述高度角测量装置包括：依次沿光轴设置的单色光滤光片、水平狭缝、第一凸透镜、高度角光栅尺，且所述水平狭缝、第一凸透镜、高度角光栅尺构成夫琅禾费衍射光路；数据采集传感器基于高度角光栅尺上的光电传感器测量出夫琅禾费衍射条纹的中心位置，根据所述中心位置偏离光轴的距离计算出入射光偏离光轴的角度，根据入射光偏离光轴的角度与光轴对应的高度角计算出太阳的高度角；

所述方位角测量装置包括：依次沿光轴设置的单色光滤光片、垂直狭缝、第二凸透镜、高度角光栅尺，且所述垂直狭缝、第二凸透镜、高度角光栅尺构成夫琅禾费衍射光路；数据采集传感器基于方位角光栅尺上的光电传感器测量出夫琅禾费衍射条纹的中心位置，根据所述中心位置偏离光轴的距离计算出入射光偏离光轴的角度，根据入射光偏离光轴的角度与光轴对应的高度角计算出太阳的方位角。

6.根据权利要求5所述的一种道路边坡监测系统，其特征在于，所述高度角测量装置的光轴的高度角为预先设置的。

7.根据权利要求5所述的一种道路边坡监测系统，其特征在于，所述方位角测量装置的光轴的方位角为预先设置的。

8.根据权利要求1所述的一种道路边坡监测系统，其特征在于，所述系统还包括：功能实现设备，用于根据采集的数据进行待检测边坡的稳定性分析。

9.根据权利要求1所述的一种道路边坡监测系统，其特征在于，所述数据采集传感器还采集边坡的含水量数据。

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