CN111988755A - 一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统及方法，用以解决现有技术中降雨环境下洞穴内气压监测不准确的问题。所述监测系统包括：降雨量预判层、传感器层、信号调理层、数据采集层、通讯传输层、数据分析层、供电层；降雨量预判层直接与传感器层相连，包括雨量传感器和阈值判断模块，中间设置信号调理层接口；传感器层、信号调理层、数据采集层依次相连，通过通讯传输层与数据分析层通讯；当降雨环境时，自适应监测存在水流柱体时洞穴内的气压。本发明为岩溶洞穴的发育、形变及失稳破坏做出准确、可靠的预测和预警，精细化地了解岩溶洞穴在降雨环境下的受压变化、水位变化导致的稳定性破坏情况，降低非降雨环境下的监测功耗。
Description
技术领域
本发明属于地质监测领域，具体涉及一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统及方法。
背景技术
岩溶山区的大型崩滑灾害体经长期强烈的抬升运动与河流侵蚀，褶皱的两翼及核部山体呈现出中上部厚层-巨厚层灰岩地层陡倾，下部页岩、泥岩地层平缓的“靴状”地貌形态，加之下部煤层、铝土矿层的开采，成为大型层状岩质崩滑灾害的高发区，给山区居民生命财产与重大工程安全带来巨大损失。崩滑灾害的发生多数情况下是由于岩溶洞穴中的气压变化引起的。另外，岩溶山区等地质条件下进行地质勘探、资源开采或构建大型建筑物时，需要在岩溶中建设管道辅助设施。大型岩溶管道系统非常复杂，岩溶管道内部的气压变化会造成岩溶管道内部发生结构变化，并引起由岩溶管道造成的崩滑地质灾害。因此，对岩溶洞穴内气压进行实时在线监测，有助于获取岩溶地质条件下崩滑灾害体的活动状态及管道内部气体压力的动态变化，为研判岩溶灾害提供重要的数据支撑。
现有技术中，对于岩溶洞穴内气压的监测方法一般采用固定周期实现对岩溶气压变化的监测。公开号为CN203858057U的中国实用新型专利，公开了一种基于岩溶系统水气压力的岩溶塌陷远程动态实时监测装置，对岩溶系统的水气压力的监测装置，通过无线网络发送的包括传感器系统、数据采集与传输系统和太阳能供电系统的监测端的监测数据到客户端，长期、连续、稳定地监测岩溶塌陷易发区岩溶管道中水气压力的变化，并控制监测采样频率。但是，该装置需要稳定的供电系统，且不间断的监控对装置设备折损、功耗消耗比较大。
发明内容
本发明提出了一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统及方法，通过高精度光电雨量传感器，自动计算并识别岩溶周围环境的雨情等级，根据雨情等级自主联致力岩溶洞穴内气压传感器，并自主调整传感器的数据采集、数据上传参数，实时了解降雨环境下洞穴内的气压变化，判别岩溶洞穴的稳定性提供有效的数据支撑。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，所述监测系统包括：降雨量预判层、传感器层、信号调理层、数据采集层、通讯传输层、数据分析层、供电层；其中，
所述降雨量预判层直接与传感器层相连，包括雨量传感器和阈值判断模块，雨量传感器和阈值判断模块中间设置信号调理层接口；所述传感器层同时与信号调理层相连，信号调理层与数据采集层相连，数据采集层通过通讯传输层与数据分析层通讯，供电层为降雨量预判层、传感器层、信号调理层、数据采集层及通讯传输层供电；
当非降雨环境时，雨量传感器及阈值判断模块无数据，传感器层、信号调理层、数据采集层和通讯传输层工作在低功耗模式；
当降雨环境时，雨量传感器监测实时雨量，阈值判断模块对雨量进行分级判断，并根据所判断的雨量级别，自适应调整传感器层的工作模式，使传感器层的工作模式与当前雨量级别相适应；同时传感器层联动信号调理层和数据采集层，数据采集层根据接收到的来自信号调理层的调理后的实时监测数据，自适应调整工作模式，进入实时监控和实时传输阶段，将实时采集的监测数据样本上传给数据分析层；数据分析层根据接收到的采集数据，计算存在水流柱体时岩溶洞穴内的气压。
作为本发明的一个优选实施例，传感器层至少包括水位传感器和气压传感器，所述传感器设置在岩溶洞穴现场。
作为本发明的一个优选实施例，信号调理层通过IO接口电路与雨量传感器相连，通过RS485接口电路与水位传感器相连，通过高精度AD转化电路与气压传感器相连。
作为本发明的一个优选实施例，数据采集层采用嵌入式微处理器进行数据采集。
作为本发明的一个优选实施例，通讯传输层用于将数据采集层的采样数据发送给数据分析层，采用混合组网模式。
作为本发明的一个优选实施例，所述混合组网模式，为低功耗窄带物联网NB_IOT无线传感网、4G无线通信公众网及北斗通信网互为补充的混合通信网络；通讯过程中，当存在移动传输网络时，通过NB_IOT或4G通信网络将监测数据传输到数据分析层；当不存在移动传输网络时，采用北斗通信网络将监测数据传输到数据分析层。
作为本发明的一个优选实施例，供电层为直流供电模块，包括太阳能/风能供电来源、充电电源管理控制器及可充电锂电池组。
作为本发明的一个优选实施例，所述数据分析层，通过地质灾害监测预警云服务器实现；所述云服务器接收到数据采集层的采样数据后，通过下述过程预测气压变化：
根据水位传感器的数据，获得水压数据，通过公式(1)计算岩溶洞穴内水流柱体高度；
式(1)中，U为张开结构面内静水压力，γw为水重度，h为结构面内水头高度，S为结构面内充水部分平均面积，单位m2；
根据水流柱体高度及气压传感器数据，通过公式(2)计算岩溶洞穴内气压，并根据岩溶洞穴受力模型分析岩体受力极限；
P＝ρ×g×△H×S (2)
式(2)中，P为气体负压产生的吸力，单位N，ΔH为溶洞内气压的水流柱体高度(单位m)，S为岩腔的平均横断面积，单位m2。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测方法，包括如下步骤：
步骤S1，雨量传感器实时监测雨量，阈值判断模块判断出雨量为零时，传感器层保持低功耗工作模式；阈值判断模块判断出雨量级别等于或大于第一等级时，自适应调整传感器层的水位传感器和气压传感器进入相应等级的工作模式，改变监测频率，并将雨量、水位和气压监测数据发送给信号调理层；
步骤S2，信号调理层对监测数据进行调理，将调理后的数据发送给数据采集层；
步骤S3，数据采集层根据接收的监测数据自适应调整工作模式，并在相应等级的工作模式下采集数据样本；
步骤S4，通讯传输层将数据采集层所采集的数据样本发送给数据分析层；当存在移动传输网络时，通过NB_IOT无线传感网或4G无线通信公众网进行数据传输；当不存在移动传输网络时，通过北斗通信网络进行数据传输；
步骤S5，数据分析层对所接收的监测数据进行数字模拟，计算降雨环境下存在水流柱体时的岩溶洞穴内气压。
作为本发明的一个优选实施例，在步骤S5完成气压计算后，依据设定的预测模型算法自动解析出岩溶洞穴内部的变化，对岩溶洞穴的变化趋势做出研判。
本发明具有如下有益效果：
本发明集成运用嵌入式微处理器技术、低功耗无线通讯技术，有效监测降雨环境下岩溶洞穴内部的气压、水位变化情况，有效了解岩溶洞穴内、外部环境因素的实时动态变化情况，为岩溶洞穴的发育、形变及失稳破坏做出准确、可靠的预测和预警，精细化了解岩溶洞穴在降雨环境下的受压变化、水位变化导致的稳定性破坏情况，降低非降雨环境下的监测功耗，设计的监测传感器之间的智能联动机制可以有效的降低监测装置的功耗，有效保证现场监测数据的实时、可靠、稳定传输，并且通过设计多种模式的混合组网方式，有效保证在极端情况下数据传输的稳定性；监测系统设计灵巧、操作简便、数据获取稳定性高，并且通过设计的数据分析模型可以实现对岩溶洞穴内部气压力与变形之间构建合理的预测分析模型，为岩溶洞穴稳定性判别提供了有效的数据支撑，并及时预测岩溶洞穴的稳定性走势，有效发出预测预警信号，及时通知周围群众避让。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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得其他的附图。
图1为本发明实施方式提供的基于降雨环境的岩溶洞穴气压监测系统结构示意图；
图2为本发明实施方式提供的岩溶洞穴气压监测系统在地质环境中的布局示意图；
图3为本发明实施方式提供的基于降雨环境的岩溶洞穴气压监测方法流程示意图。
具体实施方式
下面通过参考示范性实施例，对本发明技术问题、技术方案和优点进行详细阐明。以下所述示范性实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非在这里进行定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
岩溶山区的地质灾害一般发生在降雨环境下。本发明基于降雨环境，提出了一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测装置及方法，利用智能传感器技术、嵌入式微处理器技术，实现对大型岩溶洞穴内气压实时在线监测，通过采用高精度光电雨量传感器技术，自动化计算识别岩溶周围环境下雨情等级，根据雨情等级的状况自主联动岩溶洞穴内气压传感器，并且自主调整洞穴内气压传感器数据采集和上传的参数，实时了解洞穴内气压变化，从而为判别岩溶洞穴的稳定性提供有效的数据支撑；再依据获取的监测数据采用相应的判别预测算法有效分析岩溶洞穴的安全系数，及时了解洞穴发生地质灾害的可能性，并根据预先设定的模型函数设置相应的预测等级，与现场和后端的云平台实时联动，及时通过相关预警手段，通知岩溶洞穴周围可能受灾群体，及时避免人员伤亡和财产损失，同时降低非降雨环境、地质灾害发生风险较低的情况下气压监测的成本和损耗。
图1示出了本发明实施方式提供的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统结构示意图。如图1和图2所示，所述监测系统包括：降雨量预判层、传感器层、信号调理层、数据采集层、通讯传输层、数据分析层、供电层。其中，所述降雨量预判层直接与传感器层相连，包括雨量传感器和阈值判断模块，雨量传感器和阈值判断模块中间设置信号调理层接口；所述传感器层同时与信号调理层相连，信号调理层与数据采集层相连，数据采集层通过通讯传输层与数据分析层通讯，供电层为降雨量预判层、传感器层、信号调理层、数据采集层及通讯传输层供电。
当非降雨环境时，雨量传感器及阈值判断模块无数据，不会启动其他操作。此时，传感器层、信号调理层、数据采集层和通讯传输层工作在低功耗模式，传感器层以较低的工作频率对环境数据进行监测。
当降雨环境时，雨量传感器监测实时雨量，阈值判断模块对雨量进行分级判断，并根据所判断的雨量级别，自适应调整传感器层的工作模式，使传感器层的工作模式与当前雨量级别相适应；同时传感器层联动其他监测节点，数据采集层根据接收到的来自信号调理层的调理后的实时数据，自适应调整工作模式，进入实时监控和实时传输阶段，改变工作频率，将实时采集的监测数据上传给数据分析层；数据分析层根据接收到的采集数据及预测模型，自动解析出岩溶洞穴内的气压变化，从而对岩溶洞穴的变化趋势做出研判。优选地，所述雨量级别至少包括第一等级。当达到第一等级时，即启动传感器层的降雨环境监测模式，改变监测频率，同时联动其他监测节点，改变数据采集层的工作频率。
如上所述，传感器层至少包括水位传感器和气压传感器，所述传感器设置在岩溶洞穴现场。
如上所述，信号调理层通过IO接口电路与雨量传感器相连，通过RS485接口电路与水位传感器相连，通过高精度AD转化电路与气压传感器相连。IO接口电路解决了雨量传感器在极端暴雨情况下的翻斗的抖动问题，设置IO接口有效对雨量传感器的开关量信号进行防抖和削弱处理，精确感知降雨情况，有效采集降雨数值，更好判断现场降雨等级；考虑到岩溶洞穴的不确定性，部分岩溶洞穴较深较长，为了有效获取岩溶洞穴内部的水位变化，采用RS485接口电路来实现对水位传感器信号的实时获取，保证在远距离布设水位传感器线缆时也可精确感知水位变化；采用电流型输出信号气压传感器可以有效克服电压输出型带来的不确定性，经过高精度AD转化电路有效地将气压变化转化为数字信号。
如上所述，数据采集层采用嵌入式微处理器，接收到信号调理层发送来的原始数据，在预设的工作频率下对数据进行采样。优选地，所述数据采集层通过基于ARM32位的低成本低功耗的RISC控制器STM32L071实现，采用ARM Cortex-M0+内核，包括至少10个定时器、AD模数转换模块、DA数模转化模块、无线网络接口、外接2Kbit的IIC接口及SPI模式的MicroSD存储接口，利用STM32L071的工业互联型接口与气压、水位传感器相互融合，实时获取高精度监测数据。
如上所述，通讯传输层用于将数据采集层的采样数据发送给数据分析层，采用混合组网模式。为保障监测数据无障碍可靠传输，将现场监测通信网络设计为低功耗窄带物联网NB_IOT无线传感网、4G无线通信公众网及北斗通信网互为补充的三张通信网络，节点设备根据三张网络的优先级自动适配通讯模式。如果岩溶洞穴附近有移动传输网络，可以优先选择NB_IOT或4G通信网络将监测数据传输到数据分析层；考虑到特殊工况情况下，即无现场移动传输网络的情形，此时采用北斗通信网络，北斗通信网络作为最后的一道传输防线，也可通过短报文的形式上传监测数据。
如上所述，供电层为直流供电模块，包括太阳能/风能供电来源、充电电源管理控制器及可充电锂电池组。依据现场情况，配备相应的太阳能或风能充电模块。充电电源管理控制器用于平衡充放电，最大程度的保护可充电锂电池的工作性能，有效延长电池寿命。
所述数据分析层，通过地质灾害监测预警云服务器实现。所述云服务器接收到数据采集层的采样数据后，通过下述过程预测气压变化：
根据水位传感器的数据，获得水压数据，通过公式(1)计算岩溶洞穴内水流柱体高度；
式(1)中，U为张开结构面内静水压力，γw为水重度，h为结构面内水头高度，S为结构面内充水部分平均面积(单位m2)。
根据水流柱体高度及气压传感器数据，通过公式(2)计算岩溶洞穴内气压，并根据岩溶洞穴受力模型分析岩体受力极限。
P＝ρ×g×△H×S (2)
式(2)中，P为气体负压产生的吸力(单位N)，ΔH为溶洞内气压的水流柱体高度(单位m)，S为岩腔的平均横断面积(单位m2)。
岩溶管道系统非常复杂，岩溶管道系统中的自由地下水流具有冲蚀、磨蚀、底蚀、侧蚀等作用。从水力学角度，当暴雨造成地下径流猛增时，水流沿窄小的管道往往形成满管有压流状态，遇到宽阔地段会转变为无压明流，不同流态交替出现与转换，造成的强烈水动力效应使管道水流对岩壁和岩体结构破坏作用明显增加。本发明的监测系统中充分考虑了水力学因素，对岩溶洞穴内的气压进行监测。
暴雨季节岩溶管道内水位暴涨形成静水压力和气体压力。暴雨时地下径流很大，岩溶管道断面不够或局部被封堵时，水流排泄不畅，形成满管有压流，地下水位迅速上涨，形成很大的静水压力，增长迅速，如遇近地表岩体的薄弱部位，可将其破坏并冲出形成水柱。地下水位迅速上涨时，一些被封堵的落水洞、支洞的气体来不及排出而受到压缩，形成较大的气体压力，并破坏岩壁和岩体，并伴有典型的气体爆炸。因此，数据分析层在计算气压时，将水的影响作为其中的一个计算因素，所计算的气压更能准确反应降雨环境下岩溶洞穴内的气压变化。
由于本发明将岩溶洞穴内气压变化对于岩溶管道的岩壁和岩体结构破坏作用进行了监测，在监测岩溶洞穴内气压变化的同时也将外部降雨因素对于岩溶管道内地下河流的影响计算入气压变化过程，关注了岩溶洞穴内部地下水位的变化情况，从而形成对于岩溶洞穴“降雨—地下水位—气压压力”的一体化联动监测，并完成了对岩溶管道岩体结构破坏作用的智能化监测。
本发明实施方式还提供了一种基于降雨环境的岩溶洞穴气压监测方法，包述方法基于上述岩溶洞穴气压监测系统实现。
如图3所示，所述基于降雨环境的岩溶洞穴气压监测方法，包括如下步骤：
步骤S1，雨量传感器实时监测雨量，阈值判断模块判断出雨量为零时，传感器层保持低功耗工作模式；阈值判断模块判断出雨量级别等于或大于第一等级时，自适应调整传感器层的水位传感器和气压传感器进入相应等级的工作模式，改变监测频率，并将雨量、水位和气压监测数据发送给信号调理层。
步骤S2，信号调理层对监测数据进行调理，将调理后的数据发送给数据采集层；
步骤S3，数据采集层根据接收的监测数据自适应调整工作模式，并在相应等级的工作模式下采集数据样本；
步骤S4，通讯传输层将数据采集层所采集的数据样本发送给数据分析层；当存在移动传输网络时，通过NB_IOT无线传感网或4G无线通信公众网进行数据传输；当不存在移动传输网络时，通过北斗通信网络进行数据传输；
步骤S5，数据分析层对所接收的监测数据进行数字模拟，计算降雨环境下存在水流柱体时的岩溶洞穴内气压。
在步骤S5完成气压计算后，依据设定的预测模型算法自动解析出岩溶洞穴内部的变化，对岩溶洞穴的变化趋势做出研判，实现气压监测的实际意义。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可，在此不再赘述。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不受限于以上所公开的示范性实施例，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，在本发明揭露的技术范围做出的若干改进和润饰、可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：降雨量预判层、传感器层、信号调理层、数据采集层、通讯传输层、数据分析层、供电层；其中，
所述降雨量预判层直接与传感器层相连，包括雨量传感器和阈值判断模块，雨量传感器和阈值判断模块中间设置信号调理层接口；所述传感器层同时与信号调理层相连，信号调理层与数据采集层相连，数据采集层通过通讯传输层与数据分析层通讯，供电层为降雨量预判层、传感器层、信号调理层、数据采集层及通讯传输层供电；
当非降雨环境时，雨量传感器及阈值判断模块无数据，传感器层、信号调理层、数据采集层和通讯传输层工作在低功耗模式；
当降雨环境时，雨量传感器监测实时雨量，阈值判断模块对雨量进行分级判断，并根据所判断的雨量级别，自适应调整传感器层的工作模式，使传感器层的工作模式与当前雨量级别相适应；同时传感器层联动信号调理层和数据采集层，数据采集层根据接收到的来自信号调理层的调理后的实时监测数据，自适应调整工作模式，进入实时监控和实时传输阶段，将实时采集的监测数据样本上传给数据分析层；数据分析层根据接收到的采集数据，计算存在水流柱体时岩溶洞穴内的气压。
2.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，传感器层至少包括水位传感器和气压传感器，所述传感器设置在岩溶洞穴现场。
3.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，信号调理层通过IO接口电路与雨量传感器相连，通过RS485接口电路与水位传感器相连，通过高精度AD转化电路与气压传感器相连。
4.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，数据采集层采用嵌入式微处理器进行数据采集。
5.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，通讯传输层用于将数据采集层的采样数据发送给数据分析层，采用混合组网模式。
6.根据权利要求5所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，所述混合组网模式，为低功耗窄带物联网NB_IOT无线传感网、4G无线通信公众网及北斗通信网互为补充的混合通信网络；通讯过程中，当存在移动传输网络时，通过NB_IOT或4G通信网络将监测数据传输到数据分析层；当不存在移动传输网络时，采用北斗通信网络将监测数据传输到数据分析层。
7.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，供电层为直流供电模块，包括太阳能/风能供电来源、充电电源管理控制器及可充电锂电池组。
8.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，所述数据分析层，通过地质灾害监测预警云服务器实现；所述云服务器接收到数据采集层的采样数据后，通过下述过程预测气压变化：
根据水位传感器的数据，获得水压数据，通过公式(1)计算岩溶洞穴内水流柱体高度；
式(1)中，U为张开结构面内静水压力，γw为水重度，h为结构面内水头高度，S为结构面内充水部分平均面积，单位m2；
根据水流柱体高度及气压传感器数据，通过公式(2)计算岩溶洞穴内气压，并根据岩溶洞穴受力模型分析岩体受力极限；
P＝ρ×g×△H×S (2)
式(2)中，P为气体负压产生的吸力，单位N，ΔH为溶洞内气压的水流柱体高度(单位m)，S为岩腔的平均横断面积，单位m2。
9.一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，雨量传感器实时监测雨量，阈值判断模块判断出雨量为零时，传感器层保持低功耗工作模式；阈值判断模块判断出雨量级别等于或大于第一等级时，自适应调整传感器层的水位传感器和气压传感器进入相应等级的工作模式，改变监测频率，并将雨量、水位和气压监测数据发送给信号调理层；
步骤S2，信号调理层对监测数据进行调理，将调理后的数据发送给数据采集层；
步骤S3，数据采集层根据接收的监测数据自适应调整工作模式，并在相应等级的工作模式下采集数据样本；
步骤S4，通讯传输层将数据采集层所采集的数据样本发送给数据分析层；当存在移动传输网络时，通过NB_IOT无线传感网或4G无线通信公众网进行数据传输；当不存在移动传输网络时，通过北斗通信网络进行数据传输；
步骤S5，数据分析层对所接收的监测数据进行数字模拟，计算降雨环境下存在水流柱体时的岩溶洞穴内气压。
10.根据权利要求9所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测方法，其特征在于，在步骤S5完成气压计算后，依据设定的预测模型算法自动解析出岩溶洞穴内部的变化，对岩溶洞穴的变化趋势做出研判。
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