CN112102588B - 一种自供电式公路边坡监测与预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自供电式公路边坡监测与预警系统，包括供电单元、监测单元、信息处理单元和预警单元；供电单元包括埋设在边坡公路车道下方的压电换能器和与压电换能器电连接的储能电池；监测单元包括设置在边坡中的监测管、固设在监测管的外壁上的压电尺和设置在监测管内的压力式水位传感器；信息处理单元包括数据存储模块和与数据存储模块信号连接的边坡安全评级模块；预警单元包括LED信息显示模块、语音箱广播模块和通讯模块；压电尺和压力式水位传感器分别与数据存储模块电连接，储能电池、LED信息显示模块、语音箱广播模块和通讯模块分别与边坡安全评级模块电连接。本发明提高了边坡监测的准确性并能够实现及时预警。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，特别是涉及一种自供电式公路边坡监测与预警系统。
背景技术
随着我国经济的发展，交通运输行业发展进程加快，公路建设规模不断扩大，公路建设与运营时期的安全问题，越来越受到关注。其中，公路边坡结构失稳，会导致交通中断、附件的建筑物倒塌、甚至会引发滑坡等地质灾害。进而影响交通的正常运行甚至给人民生命财产造成严重威胁。因此，做好道路边坡的监测和预警工作，维护道路边坡的稳定，有着重要的现实意义。
边坡常规的监测技术中，大都需要对传感器进行供电，但在一些特殊地区，特别是在一些山区，通电设施不完备，受地形和经济条件的影响，边坡监测传感器的布设受到很大限制。另外，单一的监测方法由于获取的边坡数据有限，不能全面真实的反映边坡实际变形情况，从而降低了监测的准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种自供电式公路边坡监测与预警系统，以解决上述现有技术存在的问题，提高边坡监测的准确性并实现及时预警。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种自供电式公路边坡监测与预警系统，包括供电单元、监测单元、信息处理单元和预警单元；所述供电单元包括埋设在边坡公路车道下方的压电换能器和与所述压电换能器电连接的储能电池；所述监测单元包括设置在边坡中的监测管、固设在所述监测管的外壁上的压电尺和设置在所述监测管内的压力式水位传感器；所述信息处理单元包括数据存储模块和与所述数据存储模块信号连接的边坡安全评级模块；所述预警单元包括LED信息显示模块、语音箱广播模块和通讯模块；所述压电尺和所述压力式水位传感器分别与所述数据存储模块电连接，所述储能电池、所述LED信息显示模块、所述语音箱广播模块和所述通讯模块分别与所述边坡安全评级模块电连接。
优选的，所述压电换能器埋置于所述边坡公路车道中改性沥青层正下方4厘米处，所述压电换能器能够将车辆移动所产生的机械能转换为电能，并储存在所述储能电池内。
优选的，所述边坡中对应所述监测管设置有钻孔，所述监测管设置于所述钻孔中；所述监测管的底端与边坡中的地下水层相通，所述压力式水位传感器设置于所述监测管的底端，所述压力式水位传感器的顶端连接有固定绳，所述固定绳为所述水位传感器提供向上的拉力，所述监测管中填充有中砂，所述中砂将所述压力式水位传感器压紧以保证所述压力式水位传感器的稳定。
优选的，所述压电片和所述监测管构成边坡位移监测模块，所述压力式水位传感器、所述监测管和所述中砂构成边坡地下水位监测模块。
优选的，所述监测管竖直。
优选的，所述数据存储模块、所述边坡安全评级模块、所述LED信息显示模块、所述语音箱广播模块和所述通讯模块分别设置在交通立柱上；所述交通立柱的顶部设置有防雨罩。
优选的，所述压电换能器包括封装外壳和设置在所述封装外壳中的压电器件。
优选的，所述监测管的材料为聚氯乙烯。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的自供电式公路边坡监测与预警系统提高了边坡监测的准确性并能够实现及时预警。本发明自供电式公路边坡监测与预警系统可以通过供电单元完成自供电，将车辆的机械能转换为电能，而且能够不受天气变化的影响；监测单元从边坡位移与地下水位两方面获取多源数据，提高了监测的准确性；预警单元不仅可以显示边坡实时安全等级，还可以通过通讯模块远程传输监测数据供相关人员发现处理边坡安全问题；整个监测预警结构智能一体化，安装简易，施工难度较低，节能环保的同时又极大的提高了边坡监测的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明自供电式公路边坡监测与预警系统的结构框图；
图2为本发明自供电式公路边坡监测与预警系统的部分结构示意图；
图3为本发明自供电式公路边坡监测与预警系统的结构示意图；
图4为本发明自供电式公路边坡监测与预警系统中监测单元的结构示意图；
图5为本发明自供电式公路边坡监测与预警系统中压电换能器的结构示意图；
图6为本发明自供电式公路边坡监测与预警系统中边坡安全评级模块进行静力分析的流程图；
图7为本发明自供电式公路边坡监测与预警系统中边坡安全评级模块进行动力分析的流程图；
其中：1、挡土墙；2、监测单元；3、信息处理单元；4、土基压实层；5、压电换能器；51、压电器件；52、封装外壳；6、储能电池；7、边坡位移监测模块；8、边坡地下水位监测模块；9、矿渣垫层；10、级配碎石层；11、LED信息显示模块；12、语音箱广播模块；13、压力式水位传感器；14、交通立柱；15、监测管；16、防雨罩；17、第一水泥稳定碎石基层；18、第二水泥稳定碎石基层；19、粗粒式沥青砼层；20、细粒式沥青砼层；21、改性沥青层；22、中砂；23、压电片。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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付出创造性劳动的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。
本发明的目的是提供一种自供电式公路边坡监测与预警系统，以解决上述现有技术存在的问题，提高边坡监测的准确性并实现及时预警。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图5所示：本实施例提供了一种自供电式公路边坡监测与预警系统，包括供电单元、监测单元2、信息处理单元3和预警单元。
其中，供电单元包括埋设在边坡公路车道下方的压电换能器5和与压电换能器5电连接的储能电池6；压电换能器5包括封装外壳52和设置在封装外壳52中的压电器件51。本实施例中，边坡公路车道与边坡之间设置有挡土墙1，边坡公路车道由下至上依次为土基压实层4、矿渣垫层9、级配碎石层10、第一水泥稳定碎石基层17、第二水泥稳定碎石基层18、粗粒式沥青砼层19、细粒式沥青砼层20和改性沥青层21，压电换能器5埋置于边坡公路车道中改性沥青层21正下方4厘米处，压电换能器5能够将车辆移动所产生的机械能转换为电能，并储存在储能电池6内。
监测单元2包括设置在边坡中的、竖直的监测管15、固设在监测管15的外壁上的压电尺和设置在监测管15内的压力式水位传感器13，监测管15的材料为聚氯乙烯即PVC。边坡中对应监测管15设置有钻孔，监测管15设置于钻孔中。在本实施例中，监测管15的底端与边坡中的地下水层相通，压力式水位传感器13设置于监测管15的底端，压力式水位传感器13的顶端连接有固定绳，固定绳为水位传感器提供向上的拉力，监测管15中填充有中砂22，固定绳和中砂22配合将压力式水位传感器13压紧固定以保证压力式水位传感器13的稳定，防止压力式水位传感器13出现晃动而影响监测的准确性。压电片23和监测管15构成边坡位移监测模块7，压力式水位传感器13、监测管15和中砂22构成边坡地下水位监测模块8。
信息处理单元3包括数据存储模块和与数据存储模块信号连接的边坡安全评级模块；数据存储模块、边坡安全评级模块均设置在交通立柱14上，数据存储模块拥有最大存储量，数据存储模块用于收集边坡累积数据；。边坡安全评级模块包括控制器和评级软件(该软件基于C语言进行开发，可进行边坡静力和动力分析)，控制器通过评级软件进行操控。通过对监测单元2获取的、存储于数据存储模块中的多源数据进行分析，然后对边坡稳定性进行安全等级划分，准确性更高。
具体数据分析过程如下：静力分析中，通过将数据存储模块中的电信号转换成坡体内部变形量，基于坡体变形量的大小，对边坡的安全等级进行判定，如图6所示；动力分析中，通过数据存储模块中电信号，确定地震振幅，在结合边坡安全评级模块中计算模块，计算出在该振幅下边坡的累积位移，采用极限平衡分析和Newmark滑块理论计算边坡的永久位移，基于坡体计算变形与实测变形的对比，对边坡的安全等级进行判定，如图7所示。
预警单元包括LED信息显示模块11、语音箱广播模块12和通讯模块，LED信息显示模块11可显示边坡实时安全等级，通过图形来更形象的现实边坡当前的安全状况；当边坡处于危险情况时语音箱广播模块12能够发出多种预警声音，以警示前方车辆；通讯模块13能够通过无线传输方式将边坡监测数据定时发送至相关人员的电脑，突发安全预警时可将预警信息发送至相关人员的手机。
LED信息显示模块11、语音箱广播模块12和通讯模块分别设置在交通立柱14上；交通立柱14的顶部设置有防雨罩16。交通立柱14设置在边坡监测处前100米的路边，标志下缘距离路面5米。压电尺和压力式水位传感器13分别与数据存储模块电连接，储能电池6、LED信息显示模块11、语音箱广播模块12和通讯模块分别与边坡安全评级模块电连接。
本实施例自供电式公路边坡监测与预警系统的工作原理如下：
通过埋设在车道下方的压电换能器5将车辆移动的机械能转化为电能并储存在储能电池6中，而储能电池6作为压电片23、压力式水位传感器13、数据存储模块、边坡安全评级模块、LED信息显示模块11、语音箱广播模块12和通讯模块等用电元器件供电，当边坡发生位移时边坡势必会挤压设置在边坡中的监测管15，监测管15外壁上的压电片23同样会受到挤压，压电片23传输给数据存储模块和边坡安全评级模块的信号异常，当边坡地下水水位发生异常时，压力式水位传感器13反馈给数据存储单元的数据异常，边坡安全评级模块分析数据异常后会立即通过LED信息显示模块11、语音箱广播模块12和通讯模块发出预警。预警单元不仅可以显示边坡实时安全等级、通过广播提醒车道上的人员，还可以通过通讯模块远程传输监测数据供相关人员发现处理边坡安全问题；本实施例整个监测预警结构智能一体化，安装简易，施工难度较低，节能环保的同时又极大的提高了边坡监测的效率。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种自供电式公路边坡监测与预警系统，其特征在于：包括供电单元、监测单元、信息处理单元和预警单元；所述供电单元包括埋设在边坡公路车道下方的压电换能器和与所述压电换能器电连接的储能电池；所述监测单元包括设置在边坡中的监测管、固设在所述监测管的外壁上的压电片和设置在所述监测管内的压力式水位传感器，所述监测管由顶端至底端的任意高度的外壁上均设置有所述压电片；所述信息处理单元包括数据存储模块和与所述数据存储模块信号连接的边坡安全评级模块；所述预警单元包括LED信息显示模块、语音箱广播模块和通讯模块；所述压电片和所述压力式水位传感器分别与所述数据存储模块电连接，所述储能电池、所述LED信息显示模块、所述语音箱广播模块和所述通讯模块分别与所述边坡安全评级模块电连接；所述边坡中对应所述监测管设置有钻孔，所述监测管设置于所述钻孔中；所述监测管的底端与边坡中的地下水层相通，所述压力式水位传感器设置于所述监测管的底端，所述压力式水位传感器的顶端连接有固定绳，所述固定绳为所述水位传感器提供向上的拉力，所述监测管中填充有中砂，所述中砂将所述压力式水位传感器压紧以保证所述压力式水位传感器的稳定。
2.根据权利要求1所述的自供电式公路边坡监测与预警系统，其特征在于：所述压电换能器埋置于所述边坡公路车道中改性沥青层正下方4厘米处，所述压电换能器能够将车辆移动所产生的机械能转换为电能，并储存在所述储能电池内。
3.根据权利要求1所述的自供电式公路边坡监测与预警系统，其特征在于：所述压电片和所述监测管构成边坡位移监测模块，所述压力式水位传感器、所述监测管和所述中砂构成边坡地下水位监测模块。
4.根据权利要求1所述的自供电式公路边坡监测与预警系统，其特征在于：所述监测管竖直。
5.根据权利要求1所述的自供电式公路边坡监测与预警系统，其特征在于：所述数据存储模块、所述边坡安全评级模块、所述LED信息显示模块、所述语音箱广播模块和所述通讯模块分别设置在交通立柱上；所述交通立柱的顶部设置有防雨罩。
6.根据权利要求1所述的自供电式公路边坡监测与预警系统，其特征在于：所述压电换能器包括封装外壳和设置在所述封装外壳中的压电器件。
7.根据权利要求1所述的自供电式公路边坡监测与预警系统，其特征在于：所述监测管的材料为聚氯乙烯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20201218 Assignee: Taishun County Transportation Management Center Assignor: Wenzhou University Contract record no.: X2024330000015 Denomination of invention: A self powered highway slope monitoring and early warning system Granted publication date: 20220104 License type: Common License Record date: 20240229 |
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Application publication date: 20201218 Assignee: Cangnan County Jiantou Infrastructure Construction Co.,Ltd. Assignor: Wenzhou University Contract record no.: X2024330000197 Denomination of invention: A self powered highway slope monitoring and warning system Granted publication date: 20220104 License type: Common License Record date: 20240711 |
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Application publication date: 20201218 Assignee: Zhejiang NANLIAN Civil Engineering Technology Co.,Ltd. Assignor: Wenzhou University Contract record no.: X2024330000369 Denomination of invention: A self powered highway slope monitoring and warning system Granted publication date: 20220104 License type: Common License Record date: 20240807 |
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