CN112771229A - 用于对水文地质风险进行监测的系统和方法 - Google Patents

用于对水文地质风险进行监测的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述了用于通过监测例如由于冲击或泥石流而导致的机械载荷超过阈值来对水文地质现象、特别是落石防护屏障的整体性进行监测的电子设备(2)和相对应的方法。该设备设置有以径向方式从壳体突出并被连接到待监测的表面(即落石网)以用于检测机械应力的细长柔性“腿”。

Description

用于对水文地质风险进行监测的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于对水文地质现象进行监测和报警的电子和机电设备、系统和方法。特别是，本发明涉及用于对作用于落石防护屏障(rockfall protection barrier)、网、附着板(adhering panel)、柔性碎碴屏障(flexible debris barrier)、泥石流(debrisflow)、地表滑坡(surface landslide)、雪滑道(snowslide)、边坡(bank)或堤岸(embankment)上的水文地质现象进行监测和报警的电子设备、系统和方法。
在接下来的讨论中，将考虑用于对水文地质现象进行监测的单个电子和机电设备的特定示例。特别是，本发明还涉及彼此进行的数据通信的用于对水文地质现象进行监测的多个电子设备。
集水盆地被视作陆地的一部分，其中在地表上流动的雨水或融雪在被称为流域盆地的同一水道中聚集。
现有技术
目前，用于进行监测和报警的已知系统在传感器、数据传输和安装方面基于坚固和笨重的基础设施，且高运营和实现成本，仅仅是岩土工程学、地质力学和地质学的高度专业化的领域可采用的。
例如，存在少数用于对落石防护屏障进行监测的特定经历和案例，而这些少数的已知情况涉及利用被安装来查验(verify)结构体(structure)的多个传感器的系统，这些传感器例如是测斜仪、在结构体的阻碍物(brakes)上的应变仪、相机以及具有高能量消耗和数据传输困难的其他设备。
因此，到目前为止，获得关于落石防护屏障的功效的信息并不容易，例如，如果结构体被巨石冲击，且因此它的功效被损害。
已知的系统并不是专门用于屏障和网的，但使用通常应用于岩土工程学并偶尔适合于特定情况的传感器。
从使用方面来看，已知的系统是非常受限的，因为它们需要相当多的电力资源来操作昂贵的无线电基础设施，导致在它们的安装和管理方面成本高，从而由于它们的不方便而阻碍了它们在许多应用中的使用。
常常，在这些系统被应用的场合，它们处于偏远且不能被人类接近、难以到达、电网和/或电信网络到达不了的地方。
此外，对信息和/或水文地质风险警报的实时最佳收集并不总是可能的。
已知监测系统的缺点是远程地执行对保护设备(例如落石防护网、屏障等)的状况的控制并不总是可能的。
已知的落石防护屏障是由单独的模块组成的，每个模块约8-10米宽和3-8米高、并排地放置以达到整体期望尺寸。
到目前为止，没有在落石防护屏障或屏障的单个模块受冲击的情况下和在附着网和所有其他应用中实时地提供警报的简单和特定的系统。已知传感器通常被用在岩土工程学中，它们偶尔适合于这些应用。
本发明的目的是提供一种用于对水文地质现象进行监测的、消除了现有技术的缺点的电子设备、系统和方法。
本发明的特定目的是提供一种用于对水文地质现象进行监测的、安全且有效的电子设备、系统和方法。
本发明的另一个特定目的是提供一种用于对水文地质现象进行监测的、易于安装、维护和管理的电子设备、系统和方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于对水文地质现象进行监测的、允许长时间段进行自供应电力而不需要连接到电网的电子设备、系统和方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于对水文地质现象进行监测的高度可靠的电子设备、系统和方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于对水文地质现象进行监测的、也能够在未被电信网络覆盖的不能接近的地方传输警报信号的电子设备、系统和方法。
发明目的
在本发明的第一方面中，上述目的由在权利要求1中所述的用于对水文地质现象进行监测的电子和机电设备来实现，该电子和机电设备适合于检测在控制表面上的应力。
在从属权利要求2至10中公开了有利的方面。
在本发明的第二方面中，上述目的由在权利要求11中所述的用于对水文地质现象进行监测和报警的电子设备来实现，该电子设备适合于检测由于泥石流的通过而引起的机械应力、位移、状态变化。在从属权利要求12至15中公开了有利的方面。在本发明的第三方面中，上述目的由在权利要求16中所述的水文地质现象的监测系统来实现。在从属权利要求17和18中描述了该系统的有利方面。在本发明的第四方面中，上述目的由在权利要求19中所述的用于对水文地质现象进行监测的方法来实现。通常，本发明提供下面的技术效果：
-它实现了既在发生事件和事件后的情况下又以预防的方式实时地远程地对水文地质现象进行报警和监测；
-它实现了监测在不能接近和难以到达的地点的水文地质现象；
-它实现了电池电源的长寿命；
-它实现了甚至在没有电信网络的情况下也能实时地传输警报信号；
-它实现了远程地确知电池的剩余电量或设备的任何异常；
-它提高对水文地质现象的监测的生产率和效率；
-它的使用方便实现了广泛分布，大体上提高了人、基础设施、居住区和工程(works)的安全性；
-它的使用简单实现了针对紧急状况的管理在发生事件的情况下由民防志愿者使用；
-具有在(NFC类型——近场通信的)每个仪器上安装的识别系统的设备的实现方式实现了对关于设备本身、水文地质现象或具有不稳定性的控制系统(落石防护屏障、泥石流阻挡网或屏障等)的信息的快速识别。
特别是，在后一种情况下，本发明实现了直接(在环境中的)地面上具有例如关于落石防护屏障的与耗散能量、安装年份、所有者实体等相关的数据。此外，本发明实现了确定出现检测到的现象的确切位置，在少得多的时间内和以特定成本实现有针对性的干预。
本发明的所提到的技术效果/优点以及其他技术效果/优点将从下文中提供的通过近似和非限制性示例的方式参考附图提供的实施例的示例的描述中更详细地显现。
附图简述
为了对本发明的更好理解并为了认识到其优点，下面本文将参考附图描述若干非限制性示例实施例，其中：
-图1示出了根据本发明的用于对水文地质现象进行监测的系统的示意性框图；
-图2更详细地示出了在图1的电子系统中使用的根据本发明的用于对水文地质现象进行监测的电子设备；
-图3示出了图1和2的电子设备的侧视图；
-图4示出了图3的设备的截面IV-IV的顶视图；
-图5示出了包括信号腿(signalling legs)的电子设备的平面图；
-图6a示出了图5的设备的截面VIa-VIa的视图；
-－图6b示出了图6a的设备的侧视图的细节，其中侧部分和上部分被移除；
-－图6c示出了从图6b的细节的上面看的视图；
-－图7a、7b和7c示出了图6a、6b和6c的设备的替代实施例；
-图8a示出了图5、6a、6b、6c、7a、7b、7c的电子设备的信号腿的实施例；
-图8b示出了图8a的腿的放大细节；
-图9在前视图中示出了包括根据本发明的电子设备的落石防护屏障的单个模块；
-图10在侧视图中示出了图9的落石防护屏障；
-图11示出了图9的落石防护屏障，同时它正被巨石击中；
-图12示出了图11的落石防护屏障的侧视图；
-图13示出了由与图9和10的模块类似的几个相邻模块组成的落石防护屏障的前视图；
-图14示出了具有根据本发明的电子设备的另一用途而具有所应用的电子设备的附着到山脊或梁丘(mountain or hill ridge)的网或板的前视图；
-图15示出了图14的网或板的截面XV-XV的视图；
-图16示出了包括根据本发明的电子设备的针对泥石流的柔性屏障的侧视图；
-图17示出了图16的针对泥石流的柔性屏障的前视图；
-图18示出了关于本发明针对泥石流的替代实施例的在集水区域(watercatchment area)中的流(stream)的截面；
-图19示出了图18的实施例的剖面的另一视图；
-图20示出了沿着集水盆地的路径在图18和19中应用多个电子设备的平面图；
-图21示出了根据本发明的电子设备的另一实施例的截面侧视图；
-图22示出了图21的没有顶盖的设备的顶视图；
-图23示出了对巨石或不稳定的岩石体应用图21和22中的设备的平面图；
-图24在侧截面视图中示出了图23的应用；
-图25示出了多个电子设备在地表滑坡的边缘处的应用；
-图26示出了可以应用到雪滑道的电子设备的实施例；
-图27示出了图26的应用到雪滑道的多个电子设备；
-图28示出了适用于边坡的实施例；
-图29在截面中示出了图28的实施例；
-－图30示出了根据本发明的用于对水文地质现象进行监测的电子设备的放大视图，该电子设备针对落石防护屏障以警报配置被用在图1的电子系统中；
-－图31在透视和平面图中示出了应用到落石网的侧立柱的电子设备的实施例；
-－图32在透视和平面图中示出了应用到落石网的中央立柱的电子设备的实施例；
-－图33示出了固定到落石网的立柱的电子设备的细节。
本发明的优选实施方式的详细描述
应当观察到，在下面的描述中，甚至在相同或类似的块、部件或模块在本发明的不同实施例中被示出时，相同或类似的块、部件或模块在附图中用相同的参考数字指示。
参考图1，示出了用于对水文地质现象进行监测的电子系统1的框图。
用于对水文地质现象进行监测的电子系统1包括：
-用于对水文地质现象进行监测的电子设备2；
-无线交互式电子设备40；
-电信网络30。
用于对水文地质现象进行监测的电子设备2被固定(例如借助于固定夹)到控制表面S，或者被固定在由于泥石流C1、C2、C3的通过而被影响的急流通道(torrentialchannel)附近的斜面(side)或边坡A的表面上。作为非限制性示例，电子设备2可以用尖桩安置在地上或雪上或者可以通过任何其他手段固定。在这种情况不可能的场合，它能够只通过腿的锚定来操作。在使用中，用于对水文地质现象进行监测的电子设备2被定位于控制表面S上或在斜面或边坡A(作为非限制性示例，泥石流的斜面或边坡A)附近。
为了解释本发明的目的，在下文中，通过非限制性示例，假设电子设备2被应用到的控制表面S可以由落石防护屏障、网、附着板、用于阻止泥石流的柔性屏障、地表滑坡、滑坡、雪滑道、边坡、斜坡或堤岸或流或河流的河床构成。电子设备2包括具有将机械信号Fi转换成电信号Si_ril的功能的一个或更多个传感器或检测元件4a、4b、4c、4d，如将在下面更详细地解释的。电信网络30具有借助于网络元件(未在图中示出)将交互式电子设备40与用于对水文地质现象进行监测的电子设备2连接的功能。网络元件具有运行在下文中用“服务器程序”指示的软件程序的功能。例如，网络元件是计算机服务器。
电信网络30可以具有固定类型(例如互联网)、移动类型(例如2G、3G、4G或5G移动无线电)或固定和移动类型的组合。电信网络30可以是以低功率用于物联网(“IoT”)的应用的无线数据通信网络，诸如，例如
Figure BDA0002997289680000071
此外，每个电子设备2还能够对另一个相邻的电子设备2发送和接收数据信号等，达到(up to)直接到达交互式电子设备40或者直到到达由2G、3G、4G或5G类型的固定或移动无线电电信网络30到达的电子设备2为止。
分别在交互式电子设备40、在网络元件和用于进行监测的电子设备2上运行的三个软件程序的集合具有主要通过对(或在控制表面上或在由于泥石流的通过而被影响的急流通道的斜面或边坡上的)机械应力的检测来对水文地质现象进行监测的功能，并且优选地还具有管理电池和电子设备2的任何故障的功能，如将在下面更详细地解释的。
交互式电子设备40具有借助于在交互式电子设备40的处理单元上运行的软件程序来接收来自一个或更多个电子监测设备2的任何警报信号Si_all的功能。交互式电子设备40可以具有固定类型，诸如，例如固定的个人计算机或服务器。可选地，交互式电子设备40具有移动类型，例如笔记本计算机、智能手机或平板计算机，其可以为了控制和询问(interrogating)电池的剩余电量状态或给定电子设备2的运行的目的通过网络元件朝着用于对水文地质现象进行监测的一个或更多个电子设备2既传输和接收远距离无线信号S_Id(例如2G、3G、4G、5G移动无线电或
Figure BDA0002997289680000081
)又传输和接收短距离无线信号。
可选地，交互式电子设备40是便携式个人计算机。参考图2，示出了用于对水文地质现象进行监测的电子设备2的框图，电子设备2包括：
-箱形外壳3；
-一个或更多个检测元件4a、4b、4c、4d；
-短和/或远距离无线信号收发器5；
-电源7；
-处理单元20。
电子设备2还可以包括存储器单元6。
优选地，每个检测元件4a、4b、4c、4d是被配置成将力Fi(由水文地质现象引起的机械应力)转换成电信号S_ril、S_mis的传感器或换能器；该转换是直接的，并且基于对比弹簧12或磁体13相对于导体主体14的位移；这样的相对位移将机械应力Fi转换成根据相对导体14的电阻的变化的电信号。特别是，对比弹簧12或磁体13沿着与由信号腿10(在下文中将被详细描述)限定的方向实质上平行的方向延伸，对比弹簧12或磁体13连接到信号腿10。
在这种情况下，当水文地质事件出现时，因而产生的机械应力冲击一个或更多个信号腿10，一个或更多个信号腿10又将机械应力Fi传输到每个腿10所连接到的检测元件4a、4b、4c、4d、4i，以及在接触元件12、13和电接触部14之间的相对运动检测事件本身(警报或警告)的出现。
图6a、6b、6c和7a、7b、8c示出了机械类型的检测元件和磁性元件。在第一种情况下，弹簧12在两端处将具有经典孔眼，该孔眼用螺钉和螺栓在一侧上固定到腿10并在另一侧上固定到在卡片上的接触部上，该卡片(又可以是磁性的或撕扯的(tearing))在发生事件的情况下被激活。弹簧12优选地根据最小活化能(minimum activation energy)形成所需尺寸。在第二种情况下，磁体13根据活化能形成接触电阻和校准电阻两者。这在一侧上固定到腿10，并且仍然通过螺栓在另一侧上固定到设备2的电子器件。在其中必须检测(由于水文地质现象的机械应力)所施加的机械力Fi的测量信号S1_mis(表征已经出现的水文地质现象的幅度)的情况下，每个检测元件4a、4b、4c、4d由传感器或位置换能器(例如在板或电接触部14上滑动的对比弹簧12或磁体13)构成。弹簧或磁体相对于电接触部14的位移或位置的幅度确定表征机械应力Fi的所测量的幅度单位S_mis，并且其例如由测量元件25(电位计、接近传感器或其他)确定。
电源7具有产生内部电池Vbat_i的DC电压信号的功能，用于给在电子设备2内部的电子部件(例如处理单元20、检测元件4a、4b、4c、4d和信号收发器5)供电。例如，电源7是由串联连接的电池组成的LIPO类型的电池(“锂离子聚合物电池”)，例如以(在串联的电池的末端处)产生内部电池电压Vbat_i，其具有优选地介于3.3和15伏之间的值，这取决于腿10的数量或所连接的检测元件4a、4b、4c、4d的数量以及所需的自主性或传输功率。
可选地或除了电池以外，还可以使用光伏板18，其能够在正常使用期间对主电源7再充电或者在设备2发生故障或电池电量低的情况下提供辅助充电。
无线信号收发器5可以是远距离的或短距离的或两者，并且由电源7供电。
远距离无线信号收发器5与处理单元20电气地连接，并且具有在警报信号S_all被检测元件4a、4b、4c、4d检测到的情况下发送携带警报信号S_all的远距离无线信号S_w_Id的功能，且然后朝着交互式电子设备40转发由处理单元20产生的警报信号；此外，收发器5具有传输携带表征由检测元件4a、4b、4c、4d检测到的机械力Fi的信号的远距离无线信号S_w_ld以及与设备和/或电池的操作状态和/或设备的位置相关的其他信号的功能。
远距离无线信号S_w_ld例如是2G、3G、4G或5G移动无线电类型或
Figure BDA0002997289680000101
类型。
短距离无线信号收发器5与处理单元20电气地连接，并且具有在警报信号S_all被检测元件4a、4b、4c、4d检测到的情况下接收携带警报信号S_all的短距离无线信号S_w_sd的功能，且然后朝着交互式电子设备40转发由处理单元20产生的所述警报信号；此外，收发器5具有传输携带表征由检测元件4a、4b、4c、4d检测到的机械力Fi的信号S_ril的短距离无线信号S_w_ld以及与设备和/或电池的操作状态和/或设备的位置相关的其他信号的功能。
短距离无线信号例如是蓝牙或WiFi类型。
处理单元20借助于通信总线与收发器5、与存储器单元6、与一个或更多个检测元件4a、4b、4c、4d电气地连接。
处理单元20例如是微处理器、微控制器、可编程电子电路或集成专用电路。
一般而言，应当注意，在本上下文中和在随后的权利要求中，为了清楚和完整地描述其功能的唯一目的，处理单元20被认为分成不同的功能模块(存储模块或操作模块)。
这种处理单元可以包括被适当地编程以执行所描述的功能的单个电子设备，并且不同的模块可以对应于作为被编程设备的一部分的硬件实体和/或例程软件。
可选地或附加地，这些功能可以由多个电子设备执行，上述功能模块可以分布在这些电子设备上。
处理单元20还可以利用一个或更多个处理器来执行存储模块中包含的指令。
前面提到的功能模块还可以分布在不同的本地或远程计算机上，这取决于它们所驻留的网络的架构。
处理单元20被配置成处理对水文地质警报、设备或电池的任何故障或低电池电量的检测数据。
每个检测元件4a、4b、4c、4d借助于耦合元件16可连接到一个或更多个信号腿10的第一端。
每个信号腿10具有实质上细长的形状，并且在用于进行监测的电子设备2的使用期间被耦合到控制表面S(例如借助于固定夹(fixing clamps))或者耦合到泥石流的斜面或边坡A(例如将第二自由端连接到指向泥石流C1、C2、C3的底部或河床的重物或巨石)，并且被配置成以便能够将作用在其上的机械应力Fi传输到检测元件4a、4b、4c、4d，检测元件4a、4b、4c、4d被连接并且依次将机械应力Fi转换成电信号Si_ril。
在替代实施例中，信号腿10包括一个或更多个接头19。接头19的存在允许腿10适应于网的形状或设备2被附着的表面S的形状。
特别是，信号腿10平行于控制表面S延伸，并且被配置为将作用在控制表面S上的机械载荷Fi(直接或间接地)传输到所述检测元件4a、4b、4c、4d中的一个或更多个。
优选地，一个或更多个检测元件4a、4b、4c、4d包括能够测量机械载荷并产生表征作用在控制表面S上的机械载荷Fi的信号Si_mis的元件。
优选地，信号腿10至少是在杆(bars)、缆(cables)、线(wires)或光纤缆(opticfibre cables)当中的一个或更多个。
优选地，用于进行监测的电子设备2包括八个信号腿10。
优选地，如图9、10、11、12、13、14、15、16、17、23、24和26所示，电子设备2被固定在待监测的控制表面S的实质上中心的位置上。
在本发明的可选实施例中，电子设备2借助于螺钉或金属带(如图33所示)或等效的固定元件被固定在中央和/或侧立柱11上(分别如图31和32所示)，使得电子设备牢固地被束缚到该中央和/或侧立柱11。
在落石网的一个或更多个板S中，传感器的信号线或腿10以最少两个腿10到最大数量的腿(这取决于所使用的电子器件，但是例如可以是八个腿10的倍数)进行定位。从电子设备2出发(departs)并夹在网S上的每个信号腿10的长度取决于网S的变形系数，即网S的尺寸被制造成承受各种类型的冲击的能量(用专门术语“能量等级”)。信号腿10可以是具有从1mm到15mm、优选地从1mm到7mm变化的直径、由钢或其他材料制成、被计算为干扰(intervene on)网S在所建立的能量等级下的预期变形长度的线。在本发明的一个实施例中，在同一落石网上达到(obtain)设备2被夹到立柱11和/或在网内是可能的。图30示出了根据一个实施例的电子设备2，其被成形为实质上圆柱形的，包括箱形外壳3、第一盖3a、密封垫圈3c、顶盖3b和天线50。
优选地，第一盖3a覆盖包括传感器12、13和电子器件的区域，而第二盖3b覆盖设备2的内部部分。电子设备2的箱形外壳3除了实质上为圆柱形的或圆形的之外，还可以具有正方形和/或矩形形状。
优选地，信号腿10从电子设备2以辐条状方式(in spoke-like fashion)延伸。
优选地，信号腿10实质上平行于控制表面S。
每个信号腿10具有感测作用在控制表面S上的每一个最轻微的振动或机械应力的功能。特别是，每个腿10感测直接沿着同一腿和/或在腿10所连接的控制表面S中发生的拉伸或撕扯。
腿10可以连接到防护网，直接到地面、表面或梁的系统。
作用在控制表面S上的机械应力或力Fi被机械地传输到一个或更多个腿10，并确定由检测元件4a、4b、4c、4d(它们连接到检测元件)适当地检测并由处理单元20处理的信号变化，导致危险或警报信号Si_all到交互式电子设备40的发送。
根据本发明的电子设备2可应用于在至少落石防护屏障(图9、10、11、12和13)、附着网或板(图14和15)、用于阻止泥石流的柔性屏障(图16和17)、由于泥石流的通过而被影响的集水区域(图18、19和20)、地表滑坡(图21、22、23、24和25)、雪滑道(图26和27)或边坡A(图28和29)中的一个或更多个。
根据本发明的可能实施例，电子设备2还包括电子设备2在地球上的地理位置的接收器8，例如GPS类型(全球定位系统)的卫星：在这种情况下，电子设备2能够向交互式电子设备40提供它被安装于的位置。
根据该实施例，电源7这样还向地理位置接收器8供电。
在该实施例中，处理单元20还电气地连接到地理位置接收器8。
无线信号收发器5还被配置成除了传输警报信号S_all之外还传输设备2的地理位置。
地理位置接收器8的使用实现了从第i个电子设备2的信号检测器4a、4b、4c、4d接收的信号确定生成警报信号Si_all的电子设备2所位于的位置。
优选地，电子设备2还包括被配置为检测直接或间接地作用在电子设备2上的振动和机械撞击的加速度计9。根据该实施例，电源7例如还向加速度计9供电。此外，处理单元20还电气地连接到加速度计9。
根据本发明的可能实施例，电子设备2还包括允许移动系统(智能手机、平板计算机或其他)在被接近时提供设备、系统(屏障、网或其他)和不稳定事件的识别信息的电子设备。基于NFC技术，该系统将允许民防作业人员(Civil Protection operators)、负责工程、维护控制器等的人员直接在现场检查通常难以获得的技术数据。在这个意义上，电子设备还充当数据库以提供信息和警报两者。
在第一方面中，本发明描述了一种用于对水文地质现象进行监测的电子设备，该电子设备适合于检测在控制表面S上的应力，该控制表面S可以是防护元件(例如落石防护屏障、网、附着板)的表面或者直接是待监测的水文地质现象(例如地表滑坡、雪滑道、边坡)的表面。
特别参考图9、10、11、12、13、14、15、16、17，用于对水文地质现象进行监测的适合于检测在控制表面S上的应力的电子设备被布置在箱形外壳3内，箱形外壳3的下表面被搁置在控制表面S上。
根据本发明的电子设备2包括被配置成将机械信号Fi转换成表征作用在S的控制表面上的机械载荷的电信号Si_ril的一个或更多个检测元件4a、4b、4c、4d。
电子设备2还包括：被配置为传输和接收数据(短、中和/或远距离)的信号收发器5、包括阈值SOG的存储器单元6；被配置为给设备2的各种元件供电的电源7；以及处理单元20，处理单元20与所述检测元件4a、4b、4c、4d中的每一个以及与所述信号收发器5连接，被配置为处理水文地质风险监测数据。处理单元20包括：被配置为从检测元件4a、4b、4c、4d中的每一个接收所述信号Si_ril的输入模块21；被配置为将信号Si_ril与对应的阈值SOG进行比较的比较模块22；被配置为根据从由所述比较模块22执行的比较得到的匹配OK来向信号收发器5传输警报信号S_all的传输模块23。
此外，处理单元20有利地被配置为根据可能从所述检测元件4a、4b、4c、4d中的一个或更多个接收的信号S_all、S_mis、S_bat将电子设备2的状态从正常运行模式切换到待机模式，在正常运行模式中电子设备2的信号收发器5能够传输信号S_all、S_mis、S_bat，在待机模式期间电子设备2例如在最小化对由电源7产生的电的消耗的同时进行操作。这个布置允许进一步节省电源7的持续时间。
图9和11示出了一种电子设备2，其在中心附着到例如覆盖在许多铁路和公路路段上面的类型的落石网。被网阻挡的落石只由操作员“视觉”检测，操作员必须沿着受影响的路段行走，直到在事件出现之后识别出事件为止。
利用根据本发明的电子设备，可能在事件出现时立即知道情况，评估现象的一致性和屏障的损坏，并且以非常低的成本和以简单的方式实际上实时地决定行动，但是最重要的是保护操作员的安全性，操作员否则将亲自去查验情况。为在结构体的维护和管理方面进行工作的人以及受这些结构体保护的人、企业和团体提供安全保障。电子设备还能够用宽范围的容易编程和设置组合独立地和直接地操作声音或视觉报警设备或两者的配置。
在第二方面中，本发明涉及一种用于对泥石流类型的水文地质现象进行监测的电子设备2，如在图18、19和20中所示。在本发明的这个方面中，电子设备2和连接到其的信号腿10与上面关于第一方面描述的那些相同。
在这个方面中，电子设备2被固定在集水盆地的流附近的斜面或边坡A上，集水盆地可能受到(作为非限制性示例)来自可能的泥石流C1、C2、C3的水文地质现象影响。
在该替代实施例中，信号腿10以不同的高度保持“浸没”在流的河床L上，例如保持在每个腿10的自由端连接到巨石或其他存在的物体的位置上。在该替代实施例中，用于进行监测的电子设备2不像在本发明的其他实施例中那样搁置在控制表面S上，而是被放置在它的外部(例如在斜面或边坡A上)，同时信号腿10相对于可能的泥石流C1、C2、C3的表面沿着实质上倾斜或垂直的方向被定向。特别是，信号腿10延伸到待监测的泥石流C1、C2、C3的河床L，并且被配置成将作用在每个信号腿上的机械载荷Fi传输到所述检测元件4a、4b、4c、4d中的一个。
以这种方式，通过将电子设备2的腿10定位在不同的高度处，可能知道击中腿10的液体通过流速。
在图21、22、23和24所示的本发明的替代实施例中，用于对水文地质现象进行监测的电子设备2由两个或更多个连接元件17所联接的箱形外壳3a和3b构成，并且包括传感器或接近传感器或加速度计15以及已经关于图2、3和4所示的电子设备2描述的元件。
在这样的实施例中，在使用中，下部元件3a被固定在控制表面S(例如岩石体或不稳定的巨石)上，而信号腿10从上部元件3b延伸并固定到被放置在控制表面S的外部、不被水文地质现象的影响的区域T。优选地，下部分3a固定在不稳定表面S上，并牢固地被束缚到此。
信号腿10的灵敏度和来自加速度计的最终信号S_acc都确定电子设备2的激活和警报信号S_all的发送。
图23和24所示的电子设备2可以包括布置在上部元件3b的上外表面中的太阳能电池板18，并且被配置为提供适合于给电子设备2供电并且可能还被配置为给电池7再充电的附加电能源。这将延长电池7的寿命。太阳能电池板18可以存在于本文描述的每个实施例中。
在该实施例中，如果控制表面S开始例如在下游方向上移动或位移，它使下部元件3a随着它一起移动，同时信号腿10保持上部元件3b的位置固定：相对于上部元件3b朝着它的下部元件3a的位移被产生。
图25示出了用于对水文地质事件进行监测的系统，该系统包括应用到控制表面S的边界的多个电子设备2，使得每个设备2的一些信号腿10被固定在不被水文地质现象影响的区域T中。
在图26和27所示的本发明的一个替代实施例中，用于进行监测的电子设备2实质上类似于图2、3和4所示的电子设备，并且还包括牢固地布置在用于进行监测的电子设备2的下表面(当使用时)上的细长固定元件(例如尖桩或类似元件)，以便让电子设备2落在雪滑道的控制表面S上，它以稳定和整体的方式被安置在控制表面S上。
在该替代实施例中，信号腿10是柔性的，并且在将电子设备2放置在雪滑道上之前朝着向电子设备2的上表面的中心折叠，以便在待监测的雪滑道上(通常放置在高海拔处)的放置步骤期间不阻塞或被损坏。
在当电子设备2由于重力从上方向待监测的雪滑道的点下落的时刻，腿10在折叠位置上，以及在受雪滑的道表面S冲击的时刻，腿10在它们在待监测的控制表面S上在所有方向上以辐条状方式以整个长度或延伸部分展开。一旦设备2的尖端24与表面接触，腿10的展开随着机械设备(未在图中示出)的释放而自动发生。
弹簧机构通过设备与待监测的表面的冲击而被激活。弹簧被预加载，并通过杠杆机构保持在适当的位置上，杠杆机构在与地面冲击之后打开，快速释放弹簧，弹簧将腿或缆直接投掷在地面上。在每个腿的端部处的锚形钩允许在多雪的地表上锚定，以便允许信号的识别。
在图28和29所示的本发明的另一个可选实施例中，电子设备2用于对水道的边坡或斜面防御工事的不稳定性或倒塌进行监测。边坡倒塌常常由于海狸鼠的存在或结构性恶化或也由于不正确的实现而出现。迄今为止，还没有(在不是精确的情况下)针对这样的现象的监测系统。通过光纤的铺设，电子设备2允许检测边坡的长拉伸、斜面边坡的潜在变形条件，并实现快速修复行动。原理仍然是腿10的原理，腿10在这种情况下长得多并且由沿着斜坡和斜面边坡铺设的纤维(光学的、碳的纤维)制成，根据边坡的类型有不同的配置。检测到的边坡的变形对应于纤维的变形，并且因此对应于警报信号S_all的传输。
在第三方面中，本发明涉及一种用于对水文地质现象进行监测的系统1(图1)，该系统包括：
-用于对如本文所述的水文地质现象进行监测的至少一个电子设备2；
-包括信号收发器的固定或移动交互式电子设备40，该信号收发器被配置为接收指示从一个或更多个电子设备2的收发器5检测和传输的水文地质危险状态的信号的警报信号Si_all。
由第一电子设备2产生的警报信号S_all的传输通过点对点(单波段)、点对多点(多波段)或点对全部(广播)类型的传输而被传输到其它相邻电子设备2的收发器5，直到到达所述固定或移动交互式电子设备40的收发器。
在包括n个电子设备2的系统中，产生并传输水文地质警报信号Si_all的第i个电子设备2(i)的识别借助于与警报信号Si_all一起发送的唯一识别码cod_id发生。
此外，如果电子设备2(i)配备有它所位于的地理位置的接收器8，则与警报信号Si_all一起被发送的信号Si_pos允许(例如在交互式设备40上)远程地且唯一地识别产生它的电子设备2(i)。
另外，在低电池电量的情况下，电子设备2能够向交互式设备40发送低电池电量信号。
类似地，在发生故障或崩溃(breakdown)的情况下，电子设备2向交互式电子设备40发送信号。
第四方面中，本发明涉及一种用于对水文地质现象进行监测的方法，其包括下面的步骤：
a)将至少一个信号腿10应用到用于对如前所述的水文地质现象进行监测的电子设备2的检测元件4a、4b、4c、4d；
b)将用于对水文地质现象进行监测的所述电子设备2和所述至少一个信号腿10应用到控制表面S(或边坡A)；
c)借助于所述信号腿10检测作用在所述表面S上的机械信号Fi；
d)将所述机械信号Fi转换成表征作用在所述控制表面S上的机械载荷的电信号Si_ril；
e)从所述检测元件4a、4b、4c、4d接收所述电信号Si_ril、S_mis；
f)将所述信号Si_ril、S_mis与存储在存储器单元6中的相对应的阈值SOG进行比较；
g)根据从由所述比较模块22执行的比较得到的经查验的匹配OK来向信号收发器5发送水文地质风险警报信号S_all；
h)向用于对水文地质现象进行监测的第二电子设备2的收发器或向固定或移动交互式电子设备40的收发器传输所述警报信号S_all。
本发明还涉及一种用于对水文地质现象进行监测的成套部件，其包括如本文所述的用于进行监测的至少一个电子设备2和可耦合到该至少一个电子设备2的一个或更多个信号腿10。
该设备可以可选地配备有非易失性存储器以用作数据记录器或简单检测器。
采集系统和传输系统都被设计为具有极低功率消耗技术，基于该技术实现了特定功能，这些特定功能适合于抑制消耗并用IoT协议(SigFox、LoRa等)优化传输。结果是工业型电子器件(扩展的温度范围)，其平均消耗在微瓦/毫瓦数量级上。
已采集和/或处理的信息(取决于数据记录器功能是否存在)的传输可以在自由频率(例如在意大利的868Mhz)下以几公里的平均覆盖范围在网络(点对网络、点对点或点对多点)中被引导。
该传输充分利用IoT网络的潜力，允许在不发生事件的情况下每天平均发送至少一个“仍然活跃的”信号以及在腿之一上出现事件时也逐渐增加发送周期。
优选地，信号借助于窄带物联网技术被传输，以及存在于电子设备中的无线电模块被设计成以至少3-5年的电池自主性来操作。
无线电覆盖范围在它涉及点对点连接时为几公里，以及在它涉及在互联网中的直接连接时是无限的。
换句话说，在不使用特定的无线电链路以及用简单和经济的系统的情况下，可能实时地监测潜在的危险事件，转而管理直接从网络或应用呈现的情况。这个使用可能性解决了当今存在的与在环境中、特别是在多山的区域或不稳定的区域中的传感器和信号收发器的供电有关的问题，在这些区域中很难在长时间段期间具有能量，以及传输常常难以激活，除非用非常高的成本。
对地区和自然及人类风险的知识和控制的情况的改善和因此为了整个社会的更好的生活质量，这些电子监测设备实现了低成本和使用方便的大规模和广泛的分布。
该设备根据特定的应用被定位，它被开启，且没有更多的东西是必要的。在极端和紧急状况中，该设备的一些配置实现了从飞机或直升机的投掷或释放，例如用于对雪滑道或地表滑坡的控制。
应用、个人计算机或控制单元直接提供电子设备被安装于的区域的关键信息。
该设备具有紧凑的形状(在直径上约25cm或更小的圆形容器)，并且由于其被制造成具有简单性、易于运输且甚至更容易安装而易于实现。
敏感元件(弹簧、磁体、光纤驱动器等)的尺寸设定受待使用的识别能量等级的规则控制，因此，在生产侧上特定的校准不是必要的，更确切地，将敏感元件直接定位在电子器件的侧面上以封闭箱形容器变得极其容易。在安装期间，所有必须做的事是连接相关腿。
本发明的电子设备可以容易地既为处于不同于标准能量的能量的“校准”传感器和又为实现具有针对特定目的而区分的腿的传感器而定制。在腿和电子设备之间的连接借助于在设备本身上的特殊夹紧螺钉而发生。设备可以牢固地被约束或不约束到设备被安装于的结构，无论它是刚性表面或网或其他(地面)。
所使用的形状和材料取决于特定的应用，例如，可能将它插在浮动容器中，使得当面临事件例如泥石流或水崩(water avalanches)时，它主要被带到表面以确保信号的传输的最大概率，最大化在传输中的功率。
使用这种类型的硬件和软件优化，该系统可以通过使用小电池实现长达很多年的自主性来将它的消耗降低到几乎零。同时，它提供自我诊断以便实现对故障或传输故障的识别。
除了识别事件和它的位置以及它的可能强度的测量(在光纤的情况下)以外，每次传输实际上还传递两个重要的信息点：电池状态和地理坐标。第一个是了解系统的状态的基本信息，并实现了规划电池的可能快速更换，第二个实现了它在面临非常重要的事件、它被撕扯或被推开但没有被淹没时的情况下恢复。
所设想的电源7是电池，但是可能插入小型太阳能电池板以使该设备对内部再充电变得完全自主。
如本领域中的技术人员可以清楚地理解的，本发明实现了克服先前参考现有技术突出的缺点。特别是，本发明实现了改进对在由2G、3G、4G移动电信网络或电网不能到达的不能接近的区域中的水文地质现象的监测。此外，它实现了已安装的设备的更好管理和监测而不必接触它们以控制它们的操作状态。此外，该电子设备是紧凑且坚固的。传感器的简单性和它们的坚固性最小化了维护活动，使本发明的电子设备适合于也在极端环境条件下的所有监测和报警应用。
如直到这里所述的，根据本发明的设备既用于监测又用于报警，因为在当它检测到水文地质风险时的时刻，它从它所位于的位置远程地发送警报信号以及还有声音和视觉警报信号。此外，根据本发明的设备不仅在预防中而且特别是在发生水文地质事件的情况下和在发生事件之后实现其用途。最后，该设备具有在水文地质和工程不稳定性的领域中的警报管理领域中的应用，但也在紧急情况下由民防应用，以允许操作员管理水文地质现象的进展。显然，特定的特征以示例性和非限制性的意图结合本发明的不同实施例被描述。显然，为了满足偶然和特定的需要的目的，本领域中的技术人员可以对本发明进行进一步的修改和变化。例如，结合本发明的实施例描述的技术特征可以从中被推断出并被应用于本发明的其他实施例。这样的修改和变化也被包含在如随附的权利要求所限定的本发明的保护范围内。

Claims (19)

1.一种用于对水文地质现象进行监测的电子设备(2)，所述电子设备适合于检测控制表面(S)的应力，所述电子设备包括：
-箱形外壳(3)，所述箱形外壳被搁置在所述控制表面(S)上；
-一个或更多个检测元件(4a、4b、4c、4d)，所述检测元件被配置成将机械信号(Fi)转换成表征作用在所述控制表面(S)上的机械载荷的电信号(Si_ril)；
-信号收发器(5)，所述信号收发器被配置为传输和接收数据；
-存储器单元(6)，所述存储器单元包括阈值(SOG)；
-电源(7)，所述电源被配置为给所述电子设备(2)的各个元件供电；
-处理单元(20)，所述处理单元被连接到所述检测元件(4a、4b、4c、4d)中的每个和所述信号收发器(5)，所述处理单元被配置为处理水文地质风险监测数据，所述处理单元包括：
o输入模块(21)，所述输入模块被配置为从所述检测元件(4a、4b、4c、4d)中的每个接收所述电信号(Si_ril)；
o比较模块(22)，所述比较模块被配置为将所述电信号(Si_ril)与相对应的阈值(SOG)进行比较；
o传输模块(23)，所述传输模块被配置为根据从由所述比较模块(22)执行的所述比较得到的匹配(OK)来向所述信号收发器(5)传输警报信号(S_all)。
2.根据权利要求1所述的电子设备(2)，所述电子设备包括一个或更多个信号腿(10)，所述信号腿平行于所述控制表面(S)延伸，并且被配置为将作用在所述控制表面(S)上的所述机械载荷(Fi)传输到所述检测元件(4a、4b、4c、4d)中的一个检测元件。
3.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电子设备(2)，其中，每个检测元件(4a、4b、4c、4d)连接到所述信号腿(10)中的一个或更多个。
4.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电子设备(2)，其中，所述检测元件(4a、4b、4c、4d)中的一个或更多个包括能够测量所述机械载荷并产生信号(Si_mis)的元件，所述信号(Si_mis)表征作用在所述控制表面(S)上的所述机械载荷(Fi)。
5.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电子设备(2)，其中，所述腿(10)是至少下列项当中的一者或更多者：
o杆；
o缆；
o线；
o光纤缆。
6.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电子设备(2)，所述电子设备包括八个信号腿(10)。
7.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电子设备(2)，其中，所述电子设备(2)适用于至少下列项当中的一项或更多项：
-落石防护屏障；
-附着网或板；
-柔性碎碴屏障；
-泥石流；
-地表滑坡；
-雪滑道；
-边坡(A)。
8.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电子设备(2)，其中，所述信号收发器(5)被配置为借助于远距离电信网络(30)连接到交互式电子设备(40)。
9.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电子设备(2)，其中，第一电子设备(2)的所述信号收发器(5)被配置为传输和接收来自一个或更多个电子设备(2)的所述收发器(5)的数据。
10.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电子设备(2)，所述电子设备包括适合于确定所述电子设备(2)的地理位置并产生指示所述地理位置的信号(S_pos)的装置(8)。
11.一种用于对水文地质现象进行监测的电子设备(2)，所述电子设备适合于检测泥石流(C1、C2、C3)的应力，所述电子设备包括：
-箱形外壳(3)，所述箱形外壳被搁置在受泥石流(C1、C2、C3)的通过影响的水道的斜面或边坡(A)上；
-一个或更多个检测元件(4a、4b、4c、4d)，所述检测元件被配置成将机械信号(Fi)转换成表征作用在控制表面(S)上的机械载荷的电信号(Si_ril)；
-信号收发器(5)，所述信号收发器被配置为传输和接收数据；
-存储器单元(6)，所述存储器单元包括阈值(SOG)；
-电源(7)，所述电源被配置为给所述电子设备(2)的各个元件供电；
-处理单元(20)，所述处理单元被连接到所述检测元件(4a、4b、4c、4d)中的每个和所述信号收发器(5)，所述处理单元被配置为处理水文地质风险监测数据，所述处理单元包括：
o输入模块(21)，所述输入模块被配置为从所述检测元件(4a、4b、4c、4d)中的每个接收所述信号(Si_ril)；
o比较模块(22)，所述比较模块被配置为将所述信号(Si_ril)与相对应的阈值(SOG)进行比较；
o传输模块(23)，所述传输模块被配置为根据从由所述比较模块(22)执行的所述比较得到的匹配(OK)来向所述信号收发器(5)传输警报信号(S_all)。
12.根据权利要求11所述的电子设备(2)，所述电子设备包括一个或更多个信号腿(10)，所述信号腿延伸到待监测的所述泥石流(C1、C2、C3)的河床(L)，并且被配置为将作用在所述信号腿中的每个信号腿上的机械载荷(Fi)传输到所述检测元件(4a、4b、4c、4d)中的一个检测元件。
13.根据权利要求12所述的电子设备(2)，其中，每个检测元件(4a、4b、4c、4d)连接到所述信号腿(10)中的一个或更多个。
14.根据权利要求13所述的电子设备(2)，其中，所述信号腿(10)的自由端(3b)连接到被搁置在所述泥石流(C1、C2、C3)的河床(L)上的重的对象上。
15.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电子设备(2)，其中，所述处理单元(20)被配置为根据从所述检测元件(4a、4b、4c、4d)中的一个或更多个接收的信号(S_all；S_mis；S_bat)将所述电子设备(2)的状态从正常运行模式切换到待机模式，在所述正常运行模式中所述电子设备(2)的所述信号收发器(5)能够传输信号(S_all；S_mis；S_bat)，在所述待机模式期间，所述电子设备(2)通过最小化对由所述电源(7)产生的电能的消耗来运行。
16.一种水文地质现象的监测系统，包括：
-根据前述权利要求中的任一项所述的用于对水文地质现象进行监测的电子设备(2)；
-移动或固定交互式电子设备(40)，所述移动或固定交互式电子设备包括被配置为接收指示由一个或更多个电子设备(2)检测并传输到所述收发器(5)的水文地质危险状态的警报信号(S_all)的信号收发器。
17.根据权利要求16所述的水文地质现象的监测系统，所述水文地质现象的监测系统包括被配置为将所述交互式电子设备(40)与用于对水文地质现象进行监测的所述电子设备(2)连接的远距离电信网络(30)。
18.根据权利要求16或17所述的水文地质现象的监测系统，其中，由第一电子设备(2)产生的所述警报信号(S_all)的所述传输被传输到另外的电子设备(2)的收发器(5)，直到经由以下类型的传输到达所述固定或移动交互式电子设备(40)的收发器：
-点对点；
-点对多点；
-点对所有点。
19.一种用于对水文地质现象进行监测的方法，包括以下步骤：
a)将至少信号腿(10)应用到根据权利要求1至15中的任一项或更多项所述的用于对水文地质现象进行监测的电子设备(2)的检测元件(4a、4b、4c、4d)；
b)将用于对水文地质现象进行监测的所述电子设备(2)和所述至少信号腿(10)应用到控制表面(S)；
c)借助于所述信号腿(10)检测作用在所述表面(S)上的机械信号(Fi)；
d)将所述机械信号(Fi)转换成表征作用在所述控制表面(S)上的机械载荷的电信号(Si_ril)；
e)从所述检测元件(4a、4b、4c、4d)接收所述电信号(Si_ril)；
f)将所述电信号(Si_ril)与存储在存储器单元(6)中的相对应的阈值(SOG)进行比较；
g)根据从由所述比较模块(22)执行的所述比较而得到的查验的匹配(OK)来向信号收发器(5)发送水文地质风险警报信号(S_all)；
h)向用于对水文地质现象进行监测的第二电子设备(2)的收发器或固定或移动交互式电子设备(40)的收发器传输所述警报信号(S_all)。
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