CN113053065A - 基于5g和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统及其使用方法，属于高速公路综合监测预警技术领域，该高速公路综合监测预警平台系统包括高速公路边坡数据平台和预警分析系统，高速公路边坡数据平台对高速公路边坡的监测数据进行采集、存储、分析和管理；预警分析系统对监测数据进行处理和分析并设定预警的阈值。本发明解决了目前高速公路边坡监测预警的准确性和及时性较差的问题。

Description

基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统及 其使用方法

技术领域：

本发明属于高速公路综合监测预警技术领域，具体涉及一种基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统。

背景技术：

在山区的公路工程建设中，道路多穿行于山川、河谷之间，往往需要对原本的地质体进行一定的破坏，边坡的开挖破坏了原有植被覆盖层，导致出现了大量的裸地以及严重的水土流失现象，由此产生了很多失稳风险较大的路堑高边坡。高速公路边坡结构失稳、滑坡等地质灾害的现象频繁发生，严重影响了交通基础设施的安全，致使人民生命及财产受到了严重威胁。

而目前高速公路边坡监测预警的准确性和及时性较差。

发明内容：

本发明提供了一种基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，解决了目前高速公路边坡监测预警的准确性和及时性较差的问题。

本发明提供了一种基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，包括：

高速公路边坡数据平台，其对高速公路边坡的监测数据进行采集、存储、分析和管理；

预警分析系统，其对所述监测数据进行处理和分析并设定预警的阈值。

在本发明某些实施例中，所述高速公路边坡数据平台包括：

数据采集模块，其对高速公路边坡的监测数据进行采集；

数据存储模块，其对高速公路边坡的监测数据进行存储；

数据分析管理模块，其对高速公路边坡的监测数据进行分析和管理。

在本发明某些实施例中，所述数据采集模块采集的数据包括：高速公路边坡监测点北斗三维坐标数据、高速公路边坡监测点降雨量数据和高速公路边坡监测点位移数据。

在本发明某些实施例中，所述数据存储模块采用在高速公路边坡监测点设备附近建立的边缘计算服务器设备中的存储模块，所述边缘计算服务器设备中的存储模块接收由5G网络传输过来的高速公路边坡监测点的监测数据。

在本发明某些实施例中，所述数据分析管理模块包括数据分析子模块和数据管理子模块；

其中，所述数据分析子模块能够分析判断高速公路边坡的监测数据的正常或者异常。

所述数据管理子模块采用PostgreSQL数据库对高速公路边坡的监测数据进行管理。

在本发明某些实施例中，所述预警分析系统包括：

高速公路边坡监测数据处理系统，其对高速公路边坡的监测数据进行处理；

高速公路边坡模型分析系统，其构建高速公路边坡综合灾害预警分析模型以对获取的监测数据进行分析，得出高速公路边坡灾害等级；

风险异常系统，其在分析出的所述高速公路边坡灾害等级所对应的阈值超过所述设定预警的阈值时，进行主动告警。

在本发明某些实施例中，所述高速公路边坡监测数据处理系统采用在该高速公路边坡监测数据处理系统中设置参数，所述高速公路边坡监测数据处理系统根据参数自动对监测数据进行平差处理。

在本发明某些实施例中，所述高速公路边坡综合灾害预警分析模型为：f_(xi)＝ω₁x₁+ω₂x₂+…+w_nx_n；

其中，[ω₁，ω₂，…，ω_n]为预测系数，[x₁，x₂，…，x_n]为各类传感器监测模型数据，

为对应综合监测模型的风险预测值。

在本发明某些实施例中，所述各类传感器监测模型包括：北斗卫星GNSS接收机单差观测模型、双差观测模型、应力监测模型和全站仪监测模型；

其中，所述北斗卫星GNSS接收机单差观测模型为：

所述双差观测模型为：

其中，

表示接收机与卫星的几何距离，dt_r(t)、dT^s(t)分别指的是接收机和卫星的钟差，

为电离层延迟，

为对流层延迟、ε_p为其它噪声，γ为波长，ε_γφ为多路径误差，

表示接收机和卫星相对应的模糊度，j、k为卫星号，μ为流动站，r为基准站；

所述应力监测模型为：σ_i＝K*(Fi²-F0²)/Ais；

其中，σ_i为应力值，K为相关系数，Fi为测定频率，F0为初始频率，Ais为应力计截面积；

所述全站仪监测模型：包括水平角误差方程、天顶距观测值误差方程、测边误差方程；

所述水平角误差方程为：

ρ″＝206262；

所述天顶距观测值误差方程为：

所述测边误差方程：

其中，h_1e为水平角观测值改正数，v_1e为天顶距观测值改正数，s_1e为边长改正数，1为测站点点号，e为测点点号，(x₁,y₁,z₁)为测站点坐标值改正数，(x_e,y_e,z_e)为测点坐标值改正数，(ΔX⁰,ΔY⁰,ΔZ⁰)为坐标近似值差值，

为两点间斜距近似值，

为两点间平距近似值。

一种基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤一，高速公路边坡数据平台对高速公路边坡的监测数据进行采集、存储、分析和管理；

步骤二，预警分析系统对高速公路边坡的监测数据进行初步处理，判断是否存在异常数据，对异常数据发出通知信息，并重新对高速公路边坡的监测数据进行采集；

步骤三，高速公路边坡模型分析系统对无异常的数据进行分析，数据结果显示为是否存高速公路边坡地质灾害的风险；如果存在高速公路边坡地质灾害的风险则发出通知信息并预警，如果不存在高速公路边坡地质灾害的风险则将结果数据进行封装，存入数据库当中；

步骤四，预警分析系统对高速公路边坡的监测数据进行分析并得到结果分析报告以及对结果分析报告进行展示。

本发明实施例通过构建综合预警监测系统平台，将多源数据进行融合，应用网络数据传输、边缘计算、误差控制、数据处理、数据建库关键技术，形成了更具有针对性的自动化监测解决方案，使监测内容更加全面准确、便捷有效；通过将5G技术与北斗卫星导航系统两种手段有效结合，实现监测手段的自动化，5G的广泛感知网络实现物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、管控决策、使用等服务；北斗卫星导航系统的广覆盖性，北斗短报文通信方式的应用，可对在5G网络无法到达的区域进行通信方式补充，真正实现全天候、无死角监测。通过构建综合预警模型分析，形成各类变化曲线，使监测成果“形象化”，；按照标准、规范对超标结果进行预警，及时以短信、邮件等多种形式告知责任方，使监测预警平台对于决策部门，能够对现场灾情做到快速响应，精准预判、合理调配资源，使监测结果反馈更具时效性，达到防灾减灾的目的。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明：

附图用来提供对本发明进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中高速公路边坡数据平台的结构示意图；

图3为本发明实施例中预警分析系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中数据分析管理模块的结构示意图；

附图标记：10、高速公路边坡数据平台；101、数据采集模块；102、数据存储模块；103、数据分析管理模块；1031、数据分析子模块；1032、数据管理子模块；20、预警分析系统；201、高速公路边坡监测数据处理系统；202、高速公路边坡模型分析系统；203、风险异常系统。

具体实施方式：

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需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。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，包括：高速公路边坡数据平台10和预警分析系统20。

如图2所示，高速公路边坡数据平台10是指对整个高速公路综合监测预警平台系统前端设备的数据进行统一采集、存储、分析和管理。

具体地，高速公路边坡数据平台10对高速公路边坡的监测数据进行采集、存储、分析和管理。

因此，高速公路边坡数据平台10是整个高速公路综合监测预警平台系统的数据中心。

其中，优选地，高速公路边坡数据平台10包括：数据采集模块101、数据存储模块102和数据分析管理模块103。

数据采集模块101对高速公路边坡的监测数据进行采集。

具体地，数据采集模块101是指对高速公路边坡监测点的各项监测数据进行采集。

优选地，数据采集模块101采集的数据包括：高速公路边坡监测点北斗三维坐标数据、高速公路边坡监测点降雨量数据和高速公路边坡监测点位移数据。

在高速公路边坡监测点北斗三维坐标数据的采集过程中，高速公路边坡监测点采用北斗高精度形变监测设备实时接收卫星信号，获取高速公路边坡监测点的三维坐标信息，并与国家北斗地基增强系统发布的坐标修正值进行联合，得出修正之后的高精度定位坐标数据，并利用5G网络，将该坐标数据回传至数据采集模块101。

在高速公路边坡监测点降雨量数据的采集过程中，高速公路边坡监测点安装雨量计，收集现场的雨水，利用传感器读取收集到的降雨量，并利用5G网络将降雨量数据回传至数据采集模块101；

在高速公路边坡监测点位移数据的采集过程中，高速公路边坡监测点安装地表裂缝监测，当边坡结构体发生形变时将会引起裂缝计的位移，通过改变设备内振弦的振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的位移量，再经过5G网络回传至数据采集模块101。

数据存储模块102对高速公路边坡的监测数据进行存储。

具体地，数据存储模块102是指对高速公路边坡监测点的各项监测数据进行存储。

优选地，数据存储模块102采用在高速公路边坡监测点设备附近建立的边缘计算服务器设备中的存储模块，边缘计算服务器设备中的存储模块接收由5G网络传输过来的高速公路边坡监测点的监测数据。

数据存储模块102是指根据高速公路边坡监测点设备的命名和安装位置，分类进行高速公路边坡监测点数据存储，通过在高速公路边坡监测点设备附近选取机房新建一套边缘计算服务器设备，边缘计算服务器设备中内置基本的操作系统和软件应用服务，高速公路边坡监测点的数据通过5G网络传输到边缘计算服务器之后，边缘计算服务器中的存储模块对监测数据进行存储，如果后续需要对监测数据进行查看，可直接通过连接边缘计算服务器进行查看，无需将监测数据再转存至后端平台侧，减少监测数据传输路径，可保证监测数据存储的安全性，同时也可实现监测数据的可追溯性。

数据分析管理模块103对高速公路边坡的监测数据进行分析和管理。

具体地，数据分析管理模块103对高速公路边坡监测点的各项监测数据进行分析和管理。

如图4所示，其中，数据分析管理模块103包括数据分析子模块1031和数据管理子模块1032；

其中，数据分析子模块1031能够分析判断高速公路边坡的监测数据的正常或者异常。

具体地，如果连续时刻的前后两组监测数据，监测数据出现偏差较大，而后续时刻监测数据与前一组监测数据偏差较小或者基本无偏差，那么可将偏差较大的后一组监测数据标记为异常数据，将其舍弃之后，保留剩余的监测数据。

数据管理子模块1032采用PostgreSQL数据库对高速公路边坡的监测数据进行管理。

具体地，PostgreSQL是一个自由的对象-关系数据库服务器(数据库管理系统)，PostgreSQL采用的是比较经典的C/S(cl ient/ser ver)结构，特性覆盖了SQL-2/SQL-92和SQL-3/SQL-99，是全功能的自由软件数据库，可支持事务、子查询、多版本并行控制系统(MVCC)、数据完整性检查等特性的一种自由软件的数据库管理系统。通过PostgreSQL数据库实现对监测数据实行查询、修改、统计等操作。

如图3所示，预警分析系统20对监测数据进行处理和分析并设定预警的阈值。

具体地，预警分析系统20是指利用预警监测软件，对监测数据进行处理和分析，通过设定预警的阈值，监测数据变化超过阈值之后，预警分析系统20对用户进行告警。

高速公路边坡监测点采用分布式的数据采集模式，终端传感器具备初步的处理能力，大部分预处理的功能已经在终端处理完毕，系统尽量把能够在终端处理的过程移至前端边缘计算服务器设备计算处理。而至于平差之类功能，由于需要把全部数据集合在一起才能处理，因此移至服务器处理。

其中，预警分析系统20包括：高速公路边坡监测数据处理系统201、高速公路边坡模型分析系统202和风险异常系统203。

高速公路边坡监测数据处理系统201对高速公路边坡的监测数据进行处理；

具体地，高速公路边坡监测数据处理系统201采用在该高速公路边坡监测数据处理系统201中设置参数，高速公路边坡监测数据处理系统201根据参数自动对监测数据进行平差处理。或者在特殊条件下，人工剔除偏差较大的监测数据并备注信息。

高速公路边坡模型分析系统202构建高速公路边坡综合灾害预警分析模型以对获取的监测数据进行分析，得出高速公路边坡灾害等级；

风险异常系统203在分析出的高速公路边坡灾害等级所对应的阈值超过设定预警的阈值时，进行主动告警。

高速公路边坡综合灾害预警分析模型为：

其中，[ω₁，ω₂，…，ω_n]为预测系数，[x₁，x₂，…，x_n]为各类传感器监测模型数据，

为对应综合监测模型的风险预测值。

各类传感器监测模型包括：北斗卫星GNSS接收机单差观测模型、双差观测模型、应力监测模型和全站仪监测模型；

其中，北斗卫星GNSS接收机单差观测模型为：

双差观测模型为：

其中，

表示接收机与卫星的几何距离，dt_r(t)、dT^s(t)分别指的是接收机和卫星的钟差，

为电离层延迟，

为对流层延迟、ε_p为其它噪声，γ为波长，ε_γφ为多路径误差，

表示接收机和卫星相对应的模糊度，j、k为卫星号，μ为流动站，r为基准站；

应力监测模型为：σ_i＝K*(Fi²-F0²)/Ais；

其中，σ_i为应力值，K为相关系数，Fi为测定频率，F0为初始频率，Ais为应力计截面积；

全站仪监测模型：包括水平角误差方程、天顶距观测值误差方程、测边误差方程；

水平角误差方程为：

ρ″＝206262；

天顶距观测值误差方程为：

测边误差方程：

其中，h_1e为水平角观测值改正数，v_1e为天顶距观测值改正数，s_1e为边长改正数，1为测站点点号，e为测点点号，(x₁,y₁,z₁)为测站点坐标值改正数，(x_e,y_e,z_e)为测点坐标值改正数，(ΔX⁰,ΔY⁰,ΔZ⁰)为坐标近似值差值，

为两点间斜距近似值，

为两点间平距近似值。

一种基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤一，高速公路边坡数据平台10对高速公路边坡的监测数据进行采集、存储、分析和管理，在过程中需要采集高速公路边坡的监测数据中的北斗边坡数据、地下水位数据、倾斜数据等原始数据。

步骤二，预警分析系统20对高速公路边坡的监测数据进行初步处理，判断是否存在异常数据，对异常数据发出通知信息，如提示相关责任方，对前端站点进行关注，并重新对高速公路边坡的监测数据进行采集；

步骤三，高速公路边坡模型分析系统202对无异常的数据进行分析，数据结果显示为是否存高速公路边坡地质灾害的风险；如果存在高速公路边坡地质灾害的风险则发出通知信息以提示责任方并根据高速公路边坡地质灾害风险等级进行预警，对边坡进行现场查勘；如果不存在高速公路边坡地质灾害的风险则将结果数据进行封装，存入数据库当中；

步骤四，预警分析系统20对高速公路边坡的监测数据进行分析并得到结果分析报告，根据结果分析报告和决策报告为责任方提供依据和技术支撑。并对结果分析报告进行展示，利用可视化技术手段对结果进行综合展示，有利于决策方进行合理调度，提高决策准确性。

本发明实施例通过构建综合预警监测系统平台，将多源数据进行融合，应用网络数据传输、边缘计算、误差控制、数据处理、数据建库关键技术，形成了更具有针对性的自动化监测解决方案，使监测内容更加全面准确、便捷有效；通过将5G技术与北斗卫星导航系统两种手段有效结合，实现监测手段的自动化，5G的广泛感知网络实现物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、管控决策、使用等服务；北斗卫星导航系统的广覆盖性，北斗短报文通信方式的应用，可对在5G网络无法到达的区域进行通信方式补充，真正实现全天候、无死角监测。通过构建综合预警模型分析，形成各类变化曲线，使监测成果“形象化”，；按照标准、规范对超标结果进行预警，及时以短信、邮件等多种形式告知责任方，使监测预警平台对于决策部门，能够对现场灾情做到快速响应，精准预判、合理调配资源，使监测结果反馈更具时效性，达到防灾减灾的目的。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，其特征在于，包括：

高速公路边坡数据平台，其对高速公路边坡的监测数据进行采集、存储、分析和管理；

预警分析系统，其对所述监测数据进行处理和分析并设定预警的阈值。

2.根据权利要求1所述的基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，其特征在于，所述高速公路边坡数据平台包括：

数据采集模块，其对高速公路边坡的监测数据进行采集；

数据存储模块，其对高速公路边坡的监测数据进行存储；

数据分析管理模块，其对高速公路边坡的监测数据进行分析和管理。

3.根据权利要求2所述的基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，其特征在于，所述数据采集模块采集的数据包括：高速公路边坡监测点北斗三维坐标数据、高速公路边坡监测点降雨量数据和高速公路边坡监测点位移数据。

4.根据权利要求2所述的基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，其特征在于，所述数据存储模块采用在高速公路边坡监测点设备附近建立的边缘计算服务器设备中的存储模块，所述边缘计算服务器设备中的存储模块接收由5G网络传输过来的高速公路边坡监测点的监测数据。

5.根据权利要求2所述的基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，其特征在于，所述数据分析管理模块包括数据分析子模块和数据管理子模块；

其中，所述数据分析子模块能够分析判断高速公路边坡的监测数据的正常或者异常。

所述数据管理子模块采用PostgreSQL数据库对高速公路边坡的监测数据进行管理。

6.根据权利要求1所述的基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，其特征在于，所述预警分析系统包括：

高速公路边坡监测数据处理系统，其对高速公路边坡的监测数据进行处理；

高速公路边坡模型分析系统，其构建高速公路边坡综合灾害预警分析模型以对获取的监测数据进行分析，得出高速公路边坡灾害等级；

风险异常系统，其在分析出的所述高速公路边坡灾害等级所对应的阈值超过所述设定预警的阈值时，进行主动告警。

7.根据权利要求6所述的基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，其特征在于，所述高速公路边坡监测数据处理系统采用在该高速公路边坡监测数据处理系统中设置参数，所述高速公路边坡监测数据处理系统根据参数自动对监测数据进行平差处理。

8.根据权利要求6所述的基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，其特征在于，所述高速公路边坡综合灾害预警分析模型为：

其中，[ω₁，ω₂，…，ω_n]为预测系数，[x₁，x₂，…，x_n]为各类传感器监测模型数据，

为对应综合监测模型的风险预测值。

9.根据权利要求8所述的基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统，其特征在于，所述各类传感器监测模型包括：北斗卫星GNSS接收机单差观测模型、双差观测模型、应力监测模型和全站仪监测模型；

其中，所述北斗卫星GNSS接收机单差观测模型为：

所述双差观测模型为：

其中，

表示接收机与卫星的几何距离，dt_r(t)、dT^s(t)分别指的是接收机和卫星的钟差，

为电离层延迟，

为对流层延迟、ε_p为其它噪声，γ为波长，ε_γφ为多路径误差，

表示接收机和卫星相对应的模糊度，j、k为卫星号，μ为流动站，r为基准站；

所述应力监测模型为：σ_i＝K*(Fi²-F0²)/Ais；

其中，σ_i为应力值，K为相关系数，Fi为测定频率，F0为初始频率，Ais为应力计截面积；

所述全站仪监测模型：包括水平角误差方程、天顶距观测值误差方程、测边误差方程；

所述水平角误差方程为：

ρ″＝206262；

所述天顶距观测值误差方程为：

所述测边误差方程：

其中，h_1e为水平角观测值改正数，v_1e为天顶距观测值改正数，s_1e为边长改正数，1为测站点点号，e为测点点号，(x₁,y₁,z₁)为测站点坐标值改正数，(x_e,y_e,z_e)为测点坐标值改正数，(ΔX⁰,ΔY⁰,ΔZ⁰)为坐标近似值差值，

为两点间斜距近似值，

为两点间平距近似值。

10.一种基于5G和北斗导航系统的高速公路综合监测预警平台系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤一，高速公路边坡数据平台对高速公路边坡的监测数据进行采集、存储、分析和管理；

步骤二，预警分析系统对高速公路边坡的监测数据进行初步处理，判断是否存在异常数据，对异常数据发出通知信息，并重新对高速公路边坡的监测数据进行采集；

步骤三，高速公路边坡模型分析系统对无异常的数据进行分析，数据结果显示为是否存高速公路边坡地质灾害的风险；如果存在高速公路边坡地质灾害的风险则发出通知信息并预警，如果不存在高速公路边坡地质灾害的风险则将结果数据进行封装，存入数据库当中；

步骤四，预警分析系统对高速公路边坡的监测数据进行分析并得到结果分析报告以及对结果分析报告进行展示。

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