CN113053066B - 一种山洪泥石流监测鉴别的装置与灾害预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及泥石流防护领域，具体公开了一种山洪泥石流监测鉴别的装置与灾害预警方法。本发明解决了现有装置不能精确判断泥石流流体类型的问题，以及不能迅速对泥石流灾害等级进行实时判断的问题。本发明装置将泥石流对传感器产生的冲击力信号经时频分析对山洪泥石流性质进行识别，预警系统则是在该方法特征上构建出一套行之有效的预警方法，能迅速的识别泥石模式，更为精确判断灾害类型和等级，从而更好的应对泥石流灾害。

Description

一种山洪泥石流监测鉴别的装置与灾害预警方法
技术领域
本发明涉及泥石流防护领域，具体涉及一种山洪泥石流监测鉴别的装置与灾害预警方法。
背景技术
山洪泥石流为一种能量大、破坏力极强自然灾害，山洪与泥石流的流体性质不同，其破坏方式、造成的影响与防治措施与避灾手段截然不同。监测预警中判断发生的灾害是山洪还是泥石流，是山区灾害防治的重要内容和很多工程措施的前提，形成科学合理的监测手段，准确及时预判发生的灾害属性，是山洪泥石流防治和减灾防灾重要关键性内容。
专利CN201510084442.3公开了一种接触式泥石流运动参数监测装置、系统及泥石流预警方法，该装置系统能够高效获取泥石流动力参数综合数据，提供泥石流运动过程实时监测中的关键性动力参数，以该接触式泥石流运动参数监测装置为主体结构的泥石流运动参数监测系统可布置在泥石流沟道中，可切实根据沟道地形特征分布式布置，能够高效获取监测数据。但是，其未对泥石流流体类型进行分类，从而进行精细化监控，进一步的提高灵敏度。
综上，亟需一种精细化的山洪泥石流监测鉴别装置，可对泥石流流体类型进行细致分类，从而精细化提高泥石流监测装置的灵敏度。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种山洪泥石流监测鉴别的装置，对泥石流流体类型进行细致分类并根据实际情况进行灾害类型预警。
本发明目的之一在于提供一种山洪泥石流监测鉴别的装置，具体技术方案如下：
一种山洪泥石流监测鉴别的装置，包括计算装置、传感器，放大器和模数转换器， 其特征在于，所述传感器将采集获取的冲击力信号通过放大器和模数转换器转化为数字信 号，并传递至计算装置，所述计算装置利用所述数字信号计算得到液体冲击信号的能量系 数
Figure 327221DEST_PATH_IMAGE001
和固-液冲击能量比rsl，结合阈值范围监测鉴别泥石流模式，
Figure 182045DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 899465DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 232357DEST_PATH_IMAGE004
为固体颗粒冲击信号的能量系数
Figure 781150DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 72454DEST_PATH_IMAGE006
为频率，其 中泥浆冲击信号的特征频域为
Figure 808329DEST_PATH_IMAGE007
，颗粒冲击的特征频域为
Figure 476071DEST_PATH_IMAGE008
，泥浆冲击 信号的特征频域和颗粒冲击的特征频域通过现场实验或监测数据分析获得，或采用经验参 数；
Figure 613791DEST_PATH_IMAGE009
为泥浆冲击信号特征频域范围的下边界值，
Figure 75997DEST_PATH_IMAGE010
为泥浆冲击信号特征频域范围的 上边界值；
Figure 299167DEST_PATH_IMAGE011
为颗粒冲击的特征频域范围的下边界值,
Figure 505021DEST_PATH_IMAGE012
为颗粒冲击的特征频域范围的 上边界值；
Figure 497248DEST_PATH_IMAGE013
为泥石流信号的能量谱。
优选的，所述泥浆冲击信号的特征频域为[0.05,3]，所述颗粒冲击的特征频域为[300,600]。
优选的，其特征在于，当
Figure 393004DEST_PATH_IMAGE001
和rsl无变化时，所述泥石流模式为无冲击，标记为第 一模式参数；当
Figure 103471DEST_PATH_IMAGE001
>0.98，rsl<5e-4时，所述泥石流模式为水流，标记为第二模式参数；当 0.95≤
Figure 581857DEST_PATH_IMAGE001
≤0.98，5e-4≤rsl≤5e-3时，所述泥石流模式为泥流，标记为第三模式参数；当 0.65≤
Figure 694169DEST_PATH_IMAGE001
≤0.95，5e-2≤rsl≤5e-3时，所述泥石流模式为泥石流，标记为第四模式参数； 当0.65≤
Figure 498177DEST_PATH_IMAGE001
≤0.95，5e-2 ≤rsl≤0.5时，所述泥石流模式为水石流，标记为第五模式参 数；当
Figure 695940DEST_PATH_IMAGE001
<0.65，rsl>1.0时，所述泥石流模式为碎屑流，标记为第六模式参数。
优选的，所述计算装置将所述数字信号编码后通过无线电信号进行发射。
优选的，所述传感器的特征频率>3kHz。
优选的，所述传感器包括第一传感器，第二传感器和第三传感器；所述第一，第二和第三传感器距离地表高度分别为0.5h1，0.7h2和0.8h3，h1为监测鉴别地的常年流水深度，h2为监测鉴别地的泥石流启动水深度， h3为监测鉴别地的近10年最大水深。
优选的，所述传感器为直径为50-100mm的圆柱体。
本发明目的之二在于提供一种利用上述装置进行灾害预警方法，具体技术方案如下：
一种山洪泥石流灾害预警方法，利用上述方案中的装置进行山洪泥石流灾害预警，将所述第一传感器，第二传感器和第三传感器安装于泥石流沟槽内，所述传感器受力面正向接触泥石流采集获取冲击力信号，所述传感器将采集获取的冲击力信号通过放大器和模数转换器转化为数字信号，并传递至计算装置，所述计算装置利用所述数字信号进行时频分析，并对所述传感器产生的模式参数进行信息编码，根据编码信息进行灾害预警。
进一步地，编码过程包括对所述第一传感器，第二传感器和第三传感器产生的泥石流模式进行鉴别，标记相应的模式参数，进行模式参数编号，预设灾害预警信息；所述灾害预警信息包括无灾害预警信息、山洪2或3级、山洪1级、泥流4级、泥流3级、泥流2级、泥流1级、泥石流4级、泥石流3级、泥石流2级、泥石流1级、水石流4级、水石流3级、水石流2级，水石流1级和碎屑流。
本发明的有益之处在于：本发明装置将泥石流对传感器产生的冲击力信号经时频分析对山洪泥石流性质进行识别，预警系统则是在该方法特征上构建出一套行之有效的预警方法，能迅速的识别泥石模式，更为精确判断灾害类型和等级，从而更好的应对泥石流灾害。
附图说明
图1为本发明的基于冲击信号能量的泥石流模式识别的基本流程图。
图2为本发明的山洪泥石流监测鉴别的装置原理结构示意图。
图3为本发明的山洪泥石流监测鉴别的装置的传感器结构示意图。
图4为本发明的山洪泥石流监测鉴别的装置的安装图。
图中，1-传感器，11-第一传感器，12-第二传感器，13-第三传感器，2-支撑柱，3-地表，4-混凝土，5-钢筋，6-信电管道，7-泥石流沟槽。
具体实施方式
下面通过实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的结构思路、使用范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
一种基于经验模态分析的泥石流监测装置与灾害预警方法，由冲击力信号经时频分析对山洪泥石流性质进行识别是本预警系统的基础，而预警系统则是在该方法特征上构建出一套行之有效的预警方法。
基于冲击信号在不同频段能量的分布泥石流模式识别的基本流程如图1所示，首 先通过压力传感器1与监测装置获取泥石流冲击力的数字时间序列信号，利用监测系统中 的微控制器MCU内预编制的程序，每间隔
Figure 243596DEST_PATH_IMAGE014
秒对之前2
Figure 210415DEST_PATH_IMAGE014
秒时间段的冲击力信号进行经验模 态分解（EMD），得到多个经验模态函数
Figure 450904DEST_PATH_IMAGE015
，然后对所得的经验模态函数，通过 希尔伯特变换HT得到信号的能量谱
Figure 169853DEST_PATH_IMAGE016
，由于一般泥石流冲击力频谱表现为泥浆的低频冲 击和颗粒的高频冲击，因此，可以根据能量谱在频域上分布规律，获取泥浆冲击信号的特征 频域
Figure 786779DEST_PATH_IMAGE017
和颗粒冲击的特征频域
Figure 811367DEST_PATH_IMAGE018
，从而可以得到此时间段内泥石流液 体冲击信号的能量系数
Figure 222757DEST_PATH_IMAGE019
和固体颗粒冲击信号的能量系数
Figure 129533DEST_PATH_IMAGE020
：
Figure 18991DEST_PATH_IMAGE021
Figure 960402DEST_PATH_IMAGE022
进而得固-液冲击频谱能量比：
Figure 542693DEST_PATH_IMAGE023
一般来说泥石流冲击信号的特征频域的确定，可以通过现场实验或监测数据分析 获得。当实验条件不具备时，可以采用经验参数，即泥浆冲击信号的特征频域
Figure 936766DEST_PATH_IMAGE024
，颗粒 冲击的特征频域为
Figure 629915DEST_PATH_IMAGE025
。
通过以上的监测系统计算装置的计算，获取了每间隔
Figure 160254DEST_PATH_IMAGE014
时间的泥石流沟槽内的流 体的冲击力信号的液体冲击信号的能量系数
Figure 913446DEST_PATH_IMAGE026
和固-液冲击能量比rsl。由此，再通过表1所 示的阈值范围对沟槽内泥石流的模式和状态做出判断。例：当流体的液体的冲击信号的能 量系数
Figure 794814DEST_PATH_IMAGE026
大于0.98，且固-液冲击能量比rsl小于5e-4时，此时沟槽内流体为水。
表1 泥石流模式判识表
Figure 291655DEST_PATH_IMAGE028
本发明装置必要基本构成如图2所示，主要包括计算装置、传感器1，放大器和模数转换器，其中计算装置如微型控制计算机MCU，主要起到采集、处理、分析信号，发出预警信息，控制各个模块工作等作用。3个冲击力传感器（第一传感器11，第二传感器12和第三传感器13），用来对空间三个不同位置处的泥石流冲击信号进行采集，传感器获取的信号通过放大器和模数转换器，将冲击力型号转化数字信号传递至MCU，此时MCU通过预置程序对3个信号分别进行计算和分析（计算能量系数与能量谱比，并赋值泥石流模式参数），根据三个传感器的泥石流模式参数分析出泥石流灾害信息，将泥石流的预警信息编码(如表2所示)通过5G信号终端模块进行发送。为了保证时间精度，系统时间通过卫星授时模块获取。电源可通过任何一类具有UPS功能的电源模块进行供给。
其中压力传感器基本结构和安装如图3所示，传感器为圆柱体，其中一端面作为受力面直接迎向泥石流。传感器1固定在支撑柱2上，支撑柱2通过底部钢板与钢筋5连接，浇筑在位于地表3下面的混凝土4中。支撑柱2整体为钢材，因此安装固定后的压力传感器以及附属结构的整体振动的特征频率要显著大于泥石流冲力信号频率（大于3kHz为宜），且防水、防冲击力。传感器1的直径d不宜过大或过小，一般50-100mm为宜。传感器安装后的距离地表的高度h分为三个等级，主要是通过调查常年流水深度h1、泥石流启动水深度h2和近10年最大水深h3来确定。如图4所示装置现场安装示意图，第一传感器11，第二传感器12和第三传感器13距离地表不同的高度，分为设置为0.5h1、0.7h2和0.8h3。传感器1的供电与通信线路通过埋设信电管道6铺设，而其他模块集成至泥石流沟槽7旁安全距离的架设杆上。
表2 泥石流灾害预警信息编码
Figure 942079DEST_PATH_IMAGE029
其中&表示为“或”。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种山洪泥石流监测鉴别的装置，包括计算装置、传感器，放大器和模数转换器，其特征在于，所述传感器将采集获取的冲击力信号通过放大器和模数转换器转化为数字信号，并传递至计算装置，所述计算装置利用所述数字信号计算得到液体冲击信号的能量系数
Figure 560769DEST_PATH_IMAGE002
和固-液冲击能量比rsl，结合能量系数
Figure 407502DEST_PATH_IMAGE002
的阈值范围和固-液冲击能量比rsl的阈值范围监测鉴别泥石流模式，
Figure 431084DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 97689DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 363454DEST_PATH_IMAGE005
为固体颗粒冲击信号的能量系数，
Figure 799115DEST_PATH_IMAGE006
，其中泥浆冲击信号的特征频域为[
Figure 542334DEST_PATH_IMAGE008
la,
Figure DEST_PATH_IMAGE010
lb]和颗粒冲击的特征频域为[
Figure 352027DEST_PATH_IMAGE008
sa,
Figure 437795DEST_PATH_IMAGE010
sb]，泥浆冲击信号的特征频域和颗粒冲击的特征频域通过现场实验或监测数据分析获得；
Figure 213115DEST_PATH_IMAGE008
la为泥浆冲击信号特征频域范围的下边界值,
Figure 358926DEST_PATH_IMAGE010
lb为泥浆冲击信号特征频域范围的上边界值；
Figure 718232DEST_PATH_IMAGE008
sa为颗粒冲击的特征频域范围的下边界值,
Figure 76532DEST_PATH_IMAGE010
sb为颗粒冲击的特征频域范围的上边界值；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
泥石流信号的能量谱。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泥浆冲击信号的特征频域为[0.05,3]，所述颗粒冲击的特征频域为[300,600]。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和rsl无变化时，所述泥石流模式为无冲击，标记为第一模式参数；当
Figure 362151DEST_PATH_IMAGE013
>0.98，rsl<5e-4时，所述泥石流模式为水流，标记为第二模式参数；当0.95≤
Figure 413284DEST_PATH_IMAGE013
≤0.98，5e-4≤rsl≤5e-3时，所述泥石流模式为泥流，标记为第三模式参数；当0.65≤
Figure 26930DEST_PATH_IMAGE013
≤0.95，5e-2≤rsl≤5e-3时，所述泥石流模式为泥石流，标记为第四模式参数；当0.65≤
Figure 188921DEST_PATH_IMAGE013
≤0.95，5e-2 ≤rsl≤0.5时，所述泥石流模式为水石流，标记为第五模式参数；当
Figure 437369DEST_PATH_IMAGE013
<0.65，rsl>1.0时，所述泥石流模式为碎屑流，标记为第六模式参数。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述计算装置将所述数字信号编码后通过无线电信号进行发射。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述传感器的特征频率大于3kHz。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传感器包括第一传感器，第二传感器和第三传感器；所述第一传感器，第二传感器和第三传感器距离地表高度分别为0.5h1，0.7h2和0.8h3， h1为检测鉴别地的常年流水深度， h2为监测鉴别地的泥石流启动水深度，h3为检测鉴别地的近10年最大水深。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述传感器为直径为50-100mm的圆柱体。
8.一种山洪泥石流灾害预警方法，其特征在于，利用权利要求7所述的装置进行山洪泥石流灾害预警，将所述第一传感器，第二传感器和第三传感器安装于泥石流沟槽内，所述传感器受力面正向接触泥石流采集获取冲击力信号，所述传感器将采集获取的冲击力信号通过放大器和模数转换器转化为数字信号，并传递至计算装置，所述计算装置利用所述数字信号进行时频分析，并对所述传感器产生的模式参数进行信息编码，根据编码信息进行灾害预警。
9.根据权利要求8所述的山洪泥石流灾害预警方法，其特征在于，编码过程包括对所述第一传感器，第二传感器和第三传感器产生的泥石流模式进行鉴别，标记相应的模式参数，进行模式参数编号，预设灾害预警信息；所述灾害预警信息包括无灾害预警信息、山洪2级、山洪3级、山洪1级、泥流4级、泥流3级、泥流2级、泥流1级、泥石流4级、泥石流3级、泥石流2级、泥石流1级、水石流4级、水石流3级、水石流2级，水石流1级和碎屑流。
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