CN113112761B - 基于数据融合的现地预警装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数据融合的现地预警装置，包括：数据采集单元：用于采集加速度数据；主处理器：配置有用于与其他节点之间确定自组网络模式的自组网节点解算算法模块；协处理器：配置有与自组网节点解算算法模块通信的用于处理加速度数据和网络数据的多观测手段数据融合算法模块；该装置的使用方法包括信号采集步骤、信号处理步骤和信号输出步骤。该装置通过多台装置之间自组网和数据融合功能，具备地震识别、烈度计算、预警发布、交互通信能力，提高地震预警的可靠性，最大程度消除地震预警中漏报和误报。

Description

基于数据融合的现地预警装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及地震预警技术领域，具体的说，涉及一种基于数据融合的现地预警装置及其使用方法。

背景技术

地震是一种破坏性极强的自然灾害，尤其是破坏性地震，不仅会造成大面积房屋倒塌、人畜伤亡和交通阻断，还时常诱发海啸、泥石流、滑坡等一系列次生灾害，给人类社会造成了难以抵御的冲击，严重危害人民的生命和财产安全。地震发生时，震源区介质发生急速的破裂和运动形成一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。地震预警系统的工作原理就在于可以预先探测到地震发生最初时传播出来的震动较弱的地震波(纵波或P波)，而破坏性的地震波(横波或S波)由于传播速度相对较慢则会延后到达地表。

现地地震预警技术通过在预警目标区域布设一定数量的地震监测仪器，利用在地震发生后，地震纵波先到达预设预警目标区域，而横波随后再到达的原理进行预警。通过现地地震预警技术可以达到在极震区给出预警信号，同时由于只需要在预警目标区域内布设地震监测仪器，因此建设和维护成本较低。作为一种现地预警技术，中国专利CN 103033844A公开了一种地震P波检测预警仪，集地震数据采集、存储、分析和报警于一体，单台设备就可实现地震监测和地震P波预警的功能。

但问题在于：1、现有的地震监测系统由于利用地震横波与纵波之间的速度差来实现预警算法，因此预警时间短；2、缺乏其他信息来辅助以实现对地震烈度、破坏性地震波达到时间等地震信息的估计，现有技术很难可靠地对预设预警目标区域发出预警信息。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出的技术方案为一种基于数据融合的现地预警装置，所述装置包括：数据采集单元：用于采集加速度数据；主处理器：所述主处理器配置有用于与其他节点之间确定自组网络模式的自组网节点解算算法模块；协处理器：所述协处理器配置有与所述自组网节点解算算法模块通信的用于处理所述加速度数据和网络数据的多观测手段数据融合算法模块。

进一步地，所述协处理器还配置有授时数据处理模块，所述授时数据处理模块用于接收并处理来自GPS/BD闭环控制授时单元的授时数据。

进一步地，所述GPS/BD闭环控制授时单元由天线、与所述天线连接的GPS/BD接收机、与所述协处理器连接的GPS/BD频率输出电路和可控晶振组成；所述GPS/BD接收机的信号输出端连接所述协处理器，所述协处理器连接所述GPS/BD频率输出电路，所述GPS/BD频率输出电路连接所述可控晶振，所述可控晶振连接所述协处理器。

进一步地，所述数据采集单元由三分向加速度传感器、信号调理电路和三通道数模转换电路组成，所述三分向加速度传感器的信号输出端连接所述信号调理电路后连接所述三通道数模转换电路，所述三通道数模转换电路连接所述协处理器。

进一步地，所述装置还包括与所述主处理器连接的报警控制单元，所述报警控制单元可以根据所述主处理器的输出信号选择性报警。

进一步地，所述报警控制单元由可控光电耦合器、放大器和继电器开关组成，所述可控光电耦合器的输入端连接所述主处理，所述可控光电耦合器的输出端连接所述放大器后连接所述继电器开关。

进一步地，所述装置还包括与所述主处理器连接的系统监控单元，用来实现供电电源检测功能、温度检测功能、存储容量检测功能、运行状态检测功能、网络状态检测功能及授时状态检测功能。

本发明的技术方案还提出一种基于数据融合的现地预警装置的地震预警方法，所述方法包括以下步骤：

信号采集步骤：

震动信号采集所述数据采集单元实时采集加速度信号并传输给所述协处理器；

网络信号采集所述自组网节点解算算法模块从以太网采集网络信号，并传输给所述多观测手段数据融合算法模块；

钟频信号采集所述天线从GPS和BD卫星系统采集卫星信号并发送给所述GPS/BD接收机，所述GPS/BD接收机接收所述卫星信号并转换为钟频信号发送给所述协处理器；

信号处理步骤：

所述协处理器基于所述多观测手段数据融合算法，对采集到的信号进行综合处理得到处理结果；

优选地，还包括以下步骤：

所述可控晶振输出晶振时钟信号给所述协处理器；

所述协处理器处理来自所述GPS/BD的钟频信号和所述晶振时钟信号，并输出标准钟频信号给所述GPS/BD频率输出电路；

所述GPS/BD频率输出电路根据所述标准钟频信号对所述可控晶振进行调节；

信号输出步骤：

所述协处理器将所述处理结果输出给所述主处理器，所述主处理器根据所述处理结果选择性触发所述报警控制单元。

本发明的技术方案还提出一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被所述主处理器执行时，实现如基于数据融合的现地预警装置的地震预警方法中的所述自组网节点解算算法的步骤。

进一步地，该计算机程序/指令被所述协处理器执行时，实现如基于数据融合的现地预警装置的地震预警方法中的所述多观测手段数据融合算法的步骤。

本发明技术方案中提出的装置，通过多台装置之间自组网和数据融合功能，具备地震识别、烈度计算、预警发布、交互通信能力，提高地震预警的可靠性，最大程度消除地震预警中漏报和误报。

附图说明

图1、基于数据融合的现地预警装置结构图；

图2、GPS/BD闭环控制授时单元结构图；

图3、数据采集单元结构图；

图4、报警控制单元电路图；

图5、系统监控单元结构图；

图6、基于数据融合的现地预警装置外型图；

图7、基于数据融合的现地预警装置的一种优选实施方式结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式进一步解释本发明。

在一些实施方式中，基于数据融合的现地预警装置如图1所示，包括：

数据采集单元：用于采集加速度数据；

主处理器：配置有用于与其他节点之间确定自组网络模式的自组网节点解算算法模块；

协处理器：配置有与所述自组网节点解算算法模块通信的用于处理所述加速度数据和网络数据的多观测手段数据融合算法模块。

其中，数据采集单元中的传感器采集与地震相关的物理信号，这些物理信号包括加速度信号。

现地预警装置在接收到周边设备或软件或自身发送的位移、速度或加速度预警参数时，在协处理器端采用边缘计算的模式，分别针对位移、速度和加速度数据计算获得的预警参数，利用相匹配的预先配置的预警参数关系式估算峰值速度(PGV)和峰值加速度(PGA)，进行联合获取预警烈度信息，并根据设定的预警烈度阈值判定是否需要发布预警信息。

优选地，可以使用ARM(精简指令集器)实现主处理器的功能，使用FPGA(可现场编程门阵列)实现协处理器的功能。

在一些实施方式中，协处理器还配置有授时数据处理模块，所述授时数据处理模块用于接收并处理来自GPS/BD闭环控制授时单元的授时数据。

在一些实施方式中，GPS/BD闭环控制授时单元如图2所示，由天线、与天线连接的GPS/BD接收机、与协处理器连接的GPS/BD频率输出电路和可控晶振组成；GPS/BD接收机的信号输出端连接协处理器，协处理器连接GPS/BD频率输出电路，GPS/BD频率输出电路连接可控晶振，可控晶振连接协处理器。

本装置采用双模授时，通过接收北斗和GPS卫星信号将两时间源互为备用，解决了单一依赖GPS存在的重大安全隐患。

在一些实施方式中，数据采集单元如图3所示，数据采集单元由三分向加速度传感器、信号调理电路和三通道数模转换电路组成，三分向加速度传感器的信号输出端连接信号调理电路后连接三通道数模转换电路，三通道数模转换电路连接协处理器。

其中，三分向加速度传感器主要是将空间加速度在X、Y、Z三个轴上进行分解，用于测量物体在空间中速度变化的快慢；三通道数模转换电路将加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，发送给协处理器进行逻辑运算；加速度传感器可以是MEMS传感器或者力平衡加速度传感器，加速度传感器的三个分向在空间正交。三分向加速度传感器输出信号经过信号调理电路和三通道数据采集电路后，将三分向加速度传感器输出的模拟信号转换成数字信号后，送给协处理器进行处理。信号调理电路对三分向加速度传感器输出信号进行信号滤波、放大处理。

在一些实施方式中，装置还包括与主处理器连接的报警控制单元，可以根据主处理器的输出信号选择性进行报警。

报警控制单元用于IO口控制，当装置采集到的加速度信号达到预警阈值，发出报警控制信号，并将报警控制信号通过IO接口与外部装置通信。

在一些更为具体的实施方式中，报警控制单元的电路如图4所示，报警控制单元由可控光电耦合器、放大器和继电器开关组成，可控光电耦合器的输入端连接主处理，可控光电耦合器的输出端连接放大器后连接继电器开关。

其中，可控光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电-光-电转换器件，由发光源和受光器两部分组成，发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端；光电耦合器以光为媒介传输电信号，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，可以实现抗信号干扰的功能，极大降低误报的可能。

在一些实施方式中，装置还包括与主处理器连接的系统监控单元，系统监控单元结构如图5所示，用来实现供电电源检测功能、温度检测功能、存储容量检测功能、运行状态检测功能、网络状态检测功能及授时状态检测功能。

在一些更为具体的优选的实施例中，基于数据融合的现地预警装置设有壳体(如图6)，壳体内部电路主要包括主处理器、协处理器、三分向加速度传感器及采集单元、GPS/BD闭环控制授时单元、大容量存储器、系统监控单元、复位电路、报警控制单元、显示屏和网络接口，壳体外部包含网络接口连接器、供电接口连接器，壳体上部包含显示窗、方位指示标识和水平指示器，壳体两侧有安装挡板，可以通过固定螺丝将安装挡板固定在壳体上，用于现场安装。传感器敏感方向与壳体上标识指向一致。本实施例的装置结构如图7所示。

另一方面，本发明提出了一种基于技术方案中装置的地震预警方法，包括以下步骤：

信号采集步骤：

震动信号采集所述数据采集单元实时采集加速度信号并传输给所述协处理器；

网络信号采集所述自组网节点解算算法模块从以太网采集网络信号，并传输给所述数据融合算法模块；

钟频信号采集所述天线从GPS和BD卫星系统采集卫星信号并发送给所述GPS/BD接收机，所述GPS/BD接收机接收所述卫星信号并转换为钟频信号发送给所述协处理器；

信号处理步骤：

协处理器基于多观测手段融合算法，对上一步骤采集到的信号(包括震动信号、通过网络接收到的预警参数等)进行综合处理得到处理结果；

优选地，还包括以下步骤：

可控晶振输出晶振时钟信号给所述协处理器；

协处理器处理来自所述GPS/BD的钟频信号和所述晶振时钟信号，并输出标准钟频信号给所述GPS/BD频率输出电路；

GPS/BD频率输出电路根据所述标准钟频信号对所述可控晶振进行调节；

信号输出步骤：

所述协处理器将所述处理结果输出给所述主处理器，所述主处理器根据所述处理结果选择性触发所述报警控制单元。

本发明还提出一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被所述主处理器执行时，实现自组网节点解算算法的步骤。

在一些实施方式中，该计算机程序/指令被所述协处理器执行时，实现多观测手段数据融合算法的步骤。

本说明书中描述的主题的实施方式和功能性操作可以通过使用：数字电子电路，有形实施的计算机软件或者固件，计算机硬件，包括本说明书中公开的结构及其结构等同体，或者上述中的一者以上的组合。本说明书中描述的主题的实施方式可以被实施为一个或多个计算机程序，即，一个或多个有形非暂时性程序载体上编码的计算机程序指令的一个或多个模块，用以被数据处理设备执行或者控制数据处理设备的操作。

作为替代或者附加，程序指令可以被编码在人工生成的传播信号上，例如，机器生成的电信号、光信号或者电磁信号，上述信号被生成为编码信息以传递到用数据处理设备执行的适当的接收器设备。计算机存储介质可以是机器可读存储装置、机器可读的存储基片、随机或者串行存取存储器装置或者上述装置中的一种或多种的组合。

术语“数据处理设备”包含所有种类的用于处理数据的设备、装置以及机器，作为实例，包括可编程处理器、计算机或者多重处理器或者多重计算机。设备可以包括专用逻辑电路，例如，FPGA(现场可编程门阵列)或者ASIC(专用集成电路)。设备除了包括硬件之外，还可以包括创建相关计算机程序的执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者它们中的一种或多种的组合代码。

计算机程序(还可以被称为或者描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或者代码)可以以任意形式的编程语言而被写出，包括编译语言或者解释语言或者声明性语言或过程式语言，并且计算机程序可以以任意形式展开，包括作为独立程序或者作为模块、组件、子程序或者适于在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以但不必须对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在保存其他程序或者数据的文件的一部分中，例如，存储在如下中的一个或多个脚本：在标记语言文档中；在专用于相关程序的单个文件中；或者在多个协同文件中，例如，存储一个或多个模块、子程序或者代码部分的文件。计算机程序可以被展开为执行在一个计算机或者多个计算机上，所述计算机位于一处，或者分布至多个场所并且通过通信网络而互相连接。

在本说明书中描述的处理和逻辑流程可以由一个或多个可编程计算机执行，该计算机通过运算输入数据并且生成输出而执行一个或多个的计算机程序，以运行函数。

为了发送与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施方式可以被实施在计算机上，该计算机具有：显示装置，例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监控器，用于向用户显示信息；以及键盘和例如鼠标或者追踪球这样的定位装置，用户利用它们可以将输入发送到计算机。其他种类的装置也可以用于发送与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任意形式的传感反馈，例如，视觉反馈、听觉反馈或者触觉反馈；以及来自用户的输入可以以任意形式接收到，包括声响输入、语音输入或者触觉输入。另外，计算机可以通过将文档发送至由用户使用的装置并且接收来自该装置的文档而与用户交互；例如，通过响应于接收到的来自网络浏览器的请求，而将网页发送到用户的客户端装置上的网络浏览器。

本说明书中描述的主题的实施方式可以在计算系统中实施，该计算系统包括例如数据服务器这样的后端组件，或者包括例如应用服务器这样的中间组件，或者包括例如客户端计算机这样的前端组件，该客户端计算机具有图形用户界面或者网络浏览器，用户可以通过图形用户界面或者网络浏览器而与本说明书中描述的主题的实施进行交互，或者该计算机系统包括一个或多个这种后端组件、中间组件或者前端组件的任意组合。系统中的组件可以通过例如通信网络的任意形式或介质的数字数据通信而互相连接。通信网络的实例包括局域网络(“LAN”)和广域网络(“WAN”)，例如，因特网。计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过通信网络而交互。客户端与服务器之间的关系利用在各自的计算机上运行并且具有彼此之间的客户端-服务器关系的计算机程序而产生。

虽然本说明书包含很多具体的实施细节，但是这些不应当被解释为对任何发明的范围或者对可以要求保护的内容的范围的限制，而是作为可以使特定发明的特定实施方式具体化的特征的说明。在独立的实施方式的语境中的本说明书中描述的特定特征还可以与单个实施方式组合地实施。相反地，在单个实施方式的语境中描述的各种特征还可以独立地在多个实施方式中实施，或者在任何合适的子组合中实施。此外，虽然以上可以将特征描述为组合作用并且甚至最初这样要求，但是来自要求的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合去掉，并且要求的组合可以转向子组合或者子组合的变形。

已经描述了主题的特定实施方式。其他实施方式在以下权利要求的范围内。例如，在权利要求中记载的活动可以以不同的顺序执行并且仍旧实现期望的结果。作为一个实例，为了实现期望的结果，附图中描述的处理不必须要求示出的特定顺序或者顺序次序。在特定实现中，多任务处理和并行处理可以是有优势的。

Claims (6)

1.一种基于数据融合的现地预警装置的地震预警方法，其特征在于，所述装置包括：

数据采集单元：

用于采集加速度数据；

主处理器：

所述主处理器配置有用于与其他节点之间确定自组网络模式的自组网节点解算算法模块；

协处理器：

所述协处理器配置有与所述自组网节点解算算法模块通信的用于处理所述加速度数据和网络数据的多观测手段数据融合算法模块；所述协处理器还配置有授时数据处理模块，所述授时数据处理模块用于接收并处理来自GPS/BD闭环控制授时单元的授时数据；

所述GPS/BD闭环控制授时单元由天线、与所述天线连接的GPS/BD接收机、与所述协处理器连接的GPS/BD频率输出电路和可控晶振组成；所述GPS/BD接收机的信号输出端连接所述协处理器，所述协处理器连接所述GPS/BD频率输出电路，所述GPS/BD频率输出电路连接所述可控晶振，所述可控晶振连接所述协处理器；

所述基于数据融合的现地预警装置的地震预警方法包括以下步骤：

信号采集步骤：

震动信号采集 所述数据采集单元实时采集加速度信号并传输给所述协处理器；

网络信号采集 所述自组网节点解算算法模块从以太网采集网络信号，并传输给所述多观测手段数据融合算法模块；

钟频信号采集 所述天线从GPS和BD卫星系统采集卫星信号并发送给所述GPS/BD接收机，所述GPS/BD接收机接收所述卫星信号并转换为钟频信号发送给所述协处理器；

信号处理步骤：

所述协处理器基于所述多观测手段数据融合算法，对采集到的信号进行综合处理得到处理结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据采集单元由三分向加速度传感器、信号调理电路和三通道数模转换电路组成，所述三分向加速度传感器的信号输出端连接所述信号调理电路后连接所述三通道数模转换电路，所述三通道数模转换电路连接所述协处理器。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述装置还包括与所述主处理器连接的报警控制单元，所述报警控制单元可以根据所述主处理器的输出信号选择性报警。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述报警控制单元由可控光电耦合器、放大器和继电器开关组成，所述可控光电耦合器的输入端连接所述主处理，所述可控光电耦合器的输出端连接所述放大器后连接所述继电器开关。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述装置还包括与所述主处理器连接的系统监控单元，用来实现供电电源检测功能、温度检测功能、存储容量检测功能、运行状态检测功能、网络状态检测功能及授时状态检测功能。

6.如权利要求3-5所述的任一种方法，其特征在于，

还包括以下步骤：

所述可控晶振输出晶振时钟信号给所述协处理器；

所述协处理器处理来自所述GPS/BD的钟频信号和所述晶振时钟信号，并输出标准钟频信号给所述GPS/BD频率输出电路；

所述GPS/BD频率输出电路根据所述标准钟频信号对所述可控晶振进行调节；

信号输出步骤：

所述协处理器将所述处理结果输出给所述主处理器，所述主处理器根据所述处理结果选择性触发所述报警控制单元。