CN113340268B - 基于gnss和倾角传感器的路面沉降监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统及方法，通过监测路段两端的GNSS设备获取监测路段起始点和终点的路面沉降高度，通过倾角传感器获取两端之间各监测点的倾角变化，并基于倾角变化计算得到路面沉降高度，对利用GNSS设备获取的路面沉降高度与计算得到的路面沉降高度进行比较，在比较结果未超过阈值时，对计算时的迭代误差进行补偿，在比较结果超过阈值时，确定沉降报警区域并输出报警信息；本发明实现了路面沉降的实时监测，且通过监测路段两端获取的路面沉降数据和基于倾角数据变化获取的路面沉降数据，实现道路曲度的真实还原，使得监测路段的路面沉降数据更贴近真实路况，为路面沉降监测提供更准确的数据支撑及危险预测。

Description

基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统及方法

技术领域

本发明涉及路面沉降监测技术领域，具体涉及一种基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统及方法。

背景技术

现有的工程上测量路面沉降，主要基于全站仪和水准仪来测量，这类仪器必须由人工观察操作，基本上无法实现全自动的测量和数据的传输，并且误差相对来说都比较大。测量时需要操作人员在测量点操作，但是一般测量点均位于车水马龙的路面上，或者相对危险的路基上，对操作人员的安全没有有力的保障，并且每个点位的测量成本都在千元以上，为此各部门也不得不耗费相当大的人力和物力。

公开号CN111926662A的中国专利于2020年11月13日公开了一种路面沉降在线监测方法，通过将监测标准模板设置在路面监测点，监测标准模板上设置模板标准线；通过激光发射装置发射激光至模板标准线；将激光发射装置垂直对准监测标准模板所在的平面，得到光斑；确定光斑和模板标准线之间的距离，设为第一距离；设定时长后，确定光斑和模板标准线之间的距离，设为第二距离；若第一距离和第二距离相同，则未发生路面沉降；若第一距离和第二距离不同，则发生路面沉降；获取倾角测量模块的激光发射角度；根据第一距离、第二距离和激光发射角度，确定路面监测点的路面沉降值，解决了现有的测量方式中测量人员安全无法保证，测量成本高且路面沉降数据无法实时在线监测的问题。该专利申请存在的缺陷是：1)监测点必须配备监测标准模板以及与标准模板垂直对准的激光发射装置，标准模块、激光发射装置本身的误差及垂直对准过程的误差都会影响监测精度，造成误警；2)只针对路面指定点进行监测，不适用于较长路段范围内的路面沉降监测，缺乏对较长路段路面沉降变化趋势的综合考量；3)仅仅实现了监测，但并没有对危险情况进行预测。

GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem全球导航卫星系统)能达到厘米级的实时定位精度，目前在高精度形变实时动态监测方法中也有运用GNSS系统进行监测。如，公开号CN112525149A的中国专利于2021年3月19日公开了一种监测路面发生沉降的方法，该方法在车辆上安装GNSS接收机，通过GNSS接收机获取的北斗卫星信号解算得到高精度定位数据，确认路面发送沉降的状态，来达到提高监测准确率的目的。但是该专利申请缺乏对较长路段路面沉降变化趋势的综合考量，且没有对危险情况进行预测。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统及方法，通过GNSS数据和倾角相对变化值获取监测路段的沉降变化趋势，实现监测路段的道路曲度还原呈现。

根据本发明说明书的一方面，提供了一种基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统，包括数据采集子系统和数据处理子系统；

所述数据采集子系统包括GNSS设备及倾角传感器，所述GNSS设备有两个且分别位于监测路段的两端，所述倾角传感器有多个且分设在多个监测点，所述GNSS设备用于获取监测路段两端的路面沉降数据，多个所述倾角传感器用于获取监测路段两端之间的路面沉降数据；

所述数据处理子系统对各GNSS设备及倾角传感器的数据进行实时解码，从第一GNSS设备开始，利用第N个倾角传感器的角度数据计算第N+1个监测点的沉降高度，以迭代的方式计算出各监测点的沉降高度，并计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度；

所述数据处理子系统还将直接由第二GNSS设备获取的路面沉降数据与计算得到的第二GNSS设备所在路面的沉降高度进行比较，如果差值未超过阈值，则将差值均分后分别补偿给每个倾角传感器的计算值，然后输出每个监测点的沉降高度值；如果差值超过阈值，则对每个监测点计算得到的沉降高度值进行排序，将最小值与最大值所对应的监测点之间的区域确定为沉降报警区域，输出第一报警信息。

上述技术方案中，在监测路段的两端分别设置GNSS设备，用于获取监测路段两端的实时路面高度数据及路面沉降数据，其中，第一GNSS设备获取的路面沉降数据作为监测路段道路曲度变化曲线的起始点，第二GNSS设备获取的路面沉降数据作为监测路段道路曲度变化曲线的终点，同时作为与计算得到的终点位置沉降高度进行比较的基准。在两个GNSS设备之间设置多个倾角传感器，用于获取监测路段的多个监测点的倾角数据，并通过倾角数据获取各监测点的沉降高度值，进而获得整个监测路段的路面沉降变化情况，实现对监测路段道路曲度的真实还原。

该技术方案中，通过监测路段两端的GNSS设备获取监测路段起始点和终点的路面沉降高度，通过多个倾角传感器获取两端之间各监测点的倾角变化，并基于倾角变化计算得到路面沉降高度，利用这些沉降高度变化值绘制监测路段的路面高度变化曲线，还原道路真实曲度；既通过两端的GNSS设备为路面沉降监测提供了准确的参考基准，又通过多个倾角传感器的监测数据实现了道路曲度的真实呈现，使得监测路段的路面沉降数据更贴近真实路况，且通过道路曲度曲线能够清晰明了的看到监测路段的路面沉降变化趋势，提前对潜在危险区域进行重点关注。

进一步地，所述数据采集子系统与数据处理子系统通信连接。所述数据处理子系统接收数据采集子系统发送的数据并进行处理、分析和显示。

作为进一步的技术方案，所述数据子系统还包括：对每个倾角传感器获取的角度数据分别求一阶导，计算各监测点的倾角变化速度；将各监测点计算得到的倾角变化速度分别与预设倾角变化速度进行比较，如果超过预设倾角变化速度，则将对应监测点确定为倾角异常区域，输出第二报警信息。

当接收到第二报警信息并得知倾角异常区域后，对倾角异常区域涉及的监测点进行确认，如果涉及的监测点与沉降报警区域涉及的监测点重叠或部分重叠，则确认沉降报警区域存在路面沉降危险；如果涉及的监测点与沉降报警区域涉及的监测点没有重叠，则确认对应监测点的倾角传感器出现异常，需要维护或更换。

作为进一步的技术方案，所述第一GNSS设备所在位置设置为第一监测点，对应设置有第一个倾角传感器，利用第一个倾角传感器的角度数据计算得到第二个监测点的沉降高度，以此类推，直到利用监测路段上最后一个倾角传感器的角度数据计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度。在第一GNSS设备所在位置设置第一监测点并设置第一个倾角传感器，是为了利用该第一个倾角传感器的角度数据计算第二个监测点的沉降高度；如果将在第一监测点不设置倾角传感器，则会导致紧挨第一GNSS设备的监测点无法计算得到沉降高度。

作为进一步的技术方案，所述倾角传感器固定安装在监测路段的路面上。所述倾角传感器可具有防水防腐蚀壳体，壳体通过膨胀螺钉等固定安装在待监测路段的路面。

作为进一步的技术方案，所述倾角传感器固定安装在路边的防护栏上，防护栏固定在路面上。该设置方式可应用于高速公路的防护栏，由于其防护栏通常固定在高速公路外侧路面，路面沉降会带动防护栏一起沉降，因此，可通过便于拆装的方式将倾角传感器设置在防护栏上，既能获得准确的路面倾角数据，又具有装配方便、施工成本低的优点，且不破坏路面结构。

根据本发明说明书的另一方面，提供了一种基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测方法，包括：

设置监测路段起始点和终点，并分别在起始点和终点布设GNSS设备；同时，在监测路段上设置多个监测点，每个监测点设置一个倾角传感器；

对各GNSS设备及倾角传感器的数据进行实时解码，从第一GNSS设备开始，利用第N个倾角传感器的角度数据计算第N+1个监测点的沉降高度，以迭代的方式计算出各监测点的沉降高度，并计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度；

将直接由第二GNSS设备获取的路面高度与计算得到的第二GNSS设备所在路面的沉降高度进行比较，如果差值未超过阈值，则将差值均分后分别补偿给每个倾角传感器的计算值，然后输出每个监测点的沉降高度值；如果差值超过阈值，则对每个监测点计算得到的沉降高度值进行排序，将最小值与最大值所对应的监测点之间的区域确定为沉降报警区域，输出第一报警信息。

上述技术方案中，通过监测路段两端的GNSS设备获取监测路段起始点和终点的路面沉降高度，通过多个倾角传感器获取两端之间各监测点的倾角变化，并基于倾角变化计算得到路面沉降高度，利用GNSS设备获取的路面沉降高度与计算得到的路面沉降高度进行比较，在比较结果未超过阈值时，利用比较的差值对计算时的迭代误差进行补偿，在比较结果超过阈值时，则确定沉降报警区域并输出报警信息；该技术方案实现了路面沉降的实时监测，且通过监测路段两端获取的路面沉降数据和基于倾角数据变化获取的路面沉降数据，实现道路曲度的真实还原，使得监测路段的路面沉降数据更贴近真实路况，为路面沉降监测提供更准确的数据支撑及危险预测。

作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：

对每个倾角传感器获取的角度数据分别求一阶导，计算各监测点的倾角变化速度；

将各监测点计算得到的倾角变化速度分别与预设倾角变化速度进行比较，如果超过预设倾角变化速度，则将对应监测点确定为倾角异常区域，输出第二报警信息。

作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：所述第一GNSS设备所在位置设置为第一监测点，对应设置有第一个倾角传感器，利用第一个倾角传感器的角度数据计算得到第二个监测点的沉降高度，以此类推，直到利用监测路段上最后一个倾角传感器的角度数据计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度。

作为进一步的技术方案，所述倾角传感器固定安装在监测路段的路面上。

作为进一步的技术方案，所述倾角传感器固定安装在路边的防护栏上，防护栏固定在路面上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供一种系统，包括由GNSS设备和倾角传感器组成的数据采集子系统及用于数据综合分析的数据处理子系统；其中，在监测路段的两端分别设置GNSS设备，数据处理子系统基于GNSS设备的数据获取监测路段两端的实时路面高度数据及路面沉降数据；在两个GNSS设备之间设置多个倾角传感器，数据处理子系统获取监测路段的多个监测点的倾角数据，并基于这些倾角数据计算得到各监测点的路面沉降高度，以及计算得到监测路段尾端的路面沉降高度；进一步，数据处理子系统将GNSS设备获取的路面沉降数据与计算得到的路面沉降数据进行比较，并基于比较结果对倾角传感器的计算误差进行补偿，或者输出沉降危险区域的报警信息。

(2)本发明提供一种方法，通过监测路段两端的GNSS设备获取监测路段起始点和终点的路面沉降高度，通过多个倾角传感器获取两端之间各监测点的倾角变化，并基于倾角变化计算得到路面沉降高度，利用GNSS设备获取的路面沉降高度与计算得到的路面沉降高度进行比较，在比较结果未超过阈值时，利用比较的差值对计算时的迭代误差进行补偿，在比较结果超过阈值时，则确定沉降报警区域并输出报警信息；该技术方案实现了路面沉降的实时监测，且通过监测路段两端获取的路面沉降数据和基于倾角数据变化获取的路面沉降数据，实现道路曲度的真实还原，使得监测路段的路面沉降数据更贴近真实路况，为路面沉降监测提供更准确的数据支撑及危险预测。

附图说明

图1为根据本发明实施例的系统结构示意图。

图2为根据本发明实施例的方法流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

根据本发明说明书的一方面，提供一种基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统，如图1所示，包括数据采集子系统和数据处理子系统。

所述数据采集子系统包括两个GNSS设备及多个倾角传感器，所述GNSS设备及倾角传感器分别与数据处理子系统相连，这里不限定连接方式是有线连接或无线连接。

所述GNSS设备有两个且分别位于监测路段的两端，用于获取监测路段两端的路面沉降数据。所述倾角传感器有多个且分设在多个监测点，用于获取监测路段两端之间的路面沉降数据。

所述数据处理子系统可利用具有数据接收、存储、计算、分析判断及输出功能的终端设备实现，也可以利用云端服务器实现。

所述数据处理子系统具有接收模块，用于接收GNSS设备及倾角传感器发送的监测数据并对这些数据进行解码及预处理。

所述数据处理子系统具有存储模块，用于存储接收的监测数据及分析后的数据结果。

所述数据处理子系统具有计算模块，用于对各GNSS设备及倾角传感器的数据进行实时解码后，从第一GNSS设备开始，利用第N个倾角传感器的角度数据计算第N+1个监测点的沉降高度，以迭代的方式计算出各监测点的沉降高度，并计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度。

所述数据处理子系统具有分析判断模块，用于将直接由第二GNSS设备获取的路面沉降数据与计算得到的第二GNSS设备所在路面的沉降高度进行比较，如果差值未超过阈值，则将差值均分后分别补偿给每个倾角传感器的计算值，然后输出每个监测点的沉降高度值；如果差值超过阈值，则对每个监测点计算得到的沉降高度值进行排序，将最小值与最大值所对应的监测点之间的区域确定为沉降报警区域，输出第一报警信息。

所述数据处理子系统具有输出模块，用于将原始数据、中间处理结果及最后分析结果发送给用户端进行显示和查询。

作为一种实施方式，所述数据子系统还包括倾角异常判断模块：对每个倾角传感器获取的角度数据分别求一阶导，计算各监测点的倾角变化速度；将各监测点计算得到的倾角变化速度分别与预设倾角变化速度进行比较，如果超过预设倾角变化速度，则将对应监测点确定为倾角异常区域，输出第二报警信息。

当接收到第二报警信息并得知倾角异常区域后，对倾角异常区域涉及的监测点进行确认，如果涉及的监测点与沉降报警区域涉及的监测点重叠或部分重叠，则确认沉降报警区域存在路面沉降危险；如果涉及的监测点与沉降报警区域涉及的监测点没有重叠，则确认对应监测点的倾角传感器出现异常，需要维护或更换。

作为一种实施方式，所述第一GNSS设备所在位置设置为第一监测点，对应设置有第一个倾角传感器，利用第一个倾角传感器的角度数据计算得到第二个监测点的沉降高度，以此类推，直到利用监测路段上最后一个倾角传感器的角度数据计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度。在第一GNSS设备所在位置设置第一监测点并设置第一个倾角传感器，是为了利用该第一个倾角传感器的角度数据计算第二个监测点的沉降高度；如果将在第一监测点不设置倾角传感器，则会导致紧挨第一GNSS设备的监测点无法计算得到沉降高度。

作为一种实施方式，所述倾角传感器固定安装在监测路段的路面上。所述倾角传感器可具有防水防腐蚀壳体，壳体通过膨胀螺钉等固定安装在待监测路段的路面。

作为一种实施方式，所述倾角传感器固定安装在路边的防护栏上，防护栏固定在路面上。该设置方式可应用于高速公路的防护栏，由于其防护栏通常固定在高速公路外侧路面，路面沉降会带动防护栏一起沉降，因此，可通过便于拆装的方式将倾角传感器设置在防护栏上，既能获得准确的路面倾角数据，又具有装配方便、施工成本低的优点，且不破坏路面结构。

根据本发明说明书的另一方面，如图2所示，提供了一种基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测方法，包括：

步骤1，数据采集及发送：设置监测路段起始点和终点，并分别在起始点和终点布设GNSS设备；同时，在监测路段上设置多个监测点，每个监测点设置一个倾角传感器。其中，所述倾角传感器固定安装在监测路段的路面上或者固定安装在路边的防护栏上。所述GNSS设备用于获取监测路段起始点和终点的路面沉降高度，多个所述倾角传感器用于获取两端之间各监测点的倾角变化数据，所述GNSS设备及倾角传感器获取的数据发送至数据处理子系统。

步骤2，数据接收及存储；接收GNSS设备及倾角传感器发送的监测数据，并对各GNSS设备及倾角传感器的数据进行实时解码，及预处理。同时，对接收的监测数据进行存储。

步骤3，数据计算：从第一GNSS设备开始，利用第N个倾角传感器的角度数据计算第N+1个监测点的沉降高度，以迭代的方式计算出各监测点的沉降高度，并计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度。

步骤3，数据分析判断：将直接由第二GNSS设备获取的路面高度与计算得到的第二GNSS设备所在路面的沉降高度进行比较，如果差值未超过阈值，则将差值均分后分别补偿给每个倾角传感器的计算值，然后输出每个监测点的沉降高度值；如果差值超过阈值，则对每个监测点计算得到的沉降高度值进行排序，将最小值与最大值所对应的监测点之间的区域确定为沉降报警区域。

步骤4，数据输出：输出第一报警信息，同时还可输出原始数据、中间处理结果及最后分析结果给用户端进行显示和查询。

作为一种实施方式，所述方法进一步包括倾角异常判断：

对每个倾角传感器获取的角度数据分别求一阶导，计算各监测点的倾角变化速度；

将各监测点计算得到的倾角变化速度分别与预设倾角变化速度进行比较，如果超过预设倾角变化速度，则将对应监测点确定为倾角异常区域，输出第二报警信息。

作为一种实施方式，所述方法进一步包括：所述第一GNSS设备所在位置设置为第一监测点，对应设置有第一个倾角传感器，利用第一个倾角传感器的角度数据计算得到第二个监测点的沉降高度，以此类推，直到利用监测路段上最后一个倾角传感器的角度数据计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (10)

1.基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统，其特征在于，包括数据采集子系统和数据处理子系统；

所述数据采集子系统包括GNSS设备及倾角传感器，所述GNSS设备有两个且分别位于监测路段的两端，所述倾角传感器有多个且分设在多个监测点，所述GNSS设备用于获取监测路段两端的路面沉降数据，多个所述倾角传感器用于获取监测路段两端之间的路面沉降数据；

所述数据处理子系统对各GNSS设备及倾角传感器的数据进行实时解码，从第一GNSS设备开始，利用第N个倾角传感器的角度数据计算第N+1个监测点的沉降高度，以迭代的方式计算出各监测点的沉降高度，并计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度；

所述数据处理子系统还将直接由第二GNSS设备获取的路面沉降数据与计算得到的第二GNSS设备所在路面的沉降高度进行比较，如果差值未超过阈值，则将差值均分后分别补偿给每个倾角传感器的计算值，然后输出每个监测点的沉降高度值；如果差值超过阈值，则对每个监测点计算得到的沉降高度值进行排序，将最小值与最大值所对应的监测点之间的区域确定为沉降报警区域，输出第一报警信息。

2.根据权利要求1所述基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统，其特征在于，所述数据子系统还包括：对每个倾角传感器获取的角度数据分别求一阶导，计算各监测点的倾角变化速度；将各监测点计算得到的倾角变化速度分别与预设倾角变化速度进行比较，如果超过预设倾角变化速度，则将对应监测点确定为倾角异常区域，输出第二报警信息。

3.根据权利要求1所述基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统，其特征在于，所述第一GNSS设备所在位置设置为第一监测点，对应设置有第一个倾角传感器，利用第一个倾角传感器的角度数据计算得到第二个监测点的沉降高度，以此类推，直到利用监测路段上最后一个倾角传感器的角度数据计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度。

4.根据权利要求1所述基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统，其特征在于，所述倾角传感器固定安装在监测路段的路面上。

5.根据权利要求1所述基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测系统，其特征在于，所述倾角传感器固定安装在路边的防护栏上，防护栏固定在路面上。

6.基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测方法，其特征在于，包括：

设置监测路段起始点和终点，并分别在起始点和终点布设GNSS设备；同时，在监测路段上设置多个监测点，每个监测点设置一个倾角传感器；

对各GNSS设备及倾角传感器的数据进行实时解码，从第一GNSS设备开始，利用第N个倾角传感器的角度数据计算第N+1个监测点的沉降高度，以迭代的方式计算出各监测点的沉降高度，并计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度；

将直接由第二GNSS设备获取的路面高度与计算得到的第二GNSS设备所在路面的沉降高度进行比较，如果差值未超过阈值，则将差值均分后分别补偿给每个倾角传感器的计算值，然后输出每个监测点的沉降高度值；如果差值超过阈值，则对每个监测点计算得到的沉降高度值进行排序，将最小值与最大值所对应的监测点之间的区域确定为沉降报警区域，输出第一报警信息。

7.根据权利要求6所述基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

对每个倾角传感器获取的角度数据分别求一阶导，计算各监测点的倾角变化速度；

将各监测点计算得到的倾角变化速度分别与预设倾角变化速度进行比较，如果超过预设倾角变化速度，则将对应监测点确定为倾角异常区域，输出第二报警信息。

8.根据权利要求6所述基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测方法，其特征在于，所述方法进一步包括：所述第一GNSS设备所在位置设置为第一监测点，对应设置有第一个倾角传感器，利用第一个倾角传感器的角度数据计算得到第二个监测点的沉降高度，以此类推，直到利用监测路段上最后一个倾角传感器的角度数据计算得到第二GNSS设备所在路面的沉降高度。

9.根据权利要求6所述基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测方法，其特征在于，所述倾角传感器固定安装在监测路段的路面上。

10.根据权利要求6所述基于GNSS和倾角传感器的路面沉降监测方法，其特征在于，所述倾角传感器固定安装在路边的防护栏上，防护栏固定在路面上。

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