CN115480293A - 基于mems传感技术的落石监测预警系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS传感技术的落石监测预警系统和方法，该方法包括如下步骤：确定对象：通过检查确定待监测的岩体对象；布设仪器：在被监测的岩体对象上布设MEMS微动传感器子机，在稳固安全的位置设置数据接收主机；测量数据：对岩体稳定性变化进行持续监测，测试数据传输并保存；数据分析：对取得的数据进行计算分析；分析结果：帮助判断道路是否可以通行，实行预警功能。相较于以往的技术手段而言，本发明的监测精度更高，实时性更好，同时，本发明的实施例通过采用连续监测和无线传输的技术，实现了远程监测，无需监测人员在现场监测采集数据，有效提高了监测质量和工作效率。
Description
技术领域
本发明属于边坡监测技术领域，具体涉及一种基于MEMS传感技术的落石监测预警系统和方法。
背景技术
落石，即山体或其它高处上大小不一的若干块石头从陡崖或沿着斜坡快速滚落至地面或低洼处。落石的规模大小不一，且时刻都在发生，是很平常的地质现象，也是地形地貌变化的常态。落石发生在人类活动的区域范围内，就会造成灾害，带来极大的财产损失和人员伤亡。因此，期望通过监测检查判断危岩落石，并预先安装防护设施和保护措施，以减少此类灾害的发生。
发明内容
本发明提供一种基于MEMS传感技术的落石监测预警系统和方法，解决现有拦石墙占地面积大、抵抗冲落石冲击能力有限的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，包括如下步骤：
确定对象：通过检查确定待监测的岩体对象；
布设仪器：在被监测的岩体对象上布设MEMS微动传感器子机，在稳固安全的位置设置数据接收主机；
测量数据：对岩体稳定性变化进行持续监测，测试数据传输并保存；
数据分析：对取得的数据进行计算分析；
分析结果：帮助判断道路是否可以通行，实行预警功能。
进一步的，所述确定对象，具体包括如下步骤：
根据现场勘查，标定坡面上所有不稳定岩石块体；
判断不稳定岩石块体是否可通过人力去除，将可通过人力去除的危岩块体先整体去除；
针对已经标定出的不稳定岩石块体，首先通过视觉判断其危险程度，无法通过视觉判断的，布设仪器进行进一步判断。
进一步的，所述布设仪器，具体包括如下步骤：
针对每块需要监测的危岩块体，将两组MEMS微动传感器子机分别安装在危岩块体上端及危岩块体基部处；两组MEMS微动传感器子机通过方向罗盘的指示水平固定，并进行防水保护；危岩块体与危岩块体基部的MEMS微动传感器子机空间距离不超过10m；
将数据接收主机布置在距离MEMS微动传感器子机2km以内的稳固安全地方，并进行防水保护；
布置太阳能模块，打开MEMS微动传感器子机和数据接收主机的开关，并同步MEMS微动传感器子机和数据接收主机的时间，设置采样开始时间以及采样频率。
进一步的，将MEMS微动传感器子机固定在危岩块体上端及危岩块体基部，具体包括如下步骤：
当安装在裸露的危岩块体上时，将MEMS微动传感器子机通过石膏固定在危岩块体上端、危岩块体基部；当危岩块体有土层时，尽可能的选择较为坚硬的土层埋设，安装完成后捣实周围土体。5.根据权利要求1所述基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，其特征在于，所述测量数据，具体包括如下步骤：
通过附近道路交通或锤击引起的振动作为振源；
由MEMS微动传感器子机测量微振动信号，将测试结果实时传输至数据接收主机；数据接收主机再通过云服务器将保存的数据发送至计算机分析模块。
进一步的，所述数据分析，具体包括如下步骤：
测量获得的振动数据通过计算机分析模块进行分析，主要指标有RMS速度振幅比、卓越频率和阻尼系数，根据各指标判断不稳定岩石块体的危险程度，如果出现险情，进行报警反馈并提示现场人员撤离；
进一步的，所述RMS速度振幅比计算如下式：
式中：k为采样点数；V浮石为浮石的振动速度；V基部为基部振动速度。
进一步的，包括MEMS微动传感器子机、数据接收主机、计算机分析模块和报警模块；
在每块待监控的危岩块体上端及危岩块体基部分别设置一组所述MEMS微动传感器子机；
所述数据接收主机设置在所有MEMS微动传感器子机的无线通信范围内，数据接收主机与MEMS微动传感器子机之间通过无线通信连接；
所述计算机分析模块和报警模块均与数据接收主机连接，报警模块设置在落石监测现场和落石监测后台。
进一步的，所述数据接收主机包括相互连接的系统时钟同步模块、温度检测模块、LoRa无线通讯模块、数据处理模块、太阳能模块和蓄电池模块。
进一步的，所述MEMS微动传感器子机包括相互连接的MEMS加速度传感器、数据采集模块、系统时钟同步模块、温度检测模块、LoRa无线通讯模块、太阳能模块和蓄电池模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的一个具体实施例监测精度更高，实时性更好，同时，本发明的实施例通过采用连续监测和无线传输的技术，实现了远程监测，无需监测人员在现场监测采集数据，有效提高了监测质量和工作效率。
当然地，实施本发明的各技术方案并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为本发明实施例的仪器布设示意图；
图2为本发明实施例的MEMS微动传感器子机布设细节示意图；
图3为本发明实施例的MEMS微动传感器子机的结构框图；
图4为本发明实施例的数据接收主机的结构框图；
图5为本发明实施例的施工流程图；
图中，1-MEMS微动传感器子机，2-数据接收主机，3-云服务器，4-计算机分析模块，5-危岩块体，6-危岩块体基部，7-报警模块。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
为实现危岩块体的早期识别和保证其稳定性，本发明提出了一种基于MEMS传感技术的落石监测预警系统和方法，通过连续监测岩体来监测落石的稳定性并实行预警。
实施例1：
本实施例提供一种基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，包括如下步骤：
步骤S1、确定对象：通过检查确定待监测的岩体对象；其具体包括以下子步骤：
步骤S101、根据现场勘查，标定坡面上所有不稳定岩石块体；
步骤S102、判断不稳定岩石块体是否可通过人力去除，将可通过人力去除的危岩块体先整体去除；
步骤S103、针对已经标定出的不稳定岩石块体，首先通过视觉判断其危险程度，无法通过视觉判断的，布设仪器进行进一步判断。
步骤S2、布设仪器：在被监测的岩体对象上布设MEMS微动传感器子机，在稳固安全的位置设置数据接收主机；其具体包括以下子步骤：
步骤S201、危岩块体一般包括原有岩石裂纹和不稳岩体埋入土体两种情况，参见图1和图2，针对每块需要监测的危岩块体，将两组MEMS微动传感器子机分别安装在危岩块体上端及危岩块体基部处；其中、当安装在裸露的危岩块体上时，将MEMS微动传感器子机通过石膏固定在危岩块体上端、危岩块体基部；当危岩块体有土层时，尽可能的选择较为坚硬的土层埋设，安装完成后捣实周围土体。
两组MEMS微动传感器子机通过方向罗盘的指示水平固定，并进行防水保护；危岩块体与危岩块体基部的MEMS微动传感器子机空间距离不超过10m；
步骤S202、将数据接收主机布置在距离MEMS微动传感器子机2km以内的稳固安全地方，并进行防水保护；
步骤S203、布置太阳能模块，打开MEMS微动传感器子机和数据接收主机的开关，并同步MEMS微动传感器子机和数据接收主机的时间，设置采样开始时间以及采样频率。
步骤S3、测量数据：对岩体稳定性变化进行持续监测，测试数据传输并保存；其具体包括以下子步骤：
步骤S301、通过附近道路交通或锤击引起的振动作为振源；
步骤S302、由MEMS微动传感器子机测量微振动信号，将测试结果实时传输至数据接收主机；数据接收主机再通过云服务器将保存的数据发送至计算机分析模块。
步骤S4、数据分析：对取得的数据进行计算分析；其具体包括：
测量获得的振动数据通过计算机分析模块进行分析，即，根据测得的危岩块体和危岩块体基底的振动特性之间的关系来评估岩体的稳定性及危险程度，判断的主要指标有RMS速度振幅比、卓越频率和阻尼系数；当三组指标同时满足阈值要求时，判定危岩块体趋于稳定。
RMS速度振幅比是危岩块体部分的振动数据和基部的振动数据的振幅的大小通过RMS(均方根)计算后的比率。
RMS速度振幅比计算如下式：
式中：k为采样点数；V浮石为浮石的振动速度；V基部为基部振动速度。
如果RMS速度振幅比接近于1，则说明岩石和基础以相同的幅度在摆动；如果RMS的值较大，则说明危岩块体的振动幅度比基岩大，浮石不稳定。
在常规危岩块体判时过程中，卓越频率阈值一般为30Hz。卓越频率是指表示振动快慢的指标，卓越频率越低，危岩块体部分振动越缓慢(周期长)，从而不稳定。在常规危岩块体判时过程中，RMS速度振幅比阈值一般为2。
阻尼系数表示振动的稳定程度，如果阻尼系数较小，则危岩块体的振动衰减较为缓慢，变得不稳定。在常规危岩块体判时过程中，阻尼系数阈值一般为2。
步骤S5、分析结果：帮助判断道路是否可以通行，实行预警功能，如果出现险情，进行报警反馈后台并提示现场人员撤离；具体包括：
根据监测所获得的RMS加速度振幅比、卓越频率、阻尼系数三者之间的关系进行落石稳定性的评估。当其超过所设定的阈值时，由报警系统警示行人和车辆，帮助判断道路或行人是否可以通行。
阈值的设定并非是一个定值而是根据RMS加速度振幅比、卓越频率、阻尼系数之间的关系动态设定。通常情况下，RMS加速度振幅比和卓越频率之间呈现反比，RMS加速度振幅比与衰减系数也是呈现反比关系。
如果MEMS微动传感器子机之间的距离过大，则可能无法确定卓越频率和阻尼系数。在这种情况下，只通过RMS速度振幅比，可近似评估危险程度。
参见图5，图5为本实施例方法应用于实际施工场景时的施工流程图。
实施例2：
参见图1，一种基于MEMS传感技术的落石监测预警系统，包括MEMS微动传感器子机1、数据接收主机2、计算机分析模块4和报警模块7；在每块待监控的危岩块体5的上端及危岩块体基部6分别设置一组MEMS微动传感器子机1；MEMS微动传感器子1机通过石膏固定或埋设的方式固定；数据接收主机2设置在所有MEMS微动传感器子机1的LoRa无线通信范围内，一般在2km以内，数据接收主机2与MEMS微动传感器子机1之间通过LoRa无线通信连接；
计算机分析模块4和报警模块7均与数据接收主机2连接，数据接收主机2通过云服务器3将保存的数据发送至计算机分析模块4，报警模块7设置在落石监测现场和落石监测后台。
参见图3，本实施例的数据接收主机包括相互连接的系统时钟同步模块、温度检测模块、LoRa无线通讯模块、数据处理模块、太阳能模块和蓄电池模块，其能耗低，可通过太阳能模块蓄能独立供电。
参见图4，本实施例的MEMS微动传感器子机包括相互连接的MEMS加速度传感器、数据采集模块、系统时钟同步模块、温度检测模块、LoRa无线通讯模块、太阳能模块和蓄电池模块，其能耗低，可通过太阳能模块蓄能独立供电。
综上所述，本发明提供一种基于MEMS传感技术的落石监测预警系统和方法，以解决落石稳定性监测和预警难题。本发明灵活运用了基于固有频率指标的落石稳定性分析方法，使用一种基于MEMS传感技术的落石监测预警系统，它是一种从远程位置连续监控岩体稳定性变化的技术，可通过固有频率等振动特性指标，在人不去现场的情况下，远程监测落石的稳定性。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定对象：通过检查确定待监测的岩体对象；
布设仪器：在被监测的岩体对象上布设MEMS微动传感器子机，在稳固安全的位置设置数据接收主机；
测量数据：对岩体稳定性变化进行持续监测，测试数据传输并保存；
数据分析：对取得的数据进行计算分析；
分析结果：帮助判断道路是否可以通行，实行预警功能。
2.根据权利要求1所述基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，其特征在于，所述确定对象，具体包括如下步骤：
根据现场勘查，标定坡面上所有不稳定岩石块体；
判断不稳定岩石块体是否可通过人力去除，将可通过人力去除的危岩块体先整体去除；
针对已经标定出的不稳定岩石块体，首先通过视觉判断其危险程度，无法通过视觉判断的，布设仪器进行进一步判断。
3.根据权利要求1所述基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，其特征在于，所述布设仪器，具体包括如下步骤：
针对每块需要监测的危岩块体，将两组MEMS微动传感器子机分别安装在危岩块体上端及危岩块体基部处；两组MEMS微动传感器子机通过方向罗盘的指示水平固定，并进行防水保护；危岩块体与危岩块体基部的MEMS微动传感器子机空间距离不超过10m；
将数据接收主机布置在距离MEMS微动传感器子机2km以内的稳固安全地方，并进行防水保护；
布置太阳能模块，打开MEMS微动传感器子机和数据接收主机的开关，并同步MEMS微动传感器子机和数据接收主机的时间，设置采样开始时间以及采样频率。
4.根据权利要求3所述基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，其特征在于，将MEMS微动传感器子机固定在危岩块体上端及危岩块体基部，具体包括如下步骤：
当安装在裸露的危岩块体上时，将MEMS微动传感器子机通过石膏固定在危岩块体上端、危岩块体基部；当危岩块体有土层时，尽可能的选择较为坚硬的土层埋设，安装完成后捣实周围土体。
5.根据权利要求1所述基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，其特征在于，所述测量数据，具体包括如下步骤：
通过附近道路交通或锤击引起的振动作为振源；
由MEMS微动传感器子机测量微振动信号，将测试结果实时传输至数据接收主机；数据接收主机再通过云服务器将保存的数据发送至计算机分析模块。
6.根据权利要求1所述基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，其特征在于，所述数据分析，具体包括如下步骤：
测量获得的振动数据通过计算机分析模块进行分析，主要指标有RMS速度振幅比、卓越频率和阻尼系数，根据各指标判断不稳定岩石块体的危险程度，如果出现险情，进行报警反馈并提示现场人员撤离。
7.根据权利要求6所述基于MEMS传感技术的落石监测预警方法，其特征在于，所述RMS速度振幅比计算如下式：
式中：k为采样点数；V浮石为浮石的振动速度；V基部为基部振动速度。
8.基于MEMS传感技术的落石监测预警系统，其特征在于，包括MEMS微动传感器子机、数据接收主机、计算机分析模块和报警模块；
在每块待监控的危岩块体上端及危岩块体基部分别设置一组所述MEMS微动传感器子机；
所述数据接收主机设置在所有MEMS微动传感器子机的无线通信范围内，数据接收主机与MEMS微动传感器子机之间通过无线通信连接；
所述计算机分析模块和报警模块均与数据接收主机连接，报警模块设置在落石监测现场和落石监测后台。
9.根据权利要求8所述基于MEMS传感技术的落石监测预警系统，其特征在于，所述数据接收主机包括相互连接的系统时钟同步模块、温度检测模块、LoRa无线通讯模块、数据处理模块、太阳能模块和蓄电池模块。
10.根据权利要求9所述基于MEMS传感技术的落石监测预警系统，其特征在于，所述MEMS微动传感器子机包括相互连接的MEMS加速度传感器、数据采集模块、系统时钟同步模块、温度检测模块、LoRa无线通讯模块、太阳能模块和蓄电池模块。
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