CN116311794A - 一种应急用泥石流地声预警仪及现场快速组网预警方法 - Google Patents

一种应急用泥石流地声预警仪及现场快速组网预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应急用泥石流地声预警仪及现场快速组网预警方法，该地声预警仪包括地声传感器、地声遥测终端、一体化带电太阳能板、声光报警器及支撑组件，地声传感器设置于待测位置，地声遥测终端、一体化带电太阳能板、声光报警器安装在支撑组件上；地声遥测终端分别和地声传感器、声光报警器连接；一体化带电太阳能板分别与地声传感器、地声遥测终端、声光报警器连接。本发明地声预警仪便携性好，布设难度小，可实现快速布设、便捷调试，通过组网应用提升报警的准确性和及时性。

Description

一种应急用泥石流地声预警仪及现场快速组网预警方法
技术领域
本发明属于应急监测技术领域，具体涉及一种应急用泥石流地声预警仪及 现场快速组网预警方法。
背景技术
目前，针对泥石流灾害的长期预警监测，已经形成了一套完善的综合监测 方法。比如：智能雨量站监测泥石流沟上、中、下游不同位置的降雨量；土壤 含水率仪监测泥石流物源区物质水分含量；地声预警仪捕捉泥石流源地的地声 信号；次声监测仪捕捉泥石流源地的次声信号；泥位计监测沟道水位涨落和泥 石流堆积物厚度变化；流速仪监测沟道泥水位流动速度变化情况；视频监控系 统监测泥石流发生地的影像变化信息。该综合监测方法可以对泥石流灾害进行 比较准确的预警，但其布设难度大，布设周期长，预警实时性不够。具不完全 统计，现有地质灾害监测隐患点投入不到实际的1/3。对于未安装设备的隐患点，当灾害发生时，急需快速部署展开且准确预警的应急用泥石流监测设备。
发明内容
针对现有常规监测设备布设难度大、布设周期长、调试工作量大、平台综 合预警实时性不够等技术问题，本发明提供了一种应急用泥石流地声预警仪及 现场快速组网预警方法，可直接在前端多设备联动决策预警，具有安装便捷、 调试方便、预警实时性高等优点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：
本发明提供了一种应急用泥石流地声预警仪，包括地声传感器、地声遥测 终端、一体化带电太阳能板、声光报警器及支撑组件，所述地声传感器设置于 待测位置，所述地声遥测终端、一体化带电太阳能板、声光报警器安装在支撑 组件上；所述地声遥测终端分别和地声传感器、声光报警器连接；所述一体化 带电太阳能板分别与地声传感器、地声遥测终端、声光报警器连接。
进一步地，所述地声遥测终端包括4G通信模块、北斗卫星通信模块、LoRA 通信模块、蓝牙模块、存储模块、视频模块；所述4G通信模块用于应急通信； 所述北斗卫星通信模块用于授时、以及4G信号不好时应急通信；所述LoRA通 信模块用于现场组网联动预警；所述蓝牙模块用于无线调试地声预警仪；所述 存储模块用于存储数据、视频文件；所述视频模块用于拍摄图像。
进一步地，所述地声传感器为自然频率为0.2～2Hz的动圈传感器，所述地 声传感器与地声遥测终端之间采用数字接口。
本发明提供了一种综合预警系统，包括至少三套地声预警仪，以一套为主 设备、其它为从设备；所述主设备采用上述地声预警仪；所述从设备包括地声 传感器、地声遥测终端、一体化带电太阳能板、支撑组件，所述地声传感器设 置于待测位置，所述地声遥测终端、一体化带电太阳能板安装在支撑组件上； 所述地声遥测终端和地声传感器连接；所述一体化带电太阳能板分别与地声传 感器、地声遥测终端连接；所述地声遥测终端包括LoRA通信模块、蓝牙模块、 存储模块，所述LoRA通信模块用于现场组网联动预警，所述蓝牙模块用于无 线调试地声预警仪。
本发明提供了一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，包括 如下步骤，
采用至少三套地声预警仪，以一套为主设备、其他为从设备，选择布设位 置；
每套地声预警仪进行上电、自检、授时；
确认主、从设备组网；
安装固定主、从设备；
主、从设备均开启泥石流地声序列间歇采集模式，按周期进行数据采集；
任一地声预警仪间歇采集模式得到的平均地声声强值超过地声声强阈值， 则该地声预警仪进入泥石流地声序列加密采集模式；
当有两套以上地声预警仪在加密采集模式下检测到泥石流预警事件，主设 备发送报警信息。
进一步地，所述间歇采集模式具体为，
当地声预警仪进入间歇采集模式周期T1，开启现场地声信号的采集，每个 周期采集的数据时长为t1n，采样点数分别为x1、x2、....xm；
计算每个周期的平均地声声强值为[1/m*(x1*x1+..xm*xm)]1/2；
若平均地声声强值不大于V阈值1，则循环执行间歇采集模式，否则进入加 密采集模式。
进一步地，所述加密采集模式为，
当地声预警仪进入加密采集模式，开启现场地声信号的采集，按照数据时 长t2n采集数据包；
计算每个数据包的时域能量、幅频谱、能量谱；
计算每个数据包的能量占比因子,
Ki＝W1i/Wi
其中，W1i为第i个数据包的能量谱中地声信号范围在0.2～50Hz频率范围 内的能量值的总和；Wi为第i个数据包的时域能量，1≤i≤N；
若所有数据包中，有连续的、半数以上的数据包能量占比因子超过能量占 比因子阈值，则输出泥石流预警事件；否则，进入泥石流地声序列间歇采集模 式。
进一步地，所述间歇采集模式采集周期T1取值范围为30S～60S；采集时长 t1n取值范围为10S～30s；地声声强阈值取值为背景噪声声强的3～5倍；所述加 密采集模式采集时长t2n不大于2S，采集数据包个数N取值为15～20，能量占 比因子阈值K取值范围为0.7～0.95。
进一步地，若所述从设备在加密采集模式下检测到泥石流预警事件，则发 送至主设备，否则进入间歇采集模式；
若所述主设备在加密采集模式下检测到泥石流预警事件，则等待从设备是 否检测到泥石流预警事件，若收到至少一个从设备发送的泥石流预警事件，则 发送报警信息，否则进入间歇采集模式；
当间歇采集模式、加密采集模式重叠时，优先执行加密采集模式。
进一步地，所述布设位置，以主设备为中心，放置在泥石流流经路径附近， 多个从设备与主设备间距相近，均匀布设，放置在泥石流流经路径的两侧、偏 向振源方向；所述主、从设备组网利用LoRA通信通过握手信号、应答信号进 行确认。
本发明与现有技术相比的有益效果：
本发明设计的应急用泥石流地声预警仪，可利用支撑组件快速安装布设； 地声遥测终端采用多种通信方式实现快速调试、数据通信，并利用视频模块采 集实时图像，便于预警分析；一体化带电太阳能板结构简单，体积小，便于携 带组装。该地声预警仪便携性好，布设难度小，可实现快速布设、便捷调试。
本发明将多套泥石流地声预警仪进行现场组网联动监测，形成一套综合预 警系统，可以极大地提升报警的准确性和及时性。
本发明现场快速组网预警方法可直接在前端多设备联动决策预警，具有安 装便捷、调试方便、预警实时性高等优点。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而 非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领 域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中 实践本发明。
本发明提供了一种应急用泥石流地声预警仪，包括地声传感器、地声遥测 终端、一体化带电太阳能板、声光报警器及支撑组件。地声传感器设置于待测 位置；地声遥测终端、一体化带电太阳能板、声光报警器安装在支撑组件上； 地声遥测终端分别和地声传感器、声光报警器连接，进行信号采集、图像采集、 数据存储、发送；一体化带电太阳能板分别与地声传感器、地声遥测终端、声 光报警器连接，为各部件供电。
地声遥测终端，用于信号采集、图像采集、数据存储、发送，包括4G通信 模块、北斗卫星通信模块、LoRA通信模块、蓝牙模块、存储模块、视频模块， 4G通信模块用于应急通信，北斗卫星通信模块用于授时、以及4G信号不好时 应急通信，LoRA通信模块用于现场组网联动预警，蓝牙模块用于无线调试地声 预警仪，提供自检、参数状态、配置信息等，存储模块用于存储数据、视频文 件，视频模块用于拍摄图像。
本发明设计的应急用泥石流地声预警仪，可利用支撑组件快速安装布设； 地声遥测终端采用多种通信方式实现快速调试、数据通信，并利用视频模块采 集实时图像，便于预警分析；一体化带电太阳能板结构简单，体积小，便于携 带组装。该地声预警仪便携性好，布设难度小，可实现快速布设、便捷调试。
泥石流地声预警仪属于预警方式中响应最快的监测设备之一，考虑到单一 的泥石流地声预报预警方法存在误报警率高的缺点，本发明将多套泥石流地声 预警仪进行现场组网联动监测，形成一套综合预警系统，可以极大地提升报警 的准确性和及时性。
本发明提供了一种综合预警系统，将至少三套具备组网功能的地声预警仪 进行组网，其中一套为主设备、其它为从设备，以主设备为中心，放置在泥石 流流经路径附近，多个从设备与主设备间距相近，均匀布设，放置在泥石流流 经路径的两侧、偏向振源方向(比主设备更早检测到泥石流事件)。通过现场快 速部署、组网预警，形成综合预警系统，可以极大地提升报警的准确性和及时 性。
本发明提供了一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，包括 如下步骤
采用至少三套地声预警仪，以一套为主设备、其它为从设备，选择布设位 置；
每套地声预警仪进行上电、自检、授时；
确认主、从设备组网；
安装固定主、从设备；
主、从设备均开启泥石流地声序列间歇采集模式，按周期进行数据采集；
任一地声预警仪在间歇采集模式得到的平均地声声强值超过地声声强阈 值，则该地声预警仪进入泥石流地声序列加密采集模式；
当有两套以上地声预警仪在加密采集模式下检测到泥石流预警事件，主设 备发送报警信息。
优选的，主设备收到至少一个从设备发送的泥石流预警事件后，进行视频 拍照，开启声光报警器，将预警信息和图像上传至中心。
该方法可直接在前端多设备联动决策预警，具有安装便捷、调试方便、预 警实时性高等优点。
下面结合一个具体实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。
本发明提供的一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，其主 要载体为泥石流地声预警仪，至少需要三套设备组网才能完成现场快速部署预 警方法。其中一套设备作为主设备，另外两套设备作为从设备。
主设备的泥石流地声预警仪主要包括地声传感器、地声遥测终端、一体化 带电太阳能板、声光报警器及支撑组件。
其中地声传感器为自然频率接近0.2～2Hz的动圈传感器，可放置在远距离 处感知泥石流发生时产生的振动信号，该传感器与地声遥测终端之间采用数字 接口通信，相比模拟接口，更有利于弱信号的远距离不失真传输。因地声传感 器为超低频的传感器，可放置在远离泥石流源头0.5公里的地方，这样即使当泥 石流发生了，还有足够的时间安全撤离。
地声遥测终端，是泥石流地声预警仪的核心部件，主要完成现场地声传感 器的信号采集、存储、影像抓拍及数据发送功能。集成4G通信、北斗卫星授时 和通信功能，集成LoRA快速组网功能、集成蓝牙无线调试功能。其中4G作为 应急模块的主要通信方式，当现场4G信号不好时，会自动切换到北斗通信方式。 其LoRA通信用于现场组网联动预警，可配置其为协调器。另外，利用蓝牙无 线调试功能，可在现场进行便捷调试。
一体化带电太阳能板为电池和太阳能板的一体化结构设计，尺寸小，用于 为泥石流地声预警仪供电。
声光报警器为泥石流灾害现场的现场预警设备。
从设备的泥石流地声预警仪主要包括地声传感器、地声遥测终端、一体化 带电太阳能板及支撑组件。其中地声传感器、一体化带电太阳能板与主设备的 相同。其地声遥测终端，主要完成现场地声传感器的信号采集、存储及数据发 送功能，集成LoRA快速组网功能、集成蓝牙无线调试功能。LoRA通信用于现 场组网联动预警，可配置其为终端。
一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，主要采用三套或者 三套以上的具备LoRA组网的泥石流地声预警仪进行现场综合预警。以三套为 一个最小应急监测单元，按照三角形的排列方式，一套放置在离泥石流流经路 径通道附近，另外两套地声传感器放置在泥石流流经路径的两侧，呈倒三角形 的排列方式。现场布设及组网方法如下：
1、按照倒三角形选点原则选好点，每个点的间距约50米为宜；
2、给三套泥石流地声预警仪上电，通过蓝牙查询三套泥石流地声预警仪的 自检状态，若正常，则进入下一步，否则，需要查明原因；
3、在开阔处完成卫星授时；
4、通过蓝牙查询配置为协调器的主设备是否和两个从设备LoRA组网配对 成功，若成功，则进入下一步，否则，需要查明原因；
5、挖3个300mm*300mm*500mm的小坑，将地声传感器埋入，用土夯实。
6、将三套泥石流地声预警仪的三角支架的金属爪头与地面牢固配合。
一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，主要通过采集泥石 流发生时产生的地声信号进行预警。主设备和从设备均有两种采集模式，一种 是泥石流地声序列间歇采集模式，一种是泥石流预警加密采集模式，当两种采 集模式重叠时，优先执行泥石流预警加密采集模式。
一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，其泥石流地声序列 间歇采集模式主要从时域对信号进行能量分析，需要设置的参数有：间歇采集 模式的周期为T1，每个周期采集的数据时长为t1n，地声声强阈值为V阈值1，采 样频率一般设为200～500Hz。间歇采集模式详细步骤如下：
1、当泥石流地声预警仪的周期T1时间未到时，设备处于待机状态；
2、当泥石流地声预警仪的周期T1时间到时，设备会开启采集现场的地声 信号至少t1n时长，采样点数分别为x1、x2、....xm；
3、泥石流地声预警仪计算每个周期t1n时长的平均地声声强值， [1/m*(x1*x1+..xm*xm)]1/2；
4、若平均地声声强值不大于V阈值1，则设备循环执行步骤1到步骤3；
5、若平均地声声强值大于V阈值1，则设备进入预警加密采集模式；
6、若设备退出加密采集模式，则设备循环执行步骤1到步骤3。
优选的，T1取值范围为30S～60S；t1n＜T1，t1n取值范围为10S～30s；地声 声强阈值为V阈值1取值为背景噪声声强的3～5倍。
一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，其泥石流地声预警 加密采集模式主要从时域和频域对信号进行分析，时域内主要提取采集信号的 总能量，频域内则通过对时域内实时采集的地声信号进行连续的FFT变换，得 到其幅频谱和能量谱，再对其能量谱进行分析。该模式下设备连续采集，为了 便于数据处理，按照时长进行分包采集，对每一包数据进行处理。该模式需要 设置的参数有：预警加密采集模式下，采集的数据时长为t2n，t2n不大于2S， 采集的数据包数为N(N大于等于15小于等于20)，能量占比因子阈值K(K 取值范围为0.7-0.95)。加密采集模式详细步骤如下：
1、当设备进入预警加密采集模式后，设备开始采集第一个数据包，连续采 集时长为t2n，采集点数分别为x11、x21、....xn1,t2n不大于2S；
2、设备采集第2个数据包，连续采集时长为t2n，采集点数分别为x12、 x22、....xn2,t2n不大于2S；
3、依次完成第N个数据包的采集，连续采集时长为t2n，即x1N、 x2N、....xnN,t2n不大于2S；
4、计算第1包数据的时域能量，例如，以第1包数据为例，其时域能量 W1＝(x11*x11+..xn1*xn1)；
5、对第1包数据进行FFT变换，得到其幅频谱，再运算得到第一包数据的 能量谱；
6、从第一包数据的能量谱中选取地声信号范围内(0.2～50)Hz频率范围内 的能量值，并计算所有能量值的总和W11，计算K1＝W11/W1，
7、按照步骤4到步骤6的方法依次计算K2...KN；
8、依次计算K1...KN中大于阈值K的个数Nk；
9、若Nk不小于N/2，且Nk个数据包连续，表示有泥石流预警事件，进行 预警退出泥石流预警加密采集模式，进入泥石流地声序列间歇采集模式；
10、若Nk小于N/2，退出泥石流预警加密采集模式，进入泥石流地声序列 间歇采集模式。
一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，采用至少三套泥石 流地声预警仪进行组网预警，其中主设备的工作流程如下：
1、上电后，完成所有功能模块的自检，并通过蓝牙发送自检信息；
2、完成北斗卫星的授时；
3、查询是否收到两个从设备(终端)的握手信号；
4、若收到，则发送应答响应给两个从设备；若没有收到，需要查明是设备 故障还是现场信号遮挡引起。
5、主设备进入泥石流地声序列间歇采集模式。
6、若主设备进入泥石流预警加密模式时，若判定为泥石流预警事件，则等 待至少5s查询是否收到从设备的泥石流预警事件；若主设备未进入泥石流预警 加密模式或未判定为泥石流预警事件，则继续执行步骤5。
7、若收到任意一个或者两个从设备的发送的泥石流预警事件；则开启视频 模块的开关，启动快速抓拍功能，并开启现场声光报警功能，同时通过4G或者 北斗将预警信息和图片上传至中心；否则，则继续执行步骤5。
一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，采用至少三套泥石 流地声预警仪进行组网，其中从设备的工作流程如下：
1、上电后，完成所有功能模块的自检，并通过蓝牙发送自检信息；
2、完成北斗卫星的授时；
3、通过LoRA发送握手信号给主设备；
4、查询是否收到主设备的应答信号；若收到，进入步骤5，否则需要查明 是设备故障还是现场信号遮挡引起。
5、从设备进入泥石流地声序列间歇采集模式。
6、若从设备进入泥石流预警加密模式时，且判定为泥石流预警事件，则通 过LoRa发送泥石流预警事件状态信息至主设备；若从设备未进入泥石流预警加 密模式或未判定为泥石流预警事件，则继续执行步骤5。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个 或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实 施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存 在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或 附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要 求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此 外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的 实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所 有合适修改和等同物。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领 域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种应急用泥石流地声预警仪，其特征在于，包括地声传感器、地声遥测终端、一体化带电太阳能板、声光报警器及支撑组件，所述地声传感器设置于待测位置，所述地声遥测终端、一体化带电太阳能板、声光报警器安装在支撑组件上；所述地声遥测终端分别和地声传感器、声光报警器连接；所述一体化带电太阳能板分别与地声传感器、地声遥测终端、声光报警器连接。
2.根据权利要求1所述的应急用泥石流地声预警仪，其特征在于，所述地声遥测终端包括4G通信模块、北斗卫星通信模块、LoRA通信模块、蓝牙模块、存储模块、视频模块；所述4G通信模块用于应急通信；所述北斗卫星通信模块用于授时、以及4G信号不好时应急通信；所述LoRA通信模块用于现场组网联动预警；所述蓝牙模块用于无线调试地声预警仪；所述存储模块用于存储数据、视频文件；所述视频模块用于拍摄图像。
3.根据权利要求1所述的应急用泥石流地声预警仪，其特征在于，所述地声传感器为自然频率为0.2～2Hz的动圈传感器，所述地声传感器与地声遥测终端之间采用数字接口。
4.一种综合预警系统，其特征在于，包括至少三套地声预警仪，以一套为主设备、其它为从设备；所述主设备采用权利要求1～3中任一项所述的地声预警仪；
所述从设备包括地声传感器、地声遥测终端、一体化带电太阳能板、支撑组件，所述地声传感器设置于待测位置，所述地声遥测终端、一体化带电太阳能板安装在支撑组件上；所述地声遥测终端和地声传感器连接；所述一体化带电太阳能板分别与地声传感器、地声遥测终端连接；所述地声遥测终端包括LoRA通信模块、蓝牙模块、存储模块，所述LoRA通信模块用于现场组网联动预警，所述蓝牙模块用于无线调试地声预警仪。
5.一种应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，其特征在于，包括如下步骤，
采用至少三套地声预警仪，以一套为主设备、其他为从设备，选择布设位置；
每套地声预警仪进行上电、自检、授时；
确认主、从设备组网；
安装固定主、从设备；
主、从设备均开启泥石流地声序列间歇采集模式，按周期进行数据采集；
任一地声预警仪间歇采集模式得到的平均地声声强值超过地声声强阈值，则该地声预警仪进入泥石流地声序列加密采集模式；
当有两套以上地声预警仪在加密采集模式下检测到泥石流预警事件，主设备发送报警信息。
6.根据权利要求5所述的应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，其特征在于，所述间歇采集模式具体为，
当地声预警仪进入间歇采集模式周期T1，开启现场地声信号的采集，每个周期采集的数据时长为t1n，采样点数分别为x1、x2、....xm；
计算每个周期的平均地声声强值为[1/m*(x1*x1+..xm*xm)]1/2；
若平均地声声强值不大于V阈值1，则循环执行间歇采集模式，否则进入加密采集模式。
7.根据权利要求5所述的应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，其特征在于，所述加密采集模式为，
当地声预警仪进入加密采集模式，开启现场地声信号的采集，按照数据时长t2n采集数据包；
计算每个数据包的时域能量、幅频谱、能量谱；
计算每个数据包的能量占比因子,
Ki＝W1i/Wi
其中，W1i为第i个数据包的能量谱中地声信号范围在0.2～50Hz频率范围内的能量值的总和；Wi为第i个数据包的时域能量，1≤i≤N；
若所有数据包中，有连续的、半数以上的数据包能量占比因子超过能量占比因子阈值，则输出泥石流预警事件；否则，进入泥石流地声序列间歇采集模式。
8.根据权利要求5所述的应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，其特征在于，所述间歇采集模式采集周期T1取值范围为30S～60S；采集时长t1n取值范围为10S～30s；地声声强阈值取值为背景噪声声强的3～5倍；所述加密采集模式采集时长t2n不大于2S，采集数据包个数N取值为15～20；能量占比因子阈值K取值范围为0.7～0.95。
9.根据权利要求5所述的应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，其特征在于，若所述从设备在加密采集模式下检测到泥石流预警事件，则发送至主设备，否则进入间歇采集模式；
若所述主设备在加密采集模式下检测到泥石流预警事件，则等待从设备是否检测到泥石流预警事件，若收到至少一个从设备发送的泥石流预警事件，则发送报警信息，否则进入间歇采集模式；
当间歇采集模式、加密采集模式重叠时，优先执行加密采集模式。
10.根据权利要求5所述的应急用泥石流地声预警仪现场快速组网预警方法，其特征在于，所述布设位置，以主设备为中心，放置在泥石流流经路径附近，多个从设备与主设备间距相近，均匀布设，放置在泥石流流经路径的两侧、偏向振源方向；
所述主、从设备组网利用LoRA通信通过握手信号、应答信号进行确认。
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