CN116665407A - 一种基于4g无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法及壮志，本发明将4G无线振动传感器网络分布式部署在山体监测区域的坡顶、坡中及坡脚表面，实时监测区域内各传感器位置处的加速度、土壤温湿度及土压力，并通过4G无线网络数据传输单元将监测数据上传至云平台；云平台实时将接收到的监测数据分类保存至数据库；监测中心通过云平台实时读取监测数据，并结合与土压力解算当前位置的积土厚度；根据计算出的边坡位移与积土厚度进行分析，确定山体滑坡等级。本发明以低成本的4G技术作为基础，设计了简单高效、部署灵活、可远程监测的方法，且该方法的算法巧妙，计算的准确性高，实时性强。
Description
技术领域
本发明涉及地质灾害监测领域，特别是一种基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法及装置。
背景技术
目前，常见的山体滑坡监测系统所采用的监测方法主要包括基于GPS卫星的传感器目标定位法、基于机器视觉数字图像处理的边坡位移测量法、基于雷达波的边坡形变监测法、基于深度学习的山体滑坡预测法、基于无线传感器的山体滑坡监测法等。不同类型的振动传感器已经越来越多的应用于山体滑坡监测领域，其中无线振动传感器网络集感知能力、计算能力、传输能力为一体，在山体滑坡监测领域具有明显的优势。现如今基于无线传感器网络的山体滑坡监测系统通常采用2.4G、433M、ZigBee、GPRS等无线传输技术，但其传输速率较慢、传输距离受限、信号覆盖范围较小、传输网络拓扑结构复杂、成本高等不足使得监测系统在对山体滑坡地质灾害进行监测时出现了监测范围局限、数据易丢包、实时性不够、监测中心必须就近设立无法进行远程监测等问题。近年来，4G无线传输技术逐渐成熟，其数据传输速率已经达到了100Mbit/s，是3G无线传输技术的20倍，具备较强的抗干扰能力，传输距离几乎不受限制，相较于5G传输其建网成本低，基站覆盖广泛，是非常理想的数据传输手段。
因此，针对当前基于无线振动传感器的山体滑坡监测系统数据传输速率较慢、传输距离受限、传输网络拓扑结构复杂、数据易丢包、实时性不够、成本高等不足，进行针对本发明的研究。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法及装置。它简单高效、部署灵活、可远程监测、建设及维护成本低，以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案：基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法，包括如下步骤：
1)4G无线振动传感器网络分布式部署在山体监测区域的坡顶、坡中及坡脚表面，实时监测区域内各传感器位置处的加速度、土壤温湿度及土压力，并通过4G无线网络数据传输单元将监测数据上传至云平台；
2)云平台实时将接收到的监测数据分类保存至数据库；
3)监测中心通过云平台实时读取监测数据，并对读取的监测数据进行处理，利用加速度数据解算山体表面单位时间内的边坡位移，并结合与土压力解算当前位置的积土厚度；
4)根据计算出的边坡位移与积土厚度进行分析，确定山体滑坡等级，山体滑坡等级超过预设报警阈值，则发出报警信号，实现对山体滑坡的预警。
监测中心以数值和波形图表的形式实时显示处理结果、加速度波形及各无线振动传感器的工作情况。
所述的对读取的监测数据进行处理具体是，基于Python编程实现数据处理，具体包括如下步骤：
a)基于TCP/IP协议从云平台数据库实时获取振动传感器监测位置的X、Y及Z方向加速度；
b)基于Python对接收的加速度数据进行解码，将数据进码制转换及分类；
c)保存并输出已处理的数据。
所述单位时间内的边坡位移及传感器监测位置的积土厚度解算，具体包括如下步骤：
首先，对山体各无线振动传感器监测点处的加速度进行傅里叶变换：
ai(t)＝Aejωt
(1)
其中，ai(t)作为加速度信号在频率为ω时的傅里叶分量，i为无线振动传感器编号且i＝1,2,3,…,n，A为加速度幅值，j为虚数单位，t为时间。
(1)当初始速度V0＝0时，山体各无线振动传感器监测点处边坡移动速度Vi(t)由各三轴向无线振动传感器同一时刻内测得的X、Y方向加速度ai(t)积分获得，即：
式中：Vi(t)表示速度信号的傅里叶分量，V为速度幅值，tk代表第k个单位监测时间，k＝0,1,…,n。
(2)当初始速度V0和位移分量均为0时，单位时间内的边坡位移Xi(t)可由各三轴向无线振动传感器同一时刻内测得的X、Y方向加速度ai(t)进行二次积分获得，即：
其中，X(t)表示速度信号的傅里叶分量，X为位移幅值。
同理，无线振动传感器安装位置的积土厚度由Z方向加速度二次积分所得位移的累积量获得，土压力计的土压力数据作为辅助判断，以确保积土厚度测量的准确性。
基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测装置，包括4G无线振动传感器网络埋没于边坡体内部，全天时采集监测区域内边坡体加速度、土壤温湿度及土压力数据并通过传感器内置的4G无线数据传输单元以及信号天线将数据上传至云平台，监测终端与云平台通过网络端口连接，实时接收云平台数据并对数据进行分析处理，监测终端外置接口采用通信线缆连接报警装置，达到报警阈值将立即传输报警信号触发报警装置。
由多个相同配置的4G无线传感器装置构成且放置间距在5-30m内，4G无线传感器装置的具体组成包括三轴向无线振动传感器、温湿度传感器、钢弦式土压力计，上述传感器通过连接数据传输线缆将采集的数据传输至4G无线网络数据传输单元，在无线振动传感器、温湿度传感器、4G无线网络数据传输单元及电源的外部设有传感器外箱，温湿度传感器的探针处于传感器外箱外，钢弦式土压力计平铺式埋没于坡面下方1-1.5m位置处。系统状态正常绿色指示灯常亮，系统状态异常(如无线振动传感器离线、云平台故障、数据传输故障等)红色指示灯亮起；系统当日输出数据将会自动保存至监测中心的Access数据库18，用户可在人机交互界面的数据保存按钮17处选择是否保存当天数据，如若用户不进行手动操作，数据将在次日零时自动删除。
所述山体滑坡等级及报警阈值的设置，具体如下，根据滑坡等级规范，积土厚度小于6m时为浅层滑坡，积土厚度为6-20m时为中度滑坡，积土厚度大于20m时为深度滑坡。在边坡变形三阶段演化模式下，初始变形时期，在外界因素的作用下突然产生的变形会随着外界因素的减弱甚至消失，其变形速率会逐渐降低，其加速度为负值；等速变形时期，由于其变形速率基本维持在恒定值，加速度基本为0；一旦进入加速变形阶段，其加速度变为正值，并呈逐渐增大的趋势，尤其进入临滑阶段后，累积变形位移量、变形速率以及加速度均会急剧增长，这一显著的前兆特征可作为滑坡临滑预警的重要依据。因此，结合本发明方法与装置以及减灾防灾的实时必要性，规定监测区域内一半以上监测点处积土厚度达到3m且加速度信号同时突发异常，数值超过日常监测的十倍即触发报警，同时根据上述积土厚度的区分设置浅层滑坡，中度滑坡和深度滑坡三个滑坡等级。土壤湿度及土压力作为辅助判断，因为山体结构不同无法进行统一规范，但其在单位时间内伴随着积土厚度和边坡位移变化产生明显的数值改变，能够初步判断滑坡成因以便更好地防灾减灾救灾。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明以低成本的4G技术作为基础，设计了简单高效、部署灵活、可远程监测的方法，且该方法的算法巧妙，计算的准确性高，实时性强；该装置架构稳定，抗干扰能力强，操作方便，具备可持续应用条件。
附图说明
附图1为本发明一种基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡监测装置具体实施实例功能模块示意图；
附图2为本发明4G无线振动传感器网络中4G无线传感器装置示意图；
附图3基于LabVIEW设计的人机交互界面显示功能示意图；
附图4为一种基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法流程图；
附图5为本发明的采集的坡顶、坡中和坡脚三个位置处的加速度数据。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步说明。
本发明的实施例：一种基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡监测装置，具体包括4G无线振动传感器网络1埋没于边坡体内部，全天时采集监测区域内边坡体加速度、土壤温湿度及土压力数据并通过传感器内置的4G无线数据传输单元以及信号天线将数据上传至云平台2，监测终端3与云平台2通过网络端口连接，实时接收云平台数据并对数据进行分析处理，监测终端3外置接口采用通信线缆连接报警装置4，达到报警阈值将立即传输报警信号触发报警装置4报警。
本发明的实施例：4G无线振动传感器网络中4G无线传感器装置，具体包括牧坤M63型三轴向无线振动传感器5、SMET-2型温湿度传感器6、BGK4800型钢弦式土压力计7通过连接数据传输线缆将采集的数据传输至4G无线网络数据传输单元8，牧坤M63型三轴向无线振动传感器5、除探针外的SMET-2型温湿度传感器6、部分数据传输线缆、4G无线网络数据传输单元8、电源9均内置于传感器外箱10中，BGK4800型钢弦式土压力计7平铺式埋没于坡面下方一米位置处。
本发明的实施例：基于LabVIEW设计的人机交互界面显示功能，具体包括：电子时钟模块11显示当前时间，系统状态指示灯12指示统是否正常运行，土壤温湿度显示模块13显示监测区域土壤温湿度，土压力显示模块14显示各监测点土压力，边坡位移及无线振动传感器当前位置积土厚度数据由波形图表15连续输出，4G无线振动传感器在线/离线指示灯16显示各传感器的工作情况。系统状态正常绿色指示灯常亮，系统状态异常(如无线振动传感器离线、云平台故障、数据传输故障等)红色指示灯亮起；系统当日输出数据将会自动保存至监测中心的Access数据库18，用户可在人机交互界面的数据保存按钮17处选择是否保存当天数据，如若用户不进行手动操作，数据将在次日零时自动删除。
本发明的实施例：基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测系统，包括如下步骤：
1)4G无线振动传感器网络分布式部署在山体监测区域的坡顶、坡中及坡脚表面，实时监测区域内各传感器位置处的加速度、土壤温湿度及土压力，并通过4G无线网络数据传输单元将监测数据上传至云平台；
2)云平台实时将接收到的监测数据分类保存至数据库；
3)监测中心通过云平台实时读取监测数据，并对读取的监测数据进行处理，利用加速度数据解算山体表面单位时间内的边坡位移，并结合与土压力解算当前位置的积土厚度；
4)根据计算出的边坡位移与积土厚度进行分析，确定山体滑坡等级，若山体滑坡等级超过预设报警阈值，则发出报警信号，实现对山体滑坡的预警。
监测中心以数值和波形图表的形式实时显示处理结果、加速度波形及各无线振动传感器的工作情况。
所述的对读取的监测数据进行处理具体是，基于Python编程实现数据处理，具体包括如下步骤：
a)基于TCP/IP协议从云平台数据库实时获取振动传感器监测位置的X、Y及Z方向加速度；
b)基于Python对接收的加速度数据进行解码，将数据进码制转换及分类；
c)保存并输出已处理的数据。
所述单位时间内的边坡位移及传感器监测位置的积土厚度解算，具体包括如下步骤：
首先，对山体各无线振动传感器监测点处的加速度进行傅里叶变换：
ai(t)＝Aejωt
(1)
其中，ai(t)作为加速度信号在频率为ω时的傅里叶分量，i为无线振动传感器编号且i＝1,2,3,…,n，A为加速度幅值，j为虚数单位，t为时间。
(1)当初始速度V0＝0时，山体各无线振动传感器监测点处边坡移动速度Vi(t)由各三轴向无线振动传感器同一时刻内测得的X、Y方向加速度ai(t)积分获得，即：
式中：Vi(t)表示速度信号的傅里叶分量，V为速度幅值，tk代表第k个单位监测时间，k＝0,1,…,n。
(2)当初始速度V0和位移分量均为0时，单位时间内的边坡位移Xi(t)可由各三轴向无线振动传感器同一时刻内测得的X、Y方向加速度ai(t)进行二次积分获得，即：
其中，X(t)表示速度信号的傅里叶分量，X为位移幅值。
同理，无线振动传感器安装位置的积土厚度由Z方向加速度二次积分所得位移的累积量获得，土压力计的土压力数据作为辅助判断，以确保积土厚度测量的准确性。
为验证本发明基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法及装置的实时性、精准性及有效性，利用本发明方法及装置对模拟边坡体的异常震动加速度进行实时监测。首先，将4G无线传感器装置分别埋没在不同坡度模拟边坡体的坡顶、坡中和坡脚位置处，设置振动传感器采样频率为50Hz，模拟山体滑坡场景，通过本发明方法及装置获取无线振动传感器的加速度数据。图5为坡度为15°时本发明装置采集到的坡顶、坡中和坡脚三个位置处的加速度数据。由实验数据与结果可知，当山体滑坡发生瞬间，坡顶加速度数值突变，立即触发报警装置报警，当边坡体下滑至坡中及坡脚时，该位置采集到的加速度也依次突变。
上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法，其特征在于，监测方法包括如下步骤：
1)4G无线振动传感器网络分布式部署在山体监测区域的坡顶、坡中及坡脚表面，实时监测区域内各传感器位置处的加速度、土壤温湿度及土压力，并通过4G无线网络数据传输单元将监测数据上传至云平台；
2)云平台实时将接收到的监测数据分类保存至数据库；
3)监测中心通过云平台实时读取监测数据，并对读取的监测数据进行处理，利用加速度数据解算边坡表面单位时间内的边坡位移，并结合与土压力解算当前位置的积土厚度；
4)根据计算出的边坡位移与积土厚度进行分析，确定山体滑坡等级，若山体滑坡等级超过预设报警阈值，则发出报警信号，实现对山体滑坡的预警。
2.根据权利要求1所述的基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法与装置，其特征在于：监测中心以数值和波形图表的形式实时显示处理结果、加速度波形及各无线振动传感器的工作情况。
3.根据权利要求1所述的基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法与装置，其特征在于：所述的对读取的监测数据进行处理具体是，基于Python编程实现数据处理，具体包括如下步骤：
a)基于TCP/IP协议从云平台数据库实时获取振动传感器监测位置的X、Y及Z方向加速度；
b)基于Python对接收的加速度数据进行解码，将数据进码制转换及分类；
c)保存并输出已处理的数据。
4.根据权利要求1所述的基于4G无线振动传感器网络的山体滑坡实时监测方法与装置，其特征在于：所述单位时间内的边坡位移及传感器监测位置的积土厚度解算，具体包括如下步骤：
首先，对山体各无线振动传感器监测点处的加速度进行傅里叶变换：
ai(t)＝Aejωt (1)
其中，ai(t)作为加速度信号在频率为ω时的傅里叶分量，i为无线振动传感器编号且i＝1,2,3,…,n，A为加速度幅值，j为虚数单位，t为时间。
(1)当初始速度V0＝0时，山体各无线振动传感器监测点处边坡移动速度Vi(t)由各三轴向无线振动传感器同一时刻内测得的X、Y方向加速度ai(t)积分获得，即：
式中：Vi(t)表示速度信号的傅里叶分量，V为速度幅值，tk代表第k个单位监测时间，k＝0,1,…,n。
(2)当初始速度V0和位移分量均为0时，单位时间内的边坡位移Xi(t)可由各三轴向无线振动传感器同一时刻内测得的X、Y方向加速度ai(t)进行二次积分获得，即：
其中，X(t)表示速度信号的傅里叶分量，X为位移幅值。
同理，无线振动传感器安装位置的积土厚度由Z方向加速度二次积分所得位移的累积量获得，土压力计的土压力数据作为辅助判断，以确保积土厚度测量的准确性。
5.一种用于实现权利要求1-4任意一项所述的方法的装置，其特征在于：包括4G无线振动传感器网络(1)埋没于边坡体内部，全天时采集监测区域内边坡体加速度、土壤温湿度及土压力数据并通过传感器内置的4G无线数据传输单元以及信号天线将数据上传至云平台(2)，监测终端(3)与云平台(2)通过网络端口连接，实时接收云平台数据并对数据进行分析处理，监测终端(3)外置接口采用通信线缆连接报警装置(4)，达到报警阈值将立即传输报警信号触发报警装置(4)。
6.根据权利要求5所述的4G无线振动传感器网络，其特征在于：由多个相同配置的4G无线传感器装置构成且放置间距在5-30m内，4G无线传感器装置的具体组成包括三轴向无线振动传感器(5)、温湿度传感器(6)、钢弦式土压力计(7)，上述传感器通过连接数据传输线缆将采集的数据传输至4G无线网络数据传输单元(8)，在无线振动传感器(5)、温湿度传感器(6)、4G无线网络数据传输单元(8)及电源(9)的外部设有传感器外箱(10)，温湿度传感器(6)的探针处于传感器外箱(10)外，钢弦式土压力计(7)平铺式埋没于坡面下方1-1.5m位置处。
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| CN117854240A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 江苏省地质勘查技术院 | 地质灾害预警方法及地质灾害预警系统 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117854240A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 江苏省地质勘查技术院 | 地质灾害预警方法及地质灾害预警系统 |
| CN117854240B (zh) * | 2024-03-07 | 2024-05-28 | 江苏省地质勘查技术院 | 地质灾害预警方法及地质灾害预警系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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