CN210574237U - 一种适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，包括可用于测量冲刷深度、水流浊度及水流流速数据信息的冲刷粒子模块；用于接收、筛选以及处理冲刷粒子反馈数据的基站实时监测模块；用于监测水力冲刷过程以及进行预警发布的无线远程监控模块；本实用新型可以在发生洪水等水力冲刷灾害时实时监控重点河段河床和江堤桥梁等水工建筑物基础的冲刷过程，及时发出预警，保证附近居民的生命和财产安全。

Description

一种适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统

技术领域

本实用新型涉及一种适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，属于智能监测技术领域。

背景技术

中国是世界上河流最多的国家之一，其中流域面积超过1000平方千米的河流有1500多条，同时我国还是海洋大国，大陆海岸线长达18000公里，有着丰富的海洋资源。水力冲刷是一种河流、海洋环境中常见的自然灾害，包括一般冲刷与局部冲刷两种类型；一般冲刷常发生于洪水或风暴潮时期，会导致流域或海域的土层会发生大面积下切或淤积，影响沿岸建筑物与居民的安全；局部冲刷常发生于水工、海工建筑物的基础附近，对建筑物有着不利且复杂的影响，严重时会导致建筑物失稳、坍塌，人员伤亡等事故，造成人力、物力、财力的重大损失。

目前水力冲刷过程监测方法多基于水下超声波测距技术与原位电学监测技术，成本较为高昂；这些方法多以水或水下电缆为导体介质传送数据信号，存在监测数据单一、测量过程易受水中泥沙等悬浮物干扰导致监测数据质量不高、高含沙环境下无法监测等问题。此外，已有冲刷过程监测设备多凸于水工建筑物表面安装，在复杂环境下易受悬浮体冲击致使物理损坏，且后期维护较为困难且花费较大；针对目前存在的问题，已公开的申请中，申请号为01134633.7的实用新型公开了一种土层冲刷监测方法及其系统，其是在土层中埋设多数个由上向下依预定度间隔埋设的发报器，在土层被冲刷后，各发报器会因土层冲刷深度变化而逐一被冲刷移动而震动，以由发报器内的震动感应器侦测，并由无线电信号发射器分别发出不同编码的无线电信号，以由设在地面上的信号接收机接收后由计算机读码，借以监测得知土层的实时冲刷深度，再将所侦测的实时冲刷深度传输至预警装置判读以适时发出警讯；然而上述申请中，需要在发报器外部重新布设一个震动感应器以触发发报器的运作，此种设置导致的直接结果就是在施工过程中产生不便，由于结构不是一体构造，容易导致作为震动感应器的磁簧开关自动打开，出现无效的报警；其次，在遇到若干发报器同时冲出的情况时，该系统的信号接收机容易出现接收通道拥挤、部分发报器信号遗失的问题，导致冲刷预警信息错误；再次，该系统在测量冲刷时无法同步获取现场水流流速和浊度等重要水文泥沙数据。

针对上述，有必要建立一种新型水力冲刷过程监测系统，以克服现有技术缺陷，实现水力冲刷过程演变的精准测量以及水流流速、浊度数据的同步采集，解决监测设备安装难、易损坏、成本高等难题。

实用新型内容

本实用新型提供一种适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，可以在发生洪水等水力冲刷灾害时实时监控重点河段河床和江堤桥梁等水工建筑物基础的冲刷过程，及时发出预警，保证附近居民的生命和财产安全。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，包括在受外力作用产生倒转或者翻滚后内部结构实现电连通的冲刷粒子模块，可用于测量冲刷深度、水流浊度及水流流速数据信息；

用于接收、筛选以及处理冲刷粒子反馈数的基站实时监测模块；

用于监测水力冲刷过程以及进行预警发布的无线远程监控模块；

作为本实用新型的进一步优选，前述的冲刷粒子模块包括若干冲刷粒子，若干冲刷粒子两两之间留有距离，埋设在待监测区域的河床或海床土层中；

基站实时监测模块设置在靠近待监测区域的陆域上，其内安装无线串口监测模块、数据信息分析处理器以及无线信号发送器，以无线信号接收基站作为载体，利用无线信号接收基站搭载的数据信息分析处理器对由冲刷粒子模块处获取的反馈数据进行筛选分析，最终通过无线信号发送器发送至无线远程监控模块处；

无线远程监控模块设置在监控中心，对基站实时监测模块筛选分析后的数据进行实时监控，根据冲刷深度、水流流速和浊度变化判断是否发布冲刷超限预警信息；

作为本实用新型的进一步优选，冲刷粒子包括外壳，外壳包括相对且平行设置的两个平台，两个平台之间通过连接面顺滑连接，同时连接面向外膨大，使外壳呈球台状的封闭结构；

冲刷粒子的封闭结构内分为第一部分和第二部分，第一部分内安装数据传输模块、传感器模块及主控芯片，所述数据传输模块、传感器模块与主控芯片通过信号线连接，且传感器模块贴合安装在封闭结构第一部分的顶部；

在封闭结构的第二部分内设置引导通道、电源和机械开关，所述机械开关包括U型槽、联通铁球、铁芯和线圈，U型槽的侧壁为金属侧壁，其封闭端为绝缘底壁，U型槽位于引导通道的终端，在引导通道的起始端放置联通铁球，U型槽的开口端朝向联通铁球，同时U型槽的封闭端安装铁芯，在引导通道的两侧壁上分别安装电源，铁芯上套设线圈，且线圈两端分别连接位于引导通道同一侧的电源和U型槽侧壁，引导通道另一侧的U型槽侧壁与电源采用导电线串联；

封闭结构内的数据传输模块、传感器模块、主控芯片采用并联方式与电源相连接形成工作电路；

在第二部分底部外侧设置外附磁铁，联通铁球被吸附固设在引导通道的起始端，避免在运输和安装阶段联通铁球产生移位、闭合机械开关；

移走外附磁铁，此时冲刷粒子的重心位于第一部分，且平均密度小于水的密度，当冲刷粒子产生倒转或者翻滚时，联通铁球将落入U型槽内，使机械开关闭合，此时数据传输模块、传感器模块、主控芯片形成电连通，且机械开关的铁芯和线圈形成电磁铁将联通铁球吸附在U型槽内，保证工作电路持续联通。

作为本实用新型的进一步优选，前述的传感器模块包括水流浊度传感器和水流流速传感器，两者分别将监测获取的水流浊度、水流流速通过信号线传输至主控芯片处，主控芯片通过数据传输模块能够向基站实时监测模块实时发送冲刷粒子测得的数据信息；

主控芯片采用单片机，且单片机内集成ADC接口；

冲刷粒子的外壳采用金属防腐材质制成；

作为本实用新型的进一步优选，在无线串口监测模块内置监测芯片，数据信息分析处理器内置分析处理芯片，同时数据信息分析处理器通过两组异步串口同时处理冲刷粒子的反馈数据，以避免多信道干扰；

作为本实用新型的进一步优选，无线远程监控模块内置实时数据可视化模块和预警识别模块，两者均将信息反馈至数据显示屏上进行实时公布。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型可以实现水工、海工建筑物附近流域、海域关键位置的土层冲刷过程实时监测及安全预警，可以有效预防水力冲刷所带来的生命与财产损失；

2、本实用新型通过冲刷粒子模块返还的数据，还可以获得待监测区域的水流流速与浊度的实时演变过程图，首次在水文泥沙工程领域实现冲刷过程与水流特征的同步观测；

3、本实用新型的数据信息分析处理器采用两组异步串口同时处理冲刷粒子反馈的实时数据，有效避免了多信道之间的干扰，有效提高了数据采集和冲刷预警精度；

4、本实用新型可以进行多位置区域冲刷过程同步监测，实现重点流域或海域冲刷预警全覆盖；

5、区别于以往的监测系统，本实用新型具有监测数据全面、安装简便、价格低廉，全流域或海域多点监测及预警一体化的优势。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的优选实施例的工作流程图；

图2是本实用新型的优选实施例的冲刷粒子未安装启动时的位置示意图；

图3是本实用新型的优选实施例的冲刷粒子安装后进行倒转或者翻滚后的位置示意图；

图4是本实用新型的优选实施例的冲刷粒子工作电路原理图；

图5是本实用新型的优选实施例实际用于河床冲刷监测的示意图；

图6是本实用新型的优选实施例实际用于水工或海工建筑物基础冲刷监测的示意图；

图7是本实用新型的优选实施例无线远程监控模块的数据可视化输出示意图。

图中：1-1为冲刷粒子的第一部分，1-2为冲刷粒子的第二部分，1-3为主控芯片，1-4为传感器模块，1-5为数据传输模块，1-6为电源，1-7为机械开关，1-8为水流流速传感器，1-9为水流浊度传感器，1-10为铁芯，1-11为线圈，1-12为U型槽的侧壁，1-13为U型槽的封闭端，1-14为联通铁球，1-15为外附磁铁，2-1为基站实时监测模块，3-1为无线远程监控模块。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1-图7所示，本实用新型在陈述过程中需要使用到以下部件：1-1为冲刷粒子的第一部分，1-2为冲刷粒子的第二部分，1-3为主控芯片，1-4为传感器模块，1-5为数据传输模块，1-6为电源，1-7为机械开关，1-8为水流流速传感器，1-9为水流浊度传感器，1-10为铁芯，1-11为线圈，1-12为U型槽的侧壁，1-13为U型槽的封闭端，1-14为联通铁球，1-15为外附磁铁，2-1为基站实时监测模块，3-1为无线远程监控模块。

本实用新型的一种适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，包括冲刷粒子模块，冲刷粒子模块在受外力作用产生倒转或者翻滚后内部结构实现电连通，可用于测量冲刷深度、水流浊度及水流流速数据信息；

基站实时监测模块，其用于接收、筛选以及处理冲刷粒子反馈数据；

无线远程监控模块，其用于监测水力冲刷过程以及进行预警发布；

具体的，冲刷粒子模块包括若干冲刷粒子，若干冲刷粒子两两之间留有距离，埋设在待监测区域的河床或海床土层中；

基站实时监测模块设置在靠近待监测区域的陆域上，其内安装无线串口监测模块、数据信息分析处理器以及无线信号发送器，以无线信号接收基站作为载体，利用无线信号接收基站搭载的数据信息分析处理器对由冲刷粒子模块处获取的反馈数据进行筛选分析，最终通过无线信号发送器发送至无线远程监控模块处；

无线远程监控模块设置在监控中心，对基站实时监测模块筛选分析后的数据进行实时监控，根据冲刷深度、水流流速和浊度变化判断是否发布冲刷超限预警信息；

如图1所示，基于上述本申请的系统，进行实时工作的流程是：冲刷粒子模块内的若干冲刷粒子收集采集冲刷深度、水流流速以及水流浊度等信息，通过数据传输模块输送至基站实时监测模块的无线信号接收基站，无线信号接收基站作为载体，将获取的数据输送至数据信息分析处理器处进行数据筛选分析，最终将筛选分析后的数据传送至设置在远程监控中心内的无线远程监控模块，无线远程监控工作站对基站实时监测模块筛选分析后的数据进行实时监控，实时显示冲刷深度、水流流速和浊度变化，并通过这些变化判断是否发布冲刷超限预警信息；

以下是本申请冲刷粒子模块的一种优选实施例，

冲刷粒子模块包括若干冲刷粒子， 冲刷粒子包括外壳，外壳包括相对且平行设置的两个平台，两个平台之间通过连接面顺滑连接，同时连接面向外膨大，使外壳呈球台状的封闭结构；

冲刷粒子的封闭结构内分为第一部分和第二部分，第一部分内安装数据传输模块、传感器模块及主控芯片，所述数据传输模块、传感器模块与主控芯片通过信号线连接，且传感器模块贴合安装在封闭结构第一部分的顶部；

在封闭结构的第二部分内设置引导通道、电源和机械开关，所述机械开关包括U型槽、联通铁球、铁芯和线圈，U型槽的侧壁为金属侧壁，其封闭端为绝缘底壁，U型槽位于引导通道的终端，在引导通道的起始端放置联通铁球，U型槽的开口端朝向联通铁球，同时U型槽的封闭端安装铁芯，在引导通道的两侧壁上分别安装电源，铁芯上套设线圈，且线圈两端分别连接位于引导通道同一侧的电源和U型槽侧壁，引导通道另一侧的U型槽侧壁与电源采用导电线串联；

封闭结构内的数据传输模块、传感器模块、主控芯片采用并联方式与电源相连接形成工作电路；

在第二部分底部外侧设置外附磁铁，联通铁球被吸附固设在引导通道的起始端，避免在运输和安装阶段联通铁球产生移位、闭合机械开关；

图2所示，本申请中冲刷粒子内的引导通道优选的为两块相对设置的连接板，每块连接板的一端分别连接在冲刷粒子外壳内壁上，两块连接板的另一端通过U型槽连接，且两块连接板的另一端之间呈钝角设置，联通铁球位于冲刷粒子封闭结构的底部，两块连接板的钝角与联通铁球相对布设，U型槽的封闭端安装铁芯，两块连接板上分别安装电源（即为电池），铁芯上套设线圈，且线圈两端分别连接引导通道一侧的电源和U型槽侧壁，引导通道另一侧的U型槽侧壁与电源采用导电线串联，套设线圈的铁芯通电后形成电磁铁；

当将冲刷粒子埋设安装在待监测区域的河床或海床土层中时，此时冲刷粒子封闭结构的第一部分位于上方，其第二部分位于下方，冲刷粒子处于正位不工作状态；

当冲刷粒子安装完毕后，移走外附磁铁，使联通铁球自由处于冲刷粒子内部底面，此时冲刷粒子仍处于正位不通电状态；同时冲刷粒子的重心位于第一部分，其平均密度小于水的密度；当冲刷粒子被冲出土层上浮于水面的过程中，会受外力作用产生倒转、翻滚形成倒位（封闭结构的第二部分在上，第一部分在下，如图3所示），联通铁球将落入机械开关的U型槽内，构成的机械开关闭合，铁芯产生磁力吸附联通铁球，此时数据传输模块、传感器模块及主控芯片形成电连通，最终促使数据传输模块、传感器模块以及主控芯片启动；

需要说明的是，U型槽的侧壁可以是垂直结构，也可以是带有倾斜角度的结构，且倾斜角度为U型槽开口向外侧延伸时开口逐渐扩大，同时保证U型槽开口的大小与联通铁球的直径匹配；

在冲刷粒子中，上述传感器模块包括水流浊度传感器和水流流速传感器，图4所示冲刷粒子工作电路原理图，水流浊度传感器、水流流速传感器、数据传输模块、主控芯片与电源通过导电线并联连接；数据传输模块、传感器模块与主控芯片通过信号线连接；水流浊度传感器和水流流速传感器分别将监测获取的水流浊度、水流流速通过信号线传输至主控芯片处，主控芯片通过数据传输模块能够向基站实时监测模块实时发送冲刷粒子测得的数据信息；主控芯片采用单片机，且单片机内集成ADC接口，可同时处理多项数据信息；

冲刷粒子的外壳采用金属防腐材质制成，可保证冲刷粒子埋设于土层中时长时间不被腐蚀。

将上述优选实施例中的冲刷粒子模块与基站实时监测模块以及无线远程监控模块共同配合完成预警判断及发布；

具体的，基站实时监测模块设置在靠近待监测区域的陆域上，其内安装无线串口监测模块、数据信息分析处理器以及无线信号发送器，在无线串口监测模块内置监测芯片，数据信息分析处理器内置分析处理芯片，以无线信号接收基站作为载体，数据信息分析处理器通过两组异步串口同时处理冲刷粒子的水流浊度、水流流速模拟量等冲刷数据防止多信道干扰，对反馈数据进行筛选分析，通过设定算法得到水流浊度，水流流速等，最终通过无线信号发送器发送至无线远程监控模块处；

无线远程监控模块设置在监控中心，无线远程监控模块内置实时数据可视化模块和预警识别模块，对基站实时监测模块筛选分析后的数据进行实时监控，将信息反馈至数据显示屏上进行实时公布，同时预警识别模块根据冲刷深度、水流流速和浊度变化判断是否发布冲刷超限预警信息。

基于图2和图3的冲刷粒子，以河床水力冲刷监测应用为例：

图5所示，使用时将冲刷粒子在竖直方向上，按一定间隔埋置于待监测区域的河床土层之中；基站实时监测模块以无线信号接收基站为载体，设置于待监测区域附近的陆域上，在接收到冲刷粒子发出的测量数据后，利用基站上搭载的数据信息分析处理器对其进行筛选分析，并将处理后的信息无线传输至无线远程监控模块；无线远程监控模块设置于监控中心，用于监控实时冲刷深度、水流流速和浊度变化并判断是否发布冲刷超限预警信息；若干冲刷粒子可以多测点布放，实现全流域重点位置水力冲刷过程的同步监测及预警。

基于图2和图3的冲刷粒子，以水工建筑物基础冲刷监测应用为例：

图6所示，使用时将冲刷粒子在竖直方向上，按一定间隔埋置于水工建筑物基础附近待监测区域的土层之中；基站实时监测模块以无线信号接收基站为载体，设置于待监测区域附近的陆域上，在接收到冲刷粒子发出的测量数据后，利用基站上搭载的数据信息分析处理器对其进行筛选分析，并将处理后的信息无线传输至无线远程监控模块；无线远程监控模块设置于监控中心，用于监控实时冲刷深度、水流流速和浊度变化并判断是否发布冲刷超限预警信息；若干冲刷粒子可以多测点布放，实现水工建筑物基础重点位置水力冲刷过程的同步监测及预警。

图7所示，即为无线远程监控模块中的实时数据可视化模块能够通过基站实时监测模块处理的数据信息生成测点侵蚀程度、水流浊度及流速，输出在数据显示屏上；无线远程监控模块中的预警识别模块可通过预先设置的危险评判标准判断是否发出冲刷超限预警，并输出在数据显示屏上。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，其特征在于：包括在受外力作用产生倒转或者翻滚后内部结构实现电连通的冲刷粒子模块，可用于测量冲刷深度、水流浊度及水流流速数据信息；

用于接收、筛选以及处理冲刷粒子反馈数据的基站实时监测模块；

用于监测水力冲刷过程以及进行预警发布的无线远程监控模块。

2.根据权利要求1所述的适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，其特征在于：前述的冲刷粒子模块包括若干冲刷粒子，若干冲刷粒子两两之间留有距离，埋设在待监测区域的河床或海床土层中；

基站实时监测模块设置在靠近待监测区域的陆域上，其内安装无线串口监测模块、数据信息分析处理器以及无线信号发送器，以无线信号接收基站作为载体，利用无线信号接收基站搭载的数据信息分析处理器对由冲刷粒子模块处获取的反馈数据进行筛选分析，最终通过无线信号发送器发送至无线远程监控模块处；

无线远程监控模块设置在监控中心，对基站实时监测模块筛选分析后的数据进行实时监控，根据冲刷深度、水流流速和浊度变化判断是否发布冲刷超限预警信息。

3.根据权利要求2所述的适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，其特征在于：冲刷粒子包括外壳，外壳包括相对且平行设置的两个平台，两个平台之间通过连接面顺滑连接，同时连接面向外膨大，使外壳呈球台状的封闭结构；

冲刷粒子的封闭结构内分为第一部分和第二部分，第一部分内安装数据传输模块、传感器模块及主控芯片，所述数据传输模块、传感器模块与主控芯片通过信号线连接，且传感器模块贴合安装在封闭结构第一部分的顶部；

在封闭结构的第二部分内设置引导通道、电源和机械开关，所述机械开关包括U型槽、联通铁球、铁芯和线圈，U型槽的侧壁为金属侧壁，其封闭端为绝缘底壁，U型槽位于引导通道的终端，在引导通道的起始端放置联通铁球，U型槽的开口端朝向联通铁球，同时U型槽的封闭端安装铁芯，在引导通道的两侧壁上分别安装电源，铁芯上套设线圈，且线圈两端分别连接位于引导通道同一侧的电源和U型槽侧壁，引导通道另一侧的U型槽侧壁与电源采用导电线串联；

封闭结构内的数据传输模块、传感器模块、主控芯片采用并联方式与电源相连接形成工作电路；

在第二部分底部外侧设置外附磁铁，联通铁球被吸附固设在引导通道的起始端，避免在运输和安装阶段联通铁球产生移位、闭合机械开关；

移走外附磁铁，此时冲刷粒子的重心位于第一部分，且平均密度小于水的密度，当冲刷粒子产生倒转或者翻滚时，联通铁球将落入U型槽内，使机械开关闭合，此时数据传输模块、传感器模块、主控芯片形成电连通，且机械开关的铁芯和线圈形成电磁铁将联通铁球吸附在U型槽内，保证工作电路持续联通。

4.根据权利要求3所述的适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，其特征在于：前述的传感器模块包括水流浊度传感器和水流流速传感器，两者分别将监测获取的水流浊度、水流流速通过信号线传输至主控芯片处，主控芯片通过数据传输模块能够向基站实时监测模块实时发送冲刷粒子测得的数据信息；

主控芯片采用单片机，且单片机内集成ADC接口；

冲刷粒子的外壳采用金属防腐材质制成。

5.根据权利要求2所述的适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，其特征在于：在无线串口监测模块内置监测芯片，数据信息分析处理器内置分析处理芯片，同时数据信息分析处理器通过两组异步串口同时处理冲刷粒子的反馈数据。

6.根据权利要求2所述的适用于水力冲刷过程的智能监测与预警系统，其特征在于：无线远程监控模块内置实时数据可视化模块和预警识别模块，两者均将信息反馈至数据显示屏上进行实时公布。

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