LU505792B1 - A REAL-TIME MONITORING AND EARLY WARNING SYSTEM FOR KARST COLLAPSE BASED ON MEMS SENSORS - Google Patents

A REAL-TIME MONITORING AND EARLY WARNING SYSTEM FOR KARST COLLAPSE BASED ON MEMS SENSORS Download PDF

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LU505792B1
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Sen Li
Jinchen Wang
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Univ China Three Gorges Ctgu
Univ Huazhong Science Tech
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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, das eine Reihe von Multi-Kaskaden- Verbindungsleitungen, eine Datenleitung, ein Datenstatistikmodul, ein Koordinatenanzeigemodul, ein Algorithmus-Berechnungsmodul und ein Überwachungs- und Alarmmodul umfasst. Das Datenstatistikmodul enthält unter anderem einen MEMS-Sensor, einen Drucksensor. Das Koordinatenanzeigemodul ordnet die Koordinateninformationen des überwachten Bereichs den Koordinateninformationen zu, die in jedem Sensor verborgen sind, stellt fest, ob der MEMS- Sensor fehlerhaft ist und zeigt die Position in Form eines Bildes an. Das Algorithmus- Berechnungsmodul nimmt die vom Datenstatistikmodul empfangenen Echtzeit-Neigungs- und Beschleunigungsinformationen und berechnet sie mit Hilfe eines Zeitbereichsintegrationsalgorithmus. Das Überwachungs- und Alarmierungsmodul bestimmt, ob die Echtzeitdaten des Sensors und die berechneten Daten den kritischen Wert überschreiten, und sendet gleichzeitig eine geologische Katastrophenwarninformation aus. Das Echtzeit- Überwachungs- und -Warnsystem und -Verfahren für Karsteinstürze, das die oben beschriebene Struktur der vorliegenden Erfindung verwendet, ist in der Lage, die Entwicklung von Karsthohlräumen in Echtzeit zu überwachen und eine Frühwarnung vor Karstböden zu geben, die kurz vor dem Einsturz stehen.The present invention discloses a real-time monitoring and early warning system for karst collapse based on MEMS sensors, which includes a series of multi-cascade connection lines, a data line, a data statistics module, a coordinate display module, an algorithm calculation module, and a monitoring and alarm module. The data statistics module includes a MEMS sensor, a pressure sensor, among others. The coordinate display module matches the coordinate information of the monitored area with the coordinate information hidden in each sensor, determines whether the MEMS sensor is faulty, and displays the position in the form of an image. The algorithm calculation module takes the real-time tilt and acceleration information received from the data statistics module and calculates it using a time domain integration algorithm. The monitoring and alarm module determines whether the real-time data of the sensor and the calculated data exceed the critical value, and at the same time sends out geological disaster warning information. The real-time karst collapse monitoring and warning system and method using the above-described structure of the present invention is capable of monitoring the development of karst cavities in real time and providing early warning of karst soils that are about to collapse.

Description

Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage_V505792 von MEMS-SensorenA real-time monitoring and early warning system for karst collapse based on MEMS sensors

Technischer BereichTechnical part

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Karstsenkungs-Messtechnik und insbesondere auf ein Karstsenkungs-Bodenloch-Überwachungs- und Frühwarnsystem zurThe present invention relates to the field of karst subsidence measurement technology and in particular to a karst subsidence bottom hole monitoring and early warning system for

Messung der Veränderung der Tiefenverschiebung innerhalb des Bodenkôrpers.Measurement of the change in depth displacement within the soil body.

Technologie im HintergrundTechnology in the background

Derzeit konzentriert sich die in- und ausländische Forschung zur Karstsenkungskatastrophe vor allem auf folgende Aspekte: (1) Erkundung der Bedingungen für die Entwicklung vonAt present, domestic and foreign research on karst subsidence disaster mainly focuses on the following aspects: (1) Exploring the conditions for the development of

Karstsenkungen; (2) Erforschung des Prozesses, des Mechanismus und der kritischenKarst subsidence; (2) Investigation of the process, mechanism and critical

Bedingungen für die Entwicklung von Karstsenkungen; (3) Aufbau einer grundlegendenConditions for the development of karst subsidence; (3) Establishment of a basic

Datenbank über Karstsenkungen; (4) Vorhersage der Gefahr von Karstsenkungen undDatabase on karst subsidence; (4) Prediction of the risk of karst subsidence and

Risikobewertung; und (5) Vorhersage und Frühwarnung bei Karstsenkungen.risk assessment; and (5) prediction and early warning of karst subsidence.

Die Entwicklung von Karstsenkungen ist aufgrund der UngleichmäBigkeit derThe development of karst subsidence is due to the unevenness of the

Karstentwicklung und des zyklischen Einflusses des Karstwassers komplizierter und hat dieKarst development and the cyclical influence of karst water and has made the

Merkmale der Verbergung im Raum, des kumulativen Entwicklungsprozesses und des plôtzlichenCharacteristics of concealment in space, the cumulative development process and the sudden

Auftretens von Senkungen, was die Uberwachungsarbeit mit vielen Problemen konfrontiert, und es ist im Allgemeinen schwierig, die Senkungen mit konventionellen Mitteln am Boden vorherzusagen und zu überwachen.occurrence of subsidence, which poses many problems for monitoring work, and it is generally difficult to predict and monitor subsidence by conventional means on the ground.

Die Entstehung und Entwicklung von Karstsenkungen ist ein komplexer Prozess, der von einer Vielzahl von Faktoren gesteuert und beeinflusst wird, was die Verhinderung und Kontrolle von Senkungen erschwert. Die Entstehung und Entwicklung von Bodensenkungen ist das Ergebnis einer Kombination aus menschlichen Aktivitäten und natürlichen Finflüssen. In den letzten Jahren hat das häufige Auftreten von Karstsenkungsunfällen in der Gesellschaft groBe Besorgnis ausgelöst, und es kommt zu Karstsenkungen in bewohnten Gebieten, die die Sicherheit von Leben und Eigentum, den Städtebau und sogar die wirtschaftliche Entwicklung ernsthaft gefährden. FürThe formation and development of karst subsidence is a complex process controlled and influenced by a variety of factors, which makes it difficult to prevent and control subsidence. The formation and development of land subsidence is the result of a combination of human activities and natural influences. In recent years, the frequent occurrence of karst subsidence accidents has caused great concern in society, and karst subsidence occurs in populated areas, seriously endangering the safety of life and property, urban construction and even economic development.

Karstsenkungen, die bereits aufgetreten sind und wahrscheinlich anhalten oder wieder auftreten werden, sowie für solche, die wahrscheinlich auftreten werden, ist es notwendig, geeigneteFor karst subsidence that has already occurred and is likely to continue or recur, as well as for those that are likely to occur, it is necessary to develop suitable

Methoden für die langfristige Echtzeit-Überwachung, Frühwarnung und andere Arbeiten einzusetzen.To use methods for long-term real-time monitoring, early warning and other work.

Die Überwachungsmethoden für Karstsenkungen lassen sich in eine direkte und eine indirekte Überwachungsmethode unterteilen. Die direkte Überwachungsmethode ist die Methode zur Beurteilung von Bodensenkungen durch direkte Überwachung der Verformung des unterirdischen Bodenkörpers, und die indirekte Überwachungsmethode überwacht hauptsächlich die dynamische Veränderung des Wasser- und Gasdrucks im Karstleitungssystem, und diesesThe monitoring methods for karst subsidence can be divided into direct monitoring method and indirect monitoring method. The direct monitoring method is the method of judging land subsidence by directly monitoring the deformation of the underground soil body, and the indirect monitoring method mainly monitors the dynamic change of water and gas pressure in the karst pipeline system, and this

Patent zielt genau darauf ab, die Überwachung und Frühwarnung von Karstsenkungen durch die direkte Überwachungsmethode zu erreichen. Da die Überwachung von Gebäudefundamenten inPatent aims precisely at achieving the monitoring and early warning of karst subsidence through the direct monitoring method. Since the monitoring of building foundations in

Karstgebieten und in Gebieten, die von Karstsenkungen bedroht sind, erforderlich ist, ist einekarst areas and in areas threatened by karst subsidence, a

Überwachung der Fundamente erforderlich. Gegenwärtig wird durch die Untersuchung derMonitoring of the foundations is required. Currently, the investigation of the

Entstehungsarten von Bodenlöchern gezeigt, dass Karstbodenlöcher durch die drei Wege der submersen Erosion, des Austretens von Sandpartikeln bzw. des Verlusts von weichem Boden in untergetauchte Bodenlöcher, Sandleckbodenlöcher und Mudflow-Bodenlöcher verwandelt werden können.Formation modes of bottom holes showed that karst bottom holes can be transformed into submerged bottom holes, sand leak bottom holes and mudflow bottom holes through the three pathways of submerged erosion, sand particle leakage and soft soil loss, respectively.

Inhalt der ErfindungContent of the invention

Die vorliegende Erfindung, um die Mängel der bestehenden Technologie zu lösen, bietet einThe present invention, to solve the deficiencies of the existing technology, provides a

Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS$US05792Real-time monitoring and early warning system for karst collapse based on MEMS$US05792

Sensoren, die vor allem nutzt die Lage Winkel der MEMS-Sensoren und die Änderung derSensors that mainly uses the location angle of the MEMS sensors and the change of

Erddruck zu beurteilen, die Entwicklung und die Bildung von verschiedenen Arten von KarstEarth pressure to assess the development and formation of different types of karst

Boden Hohlräume, so dass die Wirkung der Überwachung und Frühwarnung zu erreichen.Soil voids, so as to achieve the effect of monitoring and early warning.

Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage vonA real-time monitoring and early warning system for karst collapse based on

MEMS-Sensoren, umfassend:MEMS sensors, including:

Eine Anzahl von Multi-Kaskaden-Verbindungsleitungen und Datenleitungen, die im überwachten Gebiet in einem verteilten Zustand vergraben sind, und Echtzeit-Übertragung vonA number of multi-cascade interconnection lines and data lines buried in the monitored area in a distributed state, and real-time transmission of

Lageänderungen und Dateninformationen der MEMS-Sensoren an einen Computer derPosition changes and data information from the MEMS sensors to a computer in the

Uberwachungs- und Warnzentrale.Monitoring and warning center.

Eine Anzahl von MEMS-Sensoren und Drucksensoren, wobei die beiden Geräte durch einA number of MEMS sensors and pressure sensors, with the two devices connected by a

Kolloid miteinander verbunden sind, zur Echtzeitüberwachung der Verschiebung und dercolloidally connected to each other for real-time monitoring of the displacement and

Druckänderungen innerhalb des Bodenkörpers eines Karstkollaps-Bodenlochs, wenn es sich bildet.Pressure changes within the soil body of a karst collapse bottom hole as it forms.

Jeder MEMS-Sensor und Drucksensor ist mit einer eindeutigen ID-Nummer versehen, und jede ID-Nummer-Adresse entspricht der Tiefe des Ortes, an dem der MEMS-Sensor und derEach MEMS sensor and pressure sensor is assigned a unique ID number, and each ID number address corresponds to the depth of the location where the MEMS sensor and the

Drucksensor vergraben sind.Pressure sensor is buried.

Eine Reihe von Kommunikationsanschliissen, eine Seite mit mehrerenA series of communication ports, a page with several

Kaskadenverbindungen und Datenleitungsverbindungen und eine Seite, die mit einem Computer für die Echtzeiteingabe von Sensorinformationen verbunden ist.Cascade connections and data line connections and a side connected to a computer for real-time input of sensor information.

Computer des Uberwachungs- und Warnzentrums zum Empfangen von Echtzeit-Monitoring and warning center computer for receiving real-time

Dateninformationen, die von den MEMS-Sensoren gesendet werden, zum Berechnen derData information sent by the MEMS sensors to calculate the

Bodenverschiebung und der Druckänderung jeder erhaltenen Überwachungsvorrichtung, zumground displacement and pressure change of each monitoring device received, for

Einrichten einer Echtzeit-Informationsdatenbank und zum Kombinieren der Verformungsdaten des Bodeneinsturzes, die in dem physikalischen Einsturzmodelltest erhalten wurden, zumEstablish a real-time information database and combine the ground collapse deformation data obtained in the physical collapse model test to

Durchführen einer Echtzeit-Überwachung und Warnung nach dem Berechnen des kritischenPerform real-time monitoring and alerting after calculating the critical

Verformungswertes der Überwachungsvorrichtung;Deformation value of the monitoring device;

Der Rahmenschlitz, der in einem verteilten Zustand in dem überwachten Bereich vergraben ist, ist im Inneren eine Rahmenstruktur mit einem Aufnahmeraum zum Speichern von mehrerenThe frame slot, which is buried in a distributed state in the monitored area, is inside a frame structure with a receiving space for storing several

Kaskadenverbindungsdrähten und Datendrähten und hat polierte glatte Drahtlöcher an den linken und rechten Enden davon zum Führen von Drähten. Der Rahmenkanal ist mit den MEMS-cascade connection wires and data wires and has polished smooth wire holes at the left and right ends thereof for guiding wires. The frame channel is provided with the MEMS

Sensoren verbunden, und die Länge der Verbindung wird durch die Größe des Bodenlochs bestimmt, das durch die am Überwachungsort durchgeführte Bodenuntersuchung ermittelt wurde.sensors, and the length of the connection is determined by the size of the soil hole determined by the soil survey conducted at the monitoring site.

Vorzugsweise sind die mehrstufige Anschlussleitung und die Datenleitung mit dem MEMS-Preferably, the multi-stage connection cable and the data cable are connected to the MEMS

Sensor bzw. dem Drucksensor verbunden.Sensor or pressure sensor.

Vorzugsweise ist an der Schnittstelle der mehrstufigen Verbindungsleitung und derPreferably, at the interface of the multi-stage connecting line and the

Datenleitung eine wasserdichte Plattierungsschicht angebracht.A waterproof plating layer is applied to the data cable.

Vorzugsweise ist das MEMS-Sensormodell WT901C-485Preferably, the MEMS sensor model WT901C-485

Vorzugsweise ist das Drucksensormodell AT81Preferably the pressure sensor model AT81

Vorzugsweise ist der Kommunikationsanschluss ein USB-Extender, der mit mehrerenPreferably, the communication port is a USB extender that can be connected to several

MEMS-Sensoren und Drucksensoren extern an denselben Computer angeschlossen werden kann.MEMS sensors and pressure sensors can be connected externally to the same computer.

Optimalerweise umfasst der Computer des Überwachungs- und Warnzentrums:Ideally, the monitoring and warning center computer includes:

Ein Datenstatistikmodul, das die empfangenen Beschleunigungs-, Zeit-, Winkel-, Druckwerte und andere Informationen, die von jedem Sensor übertragen werden, aufnimmt, eineA data statistics module that records the received acceleration, time, angle, pressure and other information transmitted by each sensor, a

Informationsdatenbank einrichtet, einen Datentrendbericht erzeugt und die Daten an eininformation database, generates a data trend report and sends the data to a

Koordinatenanzeige- und Datenverarbeitungsmodul überträgt. Gleichzeitig werden diecoordinate display and data processing module. At the same time, the

Beschleunigungs- und Druckwerte jedes MEMS-Sensors beurteilt, und wenn der Warnwért/505792 überschritten wird, wird er an das Überwachungs- und Alarmierungsmodul übertragen.Acceleration and pressure values of each MEMS sensor are assessed and if the warning value/505792 is exceeded, it is transmitted to the monitoring and alarm module.

Das Koordinatenanzeigemodul setzt die Koordinateninformationen des überwachtenThe coordinate display module sets the coordinate information of the monitored

Bereichs mit den Koordinateninformationen jedes vergrabenen Sensors in Beziehung. Über dasarea with the coordinate information of each buried sensor.

Datenstatistikmodul wird festgestellt, ob der MEMS-Sensor defekt ist, und die Koordinaten werden in Form eines Bildes angezeigt. Anhand der vom Datenstatistikmodul übermitteltenThe data statistics module determines whether the MEMS sensor is defective and displays the coordinates in the form of an image. Based on the data transmitted by the data statistics module,

Neigungsinformationen wird der Zustand des Sensors ermittelt und der Einsturz des Bodenkörpers beurteilt.Using inclination information, the condition of the sensor is determined and the collapse of the soil body is assessed.

Das Algorithmus-Berechnungsmodul, das die vom Datenstatistikmodul empfangenenThe algorithm calculation module that processes the data received from the data statistics module

Echtzeit-Neigungs- und Beschleunigungsinformationen nimmt und sie durch denReal-time inclination and acceleration information and passes it through the

Zeitbereichsintegrationsalgorithmus berechnet, wie in Bild 2 gezeigt, um den Druckwert des überwachten Bereichs und die Verschiebung des Sensors aufgrund des Einsturzes abzuleiten. DieTime domain integration algorithm is calculated as shown in Figure 2 to derive the pressure value of the monitored area and the displacement of the sensor due to the collapse. The

Verdrangung wird wie folgt berechnet: (I) Vorverarbeitung der Beschleunigung: Der Fehler der Beschleunigungseliminierung berücksichtigt die Bewegungseigenschaften des Bodenkôrpers innerhalb des Karsteinsturzes, und das Beschleunigungssignal wird in drei Phasen unterteilt, d.h. stabil, beschleunigt und glatt, und der Durchschnittswert der Abtastpunkte in den drei Phasen wird berechnet: a= nn a, (1)Displacement is calculated as follows: (I) Preprocessing of acceleration: The acceleration elimination error takes into account the motion characteristics of the soil body within the karst collapse, and the acceleration signal is divided into three phases, i.e. stable, accelerated and smooth, and the average value of the sampling points in the three phases is calculated: a= nn a, (1)

In der obigen Gleichung (1) steht N für die Anzahl der Erfassungspunkte, a, für die erfasstenIn the above equation (1), N stands for the number of detection points, a for the detected

Beschleunigungssignale und a, für den dreistufigen Abtastmittelwert.Acceleration signals and a, for the three-stage sampling average.

Subtrahiert man die Beschleunigung jeder Stufe vom Durchschnittswert dieser Stufe, so erhält man die anfängliche Entfernung der Gleichstromkomponente von a, =a, —a(k =1,2,3-—N) 2)Subtracting the acceleration of each stage from the average value of that stage gives the initial distance of the DC component of a, =a, —a(k =1,2,3-—N) 2)

In der obigen Gleichung (2) ist a, die Beschleunigung, bei der die Gleichstromkomponente zunächst entfernt wurde. (IT) Entfernung der Basisauslenkung: Wenn festgestellt wird, dass die Basis des MEMS-In the above equation (2), a is the acceleration at which the DC component was initially removed. (IT) Base deflection removal: If it is found that the base of the MEMS

Sensors während der Kollabierbewegung ausgelenkt wird, muss die regionalesensor is deflected during the collapse movement, the regional

Schwerkraftbeschleunigungskomponente subtrahiert werden, um die Beschleunigung ohneGravity acceleration component must be subtracted to obtain the acceleration without

Basisauslenkung zu erhalten: a,-g sin 6 a,-g sine de = es = Views ©To obtain the base deflection: a,-g sin 6 a,-g sine de = es = Views ©

In der obigen Gleichung (3): a, ist die Beschleunigungsaufzeichnung zur Beseitigung derIn the above equation (3): a, is the acceleration recording to eliminate the

Basisablenkung in horizontaler Richtung; die Einsturzneigung ist ©; g ist diebase deflection in horizontal direction; the collapse inclination is ©; g is the

Gravitationsbeschleunigung. (IID) Eliminierung des Trendterms im Zeitbereich: Der Trendterm im Zeitbereich wird bei derGravitational acceleration. (IID) Elimination of the trend term in the time domain: The trend term in the time domain is

Polynomanpassung durch die Methode der kleinsten Quadrate entfernt. Für Polynome: x, =b, +bx+b,x* ++ b x" (m=1,2,3-—7) (4)Polynomial fitting by least squares removed. For polynomials: x, =b, +bx+b,x* ++ b x" (m=1,2,3-—7) (4)

In der obigen Gleichung (4) ist m der Koeffizient des hôchstwertigen Terms des Polynoms, b; (m=1,2,3,......, m) ist der Polynomkoeffizient und x,, ist der angepasste Trendterm.In equation (4) above, m is the coefficient of the most significant term of the polynomial, b; (m=1,2,3,......, m) is the polynomial coefficient and x,, is the fitted trend term.

Die Koeffizienten b von x, werden nach der Methode der zu bestimmenden Koeffizienten so bestimmt, dass die Summe der Quadrate der Fehler des Polynoms und desThe coefficients b of x are determined by the method of coefficients to be determined so that the sum of the squares of the errors of the polynomial and the

Beschleunigungssignals a, minimiert wird, d.h.:acceleration signal a, is minimized, i.e.:

mink = EE, Om — a)? (5505/92mink = EE, Om — a)? (5505/92

In der obigen Gleichung (5): E ist der Minimalwert der GleichungIn the above equation (5): E is the minimum value of the equation

Wenn mit extremen Werten zufrieden, b, für Polynom-Koeffizienten, die partiellenIf satisfied with extreme values, b, for polynomial coefficients, the partial

Ableitungen 2 = 0, um ein System von (m+1) Element lineare Gleichungen zu erhalten, kannDerivatives 2 = 0 to obtain a system of (m+1) element linear equations,

J das System der Gleichungen zu lösen, um die Bedingungen der (m+1) Koeffizienten bestimmt werden b,(j=1,2,3 ......m) zu erfüllen erhalten. (IV) Zeitbereichsintegrationsalgorithmus zur Berechnung von Geschwindigkeits- undJ to solve the system of equations to satisfy the conditions of (m+1) coefficients b,(j=1,2,3 ......m) are obtained. (IV) Time domain integration algorithm for calculating speed and

Verschiebungssignalen: Das Simpsonsche (Simpson) Gesetz wird zur Integration derDisplacement signals: Simpson’s law is used to integrate the

Beschleunigungs- und Geschwindigkeitszeitskala verwendet: v(t) = ve —1y+ WD + 40) + a+) —_ Ha (6)Acceleration and velocity time scale used: v(t) = ve —1y+ WD + 40) + a+) —_ Ha (6)

In der obigen Gleichung (6): a(t) ist das Beschleunigungssignal nach der Vorverarbeitung und der Verarbeitung der Basisablenkung; v(t) ist das Geschwindigkeitssignal, wobei t=0,1,2, ......N-1,In the above equation (6): a(t) is the acceleration signal after preprocessing and processing of the base deflection; v(t) is the velocity signal, where t=0,1,2, ......N-1,

At die Abtastzeit ist. s@= sh + HERDED a (7)At is the sampling time. s@= sh + HERDED a (7)

In der obigen Gleichung (7): s(t) ist das Wegsignal.In the above equation (7): s(t) is the path signal.

Berechnen Sie die Energie der Geschwindigkeits- und Verschiebungssignale:Calculate the energy of the velocity and displacement signals:

N-1 N-1N-1 N-1

SZ OT Sm 2 SO ®SZ OT Sm 2 SO ®

In der obigen Gleichung (8) sind v, und S, die Geschwindigkeits- bzw.In the above equation (8), v, and S, are the velocity and speed respectively.

Verschiebungsenergie.Displacement energy.

Die integrale Energie wird nach Entfernung des Trendterms mit der Methode der kleinstenThe integral energy is calculated after removing the trend term using the method of least

Quadrate berechnet:Squares calculated:

N-1 N-N-1 N-

Vy = V2 (1)? S, = >, s(t)? (9)Vy = V2 (1)? S, = >, s(t)? (9)

In der obigen Gleichung (9) sind v, und S, jeweils die integrale Energie nach Entfernung des Trendterms.In equation (9) above, v, and S, are the integral energy after removing the trend term, respectively.

Stellen Sie den Energieverlust für die Geschwindigkeits- und Wegsignale nach Entfernung des Trendterms dar: (1) S(f) ( ) V.v, SS, ( )Describe the energy loss for the velocity and distance signals after removing the trend term: (1) S(f) ( ) V.v, SS, ( )

In der obigen Gleichung (10) sind v(f) und S(#) die verfügbaren Geschwindigkeits- bzw.In the above equation (10), v(f) and S(#) are the available speed and velocity values, respectively.

Wegsignale.Way signals.

Das Uberwachungs- und Alarmmodul vergleicht die empfangenenThe monitoring and alarm module compares the received

Echtzeitdateninformationen vom Sensor und die Verschiebungsdaten vom Algorithmus-Real-time data information from the sensor and the displacement data from the algorithm

Berechnungsmodul mit dem vom System eingestellten Datenschwellenwert, stellt fest, ob dieCalculation module with the data threshold set by the system, determines whether the

Echtzeitdaten vom Sensor den Schwellenwert überschreiten, macht eine Vorhersage der geologischen Katastrophe, die auftreten wird, und sendet gleichzeitig eine geologischeReal-time data from the sensor exceeds the threshold, makes a prediction of the geological disaster that will occur and simultaneously sends a geological

Katastrophenwarnmeldung aus.Disaster warning message.

Mit der Annahme der oben genannten technischen Lösung führt die vorliegende Erfindurtg/ 505792 im Vergleich zum Stand der Technik eine Echtzeit-Überwachung der Bodenverformung in dem von Karstsenkungen bedrohten Gebiet durch, indem MEMS-Sensoren und Drucksensoren auf einer Vielzahl von Überwachungsbändern in dem überwachten Gebiet vergraben werden und 5 Beschleunigungs- und Druckinformationen des Bodens in dem Uberwachungsabschnitt gesammelt werden. Auf der Grundlage der Überwachungsinformationen wird im Computer desBy adopting the above-mentioned technical solution, the present invention, in comparison with the prior art, carries out real-time monitoring of the ground deformation in the area threatened by karst subsidence by burying MEMS sensors and pressure sensors on a plurality of monitoring bands in the monitored area and collecting 5 acceleration and pressure information of the ground in the monitoring section. Based on the monitoring information, the computer of the

Überwachungs- und Frühwarnzentrums eine Informationsdatenbank eingerichtet, einMonitoring and Early Warning Centre, an information database was set up, a

Datentrendbericht erstellt und die Überwachung und Frühwarnung von Karstsenkungen durchData trend report prepared and monitoring and early warning of karst subsidence by

Vergleich mit den kritischen Daten der Bodensenkungen, die im physikalischenComparison with the critical data of ground subsidence recorded in the physical

Senkungsmodellversuch ermittelt wurden, realisiert.Subsidence model test were realized.

Beschreibung der beigefügten ZeichnungenDescription of the attached drawings

Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung des Anschlusses der Vorrichtung der vorliegendenFigure 1 shows a schematic diagram of the connection of the device of the present

Erfindunginvention

Bild 2 zeigt ein schematisches Diagramm des Zeitbereichsintegrationsalgorithmus in derFigure 2 shows a schematic diagram of the time domain integration algorithm in the

VerschiebungsberechnungsmethodeDisplacement calculation method

Bild 3 zeigt ein schematisches Diagramm der Sensorgrundauslenkung bei derFigure 3 shows a schematic diagram of the basic sensor deflection at the

AuslenkungsberechnungsmethodeDeflection calculation method

Bild 4 zeigt ein schematisches Diagramm des Sensors in einem untergetauchten Bodenloch in einem physikalischen ModellversuchFigure 4 shows a schematic diagram of the sensor in a submerged bottom hole in a physical model test

Bild 5 zeigt ein schematisches Diagramm des Sensors in einem sanduhrförmigen Bodenloch in einem physikalischen Modellversuch.Figure 5 shows a schematic diagram of the sensor in an hourglass-shaped hole in the ground in a physical model experiment.

Bild 6 zeigt ein schematisches Diagramm des Sensors in einem Erdloch vom Typ Mudflow in einem physikalischen Modelltest.Figure 6 shows a schematic diagram of the sensor in a mudflow borehole in a physical model test.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Echtzeit-Überwachungs- undThe present invention is a real-time monitoring and

Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, wie in Bild 1 dargestellt, das eine Reihe von Multi-Kaskaden-Verbindungsleitungen und Datenleitungen umfasst, die in einem verteilten Zustand im überwachten Bereich vergraben sind, undKarst collapse early warning system based on MEMS sensors as shown in Figure 1, which includes a series of multi-cascade interconnection lines and data lines buried in a distributed state in the monitored area, and

Echtzeitinformationen wie Lagewinkel, Beschleunigung, Zeit usw. der MEMS-Geräte an einenReal-time information such as attitude angle, acceleration, time, etc. of the MEMS devices to a

Kommunikationsanschluss und dann an einen Computer des Uberwachungs- undCommunication port and then to a computer of the monitoring and

Frühwarnzentrums überträgt.Early Warning Center.

Der Computer des Überwachungs- und Warnzentrums zum Empfangen von Echtzeit-The monitoring and warning center computer for receiving real-time

Dateninformationen, die von der Überwachungsvorrichtung gesendet werden, zum Berechnen derData information sent by the monitoring device to calculate the

Bodenverschiebung und der Druckänderung jeder erhaltenen Überwachungsvorrichtung, zumground displacement and pressure change of each monitoring device received, for

Einrichten einer Echtzeit-Informationsdatenbank und zum Kombinieren der Verformungsdaten des Bodeneinsturzes, die in dem physikalischen Einsturzmodelltest erhalten wurden, zumEstablish a real-time information database and combine the ground collapse deformation data obtained in the physical collapse model test to

Durchführen einer Echtzeit-Überwachung und Warnung nach dem Berechnen des kritischenPerform real-time monitoring and alerting after calculating the critical

Geländeverformungswertes der Überwachungsvorrichtung;Terrain deformation value of the monitoring device;

Der Computer der Überwachungs- und Warnzentrale umfasst:The monitoring and warning center computer includes:

Ein Datenstatistikmodul, das die empfangenen Beschleunigungs-, Zeit-, Winkel- undA data statistics module that calculates the received acceleration, time, angle and

Druckinformationen, die von jedem MEMS-Sensor und Drucksensor übertragen werden, aufzeichnet, eine Datenbank mit den Informationen aufbaut, einen Datentrendbericht erstellt und die Daten an ein Koordinatenanzeige- und Datenverarbeitungsmodul überträgt. Gleichzeitig werden die Beschleunigungs- und Druckwerte der einzelnen Sensoren ausgewertet und beiRecords pressure information transmitted from each MEMS sensor and pressure sensor, builds a database with the information, creates a data trend report and transmits the data to a coordinate display and data processing module. At the same time, the acceleration and pressure values of the individual sensors are evaluated and

Überschreitung der Warnwerte an das Überwachungs- und Alarmmodul übermittelt.Exceedance of the warning values is transmitted to the monitoring and alarm module.

Das Koordinatenanzeigemodul setzt die Koordinateninformationen des überwachten/>05792The coordinate display module sets the coordinate information of the monitored/>05792

Bereichs mit den Koordinateninformationen jedes vergrabenen Sensors in Beziehung. Über dasarea with the coordinate information of each buried sensor.

Datenstatistikmodul wird festgestellt, ob die MEMS-Sensoren defekt sind, und die Daten werden in Form eines Bildes angezeigt. Anhand der vom Datenstatistikmodul übermitteltenThe data statistics module determines whether the MEMS sensors are defective and displays the data in the form of an image. Based on the data transmitted by the data statistics module,

Neigungsinformationen wird der Zustand des Sensors bestimmt und dann der Einsturz desTilt information is used to determine the state of the sensor and then the collapse of the

Bodenkörpers beurteilt.soil body is assessed.

Das Algorithmus-Berechnungsmodul, das die vom Datenstatistikmodul empfangenenThe algorithm calculation module that processes the data received from the data statistics module

Echtzeit-Neigungs- und Beschleunigungsinformationen nimmt und sie durch denReal-time inclination and acceleration information and passes it through the

Zeitbereichsintegrationsalgorithmus berechnet, wie in Abb. 2 gezeigt, um den Druckwert des überwachten Bereichs und die Verschiebung des Sensors aufgrund des Einsturzes abzuleiten. DieTime domain integration algorithm calculated as shown in Fig. 2 to derive the pressure value of the monitored area and the displacement of the sensor due to the collapse. The

Auslenkung wird wie folgt berechnet: (I) Vorverarbeitung der Beschleunigung: Der Fehler der Beschleunigungseliminierung berücksichtigt die Bewegungseigenschaften des Bodenkörpers innerhalb des Karsteinsturzes, und das Beschleunigungssignal wird in drei Phasen unterteilt, d.h. stabil, beschleunigt und glatt, und der Durchschnittswert der Abtastpunkte in den drei Phasen wird berechnet: a= nn a, (1)Displacement is calculated as follows: (I) Acceleration preprocessing: The acceleration elimination error takes into account the motion characteristics of the soil body within the karst collapse, and the acceleration signal is divided into three phases, i.e., stable, accelerated and smooth, and the average value of the sampling points in the three phases is calculated: a= nn a, (1)

In der obigen Gleichung (1) steht N für die Anzahl der Erfassungspunkte, a, für die erfasstenIn the above equation (1), N stands for the number of detection points, a for the detected

Beschleunigungssignale und a, für den dreistufigen Abtastmittelwert.Acceleration signals and a, for the three-stage sampling average.

Subtrahiert man die Beschleunigung jeder Stufe vom Durchschnittswert dieser Stufe, so erhält man die anfängliche Entfernung der Gleichstromkomponente von a, =a, —a(k =1,2,3-—N) 2)Subtracting the acceleration of each stage from the average value of that stage gives the initial distance of the DC component of a, =a, —a(k =1,2,3-—N) 2)

In der obigen Gleichung (2) ist a, die Beschleunigung, bei der die Gleichstromkomponente zunächst entfernt wurde. (IT) Entfernung der Basisauslenkung: Wenn festgestellt wird, dass die Basis des MEMS-In the above equation (2), a is the acceleration at which the DC component was initially removed. (IT) Base deflection removal: If it is found that the base of the MEMS

Sensors während der Kollabierbewegung ausgelenkt wird, muss die regionalesensor is deflected during the collapse movement, the regional

Schwerkraftbeschleunigungskomponente subtrahiert werden, um die Beschleunigung ohneGravity acceleration component must be subtracted to obtain the acceleration without

Basisauslenkung zu erhalten: a,-g sin 6 a,-g sine de = es = Views ©To obtain the base deflection: a,-g sin 6 a,-g sine de = es = Views ©

In der obigen Gleichung (3): a, ist die Beschleunigungsaufzeichnung zur Beseitigung derIn the above equation (3): a, is the acceleration recording to eliminate the

Basisablenkung in horizontaler Richtung; die Einsturzneigung ist 6; g ist diebase deflection in horizontal direction; the collapse inclination is 6; g is the

Gravitationsbeschleunigung. (IID) Eliminierung des Trendterms im Zeitbereich: Der Trendterm im Zeitbereich wird bei derGravitational acceleration. (IID) Elimination of the trend term in the time domain: The trend term in the time domain is

Polynomanpassung durch die Methode der kleinsten Quadrate entfernt. Für Polynome: x, =b, +bx+b,x* ++ b x" (m=1,2,3-—) (4)Polynomial fitting by least squares removed. For polynomials: x, =b, +bx+b,x* ++ b x" (m=1,2,3-—) (4)

In der obigen Gleichung (4) ist m der Koeffizient des hôchstwertigen Terms des Polynoms, b; (m=1,2,3,......; m) ist der Polynomkoeffizient und x,, ist der angepasste Trendterm.In equation (4) above, m is the coefficient of the most significant term of the polynomial, b; (m=1,2,3,......; m) is the polynomial coefficient and x,, is the fitted trend term.

Die Koeffizienten b von x, werden nach der Methode der zu bestimmenden Koeffizienten so bestimmt, dass die Summe der Quadrate der Fehler des Polynoms und desThe coefficients b of x are determined by the method of coefficients to be determined so that the sum of the squares of the errors of the polynomial and the

Beschleunigungssignals a, minimiert wird, d.h.: minE = Der (x, — ap)? (5)acceleration signal a, is minimized, i.e.: minE = Der (x, — ap)? (5)

In der obigen Gleichung (5): E ist der Minimalwert der GleichungIn the above equation (5): E is the minimum value of the equation

; _ LU505792; _ LU505792

Wenn mit extremen Werten zufrieden, b, für Polynom-Koeffizienten, die partiellenIf satisfied with extreme values, b, for polynomial coefficients, the partial

Ableitungen 2 = 0, um ein System von (m+1) Element lineare Gleichungen zu erhalten, kannDerivatives 2 = 0 to obtain a system of (m+1) element linear equations,

J das System der Gleichungen zu lösen, um die Bedingungen der (m+1) Koeffizienten bestimmt werden b,(=1,2,3......m) zu erfüllen erhalten. (IV) Zeitbereichsintegrationsalgorithmus zur Berechnung von Geschwindigkeits- undJ to solve the system of equations to satisfy the conditions of (m+1) coefficients b,(=1,2,3......m) are obtained. (IV) Time domain integration algorithm for calculating speed and

Verschiebungssignalen: Das Simpsonsche (Simpson) Gesetz wird zur Integration derDisplacement signals: Simpson’s law is used to integrate the

Beschleunigungs- und Geschwindigkeitszeitskala verwendet: vo =v LEDER AD as (6)Acceleration and velocity time scale used: vo =v LEDER AD as (6)

In der obigen Gleichung (6): a(t) ist das Beschleunigungssignal nach der Vorverarbeitung und der Verarbeitung der Basisablenkung; v(t) ist das Geschwindigkeitssignal, wobei t=0,1,2, ......N-1,In the above equation (6): a(t) is the acceleration signal after preprocessing and processing of the base deflection; v(t) is the velocity signal, where t=0,1,2, ......N-1,

At die Abtastzeit ist. s@= sh + HERDED a mAt is the sampling time. s@= sh + HERDED a m

In der obigen Gleichung (7): s(t) ist das Wegsignal.In the above equation (7): s(t) is the path signal.

Berechnen Sie die Energie der Geschwindigkeits- und Verschiebungssignale:Calculate the energy of the velocity and displacement signals:

SZ SE ®)SZ SE ®)

In der obigen Gleichung (8) sind v, und S, die Geschwindigkeits- bzw.In the above equation (8), v, and S, are the velocity and speed respectively.

Verschiebungsenergie.Displacement energy.

Die integrale Energie wird nach Entfernung des Trendterms mit der Methode der kleinstenThe integral energy is calculated after removing the trend term using the method of least

Quadrate berechnet:Squares calculated:

ET 8 = 0% ©)ET 8 = 0% ©)

In der obigen Gleichung (9) sind v, und S, jeweils die integrale Energie nach Entfernung des Trendterms.In equation (9) above, v, and S, are the integral energy after removing the trend term, respectively.

Stellen Sie den Energieverlust fir die Geschwindigkeits- und Wegsignale nach Entfernung des Trendterms dar: v(t) S(f)Determine the energy loss for the speed and distance signals after removing the trend term: v(t) S(f)

Wf) = — S(t) = — 10 ( ) V.v, SS, ( )Wf) = — S(t) = — 10 ( ) V.v, SS, ( )

In der obigen Gleichung (10) sind v(f) und S(#) die verfügbaren Geschwindigkeits- bzw.In the above equation (10), v(f) and S(#) are the available speed and velocity values, respectively.

Wegsignale.Way signals.

Das Uberwachungs- und Alarmmodul vergleicht die Echtzeitdateninformationen von den empfangenen Sensoren und die Verschiebungsdaten vom Algorithmus-Berechnungsmodul mit dem vom System festgelegten Datenschwellenwert, stellt fest, ob die Echtzeitdaten von denThe monitoring and alarm module compares the real-time data information from the received sensors and the displacement data from the algorithm calculation module with the data threshold set by the system, determines whether the real-time data from the

Sensoren den Schwellenwert überschreiten, macht eine Vorhersage der geologischen Katastrophe, die eintreten wird, und sendet gleichzeitig die geologische Katastrophenwarninformation aus.Sensors exceed the threshold, makes a prediction of the geological disaster that will occur and at the same time sends out the geological disaster warning information.

In der vorliegenden Erfindung umfasst der Sensor einen MEMS-Sensor und einenIn the present invention, the sensor comprises a MEMS sensor and a

Drucksensor, wobei das MEMS-Sensormodell WT901C-485 und das Drucksensormodell AT81 ist.Pressure sensor, where the MEMS sensor model is WT901C-485 and the pressure sensor model is AT81.

Das Frühwarnsystem der vorliegenden Erfindung verwendet ein Datenbankmanagemerkt/>05792 extrahiert und analysiert Daten aus jedem Überwachungsbereich und speichert sie in zweiThe early warning system of the present invention uses a database management system to extract and analyze data from each monitoring area and store it in two

Datenbanken auf einheitliche Weise, um verschiedene Arten von Überwachungsdaten vernünftig und effizient zu verwalten. Es verwaltet, speichert, analysiert und gibt diese Daten auf einheitlichedatabases in a unified manner to manage various types of monitoring data reasonably and efficiently. It manages, stores, analyzes and outputs these data in a unified

Weise aus und kombiniert sie mit den kritischen Daten des Einsturzes auf der gegenüberliegendenand combines it with the critical data of the collapse on the opposite

Seite, die im physikalischen Einsturzmodellversuch ermittelt wurden, um denPage, which were determined in the physical collapse model test to determine the

Überwachungsabschnitt in der Nähe der kritischen Daten genau zu bestimmen, damit beurteilt werden kann, ob ein Verformungsschaden des Bodenkörpers vorliegt, um eine Frühwarnung vor dem Bodeneinsturz zu geben.To accurately determine the monitoring section near the critical data to judge whether there is any deformation damage of the soil body to provide early warning of soil collapse.

Im Folgenden wird in Verbindung mit dem MEMS-Sensor-Überwachungs- und Warnsystem insbesondere das Überwachungsverfahren der Warnvorrichtung erläutert.In the following, in connection with the MEMS sensor monitoring and warning system, the monitoring method of the warning device is explained in particular.

A. Eine Vielzahl von Überwachungsgürteln wird im überwachten Bereich ausgewählt, undA. A variety of surveillance belts are selected in the monitored area, and

MEMS-Sensoren werden unter der Uberwachungsbodenlinie vergraben, und die MEMS-Sensoren erreichen eine Überwachung der Beschleunigung und Richtung des Bodenkôrpers in derMEMS sensors are buried under the monitoring soil line, and the MEMS sensors achieve monitoring of the acceleration and direction of the soil body in the

Uberwachungslinie, und die mehrfachen Kaskadenverbindungsdrähte übertragen diemonitoring line, and the multiple cascade connection wires transmit the

Echtzeitdaten von den MEMS-Sensoren an einen Uberwachungs- und Warnzentrum-Computer, und die MEMS-Sensoren werden die Daten an den Uberwachungs- und Warnzentrum-Computer mit der Frequenz übertragen, die durch 0,2 Sekunden berechnet wird,Real-time data from the MEMS sensors to a monitoring and warning center computer, and the MEMS sensors will transmit the data to the monitoring and warning center computer at the frequency calculated by 0.2 seconds,

B. Die MEMS-Sensoren haben sowohl auf der linken als auch auf der rechten SeiteB. The MEMS sensors have on both the left and right side

Rahmenschlitze, in denen die Multikaskaden-Verbindungsdrähte untergebracht sind, so dass sich die MEMS-Sensoren bei einem Karsteinsturz und der anfänglichen Bildung eines Erdlochs innerhalb des Bodenkôrpers in einer nach unten gerichteten Position befinden. Da derFrame slots in which the multi-cascade connecting wires are housed, so that the MEMS sensors are in a downward position during a karst collapse and the initial formation of a sinkhole within the soil body. Since the

Rahmenschlitz im Boden eingegraben ist, werden die Kaskadendrähte am äußeren Ende desframe slot is buried in the ground, the cascade wires are connected to the outer end of the

Rahmenschlitzes der Zugkraft im Boden ausgesetzt, und der MEMS-Sensor wird sich nicht nach unten bewegen. Wenn sich das Bodenloch bis zu einem bestimmten Bereich ausdehnt, wird derframe slot is subjected to the tensile force in the ground, and the MEMS sensor will not move downward. When the ground hole expands to a certain range, the

Multikaskaden-Verbindungsdraht nicht der Zugkraft im Boden ausgesetzt, und der MEMS-Sensor fällt nach unten. Die Hohe des durch den Karsteinsturz gebildeten Bodenlochs kann durch denMulti-cascade connecting wire is not subjected to the tensile force in the ground, and the MEMS sensor falls down. The height of the ground hole formed by the karst collapse can be determined by the

Zeitbereichsverschiebungsalgorithmus bekannt sein, und die Breite des durch den Karsteinsturz gebildeten Bodenlochs kann durch die Lange des Multikaskaden-Verbindungsdrahtes am äußerenTime domain shift algorithm, and the width of the bottom hole formed by the karst collapse can be determined by the length of the multi-cascade connecting wire at the outer

Ende des vorgebetteten Rahmenschlitzes bekannt sein.End of the pre-embedded frame slot must be known.

C. Vergleich der Echtzeit-Sensorverschiebungs- und -beschleunigungsdaten mit den kritischen Daten des Bodeneinbruchs, die aus dem voreingestellten physikalischenC. Comparison of real-time sensor displacement and acceleration data with the critical ground collapse data obtained from the preset physical

Einsturzmodelltest gewonnen wurden, Feststellung, ob die Echtzeitdaten des MEMS-Gyroskops den kritischen Wert überschreiten, Vorhersage der bevorstehenden geologischen Katastrophe und gleichzeitige Aussendung der Warninformationen über die geologische Katastrophe.collapse model test, determining whether the real-time data of the MEMS gyroscope exceeds the critical value, predicting the impending geological disaster, and simultaneously sending out the warning information about the geological disaster.

Im Folgenden wird ein Überwachungsverfahren der Warnvorrichtung in Verbindung mit einem Drucksensor-Überwachungs- und Warnsystem beschrieben.The following describes a monitoring method of the warning device in conjunction with a pressure sensor monitoring and warning system.

A. Mehrere Überwachungsbänder werden im Überwachungsbereich ausgewählt, und derA. Multiple monitoring bands are selected in the monitoring area, and the

Drucksensor wird über dem MEMS-Sensor montiert, und der Drucksensor realisiert diePressure sensor is mounted above the MEMS sensor, and the pressure sensor realizes the

Überwachung des Drucks im Uberwachungssegment. Die Datenleitung überträgt dieMonitoring the pressure in the monitoring segment. The data line transmits the

Echtzeitdaten vom Drucksensor an den Überwachungs- und Warncomputer.Real-time data from the pressure sensor to the monitoring and warning computer.

B. Anhand der über die Datenleitung übertragenen Echtzeit-Überwachungsdaten erstellt derB. Based on the real-time monitoring data transmitted via the data line, the

Computer der genannten Überwachungs- und Warnzentrale eine Informationsdatenbank und generiert Trendberichte über die Daten.Computers at the monitoring and warning center maintain an information database and generate trend reports on the data.

C. Wenn sich im tiefen Boden des Überwachungsabschnitts durch Erosion, Verlust vonC. If the deep soil of the monitoring section has been affected by erosion, loss of

Sandpartikeln und Verlust von weichem Boden ein Bodenloch bildet, ändert sich der Druckwert/>05792 des Drucksensors an seinem oberen Teil, und der Echtzeit-Druckwert wird mit den kritischenSand particles and loss of soft soil form a bottom hole, the pressure value/>05792 of the pressure sensor at its upper part changes, and the real-time pressure value is compared with the critical

Daten des Bodeneinbruchs verglichen, die bei dem voreingestellten physikalischen Modelltest ermittelt wurden, um festzustellen, ob sich hier ein Bodenloch bildet, und wenn es sich bildet, kann es genau beobachtet werden.Compared with ground collapse data obtained from the preset physical model test to determine if a ground sinkhole is forming here, and if it does form, it can be closely observed.

Physikalischer Modelltest eines Karstkollapses:Physical model test of a karst collapse:

Aufgrund der Vorteile von MEMS-Sensoren, wie z.B. geringes Gewicht, niedrigerDue to the advantages of MEMS sensors, such as low weight, low

Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit, hohe Empfindlichkeit, einfache Fernüberwachung und einzigartige verteilte Sensoreigenschaften. Die Anwendung von MEMS-Sensoren kann kontinuierlich die physikalischen Parameter innerhalb und außerhalb des Überwachungsabschnitts messen und gleichzeitig den Zustand der räumlichen Verteilung der gemessenen physikalischenPower consumption, high reliability, high sensitivity, easy remote monitoring and unique distributed sensing characteristics. The application of MEMS sensors can continuously measure the physical parameters inside and outside the monitoring section, while simultaneously monitoring the state of the spatial distribution of the measured physical

Parameter und die Informationen über die Veränderung mit der Zeit erhalten.parameters and the information about the change over time.

Durch den physikalischen Modelltest wird der gesamte Prozess der Karstentwicklung unter verschiedenen Bedingungen in Innenräumen reproduziert, und von da an wird die Beziehung zwischen Sensordruck, Verschiebung und Bodenverformung und -setzung hergestellt, um denThrough the physical model test, the whole process of karst development is reproduced under different indoor conditions, and from then on, the relationship between sensor pressure, displacement and soil deformation and settlement is established to determine the

Effekt der Frühwarnung zu erreichen.To achieve the early warning effect.

Aus der Analyse des physikalischen Modelltests lassen sich die folgenden Gesetze ableiten: (1) Wenn sich das Bodenloch entwickelt, wird der Druckwert des Drucksensors darin allmählich abnehmen, und wenn die Drucksensordaten 0 sind, kann die Bildung des Bodenlochs beurteilt werden. (2) Mit der weiteren Entwicklung des Bodenlochs wird der MEMS-Sensor im Inneren nicht durch die Spannung des umgebenden Bodens eingeschränkt und zeigt eine abwärts gerichteteFrom the analysis of the physical model test, the following laws can be derived: (1) As the bottom hole develops, the pressure value of the pressure sensor inside it will gradually decrease, and when the pressure sensor data is 0, the formation of the bottom hole can be judged. (2) With the further development of the bottom hole, the MEMS sensor inside is not constrained by the stress of the surrounding soil and shows a downward

Bewegung, und die endgültige vertikale Verschiebung ist im Wesentlichen die gleiche wie die quadratische integrale Verschiebung der Beschleunigung im Zeitbereich. (3) Aus der Sicht der Breite der Bodenlochbildung kann durch Einstellen des Abstands zwischen den beiden Rahmenschlitzen die Breite der Bodenlochbildung beurteilt und einmovement, and the final vertical displacement is essentially the same as the square integral displacement of the acceleration in the time domain. (3) From the perspective of the width of the bottom hole formation, by adjusting the distance between the two frame slots, the width of the bottom hole formation can be judged and a

Warnwert festgelegt werden. (4) Wenn die Z-Achsen-Beschleunigung des MEMS-Sensors 0,9 g überschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass die Entwicklung des Bodenlochs abgeschlossen ist und der Warnwert, der durch den Bodenlocheinsturz festgelegt wurde, erreicht ist.(4) When the Z-axis acceleration of the MEMS sensor exceeds 0.9g, it can be considered that the development of the bottom hole is completed and the warning value set by the bottom hole collapse is reached.

Die obigen Ausführungsbeispiele dienen nur zur Veranschaulichung des technischenThe above examples are only intended to illustrate the technical

Programms der vorliegenden Erfindung, ohne es einzuschränken, und jede Abänderung des oben beschriebenen Programms auf der Grundlage der technischen Substanz der vorliegendenprogram of the present invention without limiting it, and any modification of the program described above based on the technical substance of the present

Erfindung oder ein gleichwertiger Austausch und eine Änderung einiger technischer Merkmale fallen in den Schutzbereich des Programms der vorliegenden Erfindung.Invention or an equivalent replacement and a modification of some technical features fall within the scope of the program of the present invention.

Claims (6)

Ansprüche LU505792Claims LU505792 1. Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Anzahl von Multikaskaden- Verbindungsleitungen und Datenleitungen, eine Anzahl von MEMS-Sensoren und Drucksensoren, eine Rahmennut, die die Multikaskaden-Verbindungsleitungen enthält, einen Kommunikationsanschluss und einen Computer des Uberwachungs- und Frühwarnzentrums umfasst. Der Computer der Uberwachungs- und Warnzentrale umfasst ein Datenstatistikmodul, ein Koordinatenanzeigemodul, ein Algorithmus-Berechnungsmodul und ein Überwachungs- und Alarmierungsmodul. Das Datenstatistikmodul ist mit dem Kommunikationsanschluss verbunden.1. A real-time karst collapse monitoring and early warning system based on MEMS sensors, characterized in that it comprises a number of multi-cascade connection lines and data lines, a number of MEMS sensors and pressure sensors, a frame groove containing the multi-cascade connection lines, a communication port, and a monitoring and early warning center computer. The monitoring and warning center computer includes a data statistics module, a coordinate display module, an algorithm calculation module, and a monitoring and alarming module. The data statistics module is connected to the communication port. 2. Ein Echtzeit-Uberwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die MEMS-Sensoren, Drucksensoren, jeder der MEMS-Sensoren und Drucksensoren mit einer eindeutigen ID-Nummer versehen sind, und jede ID-Nummer-Adresse der Tiefe der Position entspricht, in der die MEMS- Sensoren und Drucksensoren vergraben sind.2. A real-time karst collapse monitoring and early warning system based on MEMS sensors according to claim 1, characterized in that the MEMS sensors, pressure sensors, each of the MEMS sensors and pressure sensors is provided with a unique ID number, and each ID number address corresponds to the depth of the position at which the MEMS sensors and pressure sensors are buried. 3. Ein Echtzeit-Uberwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmenschlitz, der im Inneren eine Rahmenstruktur mit Aufnahmeraum für eine Multikaskaden-Verbindungsleitung und eine Datenleitung ist, an seinen linken und rechten Enden mit polierten glatten Leitungslôchern zur Befestigung einer Ubertragungsleitung versehen ist. Der Abstand zwischen dem Rahmenschlitz und den MEMS-Sensoren wird durch die Größe des Bodenlochs bestimmt, das durch die an der Überwachungsstelle durchgeführte Bodenuntersuchung festgestellt wird.3. A real-time karst collapse monitoring and early warning system based on MEMS sensors according to claim 1, characterized in that the frame slot, which is a frame structure with an accommodation space for a multi-cascade connection line and a data line inside, is provided with polished smooth line holes at its left and right ends for fixing a transmission line. The distance between the frame slot and the MEMS sensors is determined by the size of the ground hole determined by the ground survey conducted at the monitoring site. 4. Ein Echtzeit-Uberwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, gekennzeichnet durch MEMS-Sensoren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: 1) Auswahl einer Vielzahl von Überwachungsgürteln im überwachten Bereich, Vergraben von MEMS-Sensoren unter der Überwachungsbodenlinie, die MEMS-Sensoren realisieren die Überwachung der Beschleunigung und der Richtung des Bodenkörpers in der Überwachungslinie, und die Multi-Kaskaden-Verbindungslinie überträgt die Echtzeitdaten von den MEMS-Sensoren an den Computer des Überwachungs- und Warnzentrums, und die MEMS-Sensoren werden die Daten an den Computer des Überwachungs- und Warnzentrums mit der Frequenz übertragen, die mit der Rate von 0,2 Sekunden berechnet wird; (2) Es gibt Rahmenschlitze auf der linken und rechten Seite der MEMS-Sensoren, um die Kaskaden-Verbindungsleitungen zu speichern, so dass die MEMS-Sensoren in einer Abwärtsbewegung sind, wenn ein Karstkollaps auftritt und sich zunächst ein Bodenloch im Bodenkörper bildet. Da der vergrabene Rahmenschlitz im Bodenkörper vergraben ist, werden die Kaskadendrähte, die am äußeren Ende des Rahmenschlitzes getragen werden, der Zugkraft im Boden ausgesetzt und die MEMS-Sensoren bewegen sich nicht nach unten, während die Kaskadendrähte, wenn sich das Bodenloch bis zu einem bestimmten Bereich ausdehnt, nicht der Zugkraft im Boden ausgesetzt werden und die MEMS-Sensoren nach unten fallen werden. Die Höhe des durch den Karsteinsturz entstandenen Erdlochs kann durch den Zeitbereichsverschiebungsalgorithmus bestimmt werden, und die Breite des durch den Karsteinsturz entstandenen Erdlochs kann durch die Länge des vorvergrabenen Multikaskaden- Verbindungsdrahtes am äußeren Ende des Rahmenschlitzes bestimmt werden. (3) Vergleich der Echtzeit-Bodenbelastungsdaten mit den kritischen Daten des4. A real-time karst collapse monitoring and early warning system based on MEMS sensors, characterized by MEMS sensors, the method comprising the steps of: 1) selecting a plurality of monitoring belts in the monitored area, burying MEMS sensors under the monitoring soil line, the MEMS sensors realize the monitoring of the acceleration and direction of the soil body in the monitoring line, and the multi-cascade connection line transmits the real-time data from the MEMS sensors to the computer of the monitoring and warning center, and the MEMS sensors will transmit the data to the computer of the monitoring and warning center at the frequency calculated at the rate of 0.2 seconds; (2) There are frame slots on the left and right sides of the MEMS sensors to store the cascade connecting lines, so that when a karst collapse occurs and a soil hole is initially formed in the soil body, the MEMS sensors are in a downward movement. Because the buried frame slot is buried in the soil body, the cascade wires supported at the outer end of the frame slot will be subjected to the tensile force in the soil and the MEMS sensors will not move downward, while when the soil hole expands to a certain range, the cascade wires will not be subjected to the tensile force in the soil and the MEMS sensors will fall downward. The height of the soil hole formed by the karst collapse can be determined by the time domain shift algorithm, and the width of the soil hole formed by the karst collapse can be determined by the length of the pre-buried multi-cascade connecting wire at the outer end of the frame slot. (3) Comparison of real-time soil load data with the critical data of the Bodeneinsturzes, die aus dem vorgegebenen physikalischen Einsturzmodelltest gewonnen wurden) 505792 Feststellung, ob die Echtzeitdaten des MEMS-Gyroskops den kritischen Wert überschreiten, Vorhersage der eintretenden geologischen Katastrophe und gleichzeitige Versendung der Warninformationen über die geologische Katastrophe.ground collapse data obtained from the specified physical collapse model test) 505792 Determining whether the real-time data of the MEMS gyroscope exceeds the critical value, predicting the onset of the geological disaster, and simultaneously sending the warning information of the geological disaster. 5. Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, gekennzeichnet durch einen Drucksensor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: 1) Auswahl mehrerer Überwachungsbänder im Überwachungsbereich, der Drucksensor wird über dem MEMS-Sensor installiert, und der Drucksensor realisiert die Überwachung des Drucks im Überwachungsabschnitt. Eine Datenleitung überträgt Echtzeitdaten vom Drucksensor an einen Überwachungs- und Warncomputer. (2) Anhand der über die Datenleitung übertragenen Echtzeit-Überwachungsdaten erstellt der besagte Computer der Überwachungs- und Warnzentrale eine Informationsdatenbank und generiert Datentrendberichte. (3) Wenn der tiefe Boden im Abschnitt der Überwachung durch Erosion, Verlust von Sandpartikeln und Verlust von weichem Boden Löcher bildet, ändert sich der Druckwert des Drucksensors an seinem oberen Teil. Der Echtzeit-Druckwert wird mit den kritischen Daten des Bodeneinbruchs verglichen, die aus dem voreingestellten physikalischen Modelltest gewonnen wurden, um festzustellen, ob sich hier ein Erdloch gebildet hat, und wenn es sich gebildet hat, kann es genau überwacht werden.5. A real-time monitoring and early warning system for karst collapse based on MEMS sensors, characterized by a pressure sensor, the method comprising the steps of: (1) selecting a plurality of monitoring bands in the monitoring section, the pressure sensor is installed above the MEMS sensor, and the pressure sensor realizes monitoring of pressure in the monitoring section. A data line transmits real-time data from the pressure sensor to a monitoring and warning computer. (2) According to the real-time monitoring data transmitted through the data line, the said computer of the monitoring and warning center establishes an information database and generates data trend reports. (3) When the deep soil in the monitoring section forms holes due to erosion, loss of sand particles and loss of soft soil, the pressure value of the pressure sensor at its upper part changes. The real-time pressure value is compared with the critical ground collapse data obtained from the preset physical model test to determine whether a sinkhole has formed here, and if it has formed, it can be closely monitored. 6. Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Sensor, der intern Beschleunigungssignale sammelt, die Verschiebung des Sensors in der Drei-Achsen-Richtung durch Integration der Beschleunigungssignale im Zeitbereich erhalten kann. Die Auslenkung wird wie folgt berechnet: (I) Vorverarbeitung der Beschleunigung: Der Fehler der Beschleunigungseliminierung berücksichtigt die Bewegungseigenschaften des Bodenkörpers innerhalb des Karsteinsturzes, und das Beschleunigungssignal wird in drei Phasen unterteilt, d.h. stabil, beschleunigt und glatt, und der Durchschnittswert der Abtastpunkte in den drei Phasen wird berechnet: LY a ow In der obigen Gleichung (1) steht N für die Anzahl der Erfassungspunkte, a, für die erfassten Beschleunigungssignale und a, für den dreistufigen Abtastmittelwert. Subtrahiert man die Beschleunigung jeder Stufe vom Durchschnittswert dieser Stufe, so erhält man die anfängliche Entfernung der Gleichstromkomponente von a! = a, —a(k =1,2,3--+-N) 2) In der obigen Gleichung (2) ist a; die Beschleunigung, bei der die Gleichstromkomponente zunächst entfernt wurde. (II) Entfernung der Basisauslenkung: Wenn festgestellt wird, dass die Basis des MEMS- Sensors während der Kollabierbewegung ausgelenkt wird, muss die regionale Schwerkraftbeschleunigungskomponente subtrahiert werden, um die Beschleunigung ohne Basisauslenkung zu erhalten: a,-gsin6 a,-gsin6 a =e = Viento © In der obigen Gleichung (3): a, ist die Beschleunigungsaufzeichnung zur Beseitigung der6. A real-time karst collapse monitoring and early warning system based on MEMS sensors according to claim 4, characterized in that the MEMS sensor which internally collects acceleration signals can obtain the displacement of the sensor in the three-axis direction by integrating the acceleration signals in the time domain. The displacement is calculated as follows: (I) Acceleration preprocessing: The acceleration elimination error takes into account the motion characteristics of the soil body within the karst collapse, and the acceleration signal is divided into three phases, i.e., stable, accelerated and smooth, and the average value of the sampling points in the three phases is calculated: LY a ow In the above equation (1), N represents the number of detection points, a, represents the detected acceleration signals, and a, represents the three-stage sampling average. Subtracting the acceleration of each stage from the average value of that stage gives the initial removal of the DC component of a! = a, —a(k =1,2,3--+-N) 2) In the above equation (2), a; is the acceleration at which the DC component was initially removed. (II) Removal of the base deflection: If the base of the MEMS sensor is found to be deflected during the collapse motion, the regional gravity acceleration component must be subtracted to obtain the acceleration without base deflection: a,-gsin6 a,-gsin6 a =e = Viento © In the above equation (3): a, is the acceleration record for removing the Basisablenkung in horizontaler Richtung; die Einsturzneigung ist 0; g ist dt&}05792 Gravitationsbeschleunigung. (IID) Eliminierung des Trendterms im Zeitbereich: Der Trendterm im Zeitbereich wird bei der Polynomanpassung durch die Methode der kleinsten Quadrate entfernt.Base deflection in the horizontal direction; the collapse tendency is 0; g is dt&}05792 gravitational acceleration. (IID) Elimination of the trend term in the time domain: The trend term in the time domain is removed in the polynomial fitting by the least squares method. Für Polynome: x, = D, HD X HD x) +: 4+b„ x" (m=1,2,3--7) (4) In der obigen Gleichung (4) ist m der Koeffizient des höchstwertigen Terms des Polynoms, b; (m=1,2,3,......, m) ist der Polynomkoeffizient und x,, ist der angepasste Trendterm.For polynomials: x, = D, HD X HD x) +: 4+b„ x" (m=1,2,3--7) (4) In the above equation (4), m is the coefficient of the most significant term of the polynomial, b; (m=1,2,3,......, m) is the polynomial coefficient and x,, is the fitted trend term. Die Koeffizienten b von x, werden nach der Methode der zu bestimmenden Koeffizienten so bestimmt, dass die Summe der Quadrate der Fehler des Polynoms und des Beschleunigungssignals a, minimiert wird, d.h.: minE = Yi, (nm — A)“ 6) In der obigen Gleichung (5): E ist der Minimalwert der Gleichung Wenn mit extremen Werten zufrieden, b, für Polynom-Koeffizienten, die partiellen Ableitungen = = 0, um ein System von (m+1) Element lineare Gleichungen zu erhalten, kann J das System der Gleichungen zu lösen, um die Bedingungen der (m+1) Koeffizienten bestimmt werden b ,(G=1,2,3......m) zu erfüllen erhalten. (IV) Zeitbereichsintegrationsalgorithmus zur Berechnung von Geschwindigkeits- und Verschiebungssignalen: Das Simpsonsche (Simpson) Gesetz wird zur Integration der Beschleunigungs- und Geschwindigkeitszeitskala verwendet: vo =v LEDER AD as (6) In der obigen Gleichung (6): a(t) ist das Beschleunigungssignal nach der Vorverarbeitung und der Verarbeitung der Basisablenkung; v(t) ist das Geschwindigkeitssignal, wobei t=0,1,2, ..... N-1, At die Abtastzeit ist. s()=s@-1)+ PTS x At (7) In der obigen Gleichung (7): s(t) ist das Wegsignal.The coefficients b of x, are determined by the method of coefficients to be determined so that the sum of the squares of the errors of the polynomial and the acceleration signal a, is minimized, i.e.: minE = Yi, (nm — A)" 6) In the above equation (5): E is the minimum value of the equation If satisfied with extreme values, b, for polynomial coefficients, the partial derivatives = = 0, to obtain a system of (m+1) element linear equations, J can be obtained to solve the system of equations to satisfy the conditions of the (m+1) coefficients to be determined b ,(G=1,2,3......m). (IV) Time domain integration algorithm for calculating velocity and displacement signals: Simpson's law is used to integrate the acceleration and velocity time scale: vo =v LEDER AD as (6) In the above equation (6): a(t) is the acceleration signal after preprocessing and base deflection processing; v(t) is the velocity signal, where t=0,1,2, ..... N-1, At is the sampling time. s()=s@-1)+ PTS x At (7) In the above equation (7): s(t) is the displacement signal. Berechnen Sie die Energie der Geschwindigkeits- und Verschiebungssignale: Vv, = JE, v09 S, => sy (8) In der obigen Gleichung (8) sind v, und S, die Geschwindigkeits- bzw.Calculate the energy of the velocity and displacement signals: Vv, = JE, v09 S, => sy (8) In the above equation (8), v, and S, are the velocity and displacement signals, respectively. Verschiebungsenergie.Displacement energy. Die integrale Energie wird nach Entfernung des Trendterms mit der Methode der kleinsten Quadrate berechnet: N-1 N-1 VE OS = se) ©) In der obigen Gleichung (9) sind v, und S, jeweils die integrale Energie nach Entfernung des Trendterms.The integral energy is calculated after removing the trend term using the least squares method: N-1 N-1 VE OS = se) ©) In the above equation (9), v, and S, are the integral energy after removing the trend term, respectively. Stellen Sie den Energieverlust für die Geschwindigkeits- und Wegsignale nach Entfernung des Trendterms dar:Determine the energy loss for the speed and distance signals after removing the trend term: S(t) LU505792 v(t) = — S(t) = — 10 ( ) V.v, SS, ( ) In der obigen Gleichung (10) sind v(f) und S(#) die verfügbaren Geschwindigkeits- bzw.S(t) LU505792 v(t) = — S(t) = — 10 ( ) V.v, SS, ( ) In the above equation (10), v(f) and S(#) are the available speed and speed coefficients, respectively. Wegsignale.Way signals.
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