CN104616440A - 一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：包括：无线通讯连接的野外监测装置和室内监控装置；所述野外监测装置包括均与无线发射模块（1）相连的激光位移传感器（2）、雨量计（3）和应变计（4），所述激光位移传感器（2）包括相对设置的激光发射器（5）和激光接收器（6），所述无线发射模块（1）、雨量计（3）和激光接收器（6）均设置在稳定岩体上；所述激光发射器（5）设置于滑坡体（10）上；所述应变计（4）设置于泥石流易流经的地域。本发明提供的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，野外监测和室内监控相结合，采用多重预防预警措施，预防预警效果显著，能够满足偏远山区的泥石流预警需求。

Description

一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置

技术领域

本发明涉及一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，尤其涉及一种自动化、低成本、系统化的泥石流无线监测预防预警装置，属于无线监测预防预警技术领域。

背景技术

滑坡泥石流是山区、道路两侧、河谷两岸以及道路施工现场经常发生的地质灾害或工程地质灾害，爆发突然，伤害力巨大，治理和预测困难，如果预测不及时，会造成巨大的人员伤亡和物质损失。由于我国地形地貌、地质等泥石流形成的条件复杂，目前，对于泥石流的预报还只能做到区域性和大范围，对于单沟预报还无法做到。我国地质灾害预警系统尚不完善，很多地方预警方式主要是老百姓的群防群测的人海战术，耗费极大的人力物力，而且信息传送效率低。国家的专业监测队伍覆盖面非常小，无法缓解由于中国泥石流范围广，频率高带来的预警压力。

中国泥石流虽然复杂，对于某一地域的居民来说，只要重点监测一定数量的山坡即可保证居民安全。而由于范围小，较复杂的预警设备反而不易使用。因此，如果使用较简单的泥石流的自动化监测、预警系统，配合老百姓群测群防，则会大量减少人力支出，提高预警效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种野外监测和室内监控相结合的自动化泥石流无线监测预防预警装置；进一步地，提供一种多重预防预警措施相结合的，预防预警效果显著，安全性高的自动化的泥石流无线监测预防预警装置；更进一步地，提供一种设置有预警数学模型的自动化的泥石流无线监测预防预警装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：包括：无线通讯连接的野外监测装置和室内监控装置；

所述野外监测装置包括均与无线发射模块相连的激光位移传感器、雨量计和应变计，所述激光位移传感器包括相对设置的激光发射器和激光接收器，所述无线发射模块、雨量计和激光接收器均设置在稳定岩体上；所述激光发射器设置于滑坡体上；所述应变计设置于泥石流易流经的地域；

所述室内监控装置包括安装在建筑物高处的天线，所述天线与无线接收模块相连，所述无线接收模块与单片机通讯连接，所述单片机分别与声光报警模块和GSM短信模块通讯连接，所述GSM短信模块与政府工作人员及附件居民通讯连接；所述单片机还与计算机监控模块通讯连接。

所述单片机内设置有预警数学模型。

所述预警数学模型采用“灰色预测理论”，所述预警数学模型为GM(1,1)模型。

所述激光发射器采用5V半导体激光器发射；所述激光接收器为光敏三极管。

所述应变计为应变式冲击传感器，所述应变式冲击传感器包括应变片、钢板和信号处理器，所述应变片贴在所述钢板上，所述应变片与信号处理器电相连，所述钢板具有弹性，将所述钢板的一端水平砸入所述泥石流易流经的地域，当所述滑坡体滑落时冲击所述钢板，使位于所述钢板上的应变片发生变形，变形信号经所述信号处理器处理后传入所述室内监控装置。

所述无线发射模块使用太阳能电池板，配合蓄电池供电。

所述计算机监控模块通过单片机与所述无线接收模块通讯连接，通过所述计算机监控模块实时显示滑坡体位移情况，雨量信息以及应变计所受冲击情况。

所述泥石流易流经的地域包括山谷、陡坡或施工挖方处。

野外监测装置用以监测野外泥石流险情并将监测信号传输到所述室内监控装置。

室内监控装置能够接收野外监测信息，根据预定的预警数学模型对接收信号进行处理，得出险情状况并发送给政府相关部门和附近居民。

雨量计安装在稳定岩体上，用以监测雨量和降雨强度，连接单片机通过所述无线模块传输数据到室内监控装置。

激光位移传感器包括激光发射器和激光接收器，激光发射器安装在滑坡体上，采用5V半导体激光器发射；激光接收器安装在上部稳定岩体上，采用光敏三极管接收，激光发射器和激光接收器均与无线发射模块相连。

稳定岩体位于滑坡体的上方。

激光发射器的个数为至少一个。

太阳能电池板，配合蓄电池为无线发射模块供电，保证无线发射模块的大功率信号输出和长时间稳定工作。

无线接收模块可以接收野外滑坡体位移、应变计冲击信号和雨量信号，按照预定的预警数学模型经单片机处理后可以传送给其他模块。

所述声光报警模块可以以声音和闪烁灯光形式发出警报，提醒值班人员及时关注可能存在的险情，当出现紧急情况经值班人员确认后，所述GSM短信模块通过中国移动运营商的移动通讯网络，将滑坡体泥石流险情的地点和等级发生至政府相关部门和附近居民。

计算机监控模块与无线接收模块相连，可以实时显示滑坡体位移情况，雨量信息以及所述应变式冲击传感器所受冲击情况。

所述预警数学模型采用“灰色预测理论”，预报模型为GM(1,1)模型，GM(1,1)模型的预测步骤为：

(1)对位移子数列作一次累加生成的x⁽¹⁾(t)

x(1)＝[(x)(0)(1),x(0)(2),...,x(0)(N)]

$x\left(1\right)\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}x\left(0\right)t\left(K\right)$

(2)构造累加矩阵B与常数项向量Y_N

$B=\left\{\begin{array}{c}-\frac{1}{2}[x^{\left(1\right)}+\left(1\right)+x^{\left(1\right)}\left(2\right)]\\ -\frac{1}{2}[x^{\left(1\right)}\left(2\right)+x^{\left(1\right)}\left(3\right)]\\ ...\\ -\frac{1}{2}[x^{\left(1\right)}(N-1)+x^{\left(1\right)}\left(N\right)]\end{array}\right\}$

Y_N＝[x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3),...,x⁽⁰⁾(N)]^T

(3)用最小二乘法求解参数A

$A^{\mathrm{\Λ}}=\left[\begin{array}{c}a\\ u\end{array}\right]={\left(B^{T}B\right)}^{(-1)}{B}^T{Y}_N$

(4)将灰参数代入时间函数的预报模型

$x^{\mathrm{\Λ}\left(1\right)}(t+1)=\left[x^{\left(0\right)}\left(t\right)\frac{u}{a}\right]e^{-\mathrm{at}}+\frac{u}{a}$

x^Λ(0)(t+1)＝x^Λ(1)(t+1)-x^Λ(1)(t)

其中，上式x(t)为时间系列、t为时间、B为时间系列累加矩阵、Y_N为常数项向量、a为发展灰度、u为内生控制灰度、A为参数。

建立GM(1,1)模型，预测下一个值，将其结果再补充到数列之后，再去掉最前的一个数据。这样循环，逐个预测，直到完成预测目标为止。当预测值达到设定电极极限值后，室内监控装置将发生报警信息给居民和相关部门。

本发明的工作原理为：过量的降雨诱发山体滑坡，本发明在滑坡体上设立激光位移传感器和雨量计，收集泥石流信息，无线传输模块将监测信号传输到室内监控装置，室内单片机采用合适的数学模型对收集到的信息进行处理，当检测到的信号达到设定值时声光报警，提醒工作人员及时关注可能存在的险情。当出现紧急情况经工作人员确认后，再由GSM短信模块通过中国移动运营商的移动通讯网络，将滑坡泥石流险情信息发至政府相关部门和附近的居民，从而达到自动检测预报泥石流险情的目的。

本发明提供的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，使用激光发射器和光敏三极管组合的激光位移传感器监测滑坡体位移，具有较高的准确性，价格低廉，安装方便，节约能源；装置简单易用，能够实现对单一山坡的具体监控，实现泥石流的自动化监控、预警，能够满足偏远山区的泥石流预警需求，成本特别低，有利于推广，尤其在小范围夜间预警方面更能凸显优势；综合位移、雨量、应变等多种监测方式，使用计算机、单片机等信息处理技术，以及声音、激光、无线电、移动通讯等信息传输方式，综合性强，可靠性好；室内监控室可以记录泥石流冲击力曲线，为灾后信息采集，进一步提高泥石流预警水平提供一手数据。同时，利用多套本发明配合可靠的网络传输系统可组成“XX线沿途滑坡泥石流预警系统”，便于整体调度，避免安全事故；预警数学模型的引入，可快速准确预测计算每一个位移、雨量、应变参数，使预测结果更加科学可靠。本发明提供的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，野外监测和室内监控相结合，采用多重预防预警措施，预防预警效果显著，安全性高，能够满足偏远山区的泥石流预警需求。

附图说明

图1为本发明中野外监测装置的结构示意图；

图2为本发明中A部分滑坡体向下位移时的原理图；

图3为本发明中室内监控装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1～3所示，一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：包括：无线通讯连接的野外监测装置和室内监控装置；

所述野外监测装置包括均与无线发射模块1相连的激光位移传感器2、雨量计3和应变计4，所述激光位移传感器2包括相对设置的激光发射器5和激光接收器6，所述无线发射模块1、雨量计3和激光接收器6均设置在稳定岩体上；所述激光发射器5设置于滑坡体10上；所述应变计4设置于泥石流易流经的地域；

所述室内监控装置包括安装在建筑物高处的天线，所述天线与无线接收模块相连，所述无线接收模块与单片机通讯连接，所述单片机分别与声光报警模块和GSM短信模块通讯连接，所述GSM短信模块与政府工作人员及附件居民通讯连接；所述单片机还与计算机监控模块通讯连接。

所述单片机内设置有预警数学模型。

所述预警数学模型采用“灰色预测理论”，所述预警数学模型为GM(1,1)模型。

所述激光发射器5采用5V半导体激光器发射；所述激光接收器6为光敏三极管。

所述应变计4为应变式冲击传感器，所述应变式冲击传感器包括应变片7、钢板8和信号处理器，所述应变片7贴在所述钢板8上，所述应变片7与信号处理器电相连，所述钢板8具有弹性，将所述钢板8的一端水平砸入所述泥石流易流经的地域，当所述滑坡体10滑落时冲击所述钢板8，使位于所述钢板8上的应变片7发生变形，变形信号经所述信号处理器处理后传入所述室内监控装置。

所述无线发射模块1使用太阳能电池板9，配合蓄电池供电。

所述计算机监控模块通过单片机与所述无线接收模块通讯连接，通过所述计算机监控模块实时显示滑坡体10位移情况，雨量信息以及应变计4所受冲击情况。

所述泥石流易流经的地域包括山谷、陡坡或施工挖方处。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：包括：无线通讯连接的野外监测装置和室内监控装置；

所述野外监测装置包括均与无线发射模块（1）相连的激光位移传感器（2）、雨量计（3）和应变计（4），所述激光位移传感器（2）包括相对设置的激光发射器（5）和激光接收器（6），所述无线发射模块（1）、雨量计（3）和激光接收器（6）均设置在稳定岩体上；所述激光发射器（5）设置于滑坡体（10）上；所述应变计（4）设置于泥石流易流经的地域；

所述室内监控装置包括安装在建筑物高处的天线，所述天线与无线接收模块相连，所述无线接收模块与单片机通讯连接，所述单片机分别与声光报警模块和GSM短信模块通讯连接，所述GSM短信模块与政府工作人员及附件居民通讯连接；所述单片机还与计算机监控模块通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：所述单片机内设置有预警数学模型。

3.根据权利要求2所述的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：所述预警数学模型采用“灰色预测理论”，所述预警数学模型为GM（1,1）模型。

4.根据权利要求1所述的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：所述激光发射器（5）采用5V半导体激光器发射；所述激光接收器（6）为光敏三极管。

5.根据权利要求1所述的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：所述应变计（4）为应变式冲击传感器，所述应变式冲击传感器包括应变片（7）、钢板（8）和信号处理器，所述应变片（7）贴在所述钢板（8）上，所述应变片（7）与信号处理器电相连，所述钢板（8）具有弹性，将所述钢板（8）的一端水平砸入所述泥石流易流经的地域，当所述滑坡体（10）滑落时冲击所述钢板（8），使位于所述钢板（8）上的应变片（7）发生变形，变形信号经所述信号处理器处理后传入所述室内监控装置。

6.根据权利要求1所述的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：所述无线发射模块（1）使用太阳能电池板（9），配合蓄电池供电。

7.根据权利要求1所述的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：所述计算机监控模块通过单片机与所述无线接收模块通讯连接，通过所述计算机监控模块实时显示滑坡体（10）位移情况，雨量信息以及应变计（4）所受冲击情况。

8.根据权利要求1所述的一种自动化的泥石流无线监测预防预警装置，其特征在于：所述泥石流易流经的地域包括山谷、陡坡或施工挖方处。