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地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

來源:中網(wǎng)動力(北京)科技發(fā)展有限公司   2022年01月06日 12:03  

1、系統(tǒng)概述

1.png

        我國幅員遼闊,地質(zhì)地貌復雜,氣候類型多樣,自然災(zāi)害隱患多,分布廣,是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一。我國地質(zhì)災(zāi)害主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、沉降、地裂縫等,具有分布廣泛、活動頻繁、危害嚴重的特點。因此通過合理布設(shè)監(jiān)測點,監(jiān)測坡體表面位移、內(nèi)部形變、地表裂縫、地下水位、孔隙水壓力、降雨量、土壤含水量、次聲、泥水位、巖石裂縫等參數(shù),形成整體的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng),結(jié)合深度學習、大數(shù)據(jù)處理算法,建立地質(zhì)災(zāi)害預測模型,搭建地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警系統(tǒng),確保危險區(qū)域發(fā)生災(zāi)害前及時有效的應(yīng)急響應(yīng),保障人民的生命財產(chǎn)安全。

圖1  地質(zhì)災(zāi)害示意圖(需要重新設(shè)計)
2、系統(tǒng)組成
  整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示五個部分組成,如圖所示:
(1)數(shù)據(jù)感知:GNSS、沉降儀、孔隙水壓計、滲壓計、泥水位計、裂縫計、測斜儀、降雨(雪)、次聲、土壤水分等參數(shù);
(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):包括數(shù)據(jù)采集器、供電系統(tǒng)、避雷裝置、結(jié)構(gòu)件;
(3)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng):數(shù)據(jù)可通過4G模塊、天通一號衛(wèi)星模塊、北斗短報文模塊、Lora模塊等多種傳輸方式;
(4)數(shù)據(jù)存儲與計算:包括網(wǎng)關(guān)、防火墻、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器和數(shù)據(jù)運算服務(wù);
(5)數(shù)據(jù)展示:現(xiàn)場通過全彩LED大屏顯示數(shù)據(jù)、圖片與視頻,遠程大數(shù)據(jù)平臺可以對數(shù)據(jù)進行實時展示、曲線顯示、報表分析;
圖2  系統(tǒng)組成
3、系統(tǒng)特點
(1)模塊化設(shè)計,系統(tǒng)配置靈活:系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計可任意組合,根據(jù)需要增減傳感器種類和傳感器數(shù)量,兼容多種傳輸方式,供電系統(tǒng)根據(jù)需求配置,多個采集器可級聯(lián)使用;
(2)多種通訊模式,數(shù)據(jù)*傳輸:可采用4G模塊、衛(wèi)星模塊、loar、有限等多種數(shù)據(jù)傳輸方式,確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠傳輸;
(3)低功耗設(shè)計,多種供電方式:觀測站采市電、太陽能/蓄電池以及市電+太陽能三種供電方式,保證系統(tǒng)在無電地區(qū)常年穩(wěn)定工作;
(4)四種展示形式,數(shù)據(jù)實時查詢:可在現(xiàn)場通過采集器自帶的觸摸屏查看數(shù)據(jù),LED大屏幕展示數(shù)據(jù),互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺瀏覽數(shù)據(jù),手機APP隨時隨地下載數(shù)據(jù);
(5)工業(yè)化設(shè)計,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠:采用了防雷、抗電磁干擾電路設(shè)計,安裝避雷裝置確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行;

4、應(yīng)用場景
  系統(tǒng)可用于山體滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降監(jiān)測。


圖3  災(zāi)害場景
5、監(jiān)測參數(shù)與監(jiān)測方法

圖4  監(jiān)測方法
       監(jiān)測參數(shù)包括表面位移、內(nèi)部變形、孔隙水壓力、地下水位、地表裂縫、巖石裂縫、泥水位、降雨量監(jiān)測、次聲監(jiān)測、土壤水分、視頻。
圖5  監(jiān)測參數(shù)
5.1表面位移
  壩體表面位置及變化速率(平面位移和垂直沉降),確定大壩整體位移和變形的情況是確定壩體安全性的重要指標。表面位移常用的監(jiān)測采用GNSS和沉降儀進行監(jiān)測。
(1)GNSS測量
  GNSS采用北斗、GPS、GLONASS等衛(wèi)星導航系統(tǒng),通過高精度定位解算,可實現(xiàn)毫米級精確定位,可對壩體實現(xiàn)高精度的位移形變監(jiān)測。

圖6  地表形變監(jiān)測示意圖
工作原理
  各北斗監(jiān)測點與參考點接收機實時接收北斗信號,并通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到控制中心,控制中心服務(wù)器北斗數(shù)據(jù)處理軟件解算出各監(jiān)測點三維坐標,數(shù)據(jù)分析模塊獲取各監(jiān)測點三維坐標,并與初始坐標進行對比而獲得該監(jiān)測點變化量。
技術(shù)參數(shù)
(2)沉降儀
   液壓式沉降儀是用于長期監(jiān)測構(gòu)筑物內(nèi)外部的沉降,廣泛適用大壩、橋梁、邊坡、地基、公路路堤、工民用建筑等,以及回填土體的內(nèi)、外部沉降變形的監(jiān)測。液壓式沉降儀分辨率高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快,輸出信號為 RS485 數(shù)字量,同步測量埋設(shè)點的溫度。

圖7  地面沉降監(jiān)測示意圖
工作原理
   當傳感器和儲液罐之間的高差產(chǎn)生變化時,傳感器感應(yīng)膜上的壓力同時產(chǎn)生變化,壓力使感應(yīng)膜的全橋硅片發(fā)生形變,形變轉(zhuǎn)化的電信號經(jīng)電纜傳輸至采集裝置,即可測出觀測點的沉降變化量。傳感器與儲液罐由通液管相通,傳感器所受的壓力與到儲液罐液面的高度有關(guān)。儲液罐自帶硅壓傳感器,測量儲液罐內(nèi)液位的變化量,用以修正測量點的測量值。
技術(shù)參數(shù)

(3)拉線位移傳感器
  
拉線位移傳感器用于野外環(huán)境的主要用于地表位移監(jiān)測。壩體位移是大壩自動監(jiān)測的重點內(nèi)容。
工作原理
   將機械位移量轉(zhuǎn)換成可計量的、成線性比例的電信號。當被測物體產(chǎn)生位移時,拉動與其相連接的傳感器繩索,繩索帶動傳感器傳動機構(gòu)與編碼器同步轉(zhuǎn)動;當位移反向移動時,傳感器內(nèi)部的自動回旋裝置將自動收回繩索,并在繩索伸收過程中保持其張力不變;從而輸出一個與繩索移動量成正比例的電信號。

圖8  水平位移監(jiān)測示意圖
5.2內(nèi)部變形
   串聯(lián)式固定測斜儀主要用于長期自動監(jiān)測大壩、深基坑、邊坡、地基、建筑橋梁、船泊平臺等水平位移及傾角。通過鉆孔方式,將測斜探頭通過連桿方式埋入地下,測建船泊,平臺,筑物和橋梁則直接將探頭固定在被測點上,當基坑、邊坡、地基,橋梁和建筑物產(chǎn)生形變或船泊平臺傾斜時,測斜探頭隨之傾斜,可精確測出水平位移量或傾角,在鉆孔內(nèi)安裝多只測斜儀可以更加準確的監(jiān)測建筑物的變形情況。本儀器通過大量工程檢驗,測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,操作簡便,適合各種環(huán)境,是目前專用的測斜儀器。

圖9  內(nèi)部形變監(jiān)測示意圖
技術(shù)參數(shù)

5.3孔隙水監(jiān)測
 
飽和上受荷載后首先產(chǎn)生的是孔隙水壓力的變化,隨后才是顆粒的團結(jié)變形,孔隙水壓力的變化是土體運動的前兆。孔隙水壓力的變化會引起巖土體的位移變化因此監(jiān)測孔隙水壓力的變化有效預防災(zāi)害的發(fā)生。
圖10  孔隙水和地下水監(jiān)測示意圖
5.4地下水監(jiān)測
  近年來由于地下水長期影響造成的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象頻頻出現(xiàn),降落漏斗、地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷、海水入侵、水質(zhì)污染等在造成恐慌的同時,提醒著人們對地下水監(jiān)測的全面性、準確性還有很大的提高空間。該系統(tǒng)采用滲壓計對地下水進行監(jiān)測。
5.5裂縫監(jiān)測
  在混凝土硬化過程中,由于混凝土脫水,引起收縮,或者受溫度高低的溫差影響,引起脹縮不均勻而產(chǎn)生的裂縫。在土木工程質(zhì)量檢測中常使用測縫儀(測縫計)進行監(jiān)測,測縫儀(測縫計)適用于長期埋設(shè)在水工建筑物或其它混凝土建筑物內(nèi)或表面,測量結(jié)構(gòu)物伸縮縫或周邊縫的開合度(變形),并可同步測量埋設(shè)點的溫度。

圖11  裂縫監(jiān)測示意圖
技術(shù)參數(shù)
5.6泥水位監(jiān)測
   利用電磁波雷達測距原理,在泥石流的流通渠上方加裝電磁波雷達物位計對泥石流溝內(nèi)的泥水位進行監(jiān)測,該傳感器量程可達70米,其測量的泥水位數(shù)據(jù)直觀可靠,可作為泥石流災(zāi)害預警的可靠依據(jù)。
圖 12 泥水位監(jiān)測示意圖
技術(shù)參數(shù)

5.7降雨量監(jiān)測
   降雨量自動化監(jiān)測采用翻斗式雨量計傳感器進行監(jiān)測。雨水由承水器收集—經(jīng)過進水閥—進入貯水室—水位上升—浮子上升—傳感器讀取數(shù)據(jù)—微機控制電路輸出無源脈沖。
5.8視頻監(jiān)測
  視頻用于監(jiān)測閘門運行狀態(tài)、水庫水雨情實況、大壩周邊環(huán)境等
5.9 土壤含水量監(jiān)測
  土壤含水率主要反映土體中的水分含量,土壤含水率變化會導致土體自重、土體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角的變化,從而改變土體內(nèi)部力學平衡結(jié)構(gòu),是滑坡監(jiān)測的重要參考依據(jù)。采用在監(jiān)測點土體內(nèi)部埋設(shè)土壤含水率傳感器的方法,通過與現(xiàn)場采集傳輸設(shè)備的配合實現(xiàn)土壤含水率的監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。
圖13  土壤含水量監(jiān)測示意圖

5.10地聲/次聲監(jiān)測
   地聲/次聲傳感器,其通過捕捉、滑坡、泥石流、崩塌地源的地聲/次聲信號,進行實時監(jiān)測并及時預警。


圖14 次聲監(jiān)測示意圖
6、大數(shù)據(jù)平臺
   大數(shù)據(jù)平臺操作簡潔,容易上手。支持監(jiān)測數(shù)據(jù)的查看,處理,分析,評價,管理等需求。為每個客戶分配權(quán)限,安全可靠,用戶可登陸系統(tǒng)查看下載數(shù)據(jù),登錄界面如圖所示:
(1)地理信息系統(tǒng)
   將監(jiān)測站采集的氣象、水質(zhì)、水文、環(huán)保、路面狀態(tài)等數(shù)據(jù)匯入系統(tǒng)。對數(shù)據(jù)的分類存儲、顯示、管理。實現(xiàn)地理信息、數(shù)據(jù)、基本信息和進行關(guān)聯(lián),地理信息界面見圖:
(2)數(shù)據(jù)查詢與分析
   以不同的索引查看實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及曲線,監(jiān)測結(jié)果可瀏覽和下載,支持數(shù)據(jù)上傳功能,數(shù)據(jù)實時顯示、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示、列表顯示查詢界面如圖:
(3)遠程視頻查看與控制
    可遠程通過視頻查看現(xiàn)場狀態(tài),調(diào)整攝像頭角度,選裝、鏡頭變焦。界面如圖所示:


 

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