基于自适应采集频率的危岩监测系统及其风险评估方法与流程

本发明涉及危岩监测技术领域，具体涉及一种基于自适应采集频率的危岩监测系统及其风险评估方法。

背景技术：

危岩广泛分布于我国的南方地区，严重威胁着人民的生命和财产安全。在危岩的监测技术中，主要的监测内容一般是地表形变和相关因素。变形监测一般是采集危岩体的表面位移信息，包括岩石的绝对和相对位移、岩石内部的水平位移和岩石倾斜度的变化；相关因素监测主要是其他能够引起崩塌的环境因素进行监测，危岩到崩塌的过程中影响作用最大的环境因素就是降雨量和温度。现阶段的危岩监测技术中，大部分是对单个监测内容进行监测，来分析危岩的状况，或者是对多个监测内容进行融合，综合对危岩的状态进行分析。针对危岩的实时状态监测，申请号：201510187618.8的专利公开了一种基于激光测距的危岩变形多点信息提取及报警系统，通过频率调节器以固有频率控制激光发射频率，测距传感器发射的激光通过折射透镜改变发射角度，激光射在危岩体上控制点反射装置后反射回测距传感器，测量信号通过数据采集仪读取并由数据记录仪记录，通过GPRS信号发射器发射到客户端服务器，该专利主要是注重进行形变测量，把激光测距运用到危岩形变监测。申请号：201510214600.2的专利公开了一种基于运动图像的危岩变形信息提取以及报警方法，通过使用运动图像处理技术来处理危岩运动变形的图像，结合图像处理和计算机视觉技术，模拟人的视觉功能，来得到危岩的变形信息以及实现智能预警功能。申请号：201210566779.4的专利公开了一种利用超声波来监测危岩体崩塌的装置，超声波发射器以及无线模块固定在危岩体的较稳定的一侧，而标靶则固定在裂缝滑移测危岩体上，通过检测超声波发生器发射的超声波的回波来监测裂缝的位移，同时使用多个超声波监测装置对危岩体裂缝的不同位置进行实时宽度信息采集，传输到主机进行分析。以上所述专利主要是对单一的危岩形变进行监测，通过形变来反应危岩情况，可以很好的辅助危岩预警活动，但是这些方法没有考虑到相关环境因素对危岩的影响以及相关数据采集频率的研究，且只是对危岩信息进行数据采集，没有根据数据对危岩的状态进行分析，因此上述技术不具有环境适应以及危岩风险评估能力。

在危岩监测技术中，降雨量和温度这两种环境因素是比较重要的监测内容，当降雨量发生增加时，危岩发生崩塌的可能性较大，岩石的信息数据变化较快，处于不稳定状态，这时需要进行频繁的数据采集来分析危岩的状态，当降雨量降低时，岩石的数据信息变化缓慢，这时为了降低功耗，则需要降低数据的采集频率，使用较低的采集频率就可以得到岩石的状态。数据采集完成以后需要根据当前环境条件确定岩石的风险状态，提供预警信息。

技术实现要素：

本申请通过提供一种基于自适应采集频率的危岩监测系统及其风险评估方法，对危岩周围的环境进行监测，并根据环境自适应的调整危岩状态数据的采集频率，然后根据采集到的数据信息进行危岩风险评估，在减低功耗的同时最大限度地对危岩状态进行监控。

本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于自适应采集频率的危岩监测系统，包括环境信息采集模块、危岩状态信息采集模块、无线传输模块以及数据处理控制模块，其中，所述环境信息采集模块包括雨量传感器和温度传感器，当环境信息的改变超过设定阈值时，所述环境信息采集模块自动将采集到的环境信息数据通过所述无线传输模块上传至所述数据处理控制模块，所述危岩状态信息采集模块处于被动采集状态，由所述数据处理控制模块决定所述危岩状态信息采集模块是否需要进行数据采集以及危岩状态信息的采集频率，所述数据处理控制模块根据所述危岩状态信息采集模块采集到的危岩状态信息对岩石发生崩塌的风险进行评估。

所述危岩状态信息采集模块中传感器类型和数目根据危岩的现状进行选择。作为一种选优的技术方案，所述危岩状态信息采集模块包括应力传感器和裂缝传感器。

进一步地，所述环境信息包括雨量速度和温度，危岩状态信息包括岩石应力数据和裂缝位移数据。

一种基于自适应采集频率的危岩监测系统的风险评估方法，包括如下步骤：

S1：根据危岩现场环境布置所述环境信息采集模块的传感器组，根据危岩状态布置所述危岩状态信息采集模块的传感器组；

S2：设定雨量速度阈值为R_min，雨量速度最大值为R_max，雨量速度变化范围为R_Δ＝R_max-R_min，温度常值为T₀，温度变化阈值为T_min，温度最大值为T_max，温度变化范围为T_Δ＝T_max-T_min，危岩状态信息采集模块的初始采集频率为f₀，危岩状态信息采集模块的最大采集频率为f_max；

S3:所述环境信息采集模块的传感器组采集当前雨量速度值R和当前温度值T,当环境信息的改变超过雨量速度阈值R_min和/或温度变化阈值T_min时,所述环境信息采集模块的传感器组自动向所述数据处理控制模块上报环境信息数据；

S4：所述数据处理控制模块对上报的当前雨量速度值R和当前温度值T进行归一化处理；

S5：根据步骤S4的归一化处理的结果计算危岩状态信息的采集频率f，并以采集频率f对危岩状态信息进行采集；

S6：所述数据处理控制模块根据所述危岩状态信息采集模块的传感器组采集到的危岩状态信息进行危岩状态风险评估。

进一步地，步骤S4中归一化处理具体为：

(1)若当前雨量速度值R<雨量速度阈值R_min，且当前温度值T满足|T-T₀|＜T_min，则按初始采集频率f₀对危岩状态信息进行采集；

(2)若当前雨量速度值R>雨量速度阈值R_min，且当前温度值T满足|T-T₀|＜T_min，则对当前雨量速度进行归一化处理，即

(3)若当前雨量速度值R<雨量速度阈值R_min，且当前温度值T满足|T-T₀|＞T_min，则对当前温度变化进行归一化处理，即

(4)若当前雨量速度值R>雨量速度阈值R_min，且当前温度值T满足|T-T₀|＞T_min，则分别对当前雨量速度和温度变化进行归一化处理，雨量速度归一化处理为温度变化归一化处理为

进一步地，步骤S5中采集频率f＝[f₀+J_雨*f_Δ*α+J_温*f_Δ*β]，式中，α为雨量因素的权重，β为温度因素的权重，且满足α+β＝1，f_Δ为采集频率的变化范围，f_Δ＝f_max-f₀。在危岩的环境因素中，雨量是环境的主要变化因素，而温度在很长时间内的变化并不大，因此取α＝0.9，β＝0.1。

进一步地，步骤S6进行危岩状态风险评估的具体步骤为：

S61：选取危岩状态信息数据：岩石应力数据和裂缝位移数据；

S62：将危岩状态信息分为四个等级：无风险、低风险、中风险、高风险，建立每个风险等级的符合正态分布高斯型隶属度函数，即其中，x为自变量，σ和c为参数；

S63：根据危岩状态信息选取隶属度函数参数：分别选取c₁、c₂、c₃、c₄及σ₁构造岩石应力数据的无风险、低风险、中风险、高风险的隶属度函数参数，c₁＜c₂＜c₃＜c₄，分别选取c_a、c_b、c_c、c_d及σ₂构造裂缝位移的无风险、低风险、中风险、高风险的隶属度函数参数，c_a＜c_b＜c_c＜c_d；

S64：计算得到岩石应力的隶属度向量为裂缝位移的隶属度向量为

S65：根据岩石应力数据的四个风险等级及裂缝位移数据的四个风险等级建立模糊推理表；表1为模糊推理表：

S66：根据模糊推理表计算危岩状态整体信息隶属度ξ_无、ξ_低、ξ_中以及ξ_高，并进行风险评估，得到当前环境下危岩的稳定性，其中，

ξ_无＝μ_无*δ_无，

ξ_低＝μ_无*δ_低+μ_低*δ_无，

ξ_中＝μ_低*δ_低+μ_中*δ_无+μ_中*δ_低+μ_无*δ_中+μ_低*δ_中，

ξ_高＝μ_中*δ_中+μ_高*δ_无+μ_高*δ_低+μ_高*δ_中+μ_无*δ_高+μ_低*δ_高+μ_中*δ_高+μ_高*δ_高。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：根据环境自适应的调整危岩状态数据采集的频率，然后根据采集到的数据信息进行危岩风险评估，在减低功耗的同时最大限度地对危岩状态进行监控。

附图说明

图1为本发明的危岩监测系统结构框图；

图2为本发明的风险评价方法流程图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于自适应采集频率的危岩监测系统及其风险评估方法，对危岩周围的环境进行监测，并根据环境自适应的调整危岩状态数据的采集频率，然后根据采集到的数据信息进行危岩风险评估，在减低功耗的同时最大限度地对危岩状态进行监控。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于自适应采集频率的危岩监测系统，如图1所示，包括环境信息采集模块、危岩状态信息采集模块、无线传输模块以及数据处理控制模块，其中，所述环境信息采集模块包括雨量传感器和温度传感器，当环境信息的改变超过设定阈值时，所述环境信息采集模块自动将采集到的环境信息数据通过所述无线传输模块上传至所述数据处理控制模块，所述危岩状态信息采集模块处于被动采集状态，由所述数据处理控制模块决定所述危岩状态信息采集模块是否需要进行数据采集以及危岩状态信息的采集频率，所述数据处理控制模块根据所述危岩状态信息采集模块采集到的危岩状态信息对岩石发生崩塌的风险进行评估。

所述危岩状态信息采集模块中传感器类型和数目根据危岩的现状进行选择。本实施例中所述危岩状态信息采集模块包括应力传感器和裂缝传感器。

进一步地，所述环境信息包括雨量速度和温度，危岩状态信息包括岩石应力数据和裂缝位移数据。

一种基于自适应采集频率的危岩监测系统的风险评估方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1：根据危岩现场环境布置所述环境信息采集模块的传感器组，根据危岩状态布置所述危岩状态信息采集模块的传感器组；

S2：设定雨量速度阈值为R_min＝2.5mm/h，雨量速度最大值为R_max＝16mm/，h雨量速度变化范围为R_Δ＝R_max-R_min，温度常值为T₀＝20°，温度变化阈值为T_min＝10°，温度最大值为T_max＝60°，温度变化范围为T_Δ＝T_max-T_min，危岩状态信息采集模块的初始采集频率为f₀＝1次/天，危岩状态信息采集模块的最大采集频率为f_max＝48次/天；

S3:所述环境信息采集模块的传感器组采集当前雨量速度值R和当前温度值T,当环境信息的改变超过雨量速度阈值R_min和/或温度变化阈值T_min时,所述环境信息采集模块的传感器组自动向所述数据处理控制模块上报环境信息数据，上报的时间间隔为5min；

S4：所述数据处理控制模块对上报的当前雨量速度值R和当前温度值T进行归一化处理：

(1)若当前雨量速度值R<雨量速度阈值R_min，且当前温度值T满足|T-T₀|＜T_min，则按初始采集频率f₀对危岩状态信息进行采集；

(2)若当前雨量速度值R>雨量速度阈值R_min，且当前温度值T满足|T-T₀|＜T_min，则对当前雨量速度进行归一化处理，即

(3)若当前雨量速度值R<雨量速度阈值R_min，且当前温度值T满足|T-T₀|＞T_min，则对当前温度变化进行归一化处理，即

(4)若当前雨量速度值R>雨量速度阈值R_min，且当前温度值T满足|T-T₀|＞T_min，则分别对当前雨量速度和温度变化进行归一化处理，雨量速度归一化处理为温度变化归一化处理为

S5：根据步骤S4的归一化处理的结果计算危岩状态信息的采集频率f，并以采集频率f对危岩状态信息进行采集：

采集频率f＝[f₀+J_雨*f_Δ*α+J_温*f_Δ*β]，式中，α为雨量因素的权重，β为温度因素的权重，且满足α+β＝1，f_Δ为采集频率的变化范围，f_Δ＝f_max-f₀。在危岩的环境因素中，雨量是环境的主要变化因素，而温度在很长时间内的变化并不大，因此取α＝0.9，β＝0.1。

S6：所述数据处理控制模块根据所述危岩状态信息采集模块的传感器组采集到的危岩状态信息进行危岩状态风险评估。

进行危岩状态风险评估的具体步骤为：

S61：选取危岩状态信息数据：岩石应力数据和裂缝位移数据；

S62：将危岩状态信息分为四个等级：无风险、低风险、中风险、高风险，建立每个风险等级的符合正态分布高斯型隶属度函数，即其中，x为自变量，σ和c为参数；

S63：根据危岩状态信息选取隶属度函数参数：分别选取c₁、c₂、c₃、c₄及σ₁构造岩石应力数据的无风险、低风险、中风险、高风险的隶属度函数参数，c₁＜c₂＜c₃＜c₄，分别选取c_a、c_b、c_c、c_d及σ₂构造裂缝位移的无风险、低风险、中风险、高风险的隶属度函数参数，c_a＜c_b＜c_c＜c_d；

S64：计算得到岩石应力的隶属度向量为裂缝位移的隶属度向量为

S65：根据岩石应力数据的四个风险等级及裂缝位移数据的四个风险等级建立模糊推理表；表1为模糊推理表：

S66：根据模糊推理表计算危岩状态整体信息隶属度ξ_无、ξ_低、ξ_中以及ξ_高，并进行风险评估，得到当前环境下危岩的稳定性，其中，

ξ_无＝μ_无*δ_无，

ξ_低＝μ_无*δ_低+μ_低*δ_无，

ξ_中＝μ_低*δ_低+μ_中*δ_无+μ_中*δ_低+μ_无*δ_中+μ_低*δ_中，

ξ_高＝μ_中*δ_中+μ_高*δ_无+μ_高*δ_低+μ_高*δ_中+μ_无*δ_高+μ_低*δ_高+μ_中*δ_高+μ_高*δ_高。

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于自适应采集频率的危岩监测系统及其风险评估方法，包括环境信息采集模块、危岩状态信息采集模块、无线传输模块以及数据处理控制模块，当环境信息的改变超过设定阈值时，所述环境信息采集模块自动将采集到的环境信息数据通过所述无线传输模块上传至所述数据处理控制模块，所述危岩状态信息采集模块处于被动采集状态，由所述数据处理控制模块决定所述危岩状态信息采集模块是否需要进行数据采集以及危岩状态信息的采集频率，所述数据处理控制模块根据所述危岩状态信息采集模块采集到的危岩状态信息对岩石发生崩塌的风险进行评估。该发明在减低功耗的同时准确有效地对危岩状态进行监控。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。