一种高陡危岩体块体变形的监测装置及方法与流程

本发明涉及危岩体变形监测领域，具体涉及一种高陡危岩体块体变形的监测装置及方法。

背景技术：

目前，我国正在加速发展水利水电工程，但是在水利水电工程开发过程及运行期间，不可避免的要遇到崩塌、滑坡、泥石流地质灾害，水利水电工程领域高陡边坡和危岩体崩塌是水电工程领域重要地质灾害类型。由于危岩体失稳导致的重大灾害事件也是层出不穷，已经造成了非常严重的人员伤亡和重大经济损失。

高陡边坡危岩体变形监测一直是水利水电工程领域重要的研究内容，对于危岩体监测的主要技术方法主要包括宏观监测和微观监测。宏观监测主要是利用视频监测设备来观察危岩体是否发生较大规模变化，微观监测一方面可以利用三维激光扫描、倾斜摄影定期对危岩体进行扫描，这样可以定期扫描，通过后期软件处理实现对危岩体的变形监测；另一方面，微观监测主要通过监测危岩体的具体形变监测，例如裂缝位移监测、危岩体比较变形监测，以及在危岩体进行支护结构后结合锚索、锚杆应力监测，也可以直接监测危岩体的具体形变情况。

三维激光扫描技术近年来发展起来的一种新型监测技术，属于非接触式测量，主要利用激光测距原理来能够快速高精度获取不同时期的危岩体点云数据，然后通过一些后处理方法建立高精度的三维模型，全面掌握危岩体的动态变化过程及变形特征。

倾斜摄影平台通过高清晰摄像镜头拍摄危岩体不同角度，获取危岩体的地表信息，倾斜摄影平台一般搭载在无人机上，通过对无人机平台进行航线设定、定点曝光，设定不同的拍摄角度实现正向、斜向摄影，在完成拍摄后可以将照片进行相应的数据处理，形成危岩体真实三维模型、数字模型等影像数据，通过不定期进行扫描后，可以对几期数据进行比对分析，进而计算出危岩体具体形变变化。

实用新型专利授权公告号cn204496658u公开了一种危岩崩塌监测预警装置，涉及危岩监测技术领域，主要包括突发监控设备和缓慢变形数值变化监控设备，可以实现危岩体崩塌整体变化情况监测。主要缺点是通过图像采集与分析远距离判别危岩精确度有待提高，而且只能是对变形数值进行估算，没有实现对崩塌危岩体趋势做出分析与预警。

实用新型专利授权公告号cn205561791u公开了一种基于位移和压力传感器检测危岩体崩塌的装置，主要检测危岩体的力学变化监测和运动趋势监测。主要缺点是针对高陡危岩变形监测，此种方法布置难度较大，施工条件不便，而且不能针对每个块体进行监测，也没有描述位移传感器和压力传感器监测精度，精度偏差较大会严重影响危岩体监测效果。

发明专利授权公告号cn105118241b公开了一种危岩体崩塌监测的预警系统，主要包括移动装置、导电装置以及位移监测装置。主要缺点是该装置实现的基本功能为危岩体崩塌监测报警，在安装时对危岩崩塌体要求较高，必须要有合适的施工面才可以实现监测，而且不能对危岩崩塌体的变形量进行监测和计算。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种高陡危岩体块体变形的监测装置及方法，主要应用先进的光纤布设技术对高陡危岩体块体进行有效监测，通过对高陡危岩体块体提前进行调查与识别之后，提出合理有效的布设方法，应用分布式布里渊散射光纤技术可以精确识别高陡危岩体块体的微小形变，并且通过神经网络算法高精度拟合高陡危岩体块体运动变形曲线，从而高精度准确判定具体是哪个块体发生变形，并计算出该变形块体的具体形变量，有效地保护高陡危岩体块体的安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种高陡危岩体块体变形的监测装置，包括数据采集单元、数据处理控制单元、数据监控单元和神经网络预测单元，所述数据采集单元包括宽带光源、光纤、光纤光栅传感器和数据采集模块，所述数据处理控制单元包括数据处理模块、同步控制单元、光脉冲发射模块、激光器、光路耦合器、分光器、光滤波器和光源接收模块，所述数据监控单元包括数据传输模块和数据监控中心，所述数据处理控制单元将具体变形监测数据通过所述数据传输模块传输到所述数据监控中心，所述神经网络预测单元包括监测数据预处理模块和bp神经网络预测模块，所述数据采集单元、所述数据处理控制单元、所述数据监控单元和所述神经网络预测单元依次连接。

进一步地，所述数据采集单元包括若干个通过所述光纤依次连接的所述光纤光栅传感器，所述光纤和所述光纤光栅传感器直接固定到高陡危岩体块体上。

进一步地，所述数据采集单元的一端设置若干个所述宽带光源，所述宽带光源均匀设置于山体的底部边缘，另一端通过所述光纤与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块设置于所述山体的顶部。

进一步地，所述数据处理控制单元通过对所述数据采集单元采集的数据进行解析，判断到底是哪段距离哪个块体发生了形变。

进一步地，所述监测数据预处理模块将现场采集到的温度数据、应变数据进行数据简易预处理后，送入到所述bp神经网络预测模型进行数据的分析与处理，计算出所述高陡危岩体块体的运动趋势。

一种高陡危岩体块体变形的监测方法，包括如下步骤：

s1、通过对所述高陡危岩体块体提前进行调查与识别，将若干个所述光纤光栅传感器通过所述光纤依次连接，所述光纤和所述光纤光栅传感器直接固定到所述高陡危岩体块体上，在所述光纤的输入端连接所述宽带光源，所述光纤的输出端连接所述数据采集模块，所述数据采集模块采集所述高陡危岩体块体的变形监测数据；

s2、所述数据处理模块通过所述同步控制单元实时驱动所述光脉冲发射模块，给所述激光器驱动一个较大功率的光脉冲信号，并且由所述激光器输入到测量光纤的尾纤中，经过所述尾纤的光脉冲需要经过所述光路耦合器直接进入到被测光线中，携带有变形监测数据的散射光经过所述光路耦合器返回到所述分光器中，所述分光器主要由不同中心波长的所述光滤波器组成，通过分辨不同的所述散射光传递到所述光源接收模块，所述光源接收模块进行光源数据简单处理后交给所述数据处理模块，所述数据处理模块就可以第一时间对光源数据进行解析，判断到底是哪段距离哪个块体发生了形变；

s3、所述数据处理模块还可以将具体的所述变形监测数据通过所述数据传输模块传输到后台所述数据监控中心，所述数据监控中心依据强大的计算能力对被测光纤监测数据进行深度分析与处理；

s4、所述数据监控中心在数据解析中加入神经网络算法，将现场采集到的温度数据、应变数据按照所述神经网络算法的要求进行数据简易预处理后，形成二维输入的离散变量，送入到所述bp神经网络预测模型，所述bp神经网络预测模型根据所接收到的处理后的数据进行数据拟合和趋势分析，计算出所述高陡危岩体块体的运动趋势。

进一步地，所述数据处理模块在危岩体现场也可实现实时监测数据查询，所述数据处理模块通过向所述同步控制单元发送所述光脉冲信号，启动所述激光器将光脉冲输入待测光纤，然后经过一系列的光信号与电信号的转化再次回到所述数据处理模块，经过现场实时解析预判断，直接测出当前模式下的危岩体变形数据。

本发明产生的有益效果：本发明结合先进的光纤传感器技术、数据处理控制技术及智能神经网络算法技术，对高陡危岩体块体整体或局部块体进行实时监测，该装置具备体积小、精度高、功耗低等特点，可以实现24小时无间断自动化实时监控，而且可在现场对装置进行操作，简单实用，人机交互界面友好，可以帮助现场监测人员第一时间了解危岩体现场变形情况。而且本发明通过数据监控中心的神经网络算法，可以有效提高对危岩体变形监测的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一种高陡危岩体块体的变形监测装置结构框图；

图2为本发明高陡危岩体块体的光纤监测部署示意图；

图3为本发明数据采集单元的结构框图；

图4为本发明神经网络预测单元的结构框图；

附图中，各标号所代表的名称如下：

1-数据采集模块；2-光纤光栅传感器；3-高陡危岩体；4-光纤；5-宽带光源。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种高陡危岩体块体变形的监测装置及方法，包括数据采集单元、数据处理控制单元、数据监控单元和神经网络预测单元，数据采集单元、数据处理控制单元、数据监控单元和神经网络预测单元依次连接。

数据采集单元包括宽带光源、光纤、光纤光栅传感器和数据采集模块。通过对高陡危岩体块体提前进行调查与识别，将若干个光纤光栅传感器通过光纤依次连接，光纤和光纤光栅传感器直接固定到高陡危岩体块体上，在光纤的输入端连接宽带光源，宽带光源均匀设置于山体的底部边缘，光纤的输出端连接数据采集模块，数据采集模块设置于山体的顶部。数据采集模块采集高陡危岩体块体的变形监测数据。

数据处理控制单元包括数据处理模块、同步控制单元、光脉冲发射模块、激光器、光路耦合器、分光器、光滤波器和光源接收模块。数据处理模块通过同步控制单元实时驱动光脉冲发射模块，给激光器驱动一个较大功率的光脉冲信号，并且由激光器输入到测量光纤的尾纤中，经过尾纤的光脉冲需要经过光路耦合器直接进入到被测光线中，即高陡危岩体块体的每一个监测块体中，经过光路耦合器的光脉冲在测量光线中会发生光线散射，根据散射强度的大小来直接体现出块体的具体形变量，携带有变形监测数据的散射光经过光路耦合器返回到分光器中，分光器主要由不同中心波长的光滤波器组成，分光器可以分辨至少两种以上光散射，通过分辨不同的散射光传递到光源接收模块，光源接收模块进行光源数据简单处理后交给数据处理模块，数据处理模块就可以第一时间对光源数据进行解析，进而判断到底是哪段距离哪个块体发生了形变。

数据监控单元包括数据传输模块和数据监控中心。数据处理模块在判断被测光纤哪里发生具体形变的同时，还可以将具体变形监测数据通过数据传输模块传输到后台数据监控中心，后台数据监控中心依据强大的计算能力对被测光纤监测数据进行深度分析与处理，不仅可以与现场数据处理模块实现数据共享与实时监测预警，而且可实现对被测危岩体的整体运动趋势的判别与分析，通过一定的数据积累，然后利用神经网络算法对数据进行加工分析后可有效提高危岩体变形监测精度。

神经网络预测单元包括监测数据预处理模块和bp神经网络预测模块。数据监控中心可以在数据解析中加入神经网络算法，神经网络算法主要输入对象为输入到被测光纤中的激光波长和现场实时监测温度，输出值为被测光纤的具体形变量，通过神经网络的学习精度和速度来提高被测光纤具体形变量的可靠性和稳定性。建立基于神经网络的危岩体块体变形趋势数据模型，将现场采集到的温度数据、应变数据按照神经网络算法的要求进行数据简易预处理后，形成二维输入的离散变量，送入到bp神经网络进行数据的分析与处理，bp神经网络就会根据所接收到的处理后的数据进行数据拟合和趋势分析，建立起反应输入数据和输出数据的数学模型，进而计算出高陡危岩体块体的运动趋势，从而为危岩块体的下一步变形状态做出精确判别。

数据处理控制单元在高陡危岩体现场也可实现实时监测数据查询，可以给监测人员提供友好的人机交互界面，可以通过按键来实现现场实时监测，数据处理模块通过向同步控制单元发送脉冲信号，启动激光器将光脉冲输入待测光纤，然后经过一系列的光信号与电信号的转化再次回到数据处理模块，经过现场实时解析预判断，直接测出当前模式下的危岩体变形数据，为一线检测人员提供良好的数据支持。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。