地下工程變形遠程自動監控系統的製作方法
2023-05-19 06:00:51
地下工程變形遠程自動監控系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種地下工程變形遠程自動監控系統，包括各種地下工程測量相關探測傳感器、測量數據採集儀、主機、遠程用戶計算機和移動通訊設備，以及用於通訊的GPRS模塊、Internet伺服器；該系統劃分為5個子系統，分別是數據採集子系統、文件管理子系統、監測預警子系統、遠程傳輸子系統和安全診斷子系統。與現有技術相比，本發明對採集到的數據進行分析處理，實現地下工程變形的預測和預警；將數據轉化後以二維變化曲線和三維圖等形式表現出來，使得地下工程變形更加形象直觀；可根據不同工程特點進行相應的硬體布置，同時可利用最適合的模型對數據進行處理分析，有較強的適應性。
【專利說明】地下工程變形遠程自動監控系統【技術領域】
[0001]本發明涉及於土木工程領域中有關地下工程的計算機輔助開發技術，特別是涉及地下工程變形的遠程自動監控及診斷分析的方法。
【背景技術】[0002]隨著土木工程領域對變形監測要求的提高，以及現代信息技術的高速發展，一些如西班牙、葡萄牙、義大利、法國等的發達國家率先在變形監測方面進行研究突破。如西班牙Guadalquivir流域大壩群安全監控系統、義大利開發的INDACO、MISTRAL、DAMSAFE以及義大利南部18座大壩通過Iside中心建立的大壩群安全監控系統等。
[0003]我國建築物安全監控系統研究、開發與應用中，具有代表性的有南京自動化研究院研製開發了 DAMS大壩自動監測系統、南京水文自動化研究院開發了 DG大壩自動監測系統、李吉紹等提出了大壩安全遠程監測系統的研製思路、中國水利水電科學研究院開發的水電工程安全監控系統等。
[0004]目前一般的地下工程變形監控系統，只是實現對變形數據的採集與記錄，以數據的形式反映出來，缺少對數據進行深入分析判斷以及對工程安全狀況進行直觀表現和預測預警的功能機制。
[0005]與本申請最接近的現有技術文件有四篇文獻:文獻[I]中介紹了一種工程變形實時遠程監控系統的建立的技術方法和工程應用實例，缺乏相應的後期數據處理分析與展示功能；文獻[2]中介紹了一種實時監測軟體，對硬體的應用略顯不足且缺乏後期處理能力；文獻[3]中介紹了實時自動監測系統在一個特定工程中的應用，監測系統缺乏通用性。
[0006][I]孫明，工程變形實時遠程監控系統的研究與應用:[碩士學位論文]，天津:天津大學，2012
[0007][2]艾海英，工程沉降遠程監測系統軟體的設計與實現:[碩士學位論文]，天津:天津大學，2012
[0008][3] Xiong Chunbao, Wang Haitao, Study on technique of automaticand continuous monitoring groundwater level and its application toengineering, Progress in Civil Engineering, Applied Mechanics and Materials, 2012，170-173:2060-2065(E1:20122315099806)
【發明內容】
[0009]基於上述技術問題，本發明提出了一種地下工程變形遠程自動監控系統，建立與地下工程實際變形特徵相吻合、監測與分析功能統一完善且具有較強適應性的地下工程變形遠程自動監控系統。
[0010]本發明提出一種地下工程變形遠程自動監控系統，包括各種地下工程測量相關探測傳感器、測量數據採集儀、主機、遠程用戶計算機和移動通訊設備，以及用於通訊的GPRS模塊、Internet伺服器；所述測量數據採集儀根據串口通信的命令將所述相關探測傳感器採集到的測量結果傳輸給所述主機、所述主機用於存儲所述測量數據採集儀上傳的數據，供系統提取調用；所述移動通訊設備用於系統中的遠程通訊；該系統劃分為5個子系統，分別是數據採集子系統、文件管理子系統、監測預警子系統、遠程傳輸子系統和安全診斷子系統，其中:
[0011]數據採集子系統，在該子系統中實現由測量數據採集儀根據串口通信的命令將採集到的數據傳輸給主機、主機將採集儀上傳的數據按照特定的格式和規律進行存儲，以供其他功能子系統提取調用；
[0012]文件管理子系統，在該子系統中實現工程信息管理、重點區域劃分、風險提示、監控視頻和現場圖片實時顯示，其中的重點區域劃分是指根據發生危險概率大小不同、監控工作的重要程度不同，將整個工程採用不同的顏色進行分區；
[0013]監測預警子系統，在該子系統中實現預警值設置、預警號碼設置、定時時間設置和預警信息發布；其中預警值設置、預警號碼設置和定時時間設置都是藉助於Internet伺服器實現遠程設置，預警信息通過GPRS模塊發布；
[0014]遠程發布子系統，在該子系統中實現採集數據的實時顯示，對需要實時顯示的指標或數據文件進行的遠程選擇操作，選擇命令回傳給監控系統主機進行數據調用，實現從監控主機到異地用戶計算機的傳送過程數據發布；
[0015]安全診斷子系統，在該子系統中實現測點布置圖查看、警戒值設置與查看、地面沉降的預測和預警、地下水位變化曲線繪製、水平位移的預測和預警；根據工程安全狀況時間序列變化規律，選擇預測數學模型，利用該模型來分析監測數據，並將診斷分析結果和變形的預測值直觀地表現出來。
[0016]所述預測數學模型進一步包括基本預測數學模型即灰色GM (I, I)模型、自適應濾波模型、BP神經網絡模型和滾動模型。
[0017]所述預測數學模型還包括將基本數學模型應用方差組合原理進行組合得到新的預測模型，即灰色自適應濾波組合模型和灰色滾動組合模型2種。
[0018]與現有技術相比，本發明的有益效果有以下幾點:
[0019]1、對採集到的數據進行分析處理，實現地下工程變形的預測和預警；
[0020]2、將數據轉化後以二維變化曲線和三維圖等形式表現出來，使得地下工程變形更加形象直觀；
[0021]3、本發明可根據不同工程特點進行相應的硬體布置，同時可利用最適合的模型對數據進行處理分析，有較強的適應性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的地下工程變形遠程自動監控系統硬體結構示意圖；
[0023]圖2為本發明的地下工程變形遠程自動監控系統功能方框示意圖；
[0024]圖3為本發明的地下工程變形遠程自動監控系統的數據採集子系統示意圖，展示了信號採集模塊工作流程。
[0025]圖4-圖11為本發明的地下工程變形遠程自動監控系統的各部分功能及操作的界面顯示圖。
[0026]其中:[0027]圖4、顯示界面曲線動態圖；圖5、顯示界面文本數據框；圖6、診斷模塊主界面；圖7、變形單點分析界面；圖8、實測值與模型值對比界面；圖9、水位變化曲線顯示界面；圖10、地面沉降等值線繪製界面；圖11、地面沉降三維圖繪製界面。
【具體實施方式】
[0028]下面將結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細描述，這些實施方式若存在示例性的內容，不應解釋成對本發明的限制。
[0029]如圖1所示，地下工程變形遠程自動監控系統要實現從數據採集到遠程傳輸功能，所需要的硬體設備有傳感器、數據採集儀、系統主機、GPRS模塊、Internet伺服器、遠程用戶計算機和移動通訊設備。
[0030]監控系統選擇使用Microsoft Windows XP Professional作為作業系統，選擇Java語言作為程序設計語言,選擇Tomcat作為Web應用伺服器,選擇MySQL作為監控系統資料庫管理系統，選擇Mozilla Firefox瀏覽器供系統開發和使用。監控系統採用的是JavaWeb開發，採用典型的J2EE三層結構(即表現層、中間層和數據層)。數據採集儀設置、數據採集上傳和GPRS DTU設置控制採用的是Java串口通信。頁面上顯示曲線的界面是用Java編寫的應用程式(Java Applet)實現且用到了 Ajax異步傳輸技術。此外，網頁頁面是採用JSP和HTML編寫的。
[0031]如圖2所示，地下工程變形遠程監控系統劃分為5個子系統，分別為:數據採集子系統、文件管理子系統、監測預警子系統、遠程傳輸子系統和安全診斷子系統。每個子系統都承擔著各自相應的工作任務。
[0032]根據地下工程變形狀況時間序列變化規律選擇合適的數學模型，並將其中部分數學模型應用方差組合原理進行組合得到新的模型，利用這些模型來建立地下工程安全診斷模塊。其中基本數學模型有4種，即灰色GM (1，I)模型、自適應濾波模型、BP神經網絡模型和滾動模型，經過方差組合理論組合的模型有灰色自適應濾波組合模型和灰色滾動組合模型2種。應用這些模型基於Matlab來建立診斷模塊。地下工程安全診斷模塊的功能包含:測點布置圖查看、警戒值設置與查看、地面沉降預測預警、地下水位變化曲線繪製和水平位移預測預警5個部分。
[0033]一般情況下，工程變形監測都是分為多個測點進行，每個測點根據所需監測的變形量分別安裝不同的傳感器，例如:沉降傳感器、水平位移計、傾斜儀、鋼筋應力計、土壓力計、孔隙水壓力計等。這些傳感器所監測到的數據(變形值)通過頻率信號或電壓信號傳輸給數據採集儀。一臺數據採集儀有許多通道，各個通道分別與不同的傳感器相連，系統主機與數據採集儀之間通過串口通信的方式連接，數據採集儀將採集到的頻率信號或電壓信號傳輸給系統主機，系統主機根據一定的數學模型將獲得的頻率信號或電壓信號換算成對應測點的變形值，然後將變形值更新到Internet伺服器，通過Internet伺服器發布變形值，以便異地用戶通過Internet進行實時遠程查看；同時系統主機還對變形值與預設警戒值進行對比，若變形值大於警戒值，則及時利用GPRS模塊發送警報信息到一些特定用戶的移動通訊設備(手機)上。另外，在預設的某些時刻，系統主機也會自動發送監測值到一些特定用戶的移動通訊設備(手機)上。上述的工作過程是通過下面的5個子系統分別完成的。
[0034]1、數據採集子系統的主要功能有:數據輸入、記錄存儲和數據提取調用。數據輸入是由採集儀根據串口通信的命令將採集到的數據傳輸給系統主機；數據記錄存儲是系統主機將採集儀上傳的數據按照特定的格式和規律進行存儲，以供提取調用；數據的提取調用是當其他功能子系統需要使用上述這些數據時，直接從系統主機存儲空間中選擇並讀取。
[0035]2、文件管理子系統的主要功能有:工程信息管理、重點區域劃分、風險提示、監控視頻和現場圖片實時顯示。工程信息包括工程所在位置、地質勘察資料、施工方法、施工順序、工程進度安排、公告通知、監控報告等；重點區域劃分是指根據發生危險概率大小不同、監控工作的重要程度不同，將整個工程採用不同的顏色進行分區，使整個監控工作的重要層次和位置一目了然；風險提示是對施工過程中如果發生事故可能導致的後果給予提示，如建築自身坍塌、相鄰建築物傾覆、地下管線斷裂等；監控視頻和現場圖片是展示攝像頭攝錄到的現場實時情況，使工程項目的有關各方勿需親臨工程現場也能及時看到工程施工的實時狀況。
[0036]3、監測預警子系統的主要功能有:預警值設置、預警號碼設置、定時時間設置和預警信息發布。其中預警值設置、預警號碼設置和定時時間設置都是藉助於Internet伺服器實現遠程設置，預警信息是通過GPRS模塊發布。在預設的定時發布時刻，將所有監測點編號及其監測值發送到預設的移動通訊終端(手機)；在某一點變形值超過預設警戒值時，將該點編號和變形值以警告的形式及時發送到預設移動通訊終端(手機)。
[0037]4、遠程發布子系統有如下三個功能:實時顯示、遠程操作和數據發布。實時顯示是將採集到的數據在異地用戶計算機上通過分別以時間和數值為橫縱坐標曲線及時直觀地表現出來；遠程操作是在異地用戶計算機上對需要實時顯示的指標或所需要的數據文件進行選擇操作，這些命令回傳給監控系統主機；數據發布是經過遠程操作選取的數據進行調用查看，實現從監控主機到異地用戶計算機的傳送過程。
[0038]5、安全診斷子系統的功能有:測點布置圖查看、警戒值設置與查看、地面沉降的預測和預警、地下水位變化曲線繪製、水平位移的預測和預警。根據工程安全狀況時間序列變化規律，選擇合適的預測基本數學模型，並將部分基本數學模型應用方差組合原理進行組合得到新的預測模型，利用這些模型來分析監測數據，並將診斷分析結果和變形的預測值直觀地表現出來。
【權利要求】
1.一種地下工程變形遠程自動監控系統，包括各種地下工程測量相關探測傳感器、測量數據採集儀、主機、遠程用戶計算機和移動通訊設備，以及用於通訊的GPRS模塊、Internet伺服器；其特徵在於，所述測量數據採集儀根據串口通信的命令將所述相關探測傳感器採集到的測量結果傳輸給所述主機、所述主機用於存儲所述測量數據採集儀上傳的數據，供系統提取調用；所述移動通訊設備用於系統中的遠程通訊；該系統劃分為5個子系統，分別是數據採集子系統、文件管理子系統、監測預警子系統、遠程傳輸子系統和安全診斷子系統，其中: 數據採集子系統，在該子系統中實現由測量數據採集儀根據串口通信的命令將採集到的數據傳輸給主機、主機將採集儀上傳的數據按照特定的格式和規律進行存儲，以供其他功能子系統提取調用； 文件管理子系統，在該子系統中實現工程信息管理、重點區域劃分、風險提示、監控視頻和現場圖片實時顯示，其中的重點區域劃分是指根據發生危險概率大小不同、監控工作的重要程度不同，將整個工程採用不同的顏色進行分區； 監測預警子系統，在該子系統中實現預警值設置、預警號碼設置、定時時間設置和預警信息發布；其中預警值設置、預警號碼設置和定時時間設置都是藉助於Internet伺服器實現遠程設置，預警信息通過GPRS模塊發布； 遠程發布子系統，在該子系統中實現採集數據的實時顯示，對需要實時顯示的指標或數據文件進行的遠程選擇操作，選擇命令回傳給監控系統主機進行數據調用，實現從監控主機到異地用戶計算機的傳送過程數據發布； 安全診斷子系統，在該子系統中實現測點布置圖查看、警戒值設置與查看、地面沉降的預測和預警、地下水位變化曲線繪製、水平位移的預測和預警；根據工程安全狀況時間序列變化規律，選擇預測數學模型，利用該模型來分析監測數據，並將診斷分析結果和變形的預測值直觀地表現出來。
2.如權利要求1所述的用於網絡多媒體設備的信息發布系統，其特徵在於，所述預測數學模型進一步包括基本預測數學模型即灰色GM (I, I)模型、自適應濾波模型、BP神經網絡模型和滾動模型。
3.如權利要求1所述的用於網絡多媒體設備的信息發布系統，其特徵在於，所述預測數學模型還包括將基本數學模型應用方差組合原理進行組合得到新的預測模型，即灰色自適應濾波組合模型和灰色滾動組合模型2種。
【文檔編號】G01C5/00GK103616011SQ201310661925
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】熊春寶, 王海濤, 孫明, 艾海英 申請人:天津大學