本發(fā)明涉及監(jiān)測，具體為一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、隨著工程建設(shè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，尤其是水利、水電、交通等基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性與規(guī)模不斷增加，監(jiān)測與安全管理已經(jīng)成為保證工程穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。目前，針對工程設(shè)施的安全監(jiān)測，常見的技術(shù)手段包括水位監(jiān)測、滲壓監(jiān)測和位移監(jiān)測。這些技術(shù)依賴不同類型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用單一或分布式監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合傳統(tǒng)的分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和評估，廣泛應(yīng)用于大壩、隧道、橋梁等結(jié)構(gòu)的安全檢測。然而，現(xiàn)有技術(shù)在面對多元化的監(jiān)測需求時(shí)，存在一定的局限性，尤其在數(shù)據(jù)融合、定位精度和智能預(yù)警等方面仍存在改進(jìn)空間。
2、現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)采用單一的傳感器進(jìn)行水位、滲壓或位移的監(jiān)測，缺乏多傳感器的協(xié)同工作，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性較低。此外，傳統(tǒng)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集后往往依賴人工分析和判斷，缺乏有效的實(shí)時(shí)預(yù)警機(jī)制，無法在潛在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生前做出及時(shí)反應(yīng)。雖然有些系統(tǒng)嘗試結(jié)合定位技術(shù)，但其精度和適應(yīng)性仍有待提高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中單一監(jiān)測手段無法全面、精確地評估工程設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)，并缺乏高精度定位與智能預(yù)警機(jī)制的問題。
2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，包括：
3、水位監(jiān)測模塊，采用高精度雷達(dá)水位計(jì)，能夠根據(jù)電磁波反射信號測量水體表面位置，并消除氣候因素的影響；
4、滲壓監(jiān)測模塊，采用光纖光柵傳感器與mems傳感器結(jié)合方式，通過測量光纖反射波長或電阻變化來獲得滲透壓力數(shù)據(jù)；
5、位移監(jiān)測模塊，結(jié)合高精度gps與北斗定位系統(tǒng)，以及激光掃描與光纖光柵技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域位移；
6、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊，通過無線通信方式將各監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心；
7、數(shù)據(jù)處理與融合模塊，采用卡爾曼濾波與粒子濾波算法對水位、滲壓和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與優(yōu)化，以提高數(shù)據(jù)精度；
8、北斗定位模塊，通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)提供高精度位移定位數(shù)據(jù)；
9、智能預(yù)警模塊，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與模式識別，并在發(fā)生潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)自動觸發(fā)預(yù)警；
10、用戶界面與監(jiān)控平臺，提供水位、滲壓、位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化顯示和歷史數(shù)據(jù)回溯功能。
11、優(yōu)選的，所述水位監(jiān)測模塊的雷達(dá)水位計(jì)采用頻率調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)，能夠通過測量電磁波反射信號的頻率變化，精確計(jì)算水位，消除環(huán)境因素的干擾。
12、優(yōu)選的，所述滲壓監(jiān)測模塊的光纖光柵傳感器基于布拉格光柵原理，通過光纖反射光的波長變化測量滲透壓力，mems傳感器則通過壓電效應(yīng)響應(yīng)滲透壓力變化，提供高精度的滲透壓力數(shù)據(jù)。
13、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理與融合模塊中，卡爾曼濾波算法用于對水位、滲壓和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)補(bǔ)償與估算，粒子濾波算法用于處理非線性、非高斯數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)融合的精度與穩(wěn)定性，卡爾曼濾波算法通過以下公式進(jìn)行動態(tài)估算：
14、
15、其中，為狀態(tài)估計(jì)，為卡爾曼增益，為觀測值，為觀測矩陣。
16、優(yōu)選的，所述智能預(yù)警模塊通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)模式識別，采用監(jiān)督學(xué)習(xí)算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測與分析，若預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)超過設(shè)定閾值，則觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。
17、優(yōu)選的，所述位移監(jiān)測模塊中的激光掃描技術(shù)結(jié)合高精度gps與北斗定位系統(tǒng)，采用光學(xué)測量原理精確計(jì)算水壩、堤壩結(jié)構(gòu)的位移，精度達(dá)到毫米級，位移計(jì)算通過以下公式進(jìn)行：
18、
19、其中，為位移量，為當(dāng)前時(shí)刻的坐標(biāo)，為初始時(shí)刻的坐標(biāo)。
20、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊采用無線通信技術(shù)，包括但不限于lora、zigbee或5g網(wǎng)絡(luò)，能夠保證大范圍、高密度數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與實(shí)時(shí)性。
21、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理與融合模塊通過多模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，結(jié)合水位、滲壓、位移傳感器的多個(gè)數(shù)據(jù)源，采用加權(quán)平均或貝葉斯估計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，進(jìn)一步提升監(jiān)測系統(tǒng)的整體準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)融合公式為：
22、
23、其中，為融合后的數(shù)據(jù)結(jié)果，為各數(shù)據(jù)源的權(quán)重，為各傳感器數(shù)據(jù)源提供的觀測值。
24、優(yōu)選的，所述智能預(yù)警模塊中的預(yù)警觸發(fā)機(jī)制包括但不限于閾值法、異常檢測法和基于趨勢分析的預(yù)警方法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測并提前預(yù)警突發(fā)性的水文災(zāi)害、堤壩變形的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
25、優(yōu)選的，所述用戶界面與監(jiān)控平臺通過可視化圖形界面，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)回放與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息，并能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)報(bào)告供用戶參考決策。
26、本發(fā)明提供了一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)。具備以下有益效果：
27、1、本發(fā)明通過結(jié)合水位、滲壓和位移三類監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠全面監(jiān)控工程設(shè)施的安全狀態(tài)，通過多種傳感器的協(xié)同工作，系統(tǒng)能夠在不同的監(jiān)測點(diǎn)同時(shí)獲取多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，這種多維度的監(jiān)測方式使得系統(tǒng)在面對復(fù)雜的環(huán)境變化時(shí)，能夠提供更加精確和全面的評估，相比傳統(tǒng)單一監(jiān)測方法，本發(fā)明能夠更有效地識別潛在風(fēng)險(xiǎn)，避免遺漏某些危險(xiǎn)信號，從而提高工程設(shè)施的安全保障水平。
28、?2、本發(fā)明通過集成了北斗定位系統(tǒng)，結(jié)合高精度的位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理，確保每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)均能被準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)到具體的地理位置，這使得監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅具備時(shí)效性，還能夠在空間上得到精準(zhǔn)的定位，便于對不同位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析和綜合評估，高精度的定位與數(shù)據(jù)匹配能夠幫助工程管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并做出相應(yīng)調(diào)整，極大地提升了系統(tǒng)對空間分布和異常變化的響應(yīng)能力。
29、?3、本發(fā)明通過智能預(yù)警模塊，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，采用多種智能算法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，通過設(shè)定合適的預(yù)警閾值與自動化決策，系統(tǒng)能夠在檢測到潛在的危險(xiǎn)信號時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，提醒相關(guān)人員采取緊急措施，智能預(yù)警機(jī)制不僅提高了系統(tǒng)的自動化水平，減少了人工干預(yù)的需求，還能在災(zāi)害發(fā)生前采取預(yù)防措施，避免或減輕潛在的危害，從而提升了工程項(xiàng)目的整體安全性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。
1.一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，所述水位監(jiān)測模塊的雷達(dá)水位計(jì)采用頻率調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)，通過測量電磁波反射信號的頻率變化，精確計(jì)算水位，消除環(huán)境因素的干擾。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，所述滲壓監(jiān)測模塊的光纖光柵傳感器基于布拉格光柵原理，通過光纖反射光的波長變化測量滲透壓力，mems傳感器則通過壓電效應(yīng)響應(yīng)滲透壓力變化，提供高精度的滲透壓力數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理與融合模塊中，卡爾曼濾波算法用于對水位、滲壓和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)補(bǔ)償與估算，粒子濾波算法用于處理非線性、非高斯數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)融合的精度與穩(wěn)定性，卡爾曼濾波算法通過以下公式進(jìn)行動態(tài)估算：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，所述智能預(yù)警模塊通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)模式識別，采用監(jiān)督學(xué)習(xí)算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測與分析，若預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)超過設(shè)定閾值，則觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，所述位移監(jiān)測模塊中的激光掃描技術(shù)結(jié)合高精度gps與北斗定位系統(tǒng)，采用光學(xué)測量原理精確計(jì)算水壩、堤壩結(jié)構(gòu)的位移，精度達(dá)到毫米級，位移計(jì)算通過以下公式進(jìn)行：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊采用無線通信技術(shù)，包括但不限于lora、zigbee或5g網(wǎng)絡(luò)，保證大范圍、高密度數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與實(shí)時(shí)性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理與融合模塊通過多模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，結(jié)合水位、滲壓、位移傳感器的多個(gè)數(shù)據(jù)源，采用加權(quán)平均或貝葉斯估計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，進(jìn)一步提升監(jiān)測系統(tǒng)的整體準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)融合公式為：
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，所述智能預(yù)警模塊中的預(yù)警觸發(fā)機(jī)制包括但不限于閾值法、異常檢測法和基于趨勢分析的預(yù)警方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測并提前預(yù)警突發(fā)性的水文災(zāi)害、堤壩變形的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合水位、滲壓以及位移監(jiān)測的北斗系統(tǒng)，其特征在于，所述用戶界面與監(jiān)控平臺通過可視化圖形界面，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)回放與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)報(bào)告供用戶參考決策。