高铁运行对隧道口上方超高陡危岩影响的监测预警系统
阅读说明：本技术 高铁运行对隧道口上方超高陡危岩影响的监测预警系统 (Monitoring and early warning system for influence of high-speed rail operation on ultrahigh and steep dangerous rocks above tunnel portal ) 是由 宋盛渊 黄迪 赵明宇 吴峰 李豪杰 马牧野 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高铁运行对隧道口上方超高陡危岩影响的监测预警系统,其中,振动声波识别模块通过分布式光纤利用声波传感监测危岩的振动及声波信号,并且定位,控制模块根据监测到的振动及声波信号初步判断危岩存在坠落风险后向外输出控制指令信号,位移监测模块根据接收控制指令信号启动初步判断存在坠落风险的危岩位置对应的无线射频装置,所述无线射频装置计算初步判断存在坠落风险的危岩位移,控制模块根据危岩位移准确判断危岩存在坠落风险后向报警模块输出报警信号。本发明将分布式光纤声波传感技术与无线射频识别技术相结合,实现声波、振动、位移一体化监测,实现对受高铁运行影响的隧道口上方超高陡危岩体的准确监测及预警。(The invention provides a monitoring and early warning system for influence of high-speed rail operation on ultra-high and steep dangerous rocks above a tunnel portal, wherein a vibration sound wave recognition module monitors vibration and sound wave signals of the dangerous rocks by sound wave sensing through distributed optical fibers and positions the dangerous rocks, a control module preliminarily judges that the dangerous rocks have a falling risk according to the monitored vibration and sound wave signals and outputs a control instruction signal outwards, a falling displacement monitoring module starts a wireless radio frequency device corresponding to the position of the dangerous rocks preliminarily judged to have the falling risk according to the received control instruction signal, the wireless radio frequency device calculates the displacement of the dangerous rocks preliminarily judged to have the falling risk, and the control module accurately judges that the dangerous rocks have the falling risk according to the displacement of the dangerous rocks and outputs an alarm signal to an alarm module. The invention combines the distributed optical fiber acoustic wave sensing technology with the radio frequency identification technology, realizes the integrated monitoring of acoustic wave, vibration and displacement, and realizes the accurate monitoring and early warning of the ultra-high and steep rock mass above the tunnel portal influenced by the operation of high-speed rail.)
技术领域
本发明属于高山危岩体监测技术领域，具体涉及高铁运行对隧道口上方超高陡危岩影响的监测预警系统。
背景技术
我国西南地区地域辽阔，自然资源丰富，为了更好的开发西南地区资源，改善西南地区交通条件迫在眉睫，高速铁路具有运能大、速度快的优势，是其他交通运输方式不可比拟的。因此，加快西南地区高速铁路建设十分重要，有利于西南地区资源开发和物资输出，促进西南地区和铁路沿线经济发展。
与普通铁路相比，高速铁路多采用无砟轨道，高铁运行时对轨道的冲击引发车辆轨道结构振动，并经由轨道以及隧道围岩传递给隧道口上方危岩。由于西南地区高山峡谷众多，铁路选线无法避开，隧道口上方往往存在着超高陡边坡，常面临危岩落石的风险，这种环境下高铁运行产生的振动将引发隧道口上方超高陡危岩体的振动和失稳，将会对高铁顺利运行产生威胁，危害国家交通运输安全。
西南地区桥隧量占比高，隧道口上方超高陡危岩体失稳是主要的地质灾害类型之一，并且超高陡危岩体的发育相对高度在300m以上，危岩落石高差大、坡面陡、动能大、破坏能力强。在长期的列车振动激励下，会加速、催化和诱发危岩的失稳，若危岩下落，与高速行驶的列车相撞，将产生严重的后果。因此，监测高铁运行对隧道口上方超高陡危岩体影响，并进行预警是非常必要的。
光纤传感技术是较为先进的监测技术，其中，它所包括的光纤光栅传感技术、光纤应变传感技术与光纤声波传感技术已被应用于地质灾害的监测预警中。
目前，应用到地质灾害预警中的光纤传感技术多为光纤光栅传感技术，将光纤光栅传感器串联至光纤线路中，通过振动、加速度等指标监测滑坡、落石等。其中，光纤技术最常应用于危岩落石的异物侵限监测中，将光纤以柔性防护网为载体固定在被监测范围内的山体上，光纤光栅传感器通过光纤固定在被监测范围中间位置，监测控制系统以接收到的振动信号为依据，判断是否有落石侵入。但是，首先在光纤中串联光纤光栅传感器，只能监测某一点的危岩体振动，所需的传感器数量众多，成本也较高，并且在山路崎岖、地形复杂且有着超高陡边坡的西南山区使用时不易安装，增加了大量工作量。其次以柔性防护网为支撑的光纤光栅技术，更多的属于灾后预警，不能在危岩落石发生前进行预报，并且仅使用振动指标进行监测，只能判断有异物存在，不能准确的判断是否为落石，出现误报的可能性大。在西南地区超高陡边坡使用时，由于落石高差大、动能大，破坏能力强，随时有冲破柔性防护网的可能性，将对铁路正常运营产生重大危害；此外，在使用分布式应变光纤传感的方式进行监测时，会同时监测到应变和温度，监测应变时受外界温度的影响较大，需要温度补偿器进行温度补偿，而温度补偿器成本较高；光纤在监测应变值时，由于受拉固定端黏结材料会变形产生误差，必须在使用前进行应变系数和温度系数的标定，工作量较大。
而分布式光纤声波传感技术作为一种新型的分布式光纤传感技术，因其能够监测振动和声波，并且同时采集相位信息，具有精度高、响应速度快、动态范围广等特点，被应用于高铁边坡滑坡状况实时监测中，光纤在监测点感应土体的形变信息并传输给BOTDR主机，BOTDR主机计算各个监测点的实时应变曲线，对异常点准确定位，可实时监测滑坡状况。但是，分布式光纤声波传感技术使用时易受噪音影响，因此仅通过振动和声波对危岩进行监测会产生误报。
除上述光纤传感技术以外，还常使用RFID射频识别技术进行危岩监测，其原理一般是将RFID电子标签安装于危岩体上，在远离危岩体的稳定区域安装阅读器，当危岩体发生崩塌时，将会带动电子标签向边坡下方滚落，当阅读器追踪不到电子标签信息时，就表明边坡已经发生崩塌或落石灾害。但是，在使用RFID射频识别技术监测危岩时，只有在危岩体掉落之后才能产生预警，而并不能监测危岩体内部裂隙的发育情况，难以实现提前预警，属于灾后预警。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了高铁运行对隧道口上方超高陡危岩影响的监测预警系统，将分布式光纤声波传感技术与无线射频识别技术相结合，实现声波、振动、位移一体化监测，实现对受高铁运行影响的隧道口上方超高陡危岩体的准确监测及预警。
结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
高铁运行对隧道口上方超高陡危岩影响的监测预警系统，包括：
振动声波识别模块，用于通过分布式光纤利用声波传感监测危岩的振动及声波信号；
控制模块，用于对监测到的振动及声波信号进行分析，初步判断危岩存在坠落风险后向外输出控制指令信号，并确定初步判断存在坠落风险的危岩位置；
位移监测模块，用于接收控制指令信号，并启动初步判断存在坠落风险的危岩位置对应的无线射频装置，所述无线射频装置通过内置的危岩初始位置数据以及实时监测到的危岩实时位置数据，计算初步判断存在坠落风险的危岩位移；
所述控制模块还用于对接收到的初步判断存在坠落风险的危岩位移进行分析，准确判断危岩存在坠落风险后向外输出报警信号；
报警模块，用于接收报警信号并向外执行报警动作。
进一步地，所述振动声波识别模块包括：激光光源、第一放大器、环形器、分布式光纤、第二放大器、偏振控制器、耦合器和光电探测器；
激光光源、第一放大器和环形器第一端口依次光纤连接，环形器第二端口与分布式光纤相连，环形器第三端口、第二放大器、偏振控制器、耦合器和光电探测器依次光纤连接；
所述光电探测器将接收到的光信号转换成电信号，并向外输出危岩的振动及声波信号。
进一步地，所述分布式光纤以连续的“N”字形布设在危岩的裂缝上，且分布式光纤的分布走向与危岩的裂缝走向一致。
更进一步地，所述分布式光纤采用瞬干胶和水泥粘结在岩体表面上；
所述分布式光纤尾部打结。
进一步地，所述振动声波识别模块通过第一无线传输模块与控制模块信号连接。
进一步地，所述控制模块为嵌置有控制单元的监测处理主机；
所述监测处理主机内设有分析模块；
所述分析模块内置有预设的声波和振动阈值及相应的比较判断逻辑，分析模块将接收到的声波和振动信号与预设的声波和振动阈值进行比较，当监测到的声波和振动信号超出预设的声波和振动阈值，此时初步判断对应位置的危岩体有坠落的风险，且分析模块锁定对应的初步判断存在危岩体坠落风险位置区域，与此同时，控制单元向外发送控制信号；
所述分析模块还内置有预设的危岩位移阈值及相应的比较判断逻辑，分析模块将接收到的初步判断存在坠落风险的危岩位移与预设的危岩位移阈值进行比较，当接收到的初步判断存在坠落风险的危岩位移超出预设的危岩位移阈值，则准确判断危岩存在坠落风险，并通过监测处理主机向外发送报警控制信号。
进一步地，所述位移监测模块中的无线射频装置为：RFID电子标签和RFID读取器；
多个RFID电子标签沿分布式光纤的分布方向布设在分布式光纤周围，且RFID电子标签固定在危岩的表面及裂缝处，用于监测危岩的位移以及裂缝的扩展；
多个所述RFID电子标签成组设置，且每组RFID电子标签对应连接一个RFID读取器，RFID电子标签与RFID读取器无线信号连接；
所述RFID读取器布设于分布式光纤上方或下方的稳定基岩上，RFID读取器用于接收控制单元发出的控制信号，向外发射射频信号，并记录与之相连接的RFID电子标签所分布区域内危岩的初始位置信息。
更进一步地，所述位移监测模块还包括：第二无线传输模块和解算器；
RFID读取器与第二无线传输模块电信号连接，所述第二无线传输模块与控制模块无线信号连接，所述解算器与控制模块有线信号连接；
所述解算器，用于接收危岩初始位置数据以及实时监测到的危岩实时位置数据，并计算初步判断存在坠落风险的危岩位移。
更进一步地，所述解算器计算经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩的位移具体过程如下：
S1：采集初步判断危岩初始位置信息(x1，y1)；
S2：根据下列公式计算危岩对应的RFID电子标签至RFID读取器的实时距离d；
RSSI＝-(A+10nlgd)
上述公式中：
RSSI——信号接收强度，通过采集信号获得；
n——信号传播因子；
A——与环境有关的常数；
d——危岩对应的RFID电子标签至RFID读取器的实时距离；
S3：根据三边测量法定位危岩的实时位置(x2，y2)；
S4：根据危岩初始位置信息(x1，y1)，与危岩的实时位置(x2，y2)，计算经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩的位移。
进一步地，所述报警模块包括：短信单元、电源单元、无线报警器和太阳能板；
所述短信单元与控制模块连接，用于在接收到控制模块发送的报警控制信号后，编辑相应的报警信息，并向外以短信的形式发送报警信息；
所述太阳能板、电源单元和无线报警器依次电信号连接；
所述声光报警器与控制模块信号连接，用于在接收到控制模块发送的报警控制信号后向外发送警示信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述监测预警系统利用分布式光纤声波传感技术和无线射频识别技术相结合的方式对隧道口上方超高陡危岩体进行监测，实现声波、振动、位移一体化监测。
2、本发明所述监测预警系统采用分布式光纤声波传感技术采集振动和声波信号，精度高，响应速度快，同时定位，可对危岩体进行实时定量监测，以便对危岩失稳作出合理的的预判；
3、本发明所述监测预警系统采用的分布式光纤声波传感技术与分布式光纤应变传感技术相比，受外界温度影响较小，不需温度补偿器进行温度补偿，节约成本，无需提前标定；
4、本发明所述监测预警系统采用无线射频识别技术非接触式监测位移，属于非可视通信，穿透力强，一个RFID读取器可识别多个RFID电子标签，实现多点同时监测，与此同时，RFID电子标签体积小、易固定，布设于光纤沿线的危岩体，与光纤紧密结合，可布设于危岩裂缝中，对危岩内部裂隙扩展情况进行监测，以便提前对危岩失稳做出预警，也可布设于危岩体表面，对危岩体外部位移进行监测，追踪危岩体，并且可随着危岩的发育程度增加布设点。
5、本发明所述监测预警系统将光纤本身作为传感器，监测范围广，节约成本，以连续的“N”字形布设形成锯齿形的光纤分布形态，最大限度的扩展光纤的监测范围；
6、本发明所述监测预警对声波频率以及振动振幅进行分析，以此对危岩稳定性进行初步判断，在超出振幅阈值的位置采用无线射频技术启动位移监测，进行辅助监测，排除动物等外界噪音影响，可以实现精准监测，避免误报，实现灾前预警；
7、本发明所述监测预警系统及方法，全程智能化、自动化监测，节省人力成本。
附图说明
图1为本发明所述高铁运行对隧道口上方超高陡危岩影响的监测预警系统的结构框图；
图2为本发明所述高铁运行对隧道口上方超高陡危岩影响的监测预警系统的结构示意图；
图中：
1-激光光源， 2-第一放大器， 3-环形器，
4-光纤， 5-第二放大器， 6-偏振控制器，
7-耦合器， 8-光电探测器， 9-第一无线传输模块，
10-监测处理主机， 11-控制单元， 12-第二无线传输模块，
13-RFID电子标签， 14-RFID读取器， 15-解算器，
16-短信单元， 17-电源单元， 18-无线报警器，
19-稳定基岩， 20-危岩， 21-裂缝，
22-太阳能板。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本具体实施方式公开了高铁运行对隧道口上方超高陡危岩影响的监测预警系统，如图1所示，所述监测预警系统包括：振动声波识别模块、控制模块、位移监测模块以及报警模块；其中：所述振动声波识别模块采用分布式光纤声波传感技术，利用反射的干涉波监测危岩失稳或破裂产生的振动和声波，且同时对事件发生位置进行定位，将监测到的振动及声波信号发送至控制模块，为危岩崩塌早期预警提供依据，控制模块对接收到的振动及声波信号进行分析，对超出振动和声波阈值的位置区域进行锁定，并启动位移监测模块进行辅助监测，位移监测模块采用无线射频识别技术追踪被锁定区域的危岩体，实现对危岩体位移量的量化监测，并且通过RFID读取器识别布置在被锁定区域内的裂隙以及危岩表面放置的RFID电子标签，监测危岩内部和外部的位移，在相应位置的危岩超出位移阈值而失稳前将报警信号发送至报警模块。
如图1和图2所示，所述振动声波识别模块包括：激光光源1、第一放大器2、环形器3、分布式光纤4、第二放大器5、偏振控制器6、耦合器7和光电探测器8；其中：
所述激光光源1和第一放大器2一端通过光纤连接，激光光源1发射光脉冲，经过第一放大器2放大光脉冲信号；
所述环形器3设有三个端口，环形器3的第一端口与所述第一放大器2另一端之间通过光纤连接，环形器3的第二端口通过端口处设置的接头直接与分布式光纤4连接，环形器3的第三端口与第二放大器5的一端光纤连接；环形器3将经第一放大器2放大的光脉冲信号发送至分布式光纤4，光脉冲信号沿分布式光纤4传播，所述环形器3使放大的光脉冲信号单向传输，光脉冲信号在分布式光纤4的末端反射后形成的干涉光信号，干涉光信号进入第二放大器5，第二放大器5放大返回的干涉光信号；
所述分布式光纤4本身作为传感器，以连续的“N”字形(即锯齿形)布设在危岩20的裂缝21上，且分布式光纤4的分布走向与危岩20的裂缝21的走向一致；所述分布式光纤4采用瞬干胶和水泥粘结在岩体表面上，用于传输带有传感信号的光，分布式光纤4尾部打结，以消除强反射信号。
所述第二放大器5的另一端与偏振控制器6、耦合器7和光电探测器8依次光纤连接；其中：
所述偏振控制器6用于消除偏振衰落，输出偏振光；
所述耦合器采用3×3耦合器；
所述光电探测器8用于将光信号转换为电信号；
上述振动声波识别模块通过布设在危岩20的裂缝21上的分布式光纤4采集反应声波和振动的光信号，并通过光电探测器8将光信号转换成反应声波和振动的，可以量化比较分析的电信号，以供控制模块进一步分析处理。
所述振动声波识别模块通过第一无线传输模块9与控制模块信号连接。
所述控制模块为嵌置有控制单元11的监测处理主机10，所述监测处理主机10通过第一无线传输模块9与振动声波识别模块的光电探测器8信号连接，以接收振动声波识别模块监测并输出的声波和振动信号；
所述监测处理主机10内设有分析模块，所述分析模块内置有预设的声波和振动阈值及相应的比较判断逻辑，分析模块将接收到的振动声波识别模块监测的声波和振动信号与预设的声波和振动阈值进行比较，当监测到的声波和振动信号超出预设的声波和振动阈值，此时初步判断对应位置的危岩体有坠落的风险，且分析模块锁定对应的初步判断存在危岩体坠落风险位置区域，与此同时，嵌置于监测处理主机10内的控制单元11向外发送控制信号。
所述位移监测模块包括：RFID电子标签13、RFID读取器14、第二无线传输模块12以及解算器15；其中：
所述RFID电子标签13采用无源电子标签，RFID电子标签13有多个，RFID电子标签13沿着分布式光纤4分布的方向布置在分布式光纤4周围，且RFID电子标签13均采用铆钉或螺丝固定在危岩20的表面及裂缝21处，用于监测危岩20的位移以及裂缝21的扩展；
多个所述RFID电子标签13成组设置，且每组RFID电子标签13对应连接一个RFID读取器14，即：所述位移监测模块包含有多个RFID读取器14，且每个RFID读取器14对应连接多个RFID电子标签13，所述RFID电子标签13与RFID读取器14无线信号连接；
所述RFID读取器14布设于分布式光纤4上方或下方的稳定基岩19上，RFID读取器14用于接收控制单元发出的控制信号，向外发射射频信号，并记录与之相连接的RFID电子标签13所分布区域内危岩的初始位置信息；
RFID读取器14与第二无线传输模块12电信号连接，所述第二无线传输模块12与监测处理主机10无线信号连接，所述解算器15与监测处理主机10有线信号连接；
如前所述，在监测处理主机10内，当监测到的声波和振动信号超出预设的声波和振动阈值，此时初步判断对应位置的危岩体有坠落的风险，且分析模块锁定对应的初步判断存在危岩体坠落风险位置区域，与此同时，嵌置于监测处理主机10内的控制单元11向外发送控制信号；所述控制单元11将启动指令控制信号发送至初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内分布的RFID电子标签13所对应连接的RFID读取器14，控制对应的RFID读取器14启动，RFID读取器14向对应无线连接的RFID电子标签13发射无线射频信号，根据RFID电子标签13的信号反馈，所述RFID读取器14记录其对应连接的RFID电子标签13初始位置，并根据RFID电子标签13的实时信号反馈，获取RFID电子标签13的实时位置数据，以实现精准测量RFID电子标签13的实时位置，RFID读取器14将其记录的对应连接的RFID电子标签13初始位置信号以及对应连接的RFID电子标签13的实时位置数据通过第二无线传输模块12发送至监测处理主机10，在通过监测处理主机10以有线传输的方式输送至所述解算器15，经解算器15计算经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩20的位移；
所述解算器15计算经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩20的位移具体过程如下：
S1：采集RFID读取器记录的初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩初始位置信息(x1，y1)；
S2：根据下列公式计算获取经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩对应的RFID电子标签至RFID读取器的实时距离d；
RSSI＝-(A+10nlgd)
上述公式中：
RSSI——信号接收强度，通过采集信号获得；
n——信号传播因子；
A——与环境有关的常数；
d——经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩对应的RFID电子标签至RFID读取器的实时距离。
S3：根据三边测量法定位经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩的实时位置(x2，y2)。
S4：根据步骤S1中采集的初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩初始位置信息(x1，y1)，与步骤S3中定位获得的经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩的实时位置(x2，y2)，计算经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩的位移。
所述解算器15将计算得到的经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩的位移数据输送至监测处理主机10，所述监测处理主机10的分析模块还内置有预设的危岩位移阈值及相应的比较判断逻辑，经分析模块比较处理后，当计算得到的经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内危岩的位移超出预设的危岩位移阈值，则判断经初步判断存在危岩体坠落风险位置区域内的危岩存在危岩体坠落风险，并通过监测处理主机10向外发送报警控制信号。
所述报警模块包括：短信单元16、电源单元17、无线报警器18和太阳能板22；其中：
所述短信单元16与监测处理主机10串口连接，用于在接收到监测处理主机10发送的报警控制信号后，编辑相应的报警信息，并向管理人员或司机以短信的形式发送报警信息，通知管理人员或司机前方出现险情；
所述太阳能板22、电源单元17和无线报警器18依次电信号连接，太阳能板22为电源模块17补充电能，电源模块17为声光报警器18供电；
所述声光报警器18与监测处理主机10信号连接，用于在接收到监测处理主机10发送的报警控制信号后，以听觉及视觉在内的方式向外发送报警信号；
此外，所述声光报警器18安装在山体隧道口一侧，以实现现场报警。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
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