[發明專利]一種基于北斗衛星定位的鐵路邊坡監測系統及方法

在審

• 申請號: 202111342951.3
• 申請日: 2021-11-12
• 公開（公告）號: CN114136369A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 馬云東;王進喜;王海濤;張濤;管景雙;張生芳;張志榮;王忠昶;王洪德
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G08C17/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 魯保良;李洪福

1.一種基于北斗衛星定位的鐵路邊坡監測系統，其特征在于：包括主控制板系統、4G通訊傳輸系統、上位機數據處理系統、交換機數據處理系統、存儲系統和電源管理系統；所述主控制板系統分別與存儲系統、4G通訊傳輸系統、交換機數據處理系統和電源管理系統雙向連接；所述主控制板系統分別與基本參數監測感知模塊和毫米波雷達監測感知模塊連接；所述上位機數據處理系統分別與InSAR雷達遙感衛星模塊和高分影像模塊連接，并與4G通訊傳輸系統雙向連接，所述InSAR雷達遙感衛星模塊和高分影像模塊分別接收InSAR雷達遙感衛星和高分影像衛星的數據；所述交換機數據處理系統與高清攝像頭連接；所述電源管理系統與供電電池連接；

所述上位機數據處理系統接收InSAR雷達遙感衛星模塊和高分影像模塊的數據并進行處理，再通過4G通訊傳輸系統發送到主控制板系統；所述高清攝像頭獲取的數據發送到交換機數據處理系統，經處理之后發送到主控制板系統；

所述基本參數監測感知模塊包括北斗高精度衛星感知模塊、北斗CORS站、深部位移感知裝置、土壤水分及溫度感知裝置、降雨量感知裝置、液位計路基漫水感知裝置和UWB單元感知模塊；所述北斗高精度衛星感知模塊，設置在坡頂和坡面上，用于確定邊坡區域的感知基準，并通過多點單元位移計算區域位移變化狀態，通過無線傳輸將數據發送到北斗CORS站；所述北斗CORS站為北斗連續運行的參考站，用于對北斗高精度感知模塊確定的基準點的數據進行確認；所述深部位移感知裝置布置在邊坡的土體中，用于獲取坡體監測點深部水平位移、垂直位移、深層土體位移；所述土壤水分及溫度感知裝置和降雨量裝置均布置在邊坡區域內，用于監測邊坡所在區域土壤水分及溫度和降雨量；所述液位計路基漫水感知裝置布置在邊坡路基上，用于監測路基地表水水位；所述UWB單元感知模塊安裝于坡肩、坡中、坡腳和防護柵欄的固定位置上，用于實現對邊坡坡面滑坡、崩塌、防護柵欄狀態進行監測；所述基本參數監測感知模塊通過無線傳輸把數據發送到主控制板系統；

所述毫米波雷達監測感知模塊包括毫米波雷達和角反射器，所述角反射器有多個，分別安裝在邊坡的坡肩、坡中和坡腳處，用于獲取角反射器、樹木、危巖落石、防護柵欄狀態的實時數據；所述毫米波雷達監測感知模塊通過無線傳輸把數據發送到主控制板系統；

所述主控制板系統將基本參數監測感知模塊和毫米波雷達監測感知模塊獲得的數據通過4G通訊傳輸系統發送到上位機數據處理系統；

所述InSAR雷達遙感衛星模塊安裝在毫米波雷達覆蓋的邊坡區域內，用于獲取毫米波雷達覆蓋的邊坡區域內的InSAR雷達遙感監測數據；

所述高分影像模塊安裝在毫米波雷達覆蓋的邊坡區域內，用于獲取達到毫米波雷達覆蓋的邊坡區域內的高分數據影像圖像；

所述高清攝像頭布置在毫米波雷達覆蓋的邊坡區域內，用于獲取毫米波雷達覆蓋的邊坡區域內的處于預警狀態的邊坡實時圖像，通過無線傳輸的方式把圖像發送到交換機數據處理系統上；

所述主控制板系統包括數據收集模塊、數據顯示模塊和設備控制模塊，所述數據收集模塊用于收集基本參數監測感知模塊、毫米波雷達監測感知模塊和高清攝像頭的數據；所述數據顯示模塊用于顯示上位機數據處理系統得到的數據和圖像；所述設備控制模塊對基本參數監測感知模塊、毫米波雷達監測感知模塊、高清攝像頭、InSAR雷達遙感衛星模塊和高分數據影像模塊進行控制；

所述存儲系統，用于存儲基本參數監測感知模塊、毫米波雷達監測感知模塊、高清攝像頭、InSAR雷達遙感衛星模塊和高分數據影像模塊獲得的數據；

所述上位機數據處理系統，用于對基本參數監測感知模塊、毫米波雷達監測感知模塊、高清攝像頭、InSAR雷達遙感衛星模塊和高分數據影像模塊獲得的數據進行處理。

2.一種基于北斗衛星定位的鐵路邊坡安全狀態監測方法，利用基于北斗衛星定位的鐵路邊坡安全狀態監測系統進行監測，其特征在于：包括以下步驟：

A、將基本參數監測感知模塊中的北斗高精度衛星感知模塊測得的值并通過多點單元位移計算區域位移取得的數據記為a₁、深部位移感知裝置測得的數據記為a₂、土壤水分及溫度感知裝置測得的數據記為a₃及a₄、降雨量感知裝置測得的數據記為a₅、液位計路基漫水感知裝置測得的數據記為a₆、UWB單元感知模塊測得的數據記為a₇；通過北斗高精度衛星感知模塊獲得坡頂、坡面監測點的初始坐標x、y、z，利用以下公式計算北斗高精度衛星感知模塊測得的變化后的上述監測點相對于初始坐標的位移d：

當d大于設置的位移臨界值時b₁取1，否則為0；深部位移感知裝置測得的數據大于設置的深部位移臨界值時b₂＝1，否則為0；土壤水分及溫度感知裝置測得的數據大于設置的土壤水分及溫度臨界值時b₃＝1，b₄＝1，否則為0；降雨量感知裝置測得數據大于設置的降雨量臨界值時b₅＝1，否則取0；液位計路基漫水感知裝置測得的數據大于設置的漫水深度臨界值時b₆＝1，否則取0；UWB單元感知模塊測得數據大于設置的位移臨界值時b₇＝1，否則取0；當下式滿足時即表示達到第一閾值，主控制板系統中的數據顯示模塊做出報警：

a₁b₁+a₂b₂+a₃b₃+a₄b₄+a₅b₅+a₆b₆+a₇b₇＞0 (2)

B、當達到第一閾值時，開啟毫米波雷達監測感知模塊對需要加密監測的區域進行監測，當毫米波雷達監測感知模塊監測數據達到臨界值時，即達到第二閾值，主控制板系統中的數據顯示模塊做出報警；在此期間繼續獲取基本參數監測感知模塊的監測數據；

C、當毫米波雷達監測感知模塊監測數據達到閾值時，開啟InSAR雷達遙感衛星模塊和高分影像模塊對需要進一步加密監測的區域進行監測，當InSAR雷達遙感衛星模塊測得的數據達到臨界值時，該臨界值為第三閾值，主控制板系統中的數據顯示模塊做出報警，并開啟高清攝像頭進行監測；同樣的當高分影像模塊測得的數據達到臨界值時，該臨界值為第四閾值，主控制板系統中的數據顯示模塊做出報警，并開啟高清攝像頭進行監測；在此期間繼續獲取基本參數監測感知模塊和毫米波雷達監測感知模塊的監測數據。