一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法及系统与流程

本发明涉及一种可对边坡(如公路、铁路沿线及尾矿坝等边坡)落石进行实时监测和定位的方法及系统，属于防灾监测领域。

背景技术：

据统计，我国山地、丘陵和高原的面积占到了总土地面积的近七成。伴随着我国公路、铁路运输业在非平原地区建设需求的日益增长，边坡危岩落石成为影响公路、铁路建设运行的一大安全隐患。边坡落石灾害具有突发性、破坏性，往往无律可循；一旦发生，就对道路相关设施建设造成破坏，且对来往人员和车辆安全形成巨大威胁。因为，实现边坡落石灾害的动态监测和预警尤为重要。

目前为解决这一问题采取的常见技术手段包括两个方面，一方面借助于利用光纤光栅、视频成像和振动传感器等设备进行落石监测，另一方面依赖于安装落石拦截装置进行防护。但是都存在难以克服的技术问题：光纤光栅监测装置的安装及维护成本较高；摄像视频对复杂环境的适应能力较差；振动传感器易误报误触，可用性低；检修落石拦截装置会消耗大量人力物力，被动地依靠于工程防护措施便势单力薄，安全系数不高。这些或多或少地影响了上述方案的实际应用价值。特别地，如何有效控制落石并实现潜在危险源的精准定位成为了监控减灾的一大难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述传统边坡落石灾害监测方法的不足，提供一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法及系统，能对边坡潜在落石灾害进行动态实时监控，兼具落石精准定位、可靠度高、成本低等优势。

本发明的技术方案如下：

一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法，包括以下步骤：

步骤1、将各落石监测终端分别安装在边坡监测区域(目标监测区域)的各潜在落石表面，潜在落石发生移动时，其表面安装的落石监测终端会随之移动；

步骤2、落石监测终端与无人机巡航定位系统协同获取落石监测数据

无人机巡航定位系统中在边坡监测区域进行巡航；每轮巡航过程中，每隔一段时间发射一个无线电磁波信号；各落石监测终端接收无线电磁波信号，并记录接收到无线电磁波信号的时间，即信号到时；

步骤3、信息处理中心计算各潜在落石位置，评估边坡落实安全状态

无人机巡航定位系统一轮巡航结束后，信息处理中心根据无人机巡航定位系统在本轮巡航过程中发射无线电磁波信号的位置和时间，以及各落石监测终端相应的信号到时数据，计算各落石监测终端在本轮巡航过程中的位置，并对每个落石监测终端，判断其在本轮与上一轮巡航过程中的位置是否发生变化，若位置发生变化，则发出该落石监测终端安装位置处发生边坡落石灾害的预警。

进一步地，预先在边坡监测区域规划巡航线路；在规划好的巡航线路上，每间隔一定距离确定一个信号发射点；每轮巡航过程中，无人机均按预先规划好的巡航线路进行巡航，且在每个信号发射点发射一个无线电磁波信号。

进一步地，无人机巡航定位系统通过gps高精度授时定位模块，在规划的信号发射点通过信号发射模块向落石监测终端发射特定频段的无线电磁波信号，并根据gps高精度授时定位模块确定每次发射无线电磁波信号的时间；

落石监测终端的信号接收模块接收信号后，根据纳米级时钟确定信号到时，并将信号到时及落石监测终端的编号通过数据传输模块反馈给无人机巡航定位系统；

无人机巡航定位系统继续沿规划好的巡航线路完成在各个信号发射点的信号发射工作，并获取各落石监测终端反馈的数据；

无人机巡航定位系统的数据采集模块依各落石监测终端的编号i记录其对应的信号到时数据，并将记录的信号到时数据、发射无线电磁波信号的位置和时间，传输至所述信息处理中心，完成一轮巡航监测工作。

进一步地，落石监测终端i的位置计算方法如下：

根据电磁波的传播路径、波速和时间的函数关系列出落石监测终端与无人机巡航定位系统之间电磁波理论传播时间的函数表达式，函数表达式中落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)3个未知量，一般地，选取3组数据建立方程组：

其中，(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)和(x03,y03,z03)分别为3个信号发射点的坐标；t01、t02和t03分别为无人机在这3个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，ti1、t02和ti3分别为落石监测终端i记录的相应的3个到时；c0为电磁波传播速度；

解上述方程组即可求得落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)。

进一步地，在落石监测终端i与无人机巡航定位系统的时钟不同步，存在时间差ti^d的情况下(比如为节约系统安装成本，落石监测终端不配置gps系统，所获取的信号到时数据tin,n＝1,2,…,n未经过gps同步；而无人机巡航定位系统配置有gps高精度授时定位模块，其记录的发射无线电磁波信号的时间为经过gps同步的标准时间，两者的时钟不同步)，根据电磁波的传播路径、波速和时间的函数关系列出落石监测终端与无人机巡航定位系统之间电磁波理论传播时间的函数表达式，函数表达式中存在落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)、落石监测终端i的信号到时数据与标准时间的差4个未知量，一般地，选取4组数据建立方程组：

其中，(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)、(x03,y03,z03)和(x04,y04,z04)分别为4个信号发射点的坐标；t01、t02、t03和t04分别为无人机在这4个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，ti1、t02、ti3和ti4分别为落石监测终端i记录的相应的4个到时；c0为电磁波传播速度；

解上述方程组即可求得落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)及利用本方案，借助单个高精度gps授时定位装置即可实现精准定位。

进一步地，电磁波的传播路径总是受到地形及人为环境的影响，造成接收信号大量的散射、反射或叠加，使得电磁波在动态变化且复杂外界环境的传播路径产生影响。而在不同折射率的介质中，电磁波速会发生差异。在上述情境下所述任一落石监测终端的位置计算方法如下：

设无人机巡航定位系统发射的第n次电磁波传播至落石监测终端i的理想传播路径(距离)为：

假设电磁波在介质中的实际传播速度c未知，则无人机巡航定位系统发射的第n次电磁波传播至落石监测终端i的计算传播路径(距离)为：

无人机巡航定位系统发射的第n次和第m次电磁波传播至落石监测终端i的计算距离差为：

计算距离差从而消去未知数——到时数据与标准时间的差

对于n组现场监测数据，应该使理论距离差和计算距离差的偏差q(xi,yi,zi,c)最小，以实现(xi,yi,zi,c)的求解，定义偏差q(xi,yi,zi,c)为：

对于上式超静定方程，存在一组(xi,yi,zi,c)使得q(xi,yi,zi,c)达到最小，q(xi,yi,zi,c)达到最小时，满足：

其中，分别为q对xi,yi,zi,c求偏导；(x0n,y0n,z0n)和(x0m,y0m,z0m)分别为第n和m个信号发射点的坐标；t0n和t0m分别为无人机在第n和m个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，t0n和t0m分别为落石监测终端i记录的相应的信号到时(落石监测终端i接收到第n和m个无线电磁波信号的时间)；c0为电磁波传播速度；n为用于计算的信号发射点个数，n大于等于5；

求解上式，可以得到落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)和复杂干扰环境下电磁波传播速度c。

本发明还提供了一种边坡落石灾害动态无线监测定位系统，包括落石监测终端、无人机巡航定位系统和信息处理中心；各落石监测终端分别布置在各个需要监测的潜在落石表面，和无人机巡航定位系统协同监测并获取落石的动态数据，通过将潜在落石的动态数据无线传输至信息处理中心来分析评估评估边坡安全情况。每个落石监测终端具有固定唯一的编号，根据落石监测终端发送的自身编号可以区分不同落石监测终端的信号到时数据，一轮巡航可同时确定多个落石监测终端的位置。

无人机巡航定位系统中的无人机在目标监测区域巡航，每隔一段时间发射一个无线电磁波信号；各落石监测终端接收无线电磁波信号，并记录接收到无线电磁波信号的时间，即信号到时；无人机巡航定位系统一轮巡航结束后，信息处理中心根据无人机巡航定位系统在本轮巡航过程中发射无线电磁波信号的位置和时间，以及各落石监测终端相应的信号到时数据，计算各落石监测终端在本轮巡航过程中的位置；信息处理中心对每个落石监测终端，判断其在本轮与上一轮巡航过程中的位置是否发生变化，若位置发生变化，则发出该落石监测终端安装位置处发生边坡落石灾害的预警。

所述潜在落石由人工经验确定，一般选定有滑移倾向、体积较大且会造成潜在破坏的石头。

所述落石监测终端包括信号接收模块、时钟模块和数据传输模块；所述的信号接收模块用于接收特定频段的无线电磁波信号，并根据时钟模块得到信号到时；所述的信号传输模块用于传输落石监测终端的编号和信号到时数据。

所述的无人机巡航定位系统包括无人机，以及安装在无人机上的授时模块、定位模块、信号发射模块和数据传输模块；所述的授时模块和定位模块用以确定无人机的实时空间位置及时间；所述信号发射模块用于发射特定频段的无线电磁波信号；数据传输模块将信号发射时间传输给所述信息处理中心。

所述信息处理中心包括数据接收处理模块、数据库服务器和信息评估预警模块，所述数据接收处理模块接收无人机巡航定位系统信号发射时间、各落石监测终端的编号和信号到时数据，并根据数据计算各落石监测终端的位置(潜在落石的位置)，储存于所述数据库服务器中；所述信息评估预警模块将每个落石监测终端的位置与数据库服务器中先前存储的相应落石监测终端的位置比对，若落石监测终端的位置发生变化则发出预警信息指令(也可进一步结合人工综合判断是否发出预警信息)。

进一步地，所述时钟模块为纳秒级钟表。

进一步地，所述授时模块和定位模块采用同时具有授时和定位功能的gps高精度授时定位模块，时间精度达到纳秒级，空间位置信息精度达到厘米级。无人机巡航定位系统通过gps高精度授时定位模块校准时间。

进一步地，所述无人机巡航定位系统还包括数据采集模块；信号发射模块发射一次信号后，所述数据采集模块采集各个落石监测终端中信号传输模块传输的落石监测终端编号和信号到时数据，并进行汇总；数据传输模块将汇总后的数据传输给所述信息处理中心。

与现有技术手段相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用“一发多收”的无线电磁波信号采集模式，实现整个监测区域潜在落石危险源的精准定位和边坡地质灾害防控。整个监测定位系统具有辐射范围广、成本低廉、环境适应能力强等优势；针对潜在落石的定位手段准确可靠度高，克服误触误报的问题；实现对大面积监测区域的实时动态监测，可及时发布警示信息；减少人力消耗，极大降低维护运营成本。为道路沿线边坡落石灾害防控预警提供了可靠手段。

附图说明

图1是本发明的边坡落石灾害动态无线监测定位方法原理图；

图2是本发明的边坡落石灾害动态无线监测定位系统原理图；

图3是本发明实施场景图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

实施例1：

本实施例公开了一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法，包括以下步骤：

步骤1、在边坡监测区域布置一个以上落石监测终端；

通过人工布置或无人机播洒的方式将各落石监测终端分别安装在边坡监测区域的各潜在落石表面(若需要监测多个潜在落石，则在每个潜在落石表面安装一个落石监测终端，如图1所示；每个落石监测终端具有固定唯一的编号；潜在落石发生移动时，其表面安装的落石监测终端会随之移动；

步骤2、落石监测终端与无人机巡航定位系统协同获取落石监测数据；

无人机巡航定位系统中在边坡监测区域进行巡航；每轮巡航过程中，每隔一段时间发射一个无线电磁波信号；每个各落石监测终端接收无线电磁波信号，并记录接收到无线电磁波信号的时间，即信号到时；

步骤3、信息处理中心计算各潜在落石位置，评估边坡落实安全状态；

无人机巡航定位系统一轮巡航结束后，信息处理中心根据无人机巡航定位系统在本轮巡航过程中发射无线电磁波信号的位置和时间，以及每个落石监测终端相应的信号到时数据，计算本轮巡航过程中每个落石监测终端的位置(无人机巡航定位系统和信息处理中心根据落石监测终端发送的自身编号可以区分不同落石监测终端的信号到时数据，一轮巡航可同时确定多个落石监测终端的位置)，并对每个落石监测终端，比较其在本轮与上一轮巡航过程中的位置是否发生变化，若存在位置发生变化的落石监测终端，则发出该落石监测终端安装位置处发生边坡落石灾害的预警。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，如图1所示，预先在边坡监测区域规划巡航线路；在规划好的巡航线路上，每间隔一定距离确定一个信号发射点；每轮巡航过程中，无人机均按预先规划好的巡航线路进行巡航，且在每个信号发射点发射一个无线电磁波信号。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上，无人机巡航定位系统通过gps高精度进定位模块进行定位，在规划的信号发射点通过信号发射模块向落石监测终端发射特定频段的无线电磁波信号，并根据gps高精度授时定位模块确定每次发射无线电磁波信号的时间。

实施例4：

本实施例在实施例1的基础上，各落石监测终端将信号到时及其自身的编号通过数据传输模块反馈给无人机巡航定位系统；无人机巡航定位系统通过数据采集模块获取各落石监测终端反馈的数据，依各落石监测终端的编号i记录其对应的信号到时数据，并将记录的信号到时数据、发射无线电磁波信号的位置和时间传输至所述信息处理中心，完成一轮巡航监测工作。

实施例5：

本实施例在实施例1的基础上，所述步骤3中，落石监测终端i的位置计算方法如下：

建立方程组：

其中，(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)和(x03,y03,z03)分别为3个信号发射点的坐标；t01、t02和t03分别为无人机在这3个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，ti1、t02和ti3分别为落石监测终端i记录的相应的3个到时；c0为电磁波传播速度；

解上述方程组，求得落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)。

实施例6：

本实施例在实施例1的基础上，所述步骤3中，在落石监测终端i与无人机巡航定位系统的式中不同步，存在时间差的情况下，建立方程组：

其中，(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)、(x03,y03,z03)和(x04,y04,z04)分别为4个信号发射点的坐标；t01、t02、t03和t04分别为无人机在这4个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，ti1、t02、ti3和ti4分别为落石监测终端i记录的相应的4个到时；c0为电磁波传播速度；

解上述方程组，求得落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)及

实施例7：

本实施例在实施例1的基础上，所述步骤3中，在电磁波在介质中的实际传播速度c未知的情况下，建立方程组：

其中，，(x0n,y0n,z0n)和(x0m,y0m,z0m)分别为第n和m个信号发射点的坐标；t0n和t0m分别为无人机在第n和m个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，t0n和t0m分别为落石监测终端i记录的相应的信号到时(落石监测终端i接收到第n和m个无线电磁波信号的时间)；c0为电磁波传播速度；n为用于计算的信号发射点个数，n大于等于5。

解上述方程组，得到落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)和电磁波在介质中的实际传播速度c。

实施例8：

本实施例公开了一种边坡落石灾害动态无线监测定位系统，包括落石监测终端、无人机巡航定位系统和信息处理中心；各模块可以采用如图2所示的结构。

每个落石监测终端具有固定唯一的编号，各落石监测终端分别安装在边坡监测区域的各潜在落石表面，潜在落石发生移动时，其表面安装的落石监测终端会随之移动；

所述无人机巡航定位系统中在边坡监测区域进行巡航；每轮巡航过程中，每隔一段时间发射一个无线电磁波信号；各落石监测终端接收无线电磁波信号，并记录接收到无线电磁波信号的时间，即信号到时；

所述信息处理中心计算各潜在落石位置，评估边坡落实安全状态；具体地，无人机巡航定位系统一轮巡航结束后，信息处理中心根据无人机巡航定位系统在本轮巡航过程中发射无线电磁波信号的位置和时间，以及各落石监测终端相应的信号到时数据，计算各落石监测终端在本轮巡航过程中的位置，并对每个落石监测终端，判断其在本轮与上一轮巡航过程中的位置是否发生变化，若位置发生变化，则发出该落石监测终端安装位置处发生边坡落石灾害的预警。

所述边坡落石灾害动态无线监测定位系统实现边坡落石灾害动态无线监测定位的方法可以采用上述实施例1～8中任一项所述的方法。

实施例9：

本实施例在实施例8的基础上，所述无人机巡航定位系统配置有gps高精度授时定位模块；所述各落石监测终端均配置有纳米级时钟。