基于城市路政交通供电网络的随机分布式电阻率感知系统的制作方法

[0001]
本发明属于电法勘探技术领域，具体涉及一种基于城市路政交通供电网络的随机分布式电阻率感知系统。


背景技术：

[0002]
随着城市化进程的加速，城市建设除了往空中发展、建设高楼大厦；也在往地下空间推进，建设各种地下建筑和地下设施(隧道、地铁、地下商业城以及各种大型科研和国防隐蔽工程)。对地下空间状况的准确把握就成为摆在城市管理部门面前的一项艰巨任务。政府部门在规划设计时除了需要对地面以上建筑有精准的把控，还迫切要求对地下环境、地下管网和地下空间结构状况有全面、清晰的了解和掌握，让城市地下空间变得“透明”、“可视”。地下介质(土壤和岩石)的非透明固体特性使得这项任务变得异常艰巨，需要大量的钻探和地球物理勘探配合，耗资巨大且费时费力。而且“透明城市”往往都是基于过去已积累的数据信息的“静态”可视化，还需要及时动态更新、并增加各种四维监测感知系统数据源，构建基于大数据和人工智能的“智慧城市”决策系统。
[0003]
地下隐蔽工程的内部结构变化是一个长期动态过程，地下结构的破损相应地会引起周边介质(围岩/围土)的力学结构参数的变化，如城市路面下供水、雨水或污水管网由于沉降变形造成长期渗漏，则会冲刷、带走路基泥土，逐渐扩大路面下方的塌陷空洞，最终导致路面塌陷。地下结构及其周围环境结构的变化也会引起周边介质物性参数(如密度、弹性波速度、电阻率等)的改变。地下感知系统动态监测这些物性参数的变化相当于给城市“身体”安装了一个动态监测装置，实时感知、监测城市地下管网、地下空间结构的变化，当达到设定临界值时，及时触发异常预警信息。通过分布式多传感器监测网络快速定位异常发生的位置，便于及时处置，保护生命财产安全。然而目前城市地下感知系统主要是温度、水位、应力、位移等地下结构传感器进行原位测量，缺少具有透视成像能力的传感器进行远距离或非接触式感知。
[0004]
城市沿道路往往布置较多的市政和交通设施，如路灯、信号灯、监控网络以及附属控制设施(各种控制开关箱)，这些设施往往安排在路侧，具有较好的接地条件，而且通过电缆管互相连接。最重要的是这些设施往往都有电源连接进来。这些有利条件为利用市政和交通网络构建城市感知系统提供了可能。其中最有优势的是路灯网，具有较均匀的间距和覆盖密度，路灯底座的检修舱是放置采集站的安全场所，是建立城市感知网络的优选平台。
[0005]
高密度电阻率法是在普通电法勘探基础上发展的一种阵列勘探方法。传统高密度电法是通过电缆将所有电极串接起来连接到仪器上，由仪器按照装置(如温纳、偶极-偶极等)设置要求，由程序控制从所有电极中挑选出满足装置设置要求的供电和测量电极进行自动测量，得到对应某一装置参数的视电阻率值ρ
s
。通过改变装置参数和测点位置，进行连续滚动测量，实现对地下结构的电阻率成像。高密度电法的优势在于只需要一次性布设所有电极，由仪器程控选择电极进行自动测量，不仅节省了人力物力，也提高了数据采集效率。但传统高密度电阻率法主要用于地质勘探，用于城市地下感知则存在以下困难：
[0006]
1.地球物理具有无损、穿透探测能力，但现有仪器系统是专为地质勘探目的而设计的，仪器体积较大、昂贵且需要人工现场交互操作。方法设计及仪器设计都不适合于远距离、无人值守的自动遥测和监测需求。
[0007]
2.现有的高密度电法二维三维成像往往基于规则网格，需要长电缆连接所有电极，通道数和采集设计难以胜任城市大范围复杂环境的监测需求。
[0008]
3.高密度电法虽然也具有4d监测的能力，但多是针对某一现场的定期、小范围探测性质，缺少大范围、长期实时监测的仪器和能力。经济性和效率上也无法满足。


技术实现要素：

[0009]
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于城市路政交通供电网络的随机分布式电阻率感知系统，具体技术方案如下：
[0010]
一种基于城市路政交通供电网络的随机分布式电阻率感知系统，该系统包括中央控制台、多个随机分布式电阻率感知节点和城市公共通信网，若干电阻率感知节点布置在城市路政交通供电网络中，由城市路政交通供电网络为其供电，所述的电阻率感知节点通过有线网络顺序连接，组成若干电阻率感知链路；若干电阻率感知链路通过网关设备组成局部树状网络，并接入城市公共通信网，由位于城市公共通信网中的中央控制台进行控制，从而形成分布式电阻率感知系统；
[0011]
所述的电阻率感知节点为独立的电阻率传感器单元，其包括采集站、多根附属电极以及相应的连接电缆，所述的采集站根据所述中央控制台的指令，执行供电或电位测量任务；
[0012]
所述的中央控制台包括遥控测量模块，其通过所述的公共通信网络、网关设备和有线网络与各电阻率感知节点进行通讯联络，对电阻率感知节点进行注册登记、监控各电阻率感知节点的状态、向各电阻率感知节点发布供电或电位测量的指令，并对电阻率感知节点采集到的数据进行处理。
[0013]
进一步地，所述的采集站包括通信模块、控制模块、供电模块和测量模块；
[0014]
所述通信模块用于与中央控制台和其他采集站进行网络通信；
[0015]
所述控制模块负责采集站自身系统的运行管理，与中央控制台的通信联络以及在中央控制台指令下进行供电和电位测量角色互换；
[0016]
所述供电模块用于接收中央控制台的供电指令，通过控制模块选择供电通道及其连接电缆和电极，向地下供电，并测量供电电流大小，供电时间完成后上传本节点及其供电通道编号以及供电电流数值；
[0017]
所述测量模块在收到中央控制台发送过来的测量指令后，连通指定的测量通道及其连接电缆和测量电极，并测量电极两端的电位差；测量完成后上传本节点及其测量通道编号及其电位差数值。
[0018]
进一步地，所述的采集站为多通道采集站，即，每个采集站均包括多个电极通道，每个电极通道由电缆与相应的接地电极连接形成，所述供电模块和测量模块共用多个电极通道；具体的电极通道数目根据勘测深度和成像分辨率进行设计。
[0019]
进一步地，所述电阻率感知节点布置在城市道路一侧的路灯灯杆的检修舱中，使用路灯电源作为采集站工作和往地下供电的电源，所述电阻率感知节点通过沿路灯管网铺
设的有线网络顺序连接形成电阻率感知链路，且通过道路一侧的电阻率感知链路实现对路灯下方区域进行电阻率剖面成像。
[0020]
进一步地，所述电阻率感知链路分别沿道路两侧路灯杆对应布置，且通过道路两侧电阻率感知链路交叉感知实现对中间主路面下方三维区域进行立体电阻率成像。
[0021]
进一步地，所述的采集站和中央控制台之间的网络通讯采用加密协议来实现信息包加密和传输。
[0022]
一种基于上述的电阻率感知系统的数据采集方法，包括如下步骤：
[0023]
(1)中央控制台对所有电阻率感知节点进行注册登记并赋予唯一的节点id号；
[0024]
(2)根据id号选择其中一个电阻率感知节点作为供电节点，并选择该供电节点其中一个电极通道作为供电通道；
[0025]
(3)以该供电节点的电极对的两个电极的中点o为圆心，以有效测量半径r画圆，该圆内的节点为测量节点，其中，r＝(6～8)a，a为电极对间距；
[0026]
(4)选择每个测量节点的测量通道，并根据上述的供电节点和测量节点进行测量；
[0027]
(5)设当前供电节点的供电通道数目为m，该供电节点对应的测量节点数目为k，每个测量节点的测量通道为n，则针对每个供电节点，依次轮流选择供电节点的供电通道、测量节点及其测量通道，共完成次测量；
[0028]
(6)按顺序选择下一个节点id号作为供电节点，重复步骤(2)～(5)，直到所有节点完成供电，则测量结束。
[0029]
本发明的有益效果如下：
[0030]
1.充分利用现有的城市路政和交通网络作为电阻率感知网基础平台
[0031]
(1)城市路政和交通网络(如路灯、信号灯、监控以及其它沿路布设的公共设施)网络能提供感知系统运行和测量所需要的电源。
[0032]
(2)利用路灯杆或其它设备安装杆底部检修舱作为采集站安置舱，确保系统设备安全且检修方便。
[0033]
(3)人行道路面易于改造并布置接地电极，且具有较好的接地条件。
[0034]
2.采用局域网和公共干线网组合构建分布式感知网
[0035]
充分利用已有的高速公共通信干线网络在城市的分区分片特性，通过网关将感知局域网就近接入，自动实现电阻率感知网的分片设计和分级管理；也使得感知节点数量不受限制，感知系统规模灵活可调。同时利用公共网络资源也使得中央控制台的接入位置更加灵活，系统规模可以根据需要灵活设置。
[0036]
3.采用分布式感知节点加上多通道采集站设计，每个路政交通设施(如路灯杆)设置为一个感知节点，节点设置灵活，节点间距离可随灯杆距离动态变化。感知节点都是各自独立运行，随城市道路连片组网，形成分布式感知网络系统。而每个采集站支持多电极通道，通过多节点、多通道以及多感知链路交叉测量组合，实现对地下不同深度感知目标的多层次三维立体成像和监测。
[0037]
4.感知节点并行工作模式。
[0038]
每个采集站都具有供电或测量两种功能，当某一个感知节点供电时，周边有效测量半径内的其它感知节点都同时并行进行电位测量，极大地提高了数据采集效率。
[0039]
5.系统结构简单、扩展能力强。
[0040]
分布式系统自身的特点决定了该系统对主控计算机以及感知节点的硬件性能要求不高，易于实现；但集成的分布式系统总体不但性能强大而且易于扩充，十分有利于实现四维感知。所有感知节点结构设计完全一样，有利于厂商批量生产，降低成本和造价，也便于采集站的替换和维修。
附图说明
[0041]
图1为本发明的电阻率感知系统的网络结构图；
[0042]
图2为本发明的电阻率感知节点的结构示意图；
[0043]
图3为布置在路灯灯杆下的采集站单侧布置电极的方式示意图；图中，s1～s3表示采集站，每个采集站均使用其中的7个采集通道；
[0044]
图4为布置在路灯灯杆下的采集站两侧布置电极的方式示意图；图中，s1～s3表示采集站，每个采集站均均使用其中的7个采集通道；
[0045]
图5为本发明道路双侧电极布置与成像目标示意图；图中，s1～s6表示采集站，每个采集站均均使用其中的7个采集通道；
具体实施方式
[0046]
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0047]
如图1所示，本发明的基于城市路政交通供电网络的随机分布式电阻率感知系统，包括中央控制台、多个随机分布式电阻率感知节点和城市公共通信网，若干电阻率感知节点布置在城市路政交通供电网络中，由城市路政交通供电网络为其供电，所述的电阻率感知节点通过有线网络顺序连接，组成若干电阻率感知链路；若干电阻率感知链路通过网关设备(如图1中的路由器)组成局部树状网络，并接入城市公共通信网，由位于城市公共通信网中的中央控制台进行控制，从而形成分布式电阻率感知系统。
[0048]
下面对该分布式电阻率感知系统的各个部分进行详细介绍。
[0049]
a.电阻率感知节点
[0050]
电阻率感知节点是一个独立的电阻率传感器单元，由采集站、多根附属电极以及相应的连接电缆组成(图2)。采集站由通信模块、控制模块、供电模块和测量模块组成。采集站根据中央控制台指令，分别执行供电或电位测量任务。通信模块包括一个网卡和至少两个网络接口，网卡用于网络通信管理和信号中继。网络接口用于连接其它感知节点。控制模块负责采集站自身系统的运行管理、自检、与中央控制台的通信联络以及在中央控制台指令下的测量角色(供电/电位测量)互换、通道选择、采集过程执行以及数据保存和上传测量数据等一系列过程中对系统各模块的控制。采集站具有多个供电/电位测量共用的电极连接通道(如图2中示意的采集站共有8个电极通道)，控制模块根据中央控制台指令进行通道选择。
[0051]
供电模块在收到供电指令后通过控制模块选择通道及其连接电缆和电极向地下供电，并测量供电电流大小。供电时间测量完成后上传本节点及其供电通道编号以及供电电流数值。测量模块在收到中央控制台发送过来的测量指令后开始连通指定的通道及其连接电缆和测量电极，并测量电极两端的电位差。测量完成后上传本节点及其电位测量通道
编号以及电位差数值。供电和测量模块共用多个电极通道，电极通道通过电缆与相应的接地电极连接。电极使用数量(通道数)和布设位置可以灵活设置(不超过设计的最大电极通道数)。电极通道数、电极位置信息等需要在电极布设完成后在采集站中设置好并自动上传至中央控制台，后期也可以在中央控制台远程修改设置。
[0052]
b.电阻率感知树
[0053]
电阻率感知节点是分布式电阻率感知系统的基本感知单元。一条街道的感知节点可以通过有线网络(如光纤或网线)顺序连接起来，组成一个电阻率感知链路。多个感知链路通过路由器连接，组成局部树状网络——电阻率感知树(如图1所示)。感知节点的网卡也承担传递感知节点和中央控制台之间的通信数据包的中继功能。电阻率感知树可以通过网关设备(如路由器)与公共通信骨干网络连接，传递中央控制台通讯联系的消息和指令。
[0054]
c.网关设备与公共通信网络
[0055]
网关设备是电阻率感知树所在的局域网与公共通信网络互连和信息交换的通道(路由)，根据电阻率感知树与公共通信网络的距离灵活设置。本发明充分利用城市街区密集分布的公共通信网络，通过网关设备把所有的电阻率感知节点接入公共通信网络，既实现了所有的电阻率感知节点都与中央控制台互通互连，也通过公共骨干网络ip地址的自然分区分片属性，实现电阻率感知系统的自动层级分区(有利于通过注册码和ip地址快速检索符合要求的感知节点)，确保分布式系统中感知节点接入数量无封顶上限限制。
[0056]
d.中央控制台
[0057]
中央控制台由中控计算机及其安装的遥测采集软件以及计算机外设(显示器、键盘、打印机)以及网络接口组成。中央控制台由遥测采集软件通过公共通信网络与各感知节点进行通讯联络，实现如下控制功能：对感知节点进行注册登记、与各感知节点进行通信连接、监控各网关和感知节点健康状态、采集参数设置、发布采集指令、下达上传数据指令，以及数据处理、显示和保存等功能。
[0058]
得益于公共通讯网络的开放式通信方式(如tcp/ip)，中央控制台可以从有公共通讯网络的任意位置接入公共通讯网络并实现对各分布式感知节点的监控和遥测。中央控制台通过通信网络群发“广播式”指令数据包，各感知节点根据指令对象选择接收、应答并执行指令或选择无视并沿感知网络传递到其它节点。
[0059]
e.系统安全设计
[0060]
在采集站和中央控制台之间的网络通信采用加密协议(如ssl协议)来实现信息包加密和传输，既保证中央控制台可以在网络的任意位置登录并控制所有注册的电阻率感知节点，又确保通过公共通信网络传输的指令和感知信息数据的安全，防止非法入侵和非法操控。
[0061]
f.电极布置方式
[0062]
本发明的电阻率感知系统包括三个层次的监测和感知：单侧线路的电阻率剖面成像(如图3和4所示)、双侧线路的交叉立体电阻率成像感知(如图5所示)和多街区综合感知。单侧线路探测只能对路灯下方区域实现剖面成像。双侧线路的交叉成像感知实现对中间主路面下方三维区域进行立体成像。主路下方通常是上下水管网密集通过的区域，也是地铁或地下隧道通过的区域。是比较容易集中发生沉降、塌陷的区域。若布极方式得当，电阻率感知网络可以较好地探测、感知路面下方浅、中、深各层位的地下状况。多街区综合感知是
利用区域内的多条邻近的道路两侧布置的电阻率感知链路实现对覆盖区域地下的综合成像感知。
[0063]
(1)路灯灯杆下的单侧、两侧布极和道路双侧布极
[0064]
多数路灯杆间距一般为30m，采集站设置多个通道是为了兼顾路灯杆之间的空间内电极距布置数量、间距和可选通道数的灵活性，最大程度地保证浅、中、深不同深度都能被较好的监控且具有较高的分辨率。其中8通道是兼顾各方面因素的折中方案，有利于仪器系统设计和设备小型化。
[0065]
本发明的采集系统采用与传统高密度电法系统不一样的采集方式，如图3所示，为采集站单侧布置电极的方式，图4为采集站两侧布置电极的方式，图5为道路双侧电极布置与成像目标示意图，图3和图4的单侧线路探测只能对路灯下方区域实现剖面成像。图5的双侧线路的交叉成像感知实现对中间主路面下方三维区域进行立体成像。每根路灯杆布设一个8通道采集站。多数路灯杆间距30m左右，若按5m极距均匀布设，则需要7根电极。极距和通道数也可以根据实际需要灵活调整(如不等距极距设置和通道数增减)。对于电极布设而言，根据电极与采集站的位置关系，存在两种布极方式：单侧布极(图3)和两侧布极(图4)。单侧布极可以较好地适应灯杆距的变化，可以灵活调整电极数和适应不等长电极距；而两侧布极能最大程度节省电缆的用量，以30m路灯间隔为例，则每个采集站布极时图4比图3节省约45m电缆。
[0066]
(2)供电/测量节点及其通道的选择
[0067]
本发明采用随机偶极方式布置供电和电位测量的测点位置，需要系统根据供电点的位置选择有效测量半径内的测量节点和测量通道，因此本发明的采集过程控制和电位测量点的选择都是围绕供电点展开。
[0068]
供电节点选择：中央控制台数据采集软件按区、街道、社区分片，对电阻率感知节点进行注册登记并赋予唯一的节点id号，采集系统按顺序选择其中某一节点作为供电节点。具体采集时，还需要选择不同的供电通道组合以及符合有效测量半径的电位测量节点及其电位测量通道。每一供电节点需要进行多次供电/电位测量操作，直至完成一个供电节点的所有设定组合模式的采集任务。设当前供电节点的供电通道数目为m，该供电节点对应的测量节点数目为k，每个测量节点的测量通道为n，不断变换测量节点的测量通道、供电节点的供电通道，完成次测量。
[0069]
然后供电点再移动到下一编号的节点，重复上述过程，直至完成所有节点的供电则完成一次全区的感知测量。
[0070]
供电和电位测量通道的选择：当供电节点编号确定后，系统就进入供电通道选择阶段。偶极-偶极测量的勘探深度与偶极矩a和电极距l有关。本发明每个采集站具有多通道带电极能力，通过两两组合，可以得到不同偶极矩的电极组合，实现不同的探测深度。以路灯杆间距30m为例，若电极采用5m间距等间隔设置，则需要占用7个通道。可能的供电电极组合为
[0071][0072]
即供电电极具有21种不同的组合，分别对应不同的偶极矩a和不同供电中心点位置。
[0073]
针对每一供电通道组合，由系统根据供电点中心位置和偶极距，计算出符合以供电节点的电极对的两个电极的中点o为圆心，以有效测量半径r绘制的圆内的所有测量节点编号及其可能的电位测量通道组合编号。有效测量半径r＝(6～8)a。
[0074]
在中央控制台发送供电指令的同时，发送电位测量指令给有效测量半径内的其它节点，不同节点的电位测量之间采用并行工作模式，但由于每个采集站所有通道共用一个数据采集系统，同一测量节点内的不同通道组合，需要串行顺序采集。因此，供电和电位测量节点和通道的选择是多对多的组合选择，每一个供电组合对应多个可能的电位测量组合；而每个供电节点中供电通道就有多种组合，则对应更多的电位测量组合通道。每次采集完成后，供电和测量节点分别按照设定的格式上传测量结果数据。
[0075]
然后供电电极通道移动到下一个供电点，重复上述过程，直到供电节点中所有供电通道执行一遍，则移动到下一节点供电。直至所有节点完成供电则测量过程结束。
[0076]
本发明感知系统的数据采集方式是以供电电极为中心，由系统根据供电电极位置自动扫描选取符合有效测量半径r内的电位测量节点及其通道编号，进行顺序测量。这种方式的优势是选择的节点及其通道编号不局限于本街道两侧的测点，还包括交叉道路以及符合条件的邻近道路上的测点，形成区间综合感知网。
[0077]
虽然双侧交叉成像有利于对路面下目标的成像，但受到路面宽度和感知线路沿平行线布置，对垂直于街道走向方向存在感知能力稍弱。区域综合感知测量通过邻近平行或交叉路网实现更大范围立体空间内对地下感知目标对象的高分辨率成像。
[0078]
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。