基于wsn的深部花岗岩岩爆定位测量系统及方法
【专利摘要】一种基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统及方法，其系统包括多个感测站、与多个感测站电性连接的无线路由器组、协调器、网关、服务器及客户端，所述感测站包括设置在花岗岩的岩体内的巷道上的多个感知节点，感知节点用于测量岩体表面位移、岩体表面压力、岩体深部位移及岩体深部温湿度，所述无线路由器组、协调器、网关及服务器依序电性连接，所述网关服务器还分别连接客户端，所述无线路由器组将感知节点采集的数据通过协调器和网关发送至服务器，所述服务器将获取的数据进行处理，并对于坐标图中的异常数据发出警报，通过无线传感器网络监测岩体的动态信息，测量岩爆的位置，极大地提升了测量效率，同时也保障了工作人员的安全。
【专利说明】
基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及深部岩体工程岩爆定位测量技术领域，特别是涉及一种基于WSN的深 部花岗岩岩爆定位测量系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，世界范围内深部地下空间建设方兴未艾，向地球深部寻求发展空间已经成 为世界范围内的共同趋势。深部岩石力学问题已经成为国内外岩石力学与地下工程研究领 域的焦点问题。深部围岩在开挖卸载过程中会致使储存于岩体中的弹性应变能突然释放， 从而出现爆裂脱落、剥离、弹射或抛掷破坏的岩爆现象。地下采场的人工开挖破坏了岩体初 始的应力平衡状态，由于单向或双向卸载形成临空面后岩体应力重新分布，围岩局部应力 集中并不断集聚，最终向临空面释放。深部工程岩体的受力状态十分复杂，未开挖的地下岩 体为三向应力状态，人工开挖后巷道两侧表面围岩为单向压缩状态，巷道表面顶板围岩处 于单向拉伸状态，深部为三向应力状态。当三向应力状态的岩体因开挖出现临空面而成为 单向或双向压缩状态，脆硬性花岗岩体极易发生岩爆灾害。岩爆的发生会导致设备的损坏 甚至人员的伤亡，造成工期的延迟，成为岩体工程施工中亟待解决的问题。
[0003] 检索现有专利发现，现在深部岩体工程岩爆定位测量依然有不足，如中国实用新 型专利说明书CN202041167U公开了一种钻孔内围岩三向变形测量装置，该装置由横向测试 装置卡槽与竖向测试钢片相连，竖向测试钢片上贴有第一电阻应变片，能够准确测量钻孔 内围岩的三向变形。中国发明专利说明书CN103954197A，提供一种巷道表面位移、深部位移 同位测量方法，在巷道内至少布置一个测点，在测站同一垂直断面上顶板和两帮中部施工 钻孔，安装深部位移计。上述发明专利都只是在测量深部围岩受高地应力作用下的位移变 形，还没有做到实际深部岩体开挖过程中对于岩体内部的力学性能和岩爆定位的测量。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述状况，本发明提供一种基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统及方法。 WSN即无线传感器网络(Wireless Sensor Network)，是由部署在监测区域的大量微型传感 器构成的无线网络，WSN感知、采集、处理监测区域内被感知对象的信息并上传至客户端，实 现远程实时定位测量深部岩体岩爆数据。
[0005] 本发明提供的一种基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，包括多个感测站、与 多个所述感测站电性连接的无线路由器组、协调器、网关、服务器及客户端，所述感测站包 括设置在花岗岩的岩体内的巷道上的多个感知节点，每个所述感知节点包括第一位移传感 器、压力传感器、第二位移传感器和温湿度传感器，所述第一位移传感器和压力传感器设置 于所述巷道的壁面，分别用于采集岩体表面位移数据和岩体表面压力数据，所述第二位移 传感器和温湿度传感器设置于由所述巷道的壁面向岩体内部延伸的孔道内，分别用于采集 岩体深部位移数据和岩体深部温湿度数据，所述无线路由器组、协调器、网关及服务器依序 电性连接，所述网关和服务器还分别连接所述客户端，所述感知节点采集的数据通过所述 无线路由器组、协调器和网关发送至所述服务器，所述服务器将获取的数据进行处理，绘制 出以时间轴为X轴，以所述感知节点采集的数据为Y轴的坐标图，并对于坐标图中的异常数 据发出警报。
[0006] 上述基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其中，每个所述感测站包括三个所 述感知节点，三个所述感知节点分别设置于所述巷道的同一剖面的顶部及两侧部。
[0007] 上述基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其中，所述无线路由器组包括多个 无线路由器，多个所述无线路由器采用网型网络拓扑结构以使无线网络覆盖整个巷道。
[0008] 上述基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其中，每个所述感知节点设置网络 标号，所述感知节点采集的数据还包括所述网络标号。
[0009] 上述基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其中，所述服务器将绘制的坐标图 和预警信息发送至所述客户端。
[0010] 上述基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其中，所述孔道深度大致为40cm、 直径大致为2cm 〇
[0011] 上述基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其中，所述第一位移传感器为磁致 伸缩位移传感器。
[0012] 上述基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其中，所述压力传感器为半导体压 阻式压力传感器。
[0013] 本发明提供的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量方法，包括以下步骤：
[0014] a、感知节点采集岩体表面位移、岩体表面压力、岩体深部位移及岩体深部温湿度 数据；
[0015] b、无线路由器获取感知节点采集的数据后，同步发送至协调器；
[0016] c、协调器通过网关将所述数据发送至服务器，服务器对接收到的数据进行实时处 理，绘制出岩体表面位移、岩体表面的压力、岩体深部位移及岩体深部温湿度与时间的关系 图，并对于异常情况发出警报；
[0017] d、服务器将绘制的关系图和警报信息通过无线通讯方式发送至客户端，管理根据 关系图预测岩爆位置，并对异常情况即时采取安保措施。
[0018] 上述基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量方法，其中，每个感知节点进行网络标 号，根据网络标号查询岩爆事故发生前后岩体动态信息并加以分析，以判断出岩爆的具体 位置。
[0019] 本发明通过无线传感器网络采集岩体表面位移、岩体表面的压力、岩体深部位移 及岩体深部温湿度的动态变化数据，并将采集的数据发送至服务器，服务器将接收的数据 进行处理并对异常数据发出警报，管理者根据警报预测岩爆的位置和具体方向并作出对应 决策，对于突发的岩爆事故，管理者可根据网络标号查询岩爆事故发生前后其附近节点所 记录的岩体动态信息加以分析，可以判断出岩爆的具体方向，根据分析结果优化、完善当前 的安全保障措施，以减少后续岩爆事故发生的概率。本发明优化了传统的人为定位测量岩 爆的方法，在极大地提升测量效率的同时也保障了工作人员的安全。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明提供的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统的结构框图；
[0021] 图2为本发明中同一巷道剖面的感知节点的布局图；
[0022] 图3为本发明提供的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量方法的流程图。
[0023]主要元件符号说明
【具体实施方式】
[0025]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中 给出了本发明实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的 实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0026]需要说明的是，当元件被称为"固设于"另一个元件，它可以直接在另一个元件上 或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是"连接"另一个元件，它可以是直接连接 到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语"垂直的"、"水平的"、"左"、 "右"以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0027] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的 技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具 体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语"及/或"包括一个或多个相 关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0028] 请参阅图1及图2,一种基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，包括多个感测站 10、与多个感测站10电性连接的无线路由器组20、协调器30、网关40、服务器50及客户端60。 所述无线路由器组20、协调器30、网关40及服务器50依序电性连接。所述网关40和服务器50 还分别连接了客户端60。
[0029] 感测站10用于采集花岗岩岩体各处的表面位移、表面压力、深部位移及深部温湿 度数据。感测站10沿着花岗岩岩体内部巷道的长度方向设置，相邻的感测站的距离为50米， 以利于岩体相关数据采集的全面性。每个感测站10设置三个感知节点11，分别位于巷道的 同一剖面的顶部及两侧部。
[0030] 感测站10的个数以及每个感测站10设置的感知节点11的个数根据岩体开挖的实 际状况设置。可以理解的，相邻感测站之间的距离也可以为20米或80米。每个感测站10的感 知节点11的个数不限于3个，在本发明的另一实施例中，每个感测站的感知节点个数为4个， 巷道的顶部设置两个，巷道的两侧各设置一个。
[0031] 每个感知节点11包括第一位移传感器111、压力传感器112、第二位移传感器113和 温湿度传感器114。
[0032]第一位移传感器111和压力传感器112固定在巷道的壁面，用于采集岩体的表面位 移数据和表面压力数据。本发明中第一位移传感器111为磁致伸缩位移传感器，压力传感器 112为半导体压阻式压力传感器。
[0033]沿着巷道的壁面向岩体内部开设深度大致为40cm、直径大致为2cm的孔道，并将第 二位移传感器113和温湿度传感器114置于孔道内，用于采集岩体深部位移数据和岩体深部 温湿度数据。
[0034] 巷道内纵向的不同感测站10间的数据传输由部署在巷道内合适位置的无线路由 器组20来完成，所述无线路由器组20由多个无线路由器21组成，多个无线路由器21采用网 型网络拓扑结构以使无线网络覆盖整个巷道，便于实现对采集到的数据的实时互通，保证 服务器50能够实时获取岩体动态信息。
[0035] 所述第一位移传感器111、压力传感器112、第二位移传感器113和温湿度传感器 114采集的数据通过无线路由器组20发送至协调器30。所述协调器30管理所有的无线路由 器21并接收无线路由器21网络传送过来的数据。
[0036] 协调器30通过网关40将数据发送至服务器50。所述网关40所用的无线通讯方式为 wifi、3G或4G网络中的一种。服务器50对获取的数据进行处理和记录，将获取的数据绘制出 以时间轴为X轴，以第一位移传感器111、压力传感器112、第二位移传感器113和温湿度传感 器114采集的数据分别为Y轴的坐标图，并且对于坐标图中出现异常数据时发出警报。
[0037] 服务器绘制的坐标图反映了岩体表面位移、岩体表面的压力、岩体深部位移及岩 体深部温湿度随着时间的变化。岩体处于正常情况下，坐标图上的数据变化波动较小或无 变化。当坐标图上的数据变化突然增大或减小，则表明该处岩体处于异常状态，服务器发出 警报，管理者根据警报，查明原因后作出应对，避免事故发生。
[0038] 每个感知节点11设置网络标号，感知节点11采集的数据还包括所述网络标号。对 于突发的岩爆事故，管理者可根据网络标号查询岩爆事故发生前后其附近感知节点所记录 的岩体动态信息并加以分析，判断出岩爆的具体位置，根据分析结果优化、完善当前的安全 保障措施，以减少后续岩爆事故发生的概率。
[0039]服务器50将坐标图和报警信息传送至管理者客户端60,以便管理者实时监测岩体 的动态变化，预测岩爆位置，并对异常情况即时采取安保措施。
[0040] 客户端60是管理者便于操作和控制的手持或便携装置，如包括笔记本电脑、平板 电脑、智能手机等。
[0041] 管理者通过客户端60和网关40向该测量系统发送启动的指令，感测站10、无线路 由器组20及协调器30启动，监测岩体的动态变化，或向该测量系统发送使其处于休眠状态 的指令，以减少能耗。
[0042] 请参阅图3,本发明提供的一种基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量方法，包括以 下步骤：
[0043] a、感知节点采集岩体表面位移、岩体表面压力、岩体深部位移及岩体深部温湿度 数据；
[0044] b、无线路由器获取感知节点采集的数据后，同步发送至协调器；
[0045] c、协调器通过网关将所述数据发送至服务器，服务器对接收到的数据进行实时处 理，绘制出岩体表面位移、岩体表面的压力、岩体深部位移及岩体深部温湿度与时间的关系 图，并对于异常情况发出警报；
[0046] d、服务器将绘制的关系图和警报信息通过无线通讯方式发送至客户端，管理根据 关系图预测岩爆的位置，并对异常情况即时采取安保措施。
[0047] 无线传感器网络的每个感知节点进行网络标号，对于突发的岩爆事故，管理者可 根据网络标号查询岩爆事故发生前后其附近感知节点所记录的岩体动态信息并加以分析， 判断出岩爆的具体位置，根据分析结果优化、完善当前的安全保障措施，以减少后续岩爆事 故发生的概率。
[0048] 以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能 因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范 围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其特征在于，包括多个感测站、与多 个所述感测站电性连接的无线路由器组、协调器、网关、服务器及客户端，所述感测站包括 设置在花岗岩的岩体内的巷道上的多个感知节点，每个所述感知节点包括第一位移传感 器、压力传感器、第二位移传感器和温湿度传感器，所述第一位移传感器和压力传感器设置 于所述巷道的壁面，分别用于采集岩体表面位移数据和岩体表面压力数据，所述第二位移 传感器和温湿度传感器设置于由所述巷道的壁面向岩体内部延伸的孔道内，分别用于采集 岩体深部位移数据和岩体深部温湿度数据，所述无线路由器组、协调器、网关及服务器依序 电性连接，所述网关和服务器还分别连接所述客户端，所述感知节点采集的数据通过所述 无线路由器组、协调器和网关发送至所述服务器，所述服务器将获取的数据进行处理，绘制 出以时间轴为X轴，以所述感知节点采集的数据为Y轴的坐标图，并对于坐标图中的异常数 据发出警报。2. 如权利要求1所述的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其特征在于，每个所 述感测站包括三个所述感知节点，三个所述感知节点分别设置于所述巷道的同一剖面的顶 部及两侧部。3. 如权利要求1或2所述的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其特征在于，所述 无线路由器组包括多个无线路由器，多个所述无线路由器采用网型网络拓扑结构以使无线 网络覆盖整个巷道。4. 如权利要求1或2所述的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其特征在于，每个 所述感知节点设置网络标号，所述感知节点采集的数据还包括所述网络标号。5. 如权利要求1或2所述的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其特征在于，所述 服务器将绘制的坐标图和预警信息发送至所述客户端。6. 如权利要求1所述的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其特征在于，所述孔 道深度大致为40cm、直径大致为2cm 〇7. 如权利要求1所述的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其特征在于，所述第 一位移传感器为磁致伸缩位移传感器。8. 如权利要求1所述的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量系统，其特征在于，所述压 力传感器为半导体压阻式压力传感器。9. 一种基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量方法，其特征在于，包括以下步骤： a、 感知节点采集岩体表面位移、岩体表面压力、岩体深部位移及岩体深部温湿度数据； b、 无线路由器获取感知节点采集的数据后，同步发送至协调器； c、 协调器通过网关将所述数据发送至服务器，服务器对接收到的数据进行实时处理， 绘制出岩体表面位移、岩体表面的压力、岩体深部位移及岩体深部温湿度与时间的关系图， 并对于异常情况发出警报； d、 服务器将绘制的关系图和警报信息通过无线通讯方式发送至客户端，管理根据关系 图预测岩爆位置，并对异常情况即时采取安保措施。10. 如权利要求9所述的基于WSN的深部花岗岩岩爆定位测量方法，其特征在于，每个感 知节点进行网络标号，根据网络标号查询岩爆事故发生前后岩体动态信息并加以分析，以 判断出岩爆的具体位置。
【文档编号】G01D21/02GK106092198SQ201610479706
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】刘永胜, 黄德昌, 许志博, 吴云, 雷发平, 李小俊, 黄炳华
【申请人】华东交通大学