地面沉降监测系统的制作方法

专利名称：地面沉降监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及地质状况监测技术领域，具体涉及一种地面沉降监测系统。
背景技术：
地面沉降有自然的地面沉降和人为的地面沉降。自然的地面沉降一种是在地表松 散或半松散的沉积层在重力的作用下，由松散到细密的成岩过程；另一种是由于地质构造 运动、地震等引起的地面沉降。地面沉降的危害主要有(1)毁坏建筑物和生产设施；(2) 不利于建设事业和资源开发。发生地面沉降的地区属于地层不稳定的地带，在进行城市建 设和资源开发时，需要更多的建设投资，而且生产能力也受到限制；(3)造成海水倒灌。地 面沉降区多出现在沿海地带。地面沉降到接近海面时，会发生海水倒灌，使土壤和地下水盐 碱化。因此，随时正确监测地面和地下水位沉降，并提供标准的数据对于预测和预报地面沉 降工作至关重要。现有自动化监测系统由上位机和下位机组成的分布式结构，数据传输通过公用 电话网实现。控制中心主机通过各现场单元的电话号码来选择通讯对象，首先，上位机向 MODEM发送RTS信号，询问MODEM是否准备好，MODEM收到后，如果准备好，则向上位机发出 CTS信号来响应，上位机与下位机之间的数据链路建立成功。接下来就可以进行数据的传 输，上位机通过TD线发送数据，通过RD线回传数据。因为现场测控单元是无人职守的，所 以应将其MODEM设置为自动应答方式，通过AA信号来设制。上述数据传输模式中，如果在 进行传输时有时由于线路质量或线路被占用联系不上或MODEM握手失败，相应的处理方法 是间隔设定的时间后重试，如果重试N次(可设定)失败，则给出线路不同信息。该种数据传输模式不安全，经常出现连接困难、连接出错等问题，无法实现实时自 动数据传输。而且上述的监测系统不支持网络节点的扩展，新设备的采用；对后续数据的处 理、分析也支持不力。

发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种面沉降监测系统，该 面沉降监测系统主要由地面沉降监测中心控制系统、传输系统和现场自动测量系统构成， 是适用于地面沉降监测站内运行的可行、稳定、可靠的自动化监测技术。本发明目的实现由以下技术方案完成
一种地面沉降监测系统，包括用设置于分层标及水位井中的多个传感器、被编程的数 据采集单元及数据采集处理服务器，所述传感器和数据采集单元组成星形拓扑结构，所述 数据采集处理服务器与所述数据采集单元建立有连接，其特征在于所述数据采集单元连 接有CDMA模块，该CDMA模块通过CDMA网络连接有固定IP服务器，所述固定IP服务器通 过局域网连接有所述数据采集处理服务器的通讯端口，所述传感器存储有对应于放置区域 的唯一编码，所述数据采集处理服务器内设置有一项目表，用于记录、设置于所述传感器编 码对应的编号信息。
所述数据采集单元通过卫星传输系统与所述数据采集处理服务器建立连接。
所述数据采集处理服务器通过互联网或局域网将数据信息传输至数据库服务器 中，所述数据库服务器用于提供与之相连的计算机用户以数据信息。所述数据采集处理服务器内设置有实时采集单元，该实时采集单元用于控制所述 数据采集处理服务器与数据采集单元之间的通讯网络，及将数据采集单元所采集的原始数 据保存至数据采集处理服务器内。所述数据采集处理服务器内包括有系统管理模块，用于记录、管理所述用户的用 户名及对应于所述用户名的登录密码的信息，及提供所述用户数据查询的服务。所述数据采集处理服务器内包括有数据处理模块，其内设置有多个可选的数据处 理模型，并根据一被选数据处理模型对原始数据进行处理、计算。所述数据处理模块剔除原始数据中的错误数据。所述数据处理模块根据被选数据处理模型，校验原始数据的合理性和真实性，并 将校验之后的数据保存至数据库服务器中。所述数据采集处理服务器内包括有数据分析模块，用于将所述原始数据生成曲线 图。生成的曲线图包括单个传感器数据历时曲线图、多个传感器数据历时曲线图、多 个传感器数据同一时刻曲线图和综合分析曲线图。本发明的优点是
1、实时、高效取得精确的地面沉降监测数据；
2、海量、连续的监测数据可为地面沉降研究与防治提供丰富的基础资料，弥补人工监 测周期长、数据少的不足；
3、可在今后的地面沉降监测站建设和改造中推广应用；
4、随着地面沉降监测站的建设与改造的不断完善，可建立起更加科学、先进、现代化的 地面沉降监测网络。


图1为本发明系统结构原理示意图； 图2为系统各功能单元结构框图3为地面监测站数据采集系统功能框图； 图4为GeoKon4675型静力水准仪主要技术参数表(表1)； 图5为GeoKon4675型静力水准仪配套设备表(表2)； 图6为In-SituLevelTroll500型自动水位计主要参数表(表3)； 图7为In-SituLevelTroll500型自动水位计配套设备表(表4)。
具体实施例方式以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便 于同行业技术人员的理解
如图1-7所示，标号分别表示传感器1、数据采集单元2、CDMA模块3、固定IP服务器 4、数据采集处理服务器5、数据库服务器6、局域网7、因特网8、用户9、卫星传输系统10。
一、系统原理及运行模式简述
系统网络运行环境见图1所示。从图中可以看出整个系统主要由地面沉降监测中心控 制系统既数据采集处理服务器、传输系统和现场自动测量系统三大部分组成。其中，中心控 制系统包括数据采集处理服务器5和数据库服务器6，是数据采集及数据处理管理服务器， 配备测控软件和数据库软件，通过控制指令负责管理各现场测量系统的工作状态、取回测 量数据并进行数据的管理、分析、处理和图表输出，这个部分为采用.net技术编制的服务 器软件，是整个系统的核心部分；传输系统包括CDMA模块3、固定IP服务器4，其采用网络 技术直接利用CDMA无线网络实现控制指令和测量数据的双向传输；现场测量系统则是传 感器1和数据采集单元2组成的星形拓扑网络结构构成，数据采集单元2主要用于管理传 感器1以及采集、存储和发送测量数据。中国先后在2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月5日发射了 3 颗“北斗”静止轨道试验导航卫星，组成了“北斗”区域导航系统(注又称为“北斗1代”卫 星导航系统)。该系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分 功能。本发明利用了北斗的报文功能来进行信息传输和通讯，通过数据采集单元2连接 卫星传输系统10，将采集的实时数据加密然后利用报文的形式发送到数据采集处理服务器 5，不仅数据安全可靠，而且传输效率极高，以与前述的CDMA无线网络组成一个补充的信息 传输系统，在偏远地区或重大地质灾害导致(有线或无线)信号中断的情况下，将发挥重要 作用。整个系统运行的流程
通过对地面沉降监测站的数据采集器系统软件进行设置后，可以实时的采集地面沉降 监测站中传感器1的数据(目前频率为10分钟/次)，并将数据存储在数据采集单元2的 内存中。在项目组的数据采集处理服务器5中安装了中心控制系统，其中自动数据采集接 收软件通过无线模块以一定的频率从标房数据采集单元2内存中获取采集的数据，对采集 的原始数据进行数据处理，最后将原始数据和处理计算的数据都存储到数据库服务器6的 数据库中，为地面沉降分析提供有效可靠的数据来源。二、设备的选择及功能
本实施例中传感器1包括数字水位计和静力水准仪。其中静力水准仪采用美国GeoKon公司的Ge0K0n4675型静力水准仪。静力水准仪 依据连通管的原理，采用振弦式传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算 公式求得相对于基准点的沉降量，具体如下所示
系统中任一特定容器(储液筒)液位变化按下列公式计算 AELn=(Rln — R0n)Gn — (R0Eef — RlEef)GEef 其中
△ ELn------n号容器的液位变化，即该点相对于基准点的沉降量
Rln--------n号容器当前读数
R0n--------n号容器初始读数
Gn---------n号容器传感器系数
R0Eef-------参照容器的初始读数RlEef-------参照容器的当前读数
GEef--------参照容器传感器系数
注A ELX为负值时表示沉降(A ELX为正值时表示升高)。GeoKon4675型静力水准仪是一种高精密液位系统，该系统设计是用于测量多点相 对沉降的系统。在使用中，一系列的传感器容器均采用PVC液管联接，每一容器的液位由一 精密振弦式力传感器测出，该传感器内有一个自由悬重，一旦液位发生变化，悬重的悬应浮 力即被传感器感，精确测出小至0. 001英寸(0. 025mm)的垂直变化。在多点系统中，所有传感器的垂直位移均是相对于其中的一点，该点的垂直位移 是相对恒定的或者可用其它人工观测手段准确确定。GeoKon4675型静力水准仪特点如表1、2 (参见附图4、5)所示 数字水位计采用In-SituLevelTroll500型自动水位计。数字水位计的原理是通过被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或 陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线 路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。数字水位计就是采用 硅应变压力传感器，测量压力。通过线性公式的换算，得出水位。并有温度传感器同时测量 水温。采用通气电缆，使水位计与大气相通，对大气压作了补偿，减少了大气压变化对水位 产生的影响。自动监测时，水位计放入监测井内，通过电缆连接，电缆的一段连接水位计，另 一端悬挂于井口，通过特殊接口连接到自动数据采集系统。In-SituLevelTroll500型自动水位计自带气管，且保护良好，不用做气压补偿，全 密封，内部集成数据采集存储单元，自身带电池，可以独立完成数据采集记录工作，无需外 部供电。安装方便。支持第三方数据采集系统。线缆可以延长，满足水位变化需求。有干燥 装置，防止水气对仪器的影响，测量深度大，最高支持346米。美国In-SituLevelTroll500 自动水位计特点如表3、4 (参见附图6、7)所示
本实施例中数据采集单元2选择美国Campbell公司的CR1000。美国Campbell公司的CR1000稳定性良好，环境适应能力强，理论最小采集频率可 以达到一秒。我院已完全掌握坎贝尔CR1000的核心技术，能独立自主设计监测方案和系 统，因此系统采用CR1000数据采集系统进行水位、分层标的自动数据采集。为掌握数据实时变化情况，保证数据采集的实时性，满足地面沉降研究所需，数据 采集单元2将采用30分钟/次的固定频率进行水位、水温和分层标标高的数据测量及采 集。通讯是自动实时采集系统的重要组成部分，也是传输监测数据的通路，由于监测 站分布范围广，受环境的限制，无线通讯是首选。CDMA无线通讯以其稳定性好，带宽高，低辐 射，数据保密性高以及费用低成为当前无线通讯的热点，因此，项目组采用CDMA无线通讯 进行自动数据采集和传输。CDMA模块3为台湾HelicommMAS-QiQ型通讯模块，采用可视化 软件，配置非常方便简单。低功耗产品，12V直流供电。工业级产品，-4(T85宽温度范围。三、监测点及设备的设置、安装方法 监测点布设
根据不同的底层情况，将钢筋埋入到该底层深度，然后在钢筋外部加上套管，这样钢筋 将与该土层成为一体，这点监测点称为分层标，如果将钢筋直接埋设到基岩内部，这样的监
6测点则称为基岩标。分层标的前缀为F，后面按照数字顺序编排，分别为Fl，F2, F3……；基 岩标的前缀为J，按照不同区域来编排数字，分别为Jl，J2, J3……。根据地下水位的不同深度分布，从地面钻井到相应的水层，分别设置编号，前缀为区县名称加基岩标编号，后面按照顺序编排数字加字母W，分别为浦024-1W、浦 024-2W、......
监测点的设置
登录地面沉降自动化监测信息管理系统后，在点位图上点击分层标图标，将该点编号 设置为实际相应监测点编号，并将数据保存到数据库，完成监测点的设置。传感器设置方法 传感器的安装
在分层标和水位井中分别安装静力水准仪和自动水位计，将传感器编号与相应分层标 或水位井编号设定为一致。传感器设置
登录地面沉降自动化监测信息管理系统后，在点位图上点击传感器图标，将传感器编 号设置为实际相应传感器编号，并将数据保存到数据库，完成传感器的设置。四、系统软件部分功能
地面沉降监测站数据采集单元2功能主要通过开发CRBasic程序来管理传感器、定时 采集传感器数据、采集数据存储以及根据服务器中心处理软件的指令发送采集数据。这个 部分主要是底层的采集功能单元，功能如图2所示。地面沉降自动化监测信息管理系统功能。参见图3，本管理系统各个模块功能说明 1、系统管理模块
a)、权限管理
增加新用户添加新的系统合法使用用户，包括用户名和密码。删除用户删除已有的系统用户名和密码。密码修改修改已有用户名称和密码。b)、数据库管理
数据查询按照用户的要求进行数据的查询和显示。数据源采用ODBC进行数据库连接，需要进行数据源的配置；如果已经存在数据 源，那么可以选择已有数据源进行数据库连接。数据保存和备份将数据保存到数据库，数据库备份或者导出数据库保存到其他 存储设备。数据库压缩压缩数据库，节省硬盘空间。、实时数据采集模块
实时采集模块负责水位和分层标数据的实时采集，按照用户设定好的通讯参数、采集 时间和采集频率来获取地面监测站数据采集系统中数据采集器存储的数据，实现无人值守 自动实时数据采集。a)、通讯设置CR1000可以通过以下两种方式进行通讯串口通讯或者固定IP地 址。如果采用串口通讯，需要设置串口号，通讯速率；如果采用IP地址通讯，需要设置固定的IP地址、端口号。b)、建立/断开连接通过特殊的指令已经提供的通讯协议，建立或者断开计算机 与数据采集系统的连接，为数据通讯和传输建立桥梁。c)、自动采集和数据保存 自动采集功能包括以下部分自动采集参数设置， 自动采集，自动将原始数据保存到系统数据库。、数据处理模块 数据处理模块对原始数据进行提取，根据用户选定的数据处理模型处理原始数据，剔 除错误数据或者降低系统误差，将数据尽可能还原到接近真实值。a)、处理模型选择根据不同的采集时段、不同的区域或者数据，选择有效合理的 数据处理模型
b)、粗差剔除剔除错误数据，降低数据误差。C)、数据校验根据选定的数据处理模型，检验数据的合理性，真实性，并将校验 之后的数据保存到数据库。d)、数据管理对数据进行管理，包括数据增加、删除、修改、格式转换等。e)、数据计算根据传感器提供的计算公式，计算水位变化结果和分层标沉降量。、数据分析模块
数据分析模块主要为地面沉降分析研究提供服务。数据分析包括曲线生成、曲线保存 和打印，并对分析变化趋势，对异常数据提示和提醒，以引起用户注意。a)、曲线分析曲线分析包括单个传感器数据历时曲线，多个传感器数据同一时 刻曲线，综合分析曲线等
b)、系统提醒(1)数据异常提醒；(2)曲线变化趋势异常提醒；(3)累计变化报警；
c)、数据统计分析对用户选择的时间段内的数据进行分析，体现其中最值出现的时 间以及变幅度，从而使用户能更好更直观的了解数据总体的变化情况。d)、观测成果批量计算对数据库中的数据进行批量的重算。这样可以再局部修 改数据后进行数据的平差计算和粗差剔出。
、数据输出模块
系统管理模块负责系统的权限和数据管理。权限管理主要有增加新用户、删除用户， 更改用户密码；数据管理主要有数据查询，数据维护，数据保存、数据库压缩。a)、输出设定设定输出的类型，格式，内容等，也可以根据用户条件输出。b)、生成报表根据设定输出到特定格式的报表文件，并保存。c)、报表打印报表打印输出。五、系统的主要优点 1、采集模式
为了能更好的、更全面的对地面沉降监测站的数据进行分析比较，本系统采用了无人 值守的实时采集模式。即所有的数据采集流程包括数据定时采集、数据采集故障排除、采集 数据粗差剔除、采集数据计算处理、采集数据存储都是由系统软件完成。在设定了相应采集 频率的基础上完全实现了无需人为干预的实时采集系统。CR1000核心程序的上传和下载， 随时调整采集内容和监测频率。2、通讯本系统采用了 CDMA无线通讯方式。现有的地面沉降监测系统采用的是拨号连接的方式，而相比拨号连接的方式，CDMA无线通讯速度更加快，并且稳定性更高，CDMA无线通讯模 块都具有断点序传功能，因此更加符合实时采集的需要。老系统的通讯方式对于人工采集 数据尚可以较好完成，而对于实时的采集模式拨号上网无论从稳定性、速度流量、费用、方 便性上都无法与网络形式的通讯相比。3G技术的出现和发展，我院及时升级设备和软件，直 接采用3G技术进行数据传输，大大提高了传输效率，也降低了数据丢失的风险。3、数据的表达
本系统将增加了地面沉降监测站点位平面图查询、异常数据报警等功能。从数据的表 达形式上丰富了不少。4、安全
本系统对用户权限进行了规划和管理，不同等级的用户类型操作的功能有不同的限 制，不会产生非技术人员误操作的现象。系统采用了 SQLServer作为系统数据库，容量大， 数据安全性高，并且由于是非独占的数据库，可以边存储边查看，不影响功能操作。
权利要求
一种地面沉降监测系统，包括用设置于分层标及水位井中的多个传感器、被编程的数据采集单元及数据采集处理服务器，所述传感器和数据采集单元组成星形拓扑结构，所述数据采集处理服务器与所述数据采集单元建立有连接，其特征在于所述数据采集单元连接有CDMA模块，该CDMA模块通过CDMA网络连接有固定IP服务器，所述固定IP服务器通过局域网连接有所述数据采集处理服务器的通讯端口，所述传感器存储有对应于放置区域的唯一编码，所述数据采集处理服务器内设置有一项目表，用于记录、设置于所述传感器编码对应的编号信息。
2.根据权利要求1所述的一种地面沉降监测系统，其特征在于所述数据采集单元通过 卫星传输系统与所述数据采集处理服务器建立连接。
3.根据权利要求1所述的一种地面沉降监测系统，其特征在于所述数据采集处理服务 器通过互联网或局域网将数据信息传输至数据库服务器中，所述数据库服务器用于提供与 之相连的计算机用户以数据信息。
4.根据权利要求3所述的一种地面沉降监测系统，其特征在于所述数据采集处理服 务器内设置有实时采集单元，该实时采集单元用于控制所述数据采集处理服务器与数据采 集单元之间的通讯网络，及将数据采集单元所采集的原始数据保存至数据采集处理服务器 内。
5.根据权利要求3所述的一种地面沉降监测系统，其特征在于所述数据采集处理服务 器内包括有系统管理模块，用于记录、管理所述用户的用户名及对应于所述用户名的登录 密码的信息，及提供所述用户数据查询的服务。
6.根据权利要求3所述的一种地面沉降监测系统，其特征在于所述数据采集处理服务 器内包括有数据处理模块，其内设置有多个可选的数据处理模型，并根据一被选数据处理 模型对原始数据进行处理、计算。
7.根据权利要求6所述的一种地面沉降监测系统，其特征在于所述数据处理模块剔除 原始数据中的错误数据。
8.根据权利要求6所述的一种地面沉降监测系统，其特征在于所述数据处理模块根据 被选数据处理模型，校验原始数据的合理性和真实性，并将校验之后的数据保存至数据库 服务器中。
9.根据权利要求3所述的一种地面沉降监测系统，其特征在于所述数据采集处理服务 器内包括有数据分析模块，用于将所述原始数据生成曲线图。
10.根据权利要求9所述的一种地面沉降监测系统，其特征在于所述生成的曲线图包 括单个传感器数据历时曲线图、多个传感器数据历时曲线图、多个传感器数据同一时刻曲 线图和综合分析曲线图。
全文摘要
本发明涉及地质状况监测技术领域，具体涉及一种地面沉降监测系统，包括用设置于分层标及水位井中的多个传感器、被编程的数据采集单元及数据采集处理服务器，所述传感器和数据采集单元组成星形拓扑结构，所述数据采集处理服务器与所述数据采集单元建立有连接，其特征在于所述数据采集单元连接有CDMA模块，该CDMA模块通过CDMA网络连接有固定IP服务器，所述固定IP服务器通过局域网连接有所述数据采集处理服务器的通讯端口，所述传感器存储有对应于放置区域的唯一编码，所述数据采集处理服务器内设置有一项目表，用于记录、设置于所述传感器编码对应的编号信息。本发明的优点是实时、高效取得精确的地面沉降监测数据，弥补人工监测周期长、数据少的不足。
文档编号H04W84/18GK101813478SQ201010154059
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者唐继民, 许准, 郭陈 申请人:上海市地质调查研究院