本发明属于高速铁路安全信息监测与预警技术领域，涉及一种高速铁路边坡监测、分析及预警装置及方法。
背景技术：
近些年来，随着经济的飞速发展，人们对交通出行的需求日益多样化。为了尽量满足公众对于出行时间、舒适度等方面的要求，高速铁路应运而生。高速铁路作为一种快速、便捷的交通方式，推广不久即得到出行人群的青睐。同时，高速铁路还具有载客量大的特点，因此交通安全尤为重要。其中，高速铁路沿线的边坡滑坡会引发严重的交通事故，因此需要一种边坡监测装置对边坡滑坡进行预警，避免发生此类交通事故。
目前，国内已经有关于边坡滑坡监测的相关专利，但是实用新型居多，完成的发明专利一般是利用光栅位移传感器对边坡滑坡进行监测，监测方式单一。
为了提高高速铁路边坡监测的有效性，通过分析边坡滑坡的种类以及原因，设计了两种监测方式同时对边坡滑坡进行监测；另外通过实时通讯可以将预警信息向外界传播，有利于及时采取预防措施。
因此，需要一种高速铁路边坡监测、分析及预警装置以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种高速铁路边坡监测、分析及预警装置。
为解决上述技术问题，本发明的高速铁路边坡监测、分析及预警装置所采用的技术方案为：
一种高速铁路边坡监测、分析及预警装置，包括地下水位信息采集模块、地表位移信息采集模块、存储模块、控制模块、监测预警模块、通讯模块和显示模块，所述地下水位信息采集模块、地表位移信息采集模块、存储模块、监测预警模块、通讯模块和显示模块均连接所述控制模块；
所述下水位信息采集模块用以对高速铁路边坡的地下水位进行监测，并将监测信息记录在存储模块中；
所述地表位移信息采集模块用以对高速铁路沿线边坡的地表岩体移动进行监测，并将监测信息记录在存储模块中；
所述存储模块用以储存地下水位信息和地表岩体移动信息；
所述监测预警模块用以对地下水位信息和地表岩体移动信息进行监测和预警，根据监测数据的计算结果判断当前地下水位是否超出预警值，以及地表岩体的空间移动距离、速度和加速度是否在安全范围内，两者任意一方达到预警临界值，即启动预警；
所述显示模块用以对预警信息进行显示；
所述控制模块将预警信息发送到所述显示模块，并通过所述通讯模块将预警信息反馈到控制终端，实现高速铁路边坡监测及预警过程。
更进一步的，所述控制模块为单片机。
更进一步的，所述地下水位信息采集模块包括超声波水位传感器，置于边坡滑坡影响区的监测井内。
更进一步的，所述地表位移信息采集模块包括角位移传感器，置于边坡断面各铰接点连接处。
更进一步的，所述显示模块包括警示灯，所述警示灯置于边坡下方的铁路沿线处。
有益效果：本发明的高速铁路边坡监测、分析及预警装置采用地表位移监测以及地下水位监测两种监测形式，更有利于发现边坡滑坡的趋势，能够有效地避免单一监测的风险，即使一种监测方式出现问题，还有另外一种监测方式能够对边坡的安全性进行监测。
本发明还公开了一种高速铁路边坡监测、分析及预警方法，采用如权利要求1-5任一项所述的高速铁路边坡监测、分析及预警装置，包括以下步骤：
步骤s01：利用地下水位信息采集模块获取地下水位高度h，并记录到存储模块中；
步骤s02：利用地表位移信息采集模块获取各个铰接点的角位移αi，其中i＝1,…,n，并记录到存储模块中；
步骤s03：对步骤s01中的地下水位高度h和步骤s02中各个铰接点的角位移αi，进行ad转换，其中i＝1,…,n；
步骤s04：控制模块调用监测预警模块：判断边坡的地下水位高度h是否超过设定的安全界限h0；根据各个铰接点的角位移αi计算空间移动距离、移动速度和加速度，判断空间移动距离s、移动速度v及加速度a是否在安全范围内；
步骤s05：步骤s04的判断结果，只要有一个满足边坡滑坡条件，则进入步骤s06，否则返回步骤s03；
步骤s06：控制模块启动警示指令，开启显示模块中的警示灯；
步骤s07：控制模块通过通讯模块将预警信息反馈到控制终端。
有益效果：本发明的高速铁路边坡监测、分析及预警方法采用地表位移监测以及地下水位监测两种监测形式，更有利于发现边坡滑坡的趋势，能够有效地避免单一监测的风险，即使一种监测方式出现问题，还有另外一种监测方式能够对边坡的安全性进行监测。对高速铁路沿线边坡进行实时监测，一旦水位信息或者位移信息发生异常，即刻启动外届显示模块，向列车进行预警。同时，由通讯模块向控制终端发送信息，以便于采取有效预防措施。
附图说明
图1为本发明一个实施例中高速铁路边坡监测、分析及预警装置的结构原理图；
图2为本发明另一个实施例中高速铁路边坡监测、分析及预警装置的结构原理图；
图3为图1实施例中高速铁路边坡监测、分析及预警装置的实现流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图1所示为本发明一个实施例中高速铁路边坡监测、分析及预警装置的结构原理图，其中，一种高速铁路边坡监测、分析及预警装置100，包括地下水位信息采集模块1、地表位移信息采集模块2、存储模块3、控制模块4、监测预警模块5、通讯模块6以及显示模块7。控制模块4分别与地下水位信息采集模块1、地表位移信息采集模块2、存储模块3、监测预警模块5、通讯模块6以及显示模块7连接，显示模块7显示由监测预警模块5提供的信息，控制模块4作为核心模块用于控制上述模块的功能实现。
如图1所示，控制模块4作为监测及预警装置的核心模块，一方面用以控制和连接地下水位信息采集模块1、地表位移信息采集模块2、存储模块3、监测预警模块5、通讯模块6以及显示模块7，另一方面用以和外界计算机等其它设备连接，以实现装置和其它设备之间的通信。
地下水位信息采集模块1用以监测装置100所处位置的高速铁路边坡的地下水位，地下水位信息采集模块1在控制模块4的控制下工作，并将监测信息记录在存储模块3中；
作为优选的实施方式，所述地下水位信息采集模块1包括超声波水位传感器，置于边坡滑坡影响区的监测井内，用于监测高速铁路边坡的地下水位高度。
地表位移信息采集模块2用以监测高速铁路沿线边坡的岩体移动，地表位移信息采集模块2在控制模块4的控制下工作，并将监测信息记录在存储模块3中；
作为优选的实施方式，所述地表位移信息采集模块2包括角位移传感器，置于边坡断面各铰接点连接处，用于监测当前断面发生滑坡的可能性。
存储模块3用以储存前述地下水位信息和地表岩体移动信息，并可在控制模块4的控制下由监测预警模块5进行调用；
监测预警模块5用以对前述采集得到的地下水位信息和地表岩体移动信息进行监测和预警，根据监测数据的计算结果判断当前地下水位是否超出预警值；以及地表岩体的空间移动距离、速度、加速度是否在安全范围内；两者任意一方达到预警临界值，即启动预警。可在控制模块4的控制下将预警信息发送到显示模块7，并由通讯模块6将预警信息反馈到相关部门的控制终端，从而实现高速铁路边坡监测及预警过程；
显示模块7作为警示信息的输出环节，在控制模块4的控制下，将监测预警模块5的预警信息通过警示灯发布，实现边坡滑坡预警。
本实施例中，所述的控制模块4采用单片机实现，地下水位信息采集模块1采用传感器实现，地表位移信息采集模块2采用传感器实现，存储模块3采用存储介质实现，例如：sd卡，tf卡，mmc卡等，监测预警模块5以程序的形式储存在控制模块的单片机内并可由单片机进行调用执行，显示模块7采用警示灯实现，所述通讯模块6采用无线发射电路实现。
如图2所示为本发明另一个实施例中高速铁路边坡监测、分析及预警装置的结构原理图，其中，本实施例的装置200中包括上述图1实施例所述的各部件、组件或其他组合(本实施例中，与图1实施例功能、形状、位置均相同的部分采用同一标号)，本实施例的装置200还包括一个与控制模块4连接的微型计算机处理装置8，该计算机处理装置8包括接口单元9、操作面板10和指示单元11。
控制模块4通过接口单元9提供的usb接口与计算机处理装置8连接，实现计算机处理装置8与控制模块4之间的通信；
操作面板10通过触控式显示屏实现，用以实现控制模块4的数据清理、重新启动以及对前述传感器的调试等操作指令；
指示单元11用以监控上述地下水位信息采集模块1、地表位移信息采集模块2、存储模块3、控制模块4、监测预警模块5、通讯模块6以及显示模块7的工作状况，例如：超声波水位传感器是否工作正常，各个角位移传感器是否工作正常等，并表征给用户，例如可通过指示灯或者文本框的形式显示工作状态。
作为可选的实施方式，计算机处理装置8是一台触控式平板计算机。
参照图3所示，本实施例中，前述监测预警模块5对所采集到的地下水位信息和地表位移信息的处理和分析包括以下过程：
步骤s01：获取地下水位信息采集模块的地下水位高度h，记录到存储模块中；
步骤s02：获取地表位移信息采集模块各个铰接点的角位移αi(i＝1,…,n)，记录到存储模块中；
步骤s03：对步骤s01中的地下水位高度h以及步骤s02中各个铰接点的角位移αi(i＝1,…,n)进行ad转换；
步骤s04：控制模块调用监测预警模块，判断边坡的实际地下水位高度h是否超过设定的安全界限h0；
步骤s05：控制模块调用监测预警模块，根据各个铰接点的角位移αi(i＝1,…,n)计算空间移动距离s、移动速度v及加速度a，判断发生边坡滑坡的可能性；
步骤s06：步骤s04与步骤s05的判断结果，只要有一个满足边坡滑坡条件，则进入步骤s07，否则返回步骤s03；
步骤s07：控制模块启动警示指令，开启显示模块中的警示灯。
步骤s08：接通无线通讯模块接口；
步骤s09：将边坡滑坡预警信息通过gprs/cdma接口或无线发射子模块发送；
步骤s10：检测边坡滑坡预警信息是否发送成功：如果是，则进入步骤s11，如果否，则进入步骤s08，重新启动通讯模块发送信息；
步骤s11：退出预警。
作为可选的实施方式，在边坡探测的指定区域设置水位监测井；
作为可选的实施方式，设定的水位安全界限h0根据边坡所处位置以及勘探实际情况确定；
作为可选的实施方式，在容易发生边坡滑坡的地表层断面嵌入多个铰接点，在铰接点处安放角位移传感器；
作为可选的实施方式，角位移αi(i＝1,…,n)中，i表示第i个铰接点，n表示铰接点的个数；
作为可选的实施方式，根据角位移αi(i＝1,…,n)坐标系的转换，计算空间距离s，并通过求导数的方式计算移动速度v及加速度a。
本发明的另一个实施例中还提出一种基于上述高速铁路边坡监测、分析及预警装置实现的高速铁路边坡监测、分析及预警方法，包括以下步骤：
步骤s01：获取地下水位信息采集模块的地下水位高度h，记录到存储模块中；
步骤s02：获取地表位移信息采集模块各个铰接点的角位移αi(i＝1,…,n)，记录到存储模块中；
步骤s03：对步骤s01中的地下水位高度h以及步骤s02中各个铰接点的角位移αi(i＝1,…,n)进行ad转换；
步骤s04：控制模块调用监测预警模块，判断边坡的实际地下水位高度h是否超过设定的安全界限h0；
步骤s05：控制模块调用监测预警模块，根据各个铰接点的角位移αi(i＝1,…,n)计算空间移动距离s、移动速度v及加速度a，判断发生边坡滑坡的可能性；
步骤s06：步骤s04与步骤s05的判断结果，只要有一个满足边坡滑坡条件，则进入步骤s07，否则返回步骤s03；
步骤s07：控制模块启动警示指令，开启显示模块中的警示灯。
步骤s08：接通无线通讯模块接口；
步骤s09：将边坡滑坡预警信息通过gprs/cdma接口或无线发射子模块发送；
步骤s10：检测边坡滑坡预警信息是否发送成功：如果是，则进入步骤s11，如果否，则进入步骤s08，重新启动通讯模块发送信息；
步骤s11：退出预警。
作为优选，在边坡探测的指定区域设置水位监测井；
作为优选，设定的水位安全界限h0根据边坡所处位置以及勘探实际情况确定；
作为优选，在容易发生边坡滑坡的地表层断面嵌入多个铰接点，在铰接点处安放角位移传感器；
作为优选，角位移αi(i＝1,…,n)中，i表示第i个铰接点，n表示铰接点的个数；
作为优选，根据角位移αi(i＝1,…,n)坐标系的转换，计算空间距离s，并通过求导数的方式计算移动速度v及加速度a。
本发明所提出的技术方案从高速铁路边坡监测及预警技术出发，结合高速铁路边坡滑坡的原因及特点，提出了高速铁路边坡监测、分析及预警装置的便捷式集成开发。确保能够实时监测高速铁路沿线的边坡安全性，及时向高铁相关管理部门以及线路上的高铁列车进行预警，有效地避免边坡滑坡引发的铁路交通事故。