本发明涉及河道整治工程领域，尤其是涉及根石状态感知监测系统及其监测方法。
背景技术：
治河整治工程的稳定，关键在于根石基础的稳定。由于部分河道工程经历大河多年顶冲、淘刷，根石不断下蛰、走失，造成根石深度和根石护坡坡度不足，稳定性下降；同时，坦石石料经过多年的风雨侵蚀出现不同程度的破坏，土石结合部不牢，坦石坡度较陡，垛间无裹护，一遇洪水易垮坝出险。因此，每年汛前、汛中、汛后均要求对河道工程特别是靠河坝垛的根石进行探摸，为全面掌握辖区河道工程根石走失状况，确保防洪工程平稳度汛，为水毁修复、根石加固提供基础资料。
长期以来，河道整治工程的根石稳定监测一直是河防工程安全管理的技术瓶颈，具有实施难度大、精度差、不易实现自动化等特点。对根石稳定的监测，目前多为依靠非汛期的人工根石探测和汛期的日常人工巡视检查获得，报汛仍然采用电话上报等落后手段，工作量大、效率低，覆盖范围有限，大范围、高频次和智能监控能力欠缺，各级主管部门得到的安全隐患信息滞后，难以满足防洪抢险和现代化精细化管理需求。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种根石状态感知监测系统，本发明另一目的是提供该监测系统的监测方法。通过智能传感器和物联网技术对水下根石进行全天候的连续变形测量，实现水下根石形态的动态感知和险情及时预警。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的根石状态感知监测系统，包括状态感知单元、测控单元、报警单元、供电装置、平台服务器和监控终端，以及分别布置在堤坝水下被监测位置处的监测根石；所述状态感知单元由多个状态感知终端构成，每个所述监测根石上分别设置有一个所述状态感知终端，用于实时感知每个监测根石的形态；状态感知单元和所述报警单元分别与所述测控单元通信连接，测控单元通过所述平台服务器与所述监控终端通信连接，实现每个监测根石形态数据从状态感知单元到平台服务器、监控终端的通信，对监测根石形态数据进行实时监测、传输、存储、查看和历史数据展示，达到无人值守、全天候工作、即时报警、准确可靠的对堤坝水下根石状态的监测。
所述状态感知终端由姿态传感器、位移传感器和坡比感知传感器组成。
所述姿态传感器由陀螺仪、加速度计和地磁场传感器组合而成，姿态传感器内嵌于堤坝水下的所述监测根石中，监控终端通过获取姿态传感器的加速度、角速度、角度值，计算监测根石转动的角度值，从而反映堤坝水下根石的姿态变化。
所述位移传感器为拉绳位移传感器，所述拉绳位移传感器固定于堤坝上，拉绳位移传感器的拉绳端部绕过导向滑轮与所述监测根石相锚固。
所述坡比感知传感器为柔性测斜仪，所述柔性测斜仪采取斜向贴坡方式布设紧贴在堤坝水下被监测位置处的根石表面，在柔性测斜仪外部套一个相同直径的耐压软管以增加其抗剪能力，在所述耐压软管上间隔固定配重块以增加测值稳定性。
所述供电装置为太阳能供电装置；所述太阳能供电装置包括固定在堤坝上的立杆，固定在所述立杆上的太阳能电池板和太阳能转换器，以及埋设于地下的蓄电池；所述测控单元固定于立杆中部，太阳能电池板电源输出端与所述太阳能转换器电源输入端连接，太阳能转换器电源输出端与所述蓄电池电源输入端连接，蓄电池电源输出端分别与测控单元、所述状态感知单元和报警单元的电源输入端连接。
所述测控单元包括数据采集模块、无线通信模块和rf射频发送模块；所述数据采集模块用于控制数据采集、数据分析和数据发送，并通过串行接口与所述状态感知单元、无线通信模块、rf射频发送模块相连；无线通信模块用于与所述平台服务器进行数据通信；rf射频发送模块用于向所述报警单元发送报警触发命令。
所述报警单元包括rf射频接收模块和报警装置；所述rf射频接收模块用于接收所述测控单元发送的报警触发命令，并将所述报警触发命令通过串行接口发送给报警装置，触发报警装置进行报警；报警装置用于实现对所述被监测位置现场的声音报警和闪光报警。报警单元的供电系统可以选择和测控单元公用太阳能供电系统，也可单独设立一套相同的太阳能供电系统。
本发明所述根石状态感知监测系统的监测方法，首先，所述测控单元中的所述数据采集模块通过串行接口向所述状态感知单元发送数据采集命令，状态感知单元中的姿态传感器、位移传感器和坡比感知传感器在收到采集命令后，向数据采集模块返回当前监测根石的姿态感知数据、位移数据和坡度数据；数据采集模块在收到所述返回数据后，对数据进行分析、计算以及滤波后得出该时刻监测根石的数据信息，内嵌程序通过算法计算，得出该时刻该监测根石的状态是否稳定，并将数据结果按照指定的协议通过无线通信模块发送到所述平台服务器；平台服务器在收到数据包之后，通过数据解析程序对数据进行解析和存储；所述监控终端读取平台服务器中的数据，并对数据进行可视化展示，从而实现堤坝水下根石状态的实时监测。
本发明优点体现在以下方面：
1、首次实现了水下根石坡度的自动实时监测，弥补了长期以来河道整治工程中安全监管只能依靠人工探摸和非汛期的根石探测的不足，实现了真正意义上的根石状态实时追踪。
2、对堤坝水下根石状态全方位、多数据融合，相互补充，立体感知大坝根石状态，实现了量化指标的坝垛稳定预测预警。
3、实现了根石状态数据自动化实时采集，数据传输实时可靠，大大降低了误报率，并为后期量化预测提供了数据基础，减少了人力物力成本。根石状态感知终端所监测到的数据信息可在网络上随时调用，节约了时间成本。
4、现场分散式报警，采用无线传输模式，方便报警设施的布设，报警装置可以根据需求灵活移动，扩大报警范围。
5、测控单元对监测数据进行自判断，判断及时、快速，即使在没有网络的情况下，也能够快速做出预警，使周围人员能够及时接到出险警报，快速应对。
附图说明
图1是本发明所述堤坝水下被监测位置的根石状态感知监测系统示意图。
图2是本发明所述拉绳位移传感器的安装结构示意图。
图3是本发明所述根石状态感知监测系统的电路原理框图。
图4是本发明所述监测方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1-3所示，本发明所述的根石状态感知监测系统，包括状态感知单元1、测控单元2、报警单元3、供电装置、平台服务器和监控终端，以及分别布置在堤坝4迎水面、上跨角、下跨角和坝前头的水下被监测位置处的监测根石5；状态感知单元由多个状态感知终端构成，每个状态感知终端均由姿态传感器、位移传感器和坡比感知传感器组成，可以是一种传感器进行组合，也可以是多种传感器相互组合。
每个监测根石5上分别设置有一个状态感知终端，用于实时感知每个监测根石5的形态及被监测位置处堤坝4的根石坡度走向；状态感知单元和报警单元分别与测控单元通信连接，测控单元通过平台服务器与监控终端通信连接，实现每个监测根石5形态数据从状态感知单元到平台服务器、监控终端的通信，并对监测根石形态数据进行实时监测、传输、存储、查看和历史数据展示，达到无人值守、全天候工作、即时报警、准确可靠的对堤坝水下根石状态的监测。
姿态传感器14由陀螺仪、加速度计和地磁场传感器组合而成，姿态传感器14内嵌于堤坝水下的监测根石5中，监控终端通过获取姿态传感器14的加速度、角速度、角度值，计算监测根石5转动的角度值，从而反映堤坝水下根石的姿态变化。
位移传感器选择拉绳位移传感器6，拉绳位移传感器6固定于堤坝1上，拉绳位移传感器6的拉绳端7部绕过导向滑轮8与监测根石5相锚固；导向滑轮8用来改变拉绳7的测量方向，使之能够测出倾斜方向的距离。监控终端通过获取拉绳位移传感器6的数据计算位移值，从而反映堤坝水下根石的位置变化。
坡比感知传感器选择柔性测斜仪9，柔性测斜仪9采取斜向贴坡方式布设紧贴在堤坝水下被监测位置处的堤坝根石表面，在柔性测斜仪9外部套一个相同直径的耐压软管以增加其抗剪能力，在耐压软管上间隔固定配重块以增加测值稳定性。柔性测斜仪9是一种新型的多维度连续变形测量装置，由多段连续轴和微电子机械系统(mems)加速度计组成，每段轴有一个已知的长度，通过检测各段的重力场，得到各段轴之间的弯曲角度，进而计算各节点的变形量。柔性测斜仪9抗剪能力强，采用细直径设计，现场安装简单方便，即埋即测，且具有3d测量、高精度、高稳定性、大量程、可重复利用等优势，十分适合坝垛复杂运行工况下的根石坡度监测。
供电装置选择太阳能供电装置，当然也可选择市电。太阳能供电装置包括固定在堤坝4上的立杆10，固定在立杆10上的太阳能电池板11和太阳能转换器12，以及埋设于地下的蓄电池13；测控单元2固定于立杆10中部，太阳能电池板11电源输出端与太阳能转换器12电源输入端连接，太阳能转换器12电源输出端与蓄电池13电源输入端连接，蓄电池13电源输出端分别与测控单元2、状态感知单元1和报警单元3的电源输入端连接。
如图3所示，测控单元2包括数据采集模块、无线通信模块和rf射频发送模块；数据采集模块用于控制数据采集、数据分析和数据发送，并通过串行接口与状态感知单元1、无线通信模块、rf射频发送模块相连；无线通信模块用于与平台服务器进行数据通信；rf射频发送模块用于向报警单元3发送报警触发命令。
报警单元包括rf射频接收模块和报警装置；rf射频接收模块用于接收rf射频发送模块发送的报警触发命令，并将报警触发命令通过串行接口发送给报警装置进行报警；报警装置用于实现对被监测位置现场的声音报警和闪光报警。当报警装置接收到报警触发命令即发出闪光信号和大于85db的声报警信号，通知被监测位置现场人员迅速知道现场已发生险情，尽快采取措施，避免产生重大人员、财物损失。
如图4所示，本发明根石状态感知监测系统的监测方法，首先，所述测控单元2中的数据采集模块通过串行接口向状态感知单元1发送数据采集命令，状态感知单元14中的姿态传感器、位移传感器和坡比感知传感器在收到采集命令后，向数据采集模块返回当前监测根石5的姿态感知数据、位移数据和被监测位置处堤坝的根石坡度数据；数据采集模块在收到返回数据后，对数据进行分析、计算以及滤波后得出该时刻监测根石的数据信息，经内嵌程序在得出数据信息后通过算法计算，得出该时刻该监测根石5的状态是否稳定，并将数据结果按照指定的协议通过无线通信模块发送到平台服务器；平台服务器在收到数据包之后，通过数据解析程序对数据进行解析和存储；监控终端读取平台服务器中的数据，并对数据进行可视化展示，从而实现堤坝水下根石状态的实时监测。