CN112627200B - 一种被动防护网工作状态实时监测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种被动防护网工作状态实时监测***及方法，***包括感知单元，感知网片、应变位移计和主控站，感知单元有多个，设置于被动防护网的钢柱上，内设单片机、陀螺仪和LORA通信模块；当陀螺仪实时监测到震动信号后，且三维角度超过设定的阀值时，唤醒LORA通信模块，并通过LORA通信模块唤醒主控站，同时将冲击加速度，感知网片中导线通断状态的信号，以及应变位移计弹簧拉伸长度信号发送至主控站，唤醒主控站，主控站唤醒其它感知单元，采集监测数据，并发送至云服务器，得出被动防护网工作状态监测结果。本发明通过多传感器并行监测，通过震动触发、定时巡检触发、人工干预触发等多种监测模式，解决了传统监测***易出现的僵尸、漏报、误报问题。
Description
技术领域
本发明涉及边坡防护技术领域，具体为一种被动防护网工作状态实时监测***及方法。
背景技术
近十数年来，我国地震频发，包括2008年汶川地震、2010年青海玉树地震、2019年四川宜宾地震等，地震造成山体岩土体结构更加破碎，次生的滑坡、崩塌等为落石灾害提供大量物源，且伴随公路、铁路的快速修建和山区城镇建设的日益增多，山区生态旅游事业的快速发展，导致崩塌落石灾害安全问题愈加突出。数据表明，小方量崩塌、孤石造成的死亡人数每年超百人，且具有突发性、规律性不强、预测难度较大等特点，所以人类活动区崩塌落石的发生极有可能造成重大的生命和财产损失。
列车、车辆在山区行驶，其中最大的安全隐患之一就是落石，由于其发生时没有任何征兆，极易对列车、车辆及线路造成破坏，造成列车、车辆颠覆等重大事故，严重危害铁路、公路等的安全运输。并且落石的发生具有突发性和不可预测性等特点，一年四季均有可能发生，因此，无法***落石可能发生的时间及地点，很难做到防患于未然。目前主要防护技术之一就是柔性防护技术。
柔性防护技术1995年引入中国以来，因其科学的防护理念和经济优势被业内人士迅速而广泛地接受，其主要产品就是柔性防护网。柔性防护网是以高强度的钢丝绳网、环形网、以及钢丝网等金属网为主要构件，实现加固、拦截、引导、护挡等功能的一种柔性金属防护***。柔性防护网按工作原理斜坡加固***即主动网、落石拦截***即被动网、落石引导***即引导网三大类。
当被动防护网受到小于正常工作能级落石冲击时，首先是网片吸收能量，然后冲击能量通过上下支撑传导至上下支撑绳上的消能器件减压环，减压环通过拉伸变形吸收能量，直至落石冲击能量全部消散，此时防护网拦截高度未变、网片也未破损、支撑钢柱也未倾斜，只是防护能力减弱；当被动防护网再次受到小于正常工作能级落石冲击后，因上下支撑绳上减压环已不具备耗能能力，未耗散的冲击动能就会通过上拉锚绳传递至上拉锚绳上消能器件减压环，致使减压环拉伸耗能，此时会出现网片变形、钢柱倾斜、防护网拦截高度降低，防护网基本伤失能力。如果期间落石冲击速度大于30m/s，防护网网片就可能出现洞穿现象。
随着被动网在工程中大量使用，各级管理部门已充分认识到监测的必要性和重要性。需求拉动下呈现出各种针对被动网的监测技术。如采用北斗定位监测技术、光纤光栅监测技术、基于减压环拉伸监测技术、基于钢柱倾斜监测技术、激光雷达监测技术和视频监测分析技术等。北斗定位监测技术，是在防护网上安装观测站，能监测观测点约5mm的位移变化，存在的主要问题是成本高、供电难、不能发现网片洞穿情况；光纤光栅监测技术，采用分布式光栅，安装在防护网片上，监测网片振动及网片变形，存在的主要问题是成本高、可量化数据少，不能评估防护损伤程度及其风险级别；减压环拉伸监测技术，采用位移传感器，如拉绳传感器，监测减压环拉伸长度，优点是成本低，存在的主要问题监测要素不全，存在漏报；钢柱倾斜监测技术，采用角度传感器，监测支撑钢柱倾斜角度，优点成本低，但监测要素不全、漏报概率高；激光雷达监测技术，采用激光雷达实时扫描，检测监测物位移变化情况存在主要问题是成本高，监测要素不全；视频监测分析技术，通过移动侦测技术，监测防护网变形状态，存在主要问题是受环境因素影响大，宜出现漏报和误报。
总体而言，以上检测技术均存在着，漏报和误报难以避免，高可靠与低成本不可兼得的矛盾，以及安装难度较大等问题，尤其是无法评估被动防护网冲击后的状态，不能为管理部门提供维护决策数据支撑。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种功能模块化、搭配多样化、现场可视化、供电互补化、安装便捷化的被动防护网工作状态实时监测***及方法，可靠度高，成本低，且能够解决传统监测***易出现的“僵尸、漏报、误报”问题，为相关管理部门及人员提供一种科学管理手段。技术方案如下：
一种被动防护网工作状态实时监测***，包括感知单元，感知网片、应变位移计和主控站；
感知单元有多个，设置于被动防护网的钢柱上，其包括第一单片机，以及连接到第一单片机的陀螺仪、第一LORA通信模块和接口件；所述陀螺仪用于监测震动信号、冲击加速度和三维角度，且震动信号为实时监测；单片机用于采集、计算和唤醒控制；第一LORA通信模块用于与主控站通信；
所述主控站包括第二单片机和连接到第二单片机的第二LORA通信模块和4G通信模块；第二LORA通信模块与各感知单元的第一LORA通信模块通信，4G通信模块用于将各感知单元采集的参数传送给云服务器；
所述感知网片为由一根带绝缘层的导线编制成的软性网片，其最大变形量与被动防护网网片的最大变形量相当；感知网片设置于被动防护网的网片上，其导线端头与感知单元的接口件电连接，用于通过感知网片中导线通断状态的信号来监测被动防护网网片破损状态；
所述应变位移计包括弹簧，以及将弹簧拉伸长度转换为电信号的变送单元；所述弹簧的两端设置于减压环的两端，所述变送单元与感知单元的接口件电连接，将应变位移计弹簧拉伸长度信号发送至感知单元，用于监测减压环拉伸长度，以此判断被动网损伤程度。
进一步的，所述感知网片附着于被动防护网网片的外侧，四周通过弹簧连接在上下支撑绳和边绳上，其最大变形量略大于被动防护网网片的最大变形量。
更进一步的，所述感知单元还包括震动开关，所述震动开关替代陀螺仪进行震动信号的实时监测，并将监测到的震动信号发送给第一单片机。
一种被动防护网工作状态实时监测***方法，包括震动触发模式；
所述震动触发模式为：当被动防护网受到异物撞击时，某一感知单元中的陀螺仪实时监测到震动信号后，开始监测三维角度，若三维角度超过设定阈值时，唤醒第一LORA通信模块，通过第一LORA通信模块发出唤醒指令，唤醒主控站；
该感知单元同时开始监测冲击加速度、感知网片中导线通断状态信号，以及由应变位移计得到的弹簧拉伸长度数据，并发送至主控站；
主控站收到唤醒指令后，第二LORA通信模块、第二单片机和4G通信模块进入正常工作状态，并通过第二LORA通信模块下达唤醒指令，唤醒安装在被动防护网钢柱上的其它感知单元，并采集其它感知单元上的参数，采集完毕后通过4G通信模块把各感知单元的监测参数发送到云服务器，供监测平台对各感知单元获取的参数进行相互对比、验证，避免误报；并分析处理后，评估得出被动防护网状态监测结果。
进一步的，还包括定时巡检触发模式；所述定时巡检触发模式为：按预制的时间间隔，接通应变位移计、感知网片和陀螺仪的电源，监测其信号，避免***长期处于不工作的僵尸状态，并将采集到的数据上传至监测平台，供监测平台分析处理，评估得出监测结果。
更进一步的，还包括人工干预触发模式；所述人工干预触发模式为：主控站接到由终端通过云服务器发出的采集命令后，通过第二LORA通信模块向各感知单元发送指令，接通应变位移计、感知网片和陀螺仪的电源，监测其信号，并将采集到的数据上传至监测平台，供监测平台处理，评估得出监测结果。
更进一步的，还包括风雨模式，若监测到三维角度值在一定范围内反复变化，则判定为风雨状态，立即控制感知单元切换为风雨模式：提高三维角度的阈值，并以一定的频次进行定时巡检，避免漏报；当监测到三维角度值停止上述变化时，则切换为常规模式，即震动触发模式。
更进一步的，还包括风雨模式，通过主控站读取气象传感器的数据，当风力与雨量达到预设阈值时，控制感知单元切换为风雨模式：提高三维角度的阈值，并以一定的频次进行定时巡检，避免漏报；当风力与雨量下降到预设阈值以下时，则切换为常规模式，即震动触发模式。
更进一步的，所述震动触发模式中，由震动开关替代陀螺仪进行震动信号的实时监测，监测到震动信号后，触发单片机唤醒陀螺仪监测三维角度进行判断。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过多传感器并行监测（多个感知单元），并通过震动触发模式、定时巡检触发模式、人工干预触发模式和风雨模式等多种监测模式，解决了传统监测***易出现的“僵尸、漏报、误报”问题；
2、本发明通过多个数据分析，能量化被动防护网的工作状态，能分析出受落石冲击后被动防护网残余防护能力和残余防护高度等，可有效的评估出被动防护网冲击后的状态，为管理部门提供维护决策的数据支撑。
3、本发明采用低功耗设计，能适应被动防护网各种安装工况，且可靠度高，成本低廉。
附图说明
图1为本发明被动防护网工作状态实时监测***硬件结构示意图。
图2为本发明被动防护网工作状态实时监测***安装示意图。
图3为本发明被动防护网工作状态实时监测***工作原理图。
图4为本发明被动防护网工作状态实时监测***震动触发模式工作流程图。
图中：1-感知网片；2-被动防护网；3-感知单元；4-应变位移计安装位置；5-减压环；6-钢柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的防护网工作状态监测***由软硬件组成。硬件包括主控站、感知单元、应变位移计和感知网片等（如图1所示）。
其中，感知单元有多个，设置于被动防护网的钢柱上（如图2所示），其包括第一单片机，以及连接到第一单片机的陀螺仪、第一LORA通信模块和接口件；所述陀螺仪用于监测钢柱的震动信号、冲击加速度和三维角度（倾斜角度），且震动信号为实时监测；单片机用于采集、计算和唤醒控制；第一LORA通信模块用于与主控站通信。
其中，对于震动信号的实时监测，也可以在感知单元中设置震动开关，陀螺仪则可以一直处于休眠状态，当震动开关监测到震动信号后，发送信号给单片机，由单片机唤醒陀螺仪及其他器件。震动开关可以采用弹簧开关或滚珠开关。
所述主控站包括第二单片机和连接到第二单片机的第二LORA通信模块和4G通信模块；第二LORA通信模块与各感知单元的第一LORA通信模块通信，4G通信模块用于将各感知单元采集的参数传送给云服务器。即可低功耗工作（第二LORA通信模块处于休眠、4G通信模块切断电源），也可正常工作。
所述感知网片为由一根带绝缘层的导线编制成的软性网片，其最大变形量与被动防护网网片的最大变形量相当。感知网片设置于被动防护网的网片上（如图2所示），其导线端头与感知单元的接口件电连接，用于通过感知网片中导线通断状态的信号来监测被动防护网网片破损状态。
当落石等异物冲击被动防护网时，感知网片与被动防护网一起发生形变，因此需要他们的最大变形量相当。若感知网片最大变形量过小，则容易先于被动防护网破网，发出导线断线的状态信号，产生误报。若感知网片最大变形量过大，则有可能会在被动防护网破网时保持完好，发出导线导通的状态信号，产生误报。在实际安装时，感知网片附着于被动防护网网片的外侧，四周通过弹簧连接在上下支撑绳和边绳上，其最大变形量略大于被动防护网网片的最大变形量，确保与被动防护网同时破网，得到准确的监测结果。
所述应变位移计包括弹簧，以及将弹簧拉伸长度转换为电信号的变送单元，其通过应力感知与其连接的弹簧拉伸长度；所述弹簧的两端设置于减压环的两端（如图2所示），所述变送单元与感知单元的接口件电连接，将应变位移计弹簧拉伸长度信号发送至感知单元，用于监测减压环拉伸长度，以此判断被动网损伤程度。减压环为缓冲消能装置，在被动防护网被撞击时，会发生拉伸变形以达到缓冲消能的目的，将弹簧的两端固定于减压环的两端，当减压环发生拉伸变形时，弹簧也一起被拉伸，因此可以通过弹簧的拉伸长度监测减压环拉伸长度，从而根据减压环拉伸长度判断被动网损伤程度。
感知单元中的第一LORA通信模块正常工作状态是休眠的（即处于低功耗工作状态），当有落石冲击防护网时（实时监测到震动信号），陀螺仪就能检测到三维角度，当三维角度超过设定的阀值时，唤醒第一LORA通信模块，唤醒后的第一LORA通信模块发出唤醒指令，用来唤醒主控站。就在唤醒通信模块同时，开始检测感知单元冲击加速度、感知线（感知网片）通断状态和应变位移计换算出来的弹簧拉伸长度。然后把检测到的数据发送给主控站。
本发明的低功耗工作模式为：感知单元中的第一LORA通信模块唤醒后，发出唤醒指令唤醒主控站内的第二LORA通信模块，同时让主控站内的单边机、4G通信模块处于正常工作状态。主控站下达唤醒指令，让安装在防护网钢柱上的其它感知单元（即还在休眠状态下的同一***的感知单元）全部唤醒，让后逐一采集其它感知单元上的参数，采集完毕后通过4G通信模块把参数发送到云服务器。正常工作模式，与低功耗模式相比，只是4G通信模块始终处于正常工作状态。
显控终端收到各感知单元数据后，依据理论研究成果，通过分析得出被动防护网残余防护能力和残余防护高度。并及时进行预警。
防护网工作状态监测***有震动触发、定时触发和人工触发3种触发模式，如图3所示，触发后，均需对钢柱倾斜角度、缓冲消能装置位移长度、网片破损情况进行全面检测。
震动触发模式：工作流程如图4所示，具体步骤如下：
当被动防护网受到石头、树木、土块等异物撞击时，某一感知单元中的陀螺仪实时监测到震动信号后，开始监测三维角度，若三维角度超过设定阈值时，唤醒第一LORA通信模块，通过第一LORA通信模块发出唤醒指令，唤醒主控站。
也可以由震动开关替代陀螺仪进行震动信号的实时监测，监测到震动信号后，再触发单片机唤醒陀螺仪监测三维角度进行判断，起到了降低功耗的作用。
该感知单元同时开始监测冲击加速度、感知网片中导线通断状态信号，以及由应变位移计得到的弹簧拉伸长度数据，并发送至主控站。
主控站收到唤醒指令后，第二LORA通信模块、第二单片机和4G通信模块进入正常工作状态，并通过第二LORA通信模块下达唤醒指令，唤醒安装在被动防护网钢柱上的其它感知单元，并采集其它感知单元上的参数，采集完毕后通过4G通信模块把各感知单元的监测参数发送到云服务器，供监测平台对各感知单元获取的参数进行相互对比、验证，避免误报；并分析处理后，评估得出被动防护网状态监测结果。
位于统一***的感知单元，监测到的参数应当接近，但若部分感知单元的传感器在被动防护网被撞击时，没有被触发，或因飞鸟等动物的撞击引起个别感知单元被触发，都可能产生误报。本发明通过唤醒多个感知单元采集监测数据，通过对比验证各感知单元的监测数据，即可排除误报的情况。
定时巡检触发模式：按预制的时间间隔，接通应变位移计、感知网片和陀螺仪的电源，监测其信号，避免***长期处于不工作的僵尸状态，并将采集到的数据上传至监测平台，供监测平台分析处理，评估得出监测结果
人工干预触发模式：主控站接到由终端发出的采集命令后，通过第二LORA通信模块向各感知单元发送指令，接通应变位移计、感知网片和陀螺仪的电源，监测其信号，并将采集到的数据上传至监测平台，供监测平台处理，评估得出监测结果。
除此之外，本发明还针对特殊的天气环境设置了风雨模式：若监测到三维角度值在一定范围内反复变化，则判定为风雨状态，立即控制感知单元切换为风雨模式：提高三维角度的阈值，并以一定的频次进行定时巡检，避免漏报；当监测到三维角度值停止上述变化时，则切换为常规模式，即震动触发模式。由于在风雨的监测环境下，被动防护网会因为风雨而发生震动，为避免第一LORA通信模块频繁唤醒，造成电源耗损块，同时也避免不必要的频繁上报数据，因此会提高三维角度的判断阈值。但同时风雨天气又是落石事故的高发期，在提高了三维角度的判断阈值后，为避免漏报，则需提高定时巡检的频次。
判定风雨状态时也可以通过主控站读取气象传感器的数据，当风力与雨量达到预设阈值时，控制感知单元切换为风雨模式；当风力与雨量下降到预设阈值以下时，则切换为常规模式，即震动触发模式。
最后监测平台收到防护网各种状态参数后，会对参数进行综合处理，依据仿真模拟理论数据和落石冲击试验得出的经验数据，对防护网状态进行综合评估，超过设定阈值，按照分级推送的原则，及时向有关部门及人员推出预警信号。
Claims (6)
1.一种被动防护网工作状态实时监测***，其特征在于，包括感知单元，感知网片、应变位移计和主控站；
感知单元有多个，设置于被动防护网的钢柱上，其包括第一单片机，以及连接到第一单片机的陀螺仪、第一LORA通信模块和接口件；所述陀螺仪用于监测震动信号、冲击加速度和三维角度，且震动信号为实时监测；单片机用于采集、计算和唤醒控制；第一LORA通信模块用于与主控站通信；
所述主控站包括第二单片机和连接到第二单片机的第二LORA通信模块和4G通信模块；第二LORA通信模块与各感知单元的第一LORA通信模块通信，4G通信模块用于将各感知单元采集的参数传送给云服务器；
所述感知网片为由一根带绝缘层的导线编制成的软性网片，其最大变形量与被动防护网网片的最大变形量相当；感知网片设置于被动防护网的网片上，其导线端头与感知单元的接口件电连接，用于通过感知网片中导线通断状态的信号来监测被动防护网网片破损状态；
所述应变位移计包括弹簧，以及将弹簧拉伸长度转换为电信号的变送单元；所述弹簧的两端设置于减压环的两端，所述变送单元与感知单元的接口件电连接，将应变位移计弹簧拉伸长度信号发送至感知单元，用于监测减压环拉伸长度，以此判断被动网损伤程度；
所述感知网片附着于被动防护网网片的外侧，四周通过弹簧连接在上下支撑绳和边绳上，其最大变形量略大于被动防护网网片的最大变形量。
2.根据权利要求1所述的被动防护网工作状态实时监测***，其特征在于，所述感知单元还包括震动开关，所述震动开关替代陀螺仪进行震动信号的实时监测，并将监测到的震动信号发送给第一单片机。
3.一种采用权利要求1所述的被动防护网工作状态实时监测***的监测方法，其特征在于，包括震动触发模式；
所述震动触发模式为：当被动防护网受到异物撞击时，某一感知单元中的陀螺仪实时监测到震动信号后，开始监测三维角度，若三维角度超过设定阈值时，唤醒第一LORA通信模块，通过第一LORA通信模块发出唤醒指令，唤醒主控站；
该感知单元同时开始监测冲击加速度、感知网片中导线通断状态信号，以及由应变位移计得到的弹簧拉伸长度数据，并发送至主控站；
主控站收到唤醒指令后，第二LORA通信模块、第二单片机和4G通信模块进入正常工作状态，并通过第二LORA通信模块下达唤醒指令，唤醒安装在被动防护网钢柱上的其它感知单元，并采集其它感知单元上的参数，采集完毕后通过4G通信模块把各感知单元的监测参数发送到云服务器，供监测平台对各感知单元获取的参数进行相互对比、验证，避免误报；并分析处理后，评估得出被动防护网状态监测结果；
还包括风雨模式，若监测到三维角度值在一定范围内反复变化，则判定为风雨状态，立即控制感知单元切换为风雨模式：提高三维角度的阈值，并以一定的频次进行定时巡检，避免漏报；当监测到三维角度值停止上述变化时，则切换为常规模式，即震动触发模式；
或者通过主控站读取气象传感器的数据，当风力与雨量达到预设阈值时，控制感知单元切换为风雨模式：提高三维角度的阈值，并以一定的频次进行定时巡检，避免漏报；当风力与雨量下降到预设阈值以下时，则切换为常规模式，即震动触发模式。
4.根据权利要求3所述监测方法，其特征在于，还包括定时巡检触发模式；所述定时巡检触发模式为：按预制的时间间隔，接通应变位移计、感知网片和陀螺仪的电源，监测其信号，避免***长期处于不工作的僵尸状态，并将采集到的数据上传至监测平台，供监测平台分析处理，评估得出监测结果。
5.根据权利要求3所述监测方法，其特征在于，还包括人工干预触发模式；所述人工干预触发模式为：主控站接到由终端通过云服务器发出的采集命令后，通过第二LORA通信模块向各感知单元发送指令，接通应变位移计、感知网片和陀螺仪的电源，监测其信号，并将采集到的数据上传至监测平台，供监测平台处理，评估得出监测结果。
6.根据权利要求3所述监测方法，其特征在于，所述震动触发模式中，由震动开关替代陀螺仪进行震动信号的实时监测，监测到震动信号后，触发单片机唤醒陀螺仪监测三维角度进行判断。
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