CN115468541B - 一种岩溶塌陷四维监测的信息*** - Google Patents

一种岩溶塌陷四维监测的信息*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种岩溶塌陷四维监测的信息***，涉及探测领域，包括电源、四维监测模块、视频传输模块、视频解码模块、信息计算单元模块、信息分析单元模块；所述电源与所述四维监测模块、所述视频传输模块、所述视频解码器、所述信息计算单元、所述信息分析单元相连接，对整个过程进行供电，所述四维监测模块的输出端与所述视频传输模块的输入端连接，所述视频传输模块的输出端与所述视频解码器的输入端连接，所述视频解码器的输出端与所述信息计算单元的输入端连接，所述信息计算单元的输入端与所述信息分析单元连接，所述信息分析单元分析完毕后传送给用户。本发明大大提高了对岩溶塌陷数据信息的监测以及反馈能力。

Description

一种岩溶塌陷四维监测的信息***
技术领域
本发明涉及探测领域，且更确切地涉及一种岩溶塌陷四维监测的信息***。
背景技术
岩溶塌陷（karst collapse）是岩溶洞穴、上覆沉积物及地下水，构成固体、液体及气体三相力学平衡体系，地下水位变动达到一定幅度，平衡破坏，上覆松散沉积物突然塌落，形成上大下小的圆锥形塌陷坑。其中区域环境地质调查中对岩溶塌陷的调查内容主要有：①岩溶塌陷区调查，包括地貌成因类型与形态、可溶岩层岩性与岩溶发育特征、上覆第四系松散覆盖层的厚度、结构与工程地质特征、岩溶地下水类型、水文地质结构和岩溶水的补径排条件及其动态变化特征；②岩溶塌陷特征调查，包括分布与规模、形态特征、发育强度与频度、发育过程与发育阶段、塌陷的伴生现象、上覆土层中土洞的发育与分布等；③岩溶塌陷成因调查，包括自然动力因素与人类工程经济活动对岩溶塌陷发生与发展的影响、确定主要成因与类型；④岩溶塌陷危害调查和防治现状及效果调查。
如何实现岩溶塌陷数据信息的监测是亟待解决的问题，现有技术中，通常通过二维或者三维进行数据信息监测，这种方法虽然在一定程度上实现岩溶塌陷监测，但是无法实现岩溶塌陷四维监测，四维，即指四个维度，是一个空间概念。物理学中以维度来形容时空坐标的数目，四维即四个维度，它是由无数个三维组成的，而三维是由无数个二维组成的。其它高维度的组成方式以此类推，三维以上的维度统称高维度，基于此，本发明公开一种岩溶塌陷四维监测的信息***。
发明内容
针对上述问题，本发明公开一种岩溶塌陷四维监测的信息***，通过获取岩溶塌陷四维数据信息，进而实现岩溶塌陷四维监测，提高了岩溶塌陷四维监测能力。
为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：
一种岩溶塌陷四维监测的信息***，包括:
电源，用于向其他模块提供工作电压和电流；
四维监测模块，用于提供岩溶塌陷数据信息的四维监测信息，并将监测到的数据信息传递到终端设备，以提高四维监测的能力；四维指的是长，宽，高，叠四条轴，维度，是一个空间概念，不同的维度代表着不同的空间；从四个不同的方位对岩溶塌陷数据信息进行监测；其中的叠表示为空间数据信息的叠加。更具体而言，其中四维表示为四个维度，是一个空间概念，物理学中以维度来形容时空坐标的数目，四维即四个维度，它是由无数个三维组成的，而三维是由无数个二维组成的，其它高维度的组成方式以此类推，三维以上的维度统称高维度。在四维空间中，利用一种称为“维数类比 (dimensional analogy)”的方法来理解该维度的空间概念，维数类比是指通过研究（ n -1 ）维与 n 维之间的关系，来推断 n维与（ n + 1 ）维之间会有什么样的关系。
更进一步地将，比如一维空间指的是直线；二维空间指的是平面；三维空间指的是立体空间，四维是空间立体结构等。
基于上述四维概念，在本发明中，本发明旨在通过不同的角度和空间范围提取数据信息，对岩溶塌陷数据信息进行全方面的监测，以提高岩溶塌陷数据信息的监测能力。
四维监测模块包括FPGA模块和与所述FPGA模块连接的360°立体旋转四维采集模块、数据串并转换模块、数据融合模块、信号映射器、功率比较器和数字调制器；其中所述FPGA模块用于实现数据信息的控制；其中所述数据融合模块用于实现不同岩溶塌陷数据信息的融合；其中所述数据串并转换模块将一组并行数据从一个存储器件向另一个存储器件进行串行传输，所述数据串并转换模块内设置有岩溶塌陷信号检测电路，接收的存储器件判断是否正确接收其他存储器件传输过来的数据，如果岩溶塌陷信号检测电路输出的数据序列存在岩溶塌陷风险，则检测结果输出为高电平，反之为低电平；其中功率比较器用于将模拟电压信号与基准电压相比较电路进行比较，其中比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1，当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时，功率比较器的输出信息保持恒定；其中数字调制器用于将计算机发送信息时，将岩溶塌陷四维监测的数字信号转换成通过无线通信传输的模拟信号，通过无线通信发送出去；接收信息时，把无线通信传来的模拟信号转换成数字信号传送给四维监测模块监控中心；所述360°立体旋转四维采集模块通过设置四维空间旋转轴实现空间范围内的旋转和运动；在具体实施例中比如通过设置有旋转轴的摄像模块，也可以采用远程无线遥控的无人机，通过无人机技术在四维空间范围内采集岩溶塌陷数据信息；
视频传输模块，用于将接收并传递输出的视频传输数据信息传递到视频解码器中；
视频解码器，用于将接收到的数据信息解码，以获取视频传输模块传送过来的视频；它是一个能够对数字视频进行压缩或者解压缩的设备；
信息计算单元，用于计算四维监测模块监测到的数据信息，通过改进型卷积神经网络模型实现数据信息的计算；
信息分析单元，用于分析岩溶塌陷数据信息，以提高数据信息分析能力；
其中，所述电源与所述四维监测模块、所述视频传输模块、所述视频解码器、所述信息计算单元、所述信息分析单元相连接，对整个过程进行供电，所述四维监测模块的输出端与所述视频传输模块的输入端连接，所述视频传输模块的输出端与所述视频解码器的输入端连接，所述视频解码器的输出端与所述信息计算单元的输入端连接，所述信息计算单元的输入端与所述信息分析单元连接，所述信息分析单元分析完毕后传送给用户。
在上述方案中，为了在四维空间范围内提高岩溶塌陷数据信息分析能力，本研究采用了四维监测模块。
作为本发明进一步的技术方案，所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，
其中：所述电源为不间断UPS电源。
作为本发明进一步的技术方案，所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，
其中：数据串并转换模块包括DSP处理机、数据通信模块、转换模块和监控终端，其中所述转换模块包括并/串模块和串/并模块，所述DSP处理机与数据通信模块连接，所述数据通信模块与转换模块连接，所述转换模块与监控终端连接。
作为本发明进一步的技术方案，所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，
其中：数据融合模块包括数据预处理模块和数据融合模块；所述预处理模块用于对岩溶影像数据的几何纠正、大气订正、辐射校正和空间配准；所述数据融合模块包括像元级的融化模块、特征级的融合模块、决策级模块和选择模块；其中所述选择模块根据融合目的、融合层次、数据属性或者优先级等级选择岩溶影像数据信息。作为本发明进一步的技术方案，所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其中：信号映射器包括控制器、和与所述控制器连接的Modbus通信模块、HTTP通信模块、XMPP通信模块、RS485通信模块、协议转换模块、上位机、输出控制电路、输出接口和储存电路，其中上位机与控制器双向连接，控制器的输出端连接协议转换模块的输入端，Modbus通信模块、HTTP通信模块、XMPP通信模块和RS485通信模块与协议转换模块连接，协议转换模块的输出端与两个输出接口连接，输出接口连接储存电路，一个输出接口与输出控制电路连接，再连接协议转换模块。
作为本发明进一步的技术方案，所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，
其中功率比较器为SGM8707功率比较器，所述功率比较器输出300nA的典型电源电流，功率比较器的传播延迟低至6μs，在1.4V电源下100mV过驱动，SGM8707功率比较器工作在1.4V至5.5V的宽范围电源电压下工作，保证工作电压为1.4V，2.5V和5.0V。
作为本发明进一步的技术方案，所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其中：数字调制器包括数据处理单元和与所述数据处理单元连接的COFDM调制单元、RF调制单元和CPU/LCD/LED/键盘单元；所述数据处理单元通过数据属性转换将各种接口输入的信号转换为各个模拟接收的数据信息，以实现COFDM调制的预处理；所述COFDM调制单元将通过数据信息编码将数据流调制为频谱信号，IF调制输出35.25/36/36.15/44MHz中频信号；RF调制单元将中频上变到48至860MHz频道信号。
作为本发明进一步的技术方案，所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其中：改进型卷积神经网络模型在网络模型前两层中设置卷积分解模型，其中改进型卷积神经网络模型的工作方法为：利用卷积分解技术对CNN网络进行改进，利用卷积分解模型对CNN网络模型进行改进，将CNN网络模型设置为深度可分离卷积模块；输入的监测***运行状态参数{Q}与第三层的卷积核进行卷积操作，卷积函数公式为：
（1）
式（1）中，Zj表示岩溶塌陷安全状态监测模型的卷积层的输出，j为CNN网络模型不同节点下岩溶塌陷数据分析输出的变量值，xi表示岩溶塌陷安全状态监测模型卷积核的输入，xi中的i表示监测异常数据类型的总数，kij表示输入的监测***运行状态参数，表示卷积操作，bj表示安全状态监测模型卷积层的偏置；公式（1）表示出安全状态监测模型的特征提取信息，安全状态监测模型的卷积操作完成后，卷积模块后接批标准化处理和激活函数为：
（2）
式（2）中，BN表示岩溶塌陷数据信息批标准化处理信息，relu表示激活函数，W表示识别模型的卷积模块，y表示岩溶塌陷数据信息标准化处理函数，V表示相乘运算，x表示岩溶塌陷安全状态监测模型卷积核的输入，b表示安全状态监测模型卷积层的偏置，公式（2）中的激活函数为网络中的非线性单元，加入调整因子后的激活函数为；
（3）
式（3）中，zin、zout表示CNN网络模型批处理层的输入和输出的监测状态信息，、表示CNN网络模型调整因子，z~表示CNN网络模型中上一层卷积输出，表示卷积分解模型的权重系数，表示监测***样本数据的特征值，c表示批处理层常数；量化当前***的安全状态指标的公式为：
（4）
式（4）中，p表示监测***中遭到网络攻击的概率，M表示受到网络攻击的次数，i表示监测异常数据类型的总数，I表示监测到异常数据类型，n表示监测到异常数据类型总数，Rj表示当前监测***的安全监测值；
监测***运行状态参数的输出端与卷积神经网络的输入端连接，卷积神经网络的输出端一部分与卷积分解的检测单元连接，检测单元与卷积分解连接；卷积神经网络的其他一部分与深度可分离卷积的检测单元连接，检测单元与深度可分离卷积连接，池化层通过卷积模块与深度可分离卷积相连。
作为本发明进一步的技术方案，所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其中，所述信息分析单元包括安全感知报警单元，包括主控模块、和与所述主控模块连接的环境温度测量模块、可视化模块、数据传输模块、安全状态采集模块、运行参数采集模块、存储模块、时钟模块、控制报警模块和调试串口；所述主控模块包含STM32F103VCT6微控制器和多个多通道数模转换器，同时对多种传感器输出的信号进行转换；所述环境温度测量模块采用DS18B20温度传感器用来采集工作环境的环境温度；FPGA模块所述可视化模块设置有FPGA模块，所述FPGA模块还连接512MB DDR3内存模块、扩展LCD触控屏接口、以太网接口、USB 2.0接口、FLASH接口、JTAG仿真接口和EMMC SDIC模块；FPGA模块包括多通道ADC器件ADS8364模块；
所述的主控模块的STM32F103VCT6微处理器的输入端与所述的控制和报警模块、环境温度测量模块、调试串口的输出端连接；所述的主控单元STM32F103VCT6与运行参数采集模块、安全状态采集模块、数据传输模块、时钟模块、存储模块相互连接；所述的主控单元STM32F103VCT6与所述的FPGA模块通过SPI通信交互；所述的FPGA模块的输入端与所述的JTAG仿真接口和EMMC SDIC模块的输出端连接；所述FPGA模块与所述的512MB DDR3内存、扩展LCD触控屏接口、以太网接口、USB 2.0接口、FLASH接口相互连接。
积极有益效果：
本发明有益的积极效果在于：本发明在传统的监测***上，有机结合了对卷积分解技术对CNN网络进行改造，并融合了卷积分解技术，充分降低网络参数并增加网络深度，更好地考虑网络事件发生前的安全状态之间的联系，更好地利用了网络数据间的时序关系；其次在安全感知报警单元中加入了控制报警模块和蜂鸣器，当检测出故障的时候能够及时提醒，从而提高了安全状态监测效果，
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1为本发明中一种岩溶塌陷四维监测的信息***主体结构示意图；
图2为本发明中数据传输***框图；
图3为本发明中信息转换模块框图；
图4为本发明中改进后的安全状态监测模型结构示意图；
图5为本发明中安全感知报警单元硬件结构图；
图6为本发明中控制和报警模块电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种岩溶塌陷四维监测的信息***，包括:
电源，用于向其他模块提供工作电压和电流；
四维监测模块，用于提供岩溶塌陷数据信息的四维监测信息，并将监测到的数据信息传递到终端设备，以提高四维监测的能力；四维指的是长，宽，高，叠四条轴，维度，是一个空间概念，不同的维度代表着不同的空间；从四个不同的方位对岩溶塌陷数据信息进行监测；四维监测模块包括FPGA模块和与所述FPGA模块连接的360°立体旋转四维采集模块、数据串并转换模块、数据融合模块、信号映射器、功率比较器和数字调制器；其中所述FPGA模块用于实现数据信息的控制；其中所述数据融合模块用于实现不同岩溶塌陷数据信息的融合；其中所述数据串并转换模块将一组并行数据从一个存储器件向另一个存储器件进行串行传输，所述数据串并转换模块内设置有岩溶塌陷信号检测电路，接收的存储器件判断是否正确接收其他存储器件传输过来的数据，如果岩溶塌陷信号检测电路输出的数据序列存在岩溶塌陷风险，则检测结果输出为高电平，反之为低电平；其中功率比较器用于将模拟电压信号与基准电压相比较电路进行比较，其中比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1，当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时，功率比较器的输出信息保持恒定；其中数字调制器用于将计算机发送信息时，将岩溶塌陷四维监测的数字信号转换成通过无线通信传输的模拟信号，通过无线通信发送出去；接收信息时，把无线通信传来的模拟信号转换成数字信号传送给四维监测模块监控中心；
视频传输模块，用于将接收并传递输出的视频传输数据信息传递到视频解码器中；
视频解码器，用于将接收到的数据信息解码，以获取视频传输模块传送过来的视频；它是一个能够对数字视频进行压缩或者解压缩的设备；
信息计算单元，用于计算四维监测模块监测到的数据信息，通过改进型卷积神经网络模型实现数据信息的计算；
信息分析单元，用于分析岩溶塌陷数据信息，以提高数据信息分析能力；
其中，所述电源与所述四维监测模块、所述视频传输模块、所述视频解码器、所述信息计算单元、所述信息分析单元相连接，对整个过程进行供电，所述四维监测模块的输出端与所述视频传输模块的输入端连接，所述视频传输模块的输出端与所述视频解码器的输入端连接，所述视频解码器的输出端与所述信息计算单元的输入端连接，所述信息计算单元的输入端与所述信息分析单元连接，所述信息分析单元分析完毕后传送给用户。
在上述实施例中，四维指的是长，宽，高，叠四条轴，维度，是一个空间概念，不同的维度代表着不同的空间；从四个不同的方位对岩溶塌陷数据信息进行监测；其中的叠表示为空间数据信息的叠加。更具体而言，其中四维表示为四个维度，是一个空间概念，物理学中以维度来形容时空坐标的数目，四维即四个维度，它是由无数个三维组成的，而三维是由无数个二维组成的，其它高维度的组成方式以此类推，三维以上的维度统称高维度。在四维空间中，利用一种称为“维数类比 (dimensional analogy)”的方法来理解该维度的空间概念，维数类比是指通过研究（ n -1 ）维与 n 维之间的关系，来推断 n 维与（ n + 1 ）维之间会有什么样的关系。
更进一步地将，比如一维空间指的是直线；二维空间指的是平面；三维空间指的是立体空间，四维是空间立体结构等。
基于上述四维概念，在本发明中，本发明旨在通过不同的角度和空间范围提取数据信息，对岩溶塌陷数据信息进行全方面的监测，以提高岩溶塌陷数据信息的监测能力。
在具体实施例中，所述360°立体旋转四维采集模块通过设置四维空间旋转轴实现空间范围内的旋转和运动；在具体实施例中比如通过设置有旋转轴的摄像模块，也可以采用远程无线遥控的无人机，通过无人机技术在四维空间范围内采集岩溶塌陷数据信息，通过这种方式实现四维空间数据信息的采集。在上述实施例中，所述电源为不间断UPS电源。在具体实施例中，不间断UPS电源可以向四维监测模块或者其他模块提供电源供应，满足不同模块的电压数据或者电流数据供给需求。
在具体实施例中，通过这种方式，能实现将自身直流屏的220V、110V直流电逆变成AC220V/380V 50Hz纯正弦波输出，实现岩溶塌陷四维监测的不间断信息获取和监控。
在上述实施例中，所述数据串并转换模块数据串并转换模块完成串/并转换和并/串转换这两种传输方式；所述数据串并转换模块包括DSP处理机、数据通信模块、转换模块和监控终端，其中所述转换模块包括并/串模块和串/并模块，所述DSP处理机与数据通信模块连接，所述数据通信模块与转换模块连接，所述转换模块与监控终端连接。
在具体实施例中，如图2所示为数据传输***框图，所述串/并并转换的方法利用所述DSP处理器通过总线和主机口，将数据信息通过并/串模块传送到插件中，从插件中通过串/并模块将数据信息传送给PCI控制器，通过PCI控制器将数据信息传送给监控上位机，串/并转换包括利用移位寄存器转换和利用计数器转换；所述利用移位寄存器转换将串行的数据总数先表示出来，然后发送一位数据加一，便可以达到串/并的效果；所述利用计数器转换cnt 时钟计数，开始数据先给高位，每过一个时钟周期，数据便给低一位，便可以达到串/并的效果；所述并/串转换先将八位数据暂存于一个四位寄存器中，然后左移输出到一位输出端口，通过一个“移位”指令，使能信号en表示开始执行并/串操作，由于并/串是移位操作，当一次并/串完成后，需要重新载入待转换的并行数据时，使能信号要再起来一次，便可以达到串/并的效果。
在上述实施例中，第一数据融合模块包括数据预处理模块和第二数据融合模块；所述预处理模块用于对岩溶影像数据的几何纠正、大气订正、辐射校正和空间信息进行配准；所述第二数据融合模块包括像元级的融化模块、特征级的融合模块、决策级模块和选择模块；其中所述选择模块根据融合目的、融合层次、数据属性或者优先级等级选择岩溶影像数据信息，将空间配准的岩溶影像数据进行有机合成，得到目标的更准确表示和估计，所述数据融合模块利用计算机技术进行的信息处理过程，该过程可对按时序获得的若干传感器观测信息加以自动分析、优化综合，以完成所需的决策和估计任务。
在上述实施例中，所述信号映射器包括：Modbus通信模块、HTTP通信模块、XMPP通信模块、RS485通信模块、协议转换模块、控制器、上位机、输出控制电路、输出接口和储存电路，其中上位机与控制器双向连接，控制器的输出端连接协议转换模块的输入端，Modbus通信模块、HTTP通信模块、XMPP通信模块和RS485通信模块与协议转换模块连接，协议转换模块的输出端与两个输出接口连接，输出接口连接储存电路，一个输出接口与输出控制电路连接，再连接协议转换模块，如图3所示为信息转换模块框图。
在上述实施例中，所述功率比较器为SGM8707功率比较器，所述功率比较器输出300nA的典型电源电流，功率比较器的传播延迟低至6μs，在1.4V电源下100mV过驱动，SGM8707功率比较器工作在1.4V至5.5V的宽范围电源电压下工作，保证工作电压为1.4V，2.5V和5.0V。所述功率比较器具有同类最佳的电源电流与传播延迟性能。所述功率比较器能够作逻辑“决策”的逻辑输出电路，功率比较器的逻辑输出功能可以帮助用户设计具有多样化的额外功能的模拟电路。
在上述实施例中，所述数字调制器包括数据处理单元与所述数据处理单元连接的COFDM调制单元、RF调制单元和CPU/LCD/LED/键盘单元；所述数据处理单元将各种接口输入的信号转换为标准信号并进行必要的数据处理，以实现COFDM调制的预处理；所述COFDM调制单元将数据流调制为频谱信号，IF调制输出35.25/36/36.15/44MHz等中频信号；RF调制单元将中频上变到48至860MHz频道信号上；所述CPU/LCD/LED/键盘单元完成键盘输入，LED显示和智能控制等作用，所述数字调制器具有频谱搬移，功率有效性，提高***有效性；可以用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号，也能把频带数字信号还原成基带数字信号。
在上述实施例中，该研究基于卷积神经网络Convolutional Neural Networks，CNN构建安全状态监测模型，有效利用了卷积神经网络的权值共享和局部感知的特点，并融合了卷积分解技术，充分降低网络参数并增加网络深度，更好地考虑网络事件发生前的安全状态之间的联系，更好地利用了网络数据间的时序关系，从而提高了安全状态监测效果。利用了卷积分解技术对CNN网络进行改进，将卷积操作分步骤在不同的方向进行卷积后再进行组合，在进行卷积分解时可将其分解为通道方向、X方向和Y方向，也能够在部分方向上进行分解。将输入的监测***运行状态参数Q={q1，q2，q3，L，qn}，，一维数据转换为二维矩阵，经过卷积分解够使安全状态监测模型具备更低的计算量，分解后的CNN网络参数的公式为：
（1）
式（1）中，M、N表示安全状态监测模型中CNN卷积核的大小，C1、C2表示监测***运行参数数据的尺寸大小。通过公式（1）表示出经过卷积分解后降低了原CNN网络的网络参数，同时分解后会使原模型的深度成倍数增加，增强了监测模型的非线性能力。再使用深度可分离技术将卷积通道和空间通道进行分离，可分离卷积分步进行操作，深度可分离CNN与标准的CNN的参数对比情况的公式为：
（2）
式（2）中，P表示标准CNN的参数，PS2经过深度可分离改进后的CNN参数，通过公式（2）表示出深度可分离卷积大大降低了安全状态监测模型的参数量，同时能够保证卷积效果和网络表达效果。
如图6所示为改进后的安全状态监测模型结构，包括了卷积网络和池化层，改进后的CNN网络的前两层应用了卷积分解技术，第三层为深度可分离卷积，建立特征图同一位置不同通道之间的联系，可通过该层卷积进行数据输出维度调整[，所述改进型卷积神经网络模型的工作方法为：利用卷积分解技术对CNN网络进行改进，充分降低网络参数并增加网络深度，更好地考虑网络事件发生前的安全状态之间的联系，更好地利用了网络数据间的时序关系，从而提高了安全状态监测效果。改进后的CNN网络的前两层应用了卷积分解技术，第三层为深度可分离卷积，建立特征图同一位置不同通道之间的联系，可通过该层卷积进行数据输出维度调整。输入的监测***运行状态参数{Q}与该层的卷积核进行卷积操作，卷积函数公式为：
（3）
式（3）中，Zj表示岩溶塌陷安全状态监测模型的卷积层的输出，j为CNN网络模型不同节点下岩溶塌陷数据分析输出的变量值，xi表示岩溶塌陷安全状态监测模型卷积核的输入，xi中的i 表示监测异常数据类型的总数，kij表示输入的监测***运行状态参数，表示卷积操作，bj表示安全状态监测模型卷积层的偏置；公式（3）表示出安全状态监测模型的特征提取信息，安全状态监测模型的卷积操作完成后，卷积模块后接批标准化处理和激活函数为：
（4）
式（4）中，BN表示岩溶塌陷数据信息批标准化处理，relu表示激活函数，W表示识别模型的卷积模块，y表示岩溶塌陷数据信息标准化处理函数，V表示相乘运算，x表示岩溶塌陷安全状态监测模型卷积核的输入，b表示安全状态监测模型卷积层的偏置，公式（4）中的激活函数为网络中的非线性单元，使安全状态监测模型表示更加复杂网络安全情况，加入调整因子后的激活函数为；
（5）
式（5）中，zin、zout表示CNN网络模型批处理层的输入和输出的监测状态信息，、表示CNN网络模型调整因子，z~表示CNN网络模型中上一层卷积输出，表示卷积分解模型的权重系数，表示***样本数据的特征值，c表示批处理层常数；公式（5）表示了通过调整因子控制模型卷积层输出的***运行状态信息特征分布。完成电力系信息***运行状态参数的特征提取和融合后，考虑到当前一段时间内的***中出现的网络攻击对信息***安全的影响；量化当前***的安全状态指标的公式为：
 （6）
式（6）中，p表示监测***中遭到网络攻击的概率，M表示受到网络攻击的次数，i表示监测异常数据类型的总数，I表示监测到异常数据类型，n表示监测到异常数据类型总数，Rj表示当前监测***的安全监测值；当Rj在区间(0.0-0.25]时，***安全状态为优；当Rj在区间(0.0-0.45]时，***安全状态为良；当Rj在区间(0.45-0.65]时，***安全状态为中；当Rj在区间(0.65-0.90]时，***安全状态为差；当Rj在区间(0.90-1.00]时，***安全状态为危。
监测***运行状态参数的输出端与卷积神经网络的输入端连接，卷积神经网络的输出端一部分与卷积分解的检测单元连接，检测单元与卷积分解连接；卷积神经网络的其他一部分与深度可分离卷积的检测单元连接，检测单元与深度可分离卷积连接，池化层通过卷积模块与深度可分离卷积相连。
在具体实施例中，通过该改进算法能够全方面地分析造成岩溶塌陷状态的因素，以提高造成岩溶塌陷监测数据分析，大大提高了预警能力。
在上述实施例中，所述信息分析单元包括安全感知报警单元，包括主控模块、和与所述主控模块连接的环境温度测量模块、可视化模块、数据传输模块、安全状态采集模块、运行参数采集模块、存储模块、时钟模块、控制报警模块和调试串口。
在具体实施例中，图4所示为安全感知报警单元硬件结构图，所述主控模块包含STM32F103VCT6微控制器和多个多通道数模转换器，同时对多种传感器输出的信号进行转换；对于采集频率较高、数据量较大的网络设备安全参数，单元采用DMA总线直接将ADC数据寄存器中转换好的数据，和USART、SPI数据寄存器中接收到的数据搬运到内存中。
所述环境温度测量模块采用DS18B20温度传感器用来采集工作环境的环境温度；与主控模块的PB13引脚相连接，温度传感器的信号线连接上拉电阻，用来提高输出电平的稳定性。当单元感知到***安全状态或工作环境温度出现异常时，报警模块驱动蜂鸣器发出报警，并在可视化模块上显示报警信息。
FPGA模块所述可视化模块设置有FPGA模块，所述FPGA模块还连接512MB DDR3内存模块、扩展LCD触控屏接口、以太网接口、USB 2.0接口、FLASH接口、JTAG仿真接口和EMMCSDIC模块；FPGA模块包括多通道ADC器件ADS8364模块，对结构状态信息进行采样与转换，用FPGA内部的控制逻辑代替复杂的***电路；数据传输模块使用了W5500以太网芯片，内部集成了全硬件的网络协议栈，通过SPI配置好网络参数实现数据通信；控制报警模块使用了非入侵调试组件，利用这种组件可以在程序全速运行时访问存储器、跟踪数据和指令，感知到网络设备硬件的执行动作。
所述主控模块的STM32F103VCT6微处理器的输入端与所述的控制和报警模块、环境温度测量模块、调试串口的输出端连接；所述主控单元STM32F103VCT6与所述运行参数采集模块、安全状态采集模块、数据传输模块、时钟模块、存储模块相互连接；所述主控单元STM32F103VCT6与所述FPGA模块通过SPI通信交互；所述FPGA模块的输入端与所述JTAG仿真接口和EMMC SDIC模块的输出端连接；所述FPGA模块与所述512MB DDR3内存、扩展LCD触控屏接口、以太网接口、USB 2.0接口、FLASH接口相互连接。
图5所示为控制和报警模块电路示意图，使用了两个继电器作为控制模块M1和M2，M1的输入端接P1，输出端接P2，它的返回端接一个二极管D1连向供电端；M2的输入端接P3，输出端接P4，它的返回端接一个二极管D2连向供电端；Q1、Q2、Q3为NPN三极管，B1为蜂鸣器，BEEP引脚与主控单元的PC3引脚相连，BEEP引脚与Q3的接地端连接电阻R6，BEEP通过R5电阻连接到三极管Q3的基极，JDQ1与主控单元的PB7引脚相连，JDQ1与Q1的接地端连接电阻R2二极管D3，JDQ2与主控单元的PB15引脚相连，JDQ2与Q2的接地端连接电阻R4二极管D4，JDQ1与JDQ2分别通过R1、R3电阻连接到三极管的基极。当检测到网络设备和服务器处于异常状态时，或当期工作环境温度超过设定阈值时，BEEP上升到高电平后蜂鸣器发出报警。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和***的细节进行各种省略、替换和改变；例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围；因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其特征在于：包括:
电源，用于向其他模块提供工作电压和电流；
四维监测模块，用于提供岩溶塌陷数据信息的四维监测信息，并将监测到的数据信息传递到终端设备；四维监测模块包括FPGA模块和与所述FPGA模块连接的360°立体旋转四维采集模块、数据串并转换模块、数据融合模块、信号映射器、功率比较器和数字调制器；其中所述FPGA模块用于实现数据信息的控制；其中所述数据融合模块用于实现不同岩溶塌陷数据信息的融合；其中所述数据串并转换模块将一组并行数据从一个存储器件向另一个存储器件进行串行传输，所述数据串并转换模块内设置有岩溶塌陷信号检测电路；所述360°立体旋转四维采集模块通过设置四维空间旋转轴实现空间范围内的旋转和运动；
视频传输模块，用于将接收并传递输出的视频传输数据信息传递到视频解码器中；
视频解码器，用于将接收到的数据信息解码，以获取视频传输模块传送过来的视频；
信息计算单元，用于计算四维监测模块监测到的数据信息，通过改进型卷积神经网络模型实现数据信息的计算；
信息分析单元，用于分析岩溶塌陷数据信息，以提高数据信息分析能力；
其中，所述电源与所述四维监测模块、所述视频传输模块、所述视频解码器、所述信息计算单元、所述信息分析单元相连接，对整个过程进行供电，所述四维监测模块的输出端与所述视频传输模块的输入端连接，所述视频传输模块的输出端与所述视频解码器的输入端连接，所述视频解码器的输出端与所述信息计算单元的输入端连接，所述信息计算单元的输入端与所述信息分析单元连接，所述信息分析单元分析完毕后传送给用户；
改进型卷积神经网络模型在网络模型前两层中设置卷积分解模型，其中改进型卷积神经网络模型的工作方法为：
利用卷积分解模型对CNN网络模型进行改进，将CNN网络模型设置为深度可分离卷积模块；
其中卷积分解模型的工作方法为：将输入的监测***运行状态参数{Q}与第三层的卷积核进行卷积操作，卷积函数公式为：
（1）
式（1）中，Zj表示岩溶塌陷安全状态监测模型的卷积层的输出，j为CNN网络模型不同节点下岩溶塌陷数据分析输出的变量值，xi表示岩溶塌陷安全状态监测模型卷积核的输入，xi中的i 表示监测异常数据类型的总数，kij表示输入的监测***运行状态参数，表示卷积操作，bj表示安全状态监测模型卷积层的偏置；公式（1）表示出安全状态监测模型的特征提取信息，安全状态监测模型的卷积操作完成后，卷积模块后接批标准化处理和激活函数为：
（2）
式（2）中，BN表示岩溶塌陷数据信息批标准化处理信息，relu表示激活函数，W表示识别模型的卷积模块，y表示岩溶塌陷数据信息标准化处理函数，x表示岩溶塌陷安全状态监测模型卷积核的输入，b表示安全状态监测模型卷积层的偏置，公式（2）中的激活函数为网络中的非线性单元，加入调整因子后的激活函数为：
（3）
式（3）中，zin、zout表示CNN网络模型批处理层的输入和输出的监测状态信息，、表示CNN网络模型调整因子，z~表示CNN网络模型中上一层卷积输出，表示卷积分解模型的权重系数，表示监测***样本数据的特征值， c表示批处理层常数；量化当前***的安全状态指标的公式为：
（4）
式（4）中，p表示监测***中遭到网络攻击的概率，M表示受到网络攻击的次数，i表示监测异常数据类型的总数，I表示监测到异常数据类型，n表示监测到异常数据类型总数，Rj表示当前监测***的安全监测值；
监测***运行状态参数的输出端与卷积神经网络的输入端连接，卷积神经网络的输出端一部分与卷积分解的检测单元连接，检测单元与卷积分解连接；卷积神经网络的其他一部分与深度可分离卷积的检测单元连接，检测单元与深度可分离卷积连接，池化层通过卷积模块与深度可分离卷积相连。
2.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其特征在于：所述电源为不间断UPS电源。
3.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其特征在于：数据串并转换模块包括DSP处理机、数据通信模块、转换模块和监控终端，其中所述转换模块包括并/串模块和串/并模块，所述DSP处理机与数据通信模块连接，所述数据通信模块与转换模块连接，所述转换模块与监控终端连接。
4.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其特征在于：数据融合模块包括数据预处理模块和第二数据融合模块；所述预处理模块用于对岩溶影像数据的几何纠正、大气订正、辐射校正和空间信息进行配准；所述第二数据融合模块包括像元级的融化模块、特征级的融合模块、决策级模块和选择模块；其中所述选择模块根据融合目的、融合层次、数据属性或者优先级等级选择岩溶影像数据信息。
5.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其特征在于：信号映射器包括控制器、和与所述控制器连接的Modbus通信模块、HTTP通信模块、XMPP通信模块、RS485通信模块、协议转换模块、上位机、输出控制电路、输出接口和储存电路。
6.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其特征在于：功率比较器为SGM8707功率比较器，所述功率比较器输出300nA的电源电流，功率比较器的传播延迟低至6μs，在1.4V电源下100mV过驱动。
7.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其特征在于：数字调制器包括数据处理单元、和与所述数据处理单元连接的COFDM调制单元、RF调制单元和CPU/LCD/LED/键盘单元；所述数据处理单元通过数据属性转换将各种接口输入的信号转换为各个模拟接收的数据信息，以实现COFDM调制的预处理；所述COFDM调制单元将通过数据信息编码将数据流调制为频谱信号。
8.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷四维监测的信息***，其特征在于：所述信息分析单元包括安全感知报警单元，所述安全感知报警单元包括主控模块、和与所述主控模块连接的环境温度测量模块、可视化模块、数据传输模块、安全状态采集模块、运行参数采集模块、存储模块、时钟模块、控制报警模块和调试串口；其中所述主控模块包含STM32F103VCT6微控制器和多个多通道数模转换器；所述环境温度测量模块采用DS18B20温度传感器采集工作环境的环境温度；所述可视化模块设置有FPGA模块，所述FPGA模块还连接512MB DDR3内存模块、扩展LCD触控屏接口、以太网接口、USB 2.0接口、FLASH接口、JTAG仿真接口和EMMC SDIC模块；FPGA模块包括多通道ADC器件ADS8364模块。
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