LU505792B1 - Ein echtzeit-überwachungs- und frühwarnsystem für karstkollaps auf der grundlage von mems-sensoren - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, das eine Reihe von Multi-Kaskaden- Verbindungsleitungen, eine Datenleitung, ein Datenstatistikmodul, ein Koordinatenanzeigemodul, ein Algorithmus-Berechnungsmodul und ein Überwachungs- und Alarmmodul umfasst. Das Datenstatistikmodul enthält unter anderem einen MEMS-Sensor, einen Drucksensor. Das Koordinatenanzeigemodul ordnet die Koordinateninformationen des überwachten Bereichs den Koordinateninformationen zu, die in jedem Sensor verborgen sind, stellt fest, ob der MEMS- Sensor fehlerhaft ist und zeigt die Position in Form eines Bildes an. Das Algorithmus- Berechnungsmodul nimmt die vom Datenstatistikmodul empfangenen Echtzeit-Neigungs- und Beschleunigungsinformationen und berechnet sie mit Hilfe eines Zeitbereichsintegrationsalgorithmus. Das Überwachungs- und Alarmierungsmodul bestimmt, ob die Echtzeitdaten des Sensors und die berechneten Daten den kritischen Wert überschreiten, und sendet gleichzeitig eine geologische Katastrophenwarninformation aus. Das Echtzeit- Überwachungs- und -Warnsystem und -Verfahren für Karsteinstürze, das die oben beschriebene Struktur der vorliegenden Erfindung verwendet, ist in der Lage, die Entwicklung von Karsthohlräumen in Echtzeit zu überwachen und eine Frühwarnung vor Karstböden zu geben, die kurz vor dem Einsturz stehen.

Description

Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage_V505792 von MEMS-Sensoren

Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Karstsenkungs-Messtechnik und insbesondere auf ein Karstsenkungs-Bodenloch-Überwachungs- und Frühwarnsystem zur

Messung der Veränderung der Tiefenverschiebung innerhalb des Bodenkôrpers.

Technologie im Hintergrund

Derzeit konzentriert sich die in- und ausländische Forschung zur Karstsenkungskatastrophe vor allem auf folgende Aspekte: (1) Erkundung der Bedingungen für die Entwicklung von

Karstsenkungen; (2) Erforschung des Prozesses, des Mechanismus und der kritischen

Bedingungen für die Entwicklung von Karstsenkungen; (3) Aufbau einer grundlegenden

Datenbank über Karstsenkungen; (4) Vorhersage der Gefahr von Karstsenkungen und

Risikobewertung; und (5) Vorhersage und Frühwarnung bei Karstsenkungen.

Die Entwicklung von Karstsenkungen ist aufgrund der UngleichmäBigkeit der

Karstentwicklung und des zyklischen Einflusses des Karstwassers komplizierter und hat die

Merkmale der Verbergung im Raum, des kumulativen Entwicklungsprozesses und des plôtzlichen

Auftretens von Senkungen, was die Uberwachungsarbeit mit vielen Problemen konfrontiert, und es ist im Allgemeinen schwierig, die Senkungen mit konventionellen Mitteln am Boden vorherzusagen und zu überwachen.

Die Entstehung und Entwicklung von Karstsenkungen ist ein komplexer Prozess, der von einer Vielzahl von Faktoren gesteuert und beeinflusst wird, was die Verhinderung und Kontrolle von Senkungen erschwert. Die Entstehung und Entwicklung von Bodensenkungen ist das Ergebnis einer Kombination aus menschlichen Aktivitäten und natürlichen Finflüssen. In den letzten Jahren hat das häufige Auftreten von Karstsenkungsunfällen in der Gesellschaft groBe Besorgnis ausgelöst, und es kommt zu Karstsenkungen in bewohnten Gebieten, die die Sicherheit von Leben und Eigentum, den Städtebau und sogar die wirtschaftliche Entwicklung ernsthaft gefährden. Für

Karstsenkungen, die bereits aufgetreten sind und wahrscheinlich anhalten oder wieder auftreten werden, sowie für solche, die wahrscheinlich auftreten werden, ist es notwendig, geeignete

Methoden für die langfristige Echtzeit-Überwachung, Frühwarnung und andere Arbeiten einzusetzen.

Die Überwachungsmethoden für Karstsenkungen lassen sich in eine direkte und eine indirekte Überwachungsmethode unterteilen. Die direkte Überwachungsmethode ist die Methode zur Beurteilung von Bodensenkungen durch direkte Überwachung der Verformung des unterirdischen Bodenkörpers, und die indirekte Überwachungsmethode überwacht hauptsächlich die dynamische Veränderung des Wasser- und Gasdrucks im Karstleitungssystem, und dieses

Patent zielt genau darauf ab, die Überwachung und Frühwarnung von Karstsenkungen durch die direkte Überwachungsmethode zu erreichen. Da die Überwachung von Gebäudefundamenten in

Karstgebieten und in Gebieten, die von Karstsenkungen bedroht sind, erforderlich ist, ist eine

Überwachung der Fundamente erforderlich. Gegenwärtig wird durch die Untersuchung der

Entstehungsarten von Bodenlöchern gezeigt, dass Karstbodenlöcher durch die drei Wege der submersen Erosion, des Austretens von Sandpartikeln bzw. des Verlusts von weichem Boden in untergetauchte Bodenlöcher, Sandleckbodenlöcher und Mudflow-Bodenlöcher verwandelt werden können.

Inhalt der Erfindung

Die vorliegende Erfindung, um die Mängel der bestehenden Technologie zu lösen, bietet ein

Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS$US05792

Sensoren, die vor allem nutzt die Lage Winkel der MEMS-Sensoren und die Änderung der

Erddruck zu beurteilen, die Entwicklung und die Bildung von verschiedenen Arten von Karst

Boden Hohlräume, so dass die Wirkung der Überwachung und Frühwarnung zu erreichen.

Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von

MEMS-Sensoren, umfassend:

Eine Anzahl von Multi-Kaskaden-Verbindungsleitungen und Datenleitungen, die im überwachten Gebiet in einem verteilten Zustand vergraben sind, und Echtzeit-Übertragung von

Lageänderungen und Dateninformationen der MEMS-Sensoren an einen Computer der

Uberwachungs- und Warnzentrale.

Eine Anzahl von MEMS-Sensoren und Drucksensoren, wobei die beiden Geräte durch ein

Kolloid miteinander verbunden sind, zur Echtzeitüberwachung der Verschiebung und der

Druckänderungen innerhalb des Bodenkörpers eines Karstkollaps-Bodenlochs, wenn es sich bildet.

Jeder MEMS-Sensor und Drucksensor ist mit einer eindeutigen ID-Nummer versehen, und jede ID-Nummer-Adresse entspricht der Tiefe des Ortes, an dem der MEMS-Sensor und der

Drucksensor vergraben sind.

Eine Reihe von Kommunikationsanschliissen, eine Seite mit mehreren

Kaskadenverbindungen und Datenleitungsverbindungen und eine Seite, die mit einem Computer für die Echtzeiteingabe von Sensorinformationen verbunden ist.

Computer des Uberwachungs- und Warnzentrums zum Empfangen von Echtzeit-

Dateninformationen, die von den MEMS-Sensoren gesendet werden, zum Berechnen der

Bodenverschiebung und der Druckänderung jeder erhaltenen Überwachungsvorrichtung, zum

Einrichten einer Echtzeit-Informationsdatenbank und zum Kombinieren der Verformungsdaten des Bodeneinsturzes, die in dem physikalischen Einsturzmodelltest erhalten wurden, zum

Durchführen einer Echtzeit-Überwachung und Warnung nach dem Berechnen des kritischen

Verformungswertes der Überwachungsvorrichtung;

Der Rahmenschlitz, der in einem verteilten Zustand in dem überwachten Bereich vergraben ist, ist im Inneren eine Rahmenstruktur mit einem Aufnahmeraum zum Speichern von mehreren

Kaskadenverbindungsdrähten und Datendrähten und hat polierte glatte Drahtlöcher an den linken und rechten Enden davon zum Führen von Drähten. Der Rahmenkanal ist mit den MEMS-

Sensoren verbunden, und die Länge der Verbindung wird durch die Größe des Bodenlochs bestimmt, das durch die am Überwachungsort durchgeführte Bodenuntersuchung ermittelt wurde.

Vorzugsweise sind die mehrstufige Anschlussleitung und die Datenleitung mit dem MEMS-

Sensor bzw. dem Drucksensor verbunden.

Vorzugsweise ist an der Schnittstelle der mehrstufigen Verbindungsleitung und der

Datenleitung eine wasserdichte Plattierungsschicht angebracht.

Vorzugsweise ist das MEMS-Sensormodell WT901C-485

Vorzugsweise ist das Drucksensormodell AT81

Vorzugsweise ist der Kommunikationsanschluss ein USB-Extender, der mit mehreren

MEMS-Sensoren und Drucksensoren extern an denselben Computer angeschlossen werden kann.

Optimalerweise umfasst der Computer des Überwachungs- und Warnzentrums:

Ein Datenstatistikmodul, das die empfangenen Beschleunigungs-, Zeit-, Winkel-, Druckwerte und andere Informationen, die von jedem Sensor übertragen werden, aufnimmt, eine

Informationsdatenbank einrichtet, einen Datentrendbericht erzeugt und die Daten an ein

Koordinatenanzeige- und Datenverarbeitungsmodul überträgt. Gleichzeitig werden die

Beschleunigungs- und Druckwerte jedes MEMS-Sensors beurteilt, und wenn der Warnwért/505792 überschritten wird, wird er an das Überwachungs- und Alarmierungsmodul übertragen.

Das Koordinatenanzeigemodul setzt die Koordinateninformationen des überwachten

Bereichs mit den Koordinateninformationen jedes vergrabenen Sensors in Beziehung. Über das

Datenstatistikmodul wird festgestellt, ob der MEMS-Sensor defekt ist, und die Koordinaten werden in Form eines Bildes angezeigt. Anhand der vom Datenstatistikmodul übermittelten

Neigungsinformationen wird der Zustand des Sensors ermittelt und der Einsturz des Bodenkörpers beurteilt.

Das Algorithmus-Berechnungsmodul, das die vom Datenstatistikmodul empfangenen

Echtzeit-Neigungs- und Beschleunigungsinformationen nimmt und sie durch den

Zeitbereichsintegrationsalgorithmus berechnet, wie in Bild 2 gezeigt, um den Druckwert des überwachten Bereichs und die Verschiebung des Sensors aufgrund des Einsturzes abzuleiten. Die

Verdrangung wird wie folgt berechnet: (I) Vorverarbeitung der Beschleunigung: Der Fehler der Beschleunigungseliminierung berücksichtigt die Bewegungseigenschaften des Bodenkôrpers innerhalb des Karsteinsturzes, und das Beschleunigungssignal wird in drei Phasen unterteilt, d.h. stabil, beschleunigt und glatt, und der Durchschnittswert der Abtastpunkte in den drei Phasen wird berechnet: a= nn a, (1)

In der obigen Gleichung (1) steht N für die Anzahl der Erfassungspunkte, a, für die erfassten

Beschleunigungssignale und a, für den dreistufigen Abtastmittelwert.

Subtrahiert man die Beschleunigung jeder Stufe vom Durchschnittswert dieser Stufe, so erhält man die anfängliche Entfernung der Gleichstromkomponente von a, =a, —a(k =1,2,3-—N) 2)

In der obigen Gleichung (2) ist a, die Beschleunigung, bei der die Gleichstromkomponente zunächst entfernt wurde. (IT) Entfernung der Basisauslenkung: Wenn festgestellt wird, dass die Basis des MEMS-

Sensors während der Kollabierbewegung ausgelenkt wird, muss die regionale

Schwerkraftbeschleunigungskomponente subtrahiert werden, um die Beschleunigung ohne

Basisauslenkung zu erhalten: a,-g sin 6 a,-g sine de = es = Views ©

In der obigen Gleichung (3): a, ist die Beschleunigungsaufzeichnung zur Beseitigung der

Basisablenkung in horizontaler Richtung; die Einsturzneigung ist ©; g ist die

Gravitationsbeschleunigung. (IID) Eliminierung des Trendterms im Zeitbereich: Der Trendterm im Zeitbereich wird bei der

Polynomanpassung durch die Methode der kleinsten Quadrate entfernt. Für Polynome: x, =b, +bx+b,x* ++ b x" (m=1,2,3-—7) (4)

In der obigen Gleichung (4) ist m der Koeffizient des hôchstwertigen Terms des Polynoms, b; (m=1,2,3,......, m) ist der Polynomkoeffizient und x,, ist der angepasste Trendterm.

Die Koeffizienten b von x, werden nach der Methode der zu bestimmenden Koeffizienten so bestimmt, dass die Summe der Quadrate der Fehler des Polynoms und des

Beschleunigungssignals a, minimiert wird, d.h.:

mink = EE, Om — a)? (5505/92

In der obigen Gleichung (5): E ist der Minimalwert der Gleichung

Wenn mit extremen Werten zufrieden, b, für Polynom-Koeffizienten, die partiellen

Ableitungen 2 = 0, um ein System von (m+1) Element lineare Gleichungen zu erhalten, kann

J das System der Gleichungen zu lösen, um die Bedingungen der (m+1) Koeffizienten bestimmt werden b,(j=1,2,3 ......m) zu erfüllen erhalten. (IV) Zeitbereichsintegrationsalgorithmus zur Berechnung von Geschwindigkeits- und

Verschiebungssignalen: Das Simpsonsche (Simpson) Gesetz wird zur Integration der

Beschleunigungs- und Geschwindigkeitszeitskala verwendet: v(t) = ve —1y+ WD + 40) + a+) —_ Ha (6)

In der obigen Gleichung (6): a(t) ist das Beschleunigungssignal nach der Vorverarbeitung und der Verarbeitung der Basisablenkung; v(t) ist das Geschwindigkeitssignal, wobei t=0,1,2, ......N-1,

At die Abtastzeit ist. s@= sh + HERDED a (7)

In der obigen Gleichung (7): s(t) ist das Wegsignal.

Berechnen Sie die Energie der Geschwindigkeits- und Verschiebungssignale:

N-1 N-1

SZ OT Sm 2 SO ®

In der obigen Gleichung (8) sind v, und S, die Geschwindigkeits- bzw.

Verschiebungsenergie.

Die integrale Energie wird nach Entfernung des Trendterms mit der Methode der kleinsten

Quadrate berechnet:

N-1 N-

Vy = V2 (1)? S, = >, s(t)? (9)

In der obigen Gleichung (9) sind v, und S, jeweils die integrale Energie nach Entfernung des Trendterms.

Stellen Sie den Energieverlust für die Geschwindigkeits- und Wegsignale nach Entfernung des Trendterms dar: (1) S(f) ( ) V.v, SS, ( )

In der obigen Gleichung (10) sind v(f) und S(#) die verfügbaren Geschwindigkeits- bzw.

Wegsignale.

Das Uberwachungs- und Alarmmodul vergleicht die empfangenen

Echtzeitdateninformationen vom Sensor und die Verschiebungsdaten vom Algorithmus-

Berechnungsmodul mit dem vom System eingestellten Datenschwellenwert, stellt fest, ob die

Echtzeitdaten vom Sensor den Schwellenwert überschreiten, macht eine Vorhersage der geologischen Katastrophe, die auftreten wird, und sendet gleichzeitig eine geologische

Katastrophenwarnmeldung aus.

Mit der Annahme der oben genannten technischen Lösung führt die vorliegende Erfindurtg/ 505792 im Vergleich zum Stand der Technik eine Echtzeit-Überwachung der Bodenverformung in dem von Karstsenkungen bedrohten Gebiet durch, indem MEMS-Sensoren und Drucksensoren auf einer Vielzahl von Überwachungsbändern in dem überwachten Gebiet vergraben werden und 5 Beschleunigungs- und Druckinformationen des Bodens in dem Uberwachungsabschnitt gesammelt werden. Auf der Grundlage der Überwachungsinformationen wird im Computer des

Überwachungs- und Frühwarnzentrums eine Informationsdatenbank eingerichtet, ein

Datentrendbericht erstellt und die Überwachung und Frühwarnung von Karstsenkungen durch

Vergleich mit den kritischen Daten der Bodensenkungen, die im physikalischen

Senkungsmodellversuch ermittelt wurden, realisiert.

Beschreibung der beigefügten Zeichnungen

Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung des Anschlusses der Vorrichtung der vorliegenden

Erfindung

Bild 2 zeigt ein schematisches Diagramm des Zeitbereichsintegrationsalgorithmus in der

Verschiebungsberechnungsmethode

Bild 3 zeigt ein schematisches Diagramm der Sensorgrundauslenkung bei der

Auslenkungsberechnungsmethode

Bild 4 zeigt ein schematisches Diagramm des Sensors in einem untergetauchten Bodenloch in einem physikalischen Modellversuch

Bild 5 zeigt ein schematisches Diagramm des Sensors in einem sanduhrförmigen Bodenloch in einem physikalischen Modellversuch.

Bild 6 zeigt ein schematisches Diagramm des Sensors in einem Erdloch vom Typ Mudflow in einem physikalischen Modelltest.

Detaillierte Beschreibung

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Echtzeit-Überwachungs- und

Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, wie in Bild 1 dargestellt, das eine Reihe von Multi-Kaskaden-Verbindungsleitungen und Datenleitungen umfasst, die in einem verteilten Zustand im überwachten Bereich vergraben sind, und

Echtzeitinformationen wie Lagewinkel, Beschleunigung, Zeit usw. der MEMS-Geräte an einen

Kommunikationsanschluss und dann an einen Computer des Uberwachungs- und

Frühwarnzentrums überträgt.

Der Computer des Überwachungs- und Warnzentrums zum Empfangen von Echtzeit-

Dateninformationen, die von der Überwachungsvorrichtung gesendet werden, zum Berechnen der

Bodenverschiebung und der Druckänderung jeder erhaltenen Überwachungsvorrichtung, zum

Einrichten einer Echtzeit-Informationsdatenbank und zum Kombinieren der Verformungsdaten des Bodeneinsturzes, die in dem physikalischen Einsturzmodelltest erhalten wurden, zum

Durchführen einer Echtzeit-Überwachung und Warnung nach dem Berechnen des kritischen

Geländeverformungswertes der Überwachungsvorrichtung;

Der Computer der Überwachungs- und Warnzentrale umfasst:

Ein Datenstatistikmodul, das die empfangenen Beschleunigungs-, Zeit-, Winkel- und

Druckinformationen, die von jedem MEMS-Sensor und Drucksensor übertragen werden, aufzeichnet, eine Datenbank mit den Informationen aufbaut, einen Datentrendbericht erstellt und die Daten an ein Koordinatenanzeige- und Datenverarbeitungsmodul überträgt. Gleichzeitig werden die Beschleunigungs- und Druckwerte der einzelnen Sensoren ausgewertet und bei

Überschreitung der Warnwerte an das Überwachungs- und Alarmmodul übermittelt.

Das Koordinatenanzeigemodul setzt die Koordinateninformationen des überwachten/>05792

Bereichs mit den Koordinateninformationen jedes vergrabenen Sensors in Beziehung. Über das

Datenstatistikmodul wird festgestellt, ob die MEMS-Sensoren defekt sind, und die Daten werden in Form eines Bildes angezeigt. Anhand der vom Datenstatistikmodul übermittelten

Neigungsinformationen wird der Zustand des Sensors bestimmt und dann der Einsturz des

Bodenkörpers beurteilt.

Das Algorithmus-Berechnungsmodul, das die vom Datenstatistikmodul empfangenen

Echtzeit-Neigungs- und Beschleunigungsinformationen nimmt und sie durch den

Zeitbereichsintegrationsalgorithmus berechnet, wie in Abb. 2 gezeigt, um den Druckwert des überwachten Bereichs und die Verschiebung des Sensors aufgrund des Einsturzes abzuleiten. Die

Auslenkung wird wie folgt berechnet: (I) Vorverarbeitung der Beschleunigung: Der Fehler der Beschleunigungseliminierung berücksichtigt die Bewegungseigenschaften des Bodenkörpers innerhalb des Karsteinsturzes, und das Beschleunigungssignal wird in drei Phasen unterteilt, d.h. stabil, beschleunigt und glatt, und der Durchschnittswert der Abtastpunkte in den drei Phasen wird berechnet: a= nn a, (1)

In der obigen Gleichung (1) steht N für die Anzahl der Erfassungspunkte, a, für die erfassten

Beschleunigungssignale und a, für den dreistufigen Abtastmittelwert.

Subtrahiert man die Beschleunigung jeder Stufe vom Durchschnittswert dieser Stufe, so erhält man die anfängliche Entfernung der Gleichstromkomponente von a, =a, —a(k =1,2,3-—N) 2)

In der obigen Gleichung (2) ist a, die Beschleunigung, bei der die Gleichstromkomponente zunächst entfernt wurde. (IT) Entfernung der Basisauslenkung: Wenn festgestellt wird, dass die Basis des MEMS-

Sensors während der Kollabierbewegung ausgelenkt wird, muss die regionale

Schwerkraftbeschleunigungskomponente subtrahiert werden, um die Beschleunigung ohne

Basisauslenkung zu erhalten: a,-g sin 6 a,-g sine de = es = Views ©

In der obigen Gleichung (3): a, ist die Beschleunigungsaufzeichnung zur Beseitigung der

Basisablenkung in horizontaler Richtung; die Einsturzneigung ist 6; g ist die

Gravitationsbeschleunigung. (IID) Eliminierung des Trendterms im Zeitbereich: Der Trendterm im Zeitbereich wird bei der

Polynomanpassung durch die Methode der kleinsten Quadrate entfernt. Für Polynome: x, =b, +bx+b,x* ++ b x" (m=1,2,3-—) (4)

In der obigen Gleichung (4) ist m der Koeffizient des hôchstwertigen Terms des Polynoms, b; (m=1,2,3,......; m) ist der Polynomkoeffizient und x,, ist der angepasste Trendterm.

Die Koeffizienten b von x, werden nach der Methode der zu bestimmenden Koeffizienten so bestimmt, dass die Summe der Quadrate der Fehler des Polynoms und des

Beschleunigungssignals a, minimiert wird, d.h.: minE = Der (x, — ap)? (5)

In der obigen Gleichung (5): E ist der Minimalwert der Gleichung

; _ LU505792

Wenn mit extremen Werten zufrieden, b, für Polynom-Koeffizienten, die partiellen

Ableitungen 2 = 0, um ein System von (m+1) Element lineare Gleichungen zu erhalten, kann

J das System der Gleichungen zu lösen, um die Bedingungen der (m+1) Koeffizienten bestimmt werden b,(=1,2,3......m) zu erfüllen erhalten. (IV) Zeitbereichsintegrationsalgorithmus zur Berechnung von Geschwindigkeits- und

Verschiebungssignalen: Das Simpsonsche (Simpson) Gesetz wird zur Integration der

Beschleunigungs- und Geschwindigkeitszeitskala verwendet: vo =v LEDER AD as (6)

In der obigen Gleichung (6): a(t) ist das Beschleunigungssignal nach der Vorverarbeitung und der Verarbeitung der Basisablenkung; v(t) ist das Geschwindigkeitssignal, wobei t=0,1,2, ......N-1,

At die Abtastzeit ist. s@= sh + HERDED a m

In der obigen Gleichung (7): s(t) ist das Wegsignal.

Berechnen Sie die Energie der Geschwindigkeits- und Verschiebungssignale:

SZ SE ®)

In der obigen Gleichung (8) sind v, und S, die Geschwindigkeits- bzw.

Verschiebungsenergie.

Die integrale Energie wird nach Entfernung des Trendterms mit der Methode der kleinsten

Quadrate berechnet:

ET 8 = 0% ©)

In der obigen Gleichung (9) sind v, und S, jeweils die integrale Energie nach Entfernung des Trendterms.

Stellen Sie den Energieverlust fir die Geschwindigkeits- und Wegsignale nach Entfernung des Trendterms dar: v(t) S(f)

Wf) = — S(t) = — 10 ( ) V.v, SS, ( )

In der obigen Gleichung (10) sind v(f) und S(#) die verfügbaren Geschwindigkeits- bzw.

Wegsignale.

Das Uberwachungs- und Alarmmodul vergleicht die Echtzeitdateninformationen von den empfangenen Sensoren und die Verschiebungsdaten vom Algorithmus-Berechnungsmodul mit dem vom System festgelegten Datenschwellenwert, stellt fest, ob die Echtzeitdaten von den

Sensoren den Schwellenwert überschreiten, macht eine Vorhersage der geologischen Katastrophe, die eintreten wird, und sendet gleichzeitig die geologische Katastrophenwarninformation aus.

In der vorliegenden Erfindung umfasst der Sensor einen MEMS-Sensor und einen

Drucksensor, wobei das MEMS-Sensormodell WT901C-485 und das Drucksensormodell AT81 ist.

Das Frühwarnsystem der vorliegenden Erfindung verwendet ein Datenbankmanagemerkt/>05792 extrahiert und analysiert Daten aus jedem Überwachungsbereich und speichert sie in zwei

Datenbanken auf einheitliche Weise, um verschiedene Arten von Überwachungsdaten vernünftig und effizient zu verwalten. Es verwaltet, speichert, analysiert und gibt diese Daten auf einheitliche

Weise aus und kombiniert sie mit den kritischen Daten des Einsturzes auf der gegenüberliegenden

Seite, die im physikalischen Einsturzmodellversuch ermittelt wurden, um den

Überwachungsabschnitt in der Nähe der kritischen Daten genau zu bestimmen, damit beurteilt werden kann, ob ein Verformungsschaden des Bodenkörpers vorliegt, um eine Frühwarnung vor dem Bodeneinsturz zu geben.

Im Folgenden wird in Verbindung mit dem MEMS-Sensor-Überwachungs- und Warnsystem insbesondere das Überwachungsverfahren der Warnvorrichtung erläutert.

A. Eine Vielzahl von Überwachungsgürteln wird im überwachten Bereich ausgewählt, und

MEMS-Sensoren werden unter der Uberwachungsbodenlinie vergraben, und die MEMS-Sensoren erreichen eine Überwachung der Beschleunigung und Richtung des Bodenkôrpers in der

Uberwachungslinie, und die mehrfachen Kaskadenverbindungsdrähte übertragen die

Echtzeitdaten von den MEMS-Sensoren an einen Uberwachungs- und Warnzentrum-Computer, und die MEMS-Sensoren werden die Daten an den Uberwachungs- und Warnzentrum-Computer mit der Frequenz übertragen, die durch 0,2 Sekunden berechnet wird,

B. Die MEMS-Sensoren haben sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite

Rahmenschlitze, in denen die Multikaskaden-Verbindungsdrähte untergebracht sind, so dass sich die MEMS-Sensoren bei einem Karsteinsturz und der anfänglichen Bildung eines Erdlochs innerhalb des Bodenkôrpers in einer nach unten gerichteten Position befinden. Da der

Rahmenschlitz im Boden eingegraben ist, werden die Kaskadendrähte am äußeren Ende des

Rahmenschlitzes der Zugkraft im Boden ausgesetzt, und der MEMS-Sensor wird sich nicht nach unten bewegen. Wenn sich das Bodenloch bis zu einem bestimmten Bereich ausdehnt, wird der

Multikaskaden-Verbindungsdraht nicht der Zugkraft im Boden ausgesetzt, und der MEMS-Sensor fällt nach unten. Die Hohe des durch den Karsteinsturz gebildeten Bodenlochs kann durch den

Zeitbereichsverschiebungsalgorithmus bekannt sein, und die Breite des durch den Karsteinsturz gebildeten Bodenlochs kann durch die Lange des Multikaskaden-Verbindungsdrahtes am äußeren

Ende des vorgebetteten Rahmenschlitzes bekannt sein.

C. Vergleich der Echtzeit-Sensorverschiebungs- und -beschleunigungsdaten mit den kritischen Daten des Bodeneinbruchs, die aus dem voreingestellten physikalischen

Einsturzmodelltest gewonnen wurden, Feststellung, ob die Echtzeitdaten des MEMS-Gyroskops den kritischen Wert überschreiten, Vorhersage der bevorstehenden geologischen Katastrophe und gleichzeitige Aussendung der Warninformationen über die geologische Katastrophe.

Im Folgenden wird ein Überwachungsverfahren der Warnvorrichtung in Verbindung mit einem Drucksensor-Überwachungs- und Warnsystem beschrieben.

A. Mehrere Überwachungsbänder werden im Überwachungsbereich ausgewählt, und der

Drucksensor wird über dem MEMS-Sensor montiert, und der Drucksensor realisiert die

Überwachung des Drucks im Uberwachungssegment. Die Datenleitung überträgt die

Echtzeitdaten vom Drucksensor an den Überwachungs- und Warncomputer.

B. Anhand der über die Datenleitung übertragenen Echtzeit-Überwachungsdaten erstellt der

Computer der genannten Überwachungs- und Warnzentrale eine Informationsdatenbank und generiert Trendberichte über die Daten.

C. Wenn sich im tiefen Boden des Überwachungsabschnitts durch Erosion, Verlust von

Sandpartikeln und Verlust von weichem Boden ein Bodenloch bildet, ändert sich der Druckwert/>05792 des Drucksensors an seinem oberen Teil, und der Echtzeit-Druckwert wird mit den kritischen

Daten des Bodeneinbruchs verglichen, die bei dem voreingestellten physikalischen Modelltest ermittelt wurden, um festzustellen, ob sich hier ein Bodenloch bildet, und wenn es sich bildet, kann es genau beobachtet werden.

Physikalischer Modelltest eines Karstkollapses:

Aufgrund der Vorteile von MEMS-Sensoren, wie z.B. geringes Gewicht, niedriger

Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit, hohe Empfindlichkeit, einfache Fernüberwachung und einzigartige verteilte Sensoreigenschaften. Die Anwendung von MEMS-Sensoren kann kontinuierlich die physikalischen Parameter innerhalb und außerhalb des Überwachungsabschnitts messen und gleichzeitig den Zustand der räumlichen Verteilung der gemessenen physikalischen

Parameter und die Informationen über die Veränderung mit der Zeit erhalten.

Durch den physikalischen Modelltest wird der gesamte Prozess der Karstentwicklung unter verschiedenen Bedingungen in Innenräumen reproduziert, und von da an wird die Beziehung zwischen Sensordruck, Verschiebung und Bodenverformung und -setzung hergestellt, um den

Effekt der Frühwarnung zu erreichen.

Aus der Analyse des physikalischen Modelltests lassen sich die folgenden Gesetze ableiten: (1) Wenn sich das Bodenloch entwickelt, wird der Druckwert des Drucksensors darin allmählich abnehmen, und wenn die Drucksensordaten 0 sind, kann die Bildung des Bodenlochs beurteilt werden. (2) Mit der weiteren Entwicklung des Bodenlochs wird der MEMS-Sensor im Inneren nicht durch die Spannung des umgebenden Bodens eingeschränkt und zeigt eine abwärts gerichtete

Bewegung, und die endgültige vertikale Verschiebung ist im Wesentlichen die gleiche wie die quadratische integrale Verschiebung der Beschleunigung im Zeitbereich. (3) Aus der Sicht der Breite der Bodenlochbildung kann durch Einstellen des Abstands zwischen den beiden Rahmenschlitzen die Breite der Bodenlochbildung beurteilt und ein

Warnwert festgelegt werden. (4) Wenn die Z-Achsen-Beschleunigung des MEMS-Sensors 0,9 g überschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass die Entwicklung des Bodenlochs abgeschlossen ist und der Warnwert, der durch den Bodenlocheinsturz festgelegt wurde, erreicht ist.

Die obigen Ausführungsbeispiele dienen nur zur Veranschaulichung des technischen

Programms der vorliegenden Erfindung, ohne es einzuschränken, und jede Abänderung des oben beschriebenen Programms auf der Grundlage der technischen Substanz der vorliegenden

Erfindung oder ein gleichwertiger Austausch und eine Änderung einiger technischer Merkmale fallen in den Schutzbereich des Programms der vorliegenden Erfindung.

Claims (6)

Ansprüche LU505792

1. Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Anzahl von Multikaskaden- Verbindungsleitungen und Datenleitungen, eine Anzahl von MEMS-Sensoren und Drucksensoren, eine Rahmennut, die die Multikaskaden-Verbindungsleitungen enthält, einen Kommunikationsanschluss und einen Computer des Uberwachungs- und Frühwarnzentrums umfasst. Der Computer der Uberwachungs- und Warnzentrale umfasst ein Datenstatistikmodul, ein Koordinatenanzeigemodul, ein Algorithmus-Berechnungsmodul und ein Überwachungs- und Alarmierungsmodul. Das Datenstatistikmodul ist mit dem Kommunikationsanschluss verbunden.

2. Ein Echtzeit-Uberwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die MEMS-Sensoren, Drucksensoren, jeder der MEMS-Sensoren und Drucksensoren mit einer eindeutigen ID-Nummer versehen sind, und jede ID-Nummer-Adresse der Tiefe der Position entspricht, in der die MEMS- Sensoren und Drucksensoren vergraben sind.

3. Ein Echtzeit-Uberwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmenschlitz, der im Inneren eine Rahmenstruktur mit Aufnahmeraum für eine Multikaskaden-Verbindungsleitung und eine Datenleitung ist, an seinen linken und rechten Enden mit polierten glatten Leitungslôchern zur Befestigung einer Ubertragungsleitung versehen ist. Der Abstand zwischen dem Rahmenschlitz und den MEMS-Sensoren wird durch die Größe des Bodenlochs bestimmt, das durch die an der Überwachungsstelle durchgeführte Bodenuntersuchung festgestellt wird.

4. Ein Echtzeit-Uberwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, gekennzeichnet durch MEMS-Sensoren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: 1) Auswahl einer Vielzahl von Überwachungsgürteln im überwachten Bereich, Vergraben von MEMS-Sensoren unter der Überwachungsbodenlinie, die MEMS-Sensoren realisieren die Überwachung der Beschleunigung und der Richtung des Bodenkörpers in der Überwachungslinie, und die Multi-Kaskaden-Verbindungslinie überträgt die Echtzeitdaten von den MEMS-Sensoren an den Computer des Überwachungs- und Warnzentrums, und die MEMS-Sensoren werden die Daten an den Computer des Überwachungs- und Warnzentrums mit der Frequenz übertragen, die mit der Rate von 0,2 Sekunden berechnet wird; (2) Es gibt Rahmenschlitze auf der linken und rechten Seite der MEMS-Sensoren, um die Kaskaden-Verbindungsleitungen zu speichern, so dass die MEMS-Sensoren in einer Abwärtsbewegung sind, wenn ein Karstkollaps auftritt und sich zunächst ein Bodenloch im Bodenkörper bildet. Da der vergrabene Rahmenschlitz im Bodenkörper vergraben ist, werden die Kaskadendrähte, die am äußeren Ende des Rahmenschlitzes getragen werden, der Zugkraft im Boden ausgesetzt und die MEMS-Sensoren bewegen sich nicht nach unten, während die Kaskadendrähte, wenn sich das Bodenloch bis zu einem bestimmten Bereich ausdehnt, nicht der Zugkraft im Boden ausgesetzt werden und die MEMS-Sensoren nach unten fallen werden. Die Höhe des durch den Karsteinsturz entstandenen Erdlochs kann durch den Zeitbereichsverschiebungsalgorithmus bestimmt werden, und die Breite des durch den Karsteinsturz entstandenen Erdlochs kann durch die Länge des vorvergrabenen Multikaskaden- Verbindungsdrahtes am äußeren Ende des Rahmenschlitzes bestimmt werden. (3) Vergleich der Echtzeit-Bodenbelastungsdaten mit den kritischen Daten des

Bodeneinsturzes, die aus dem vorgegebenen physikalischen Einsturzmodelltest gewonnen wurden) 505792 Feststellung, ob die Echtzeitdaten des MEMS-Gyroskops den kritischen Wert überschreiten, Vorhersage der eintretenden geologischen Katastrophe und gleichzeitige Versendung der Warninformationen über die geologische Katastrophe.

5. Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren, gekennzeichnet durch einen Drucksensor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: 1) Auswahl mehrerer Überwachungsbänder im Überwachungsbereich, der Drucksensor wird über dem MEMS-Sensor installiert, und der Drucksensor realisiert die Überwachung des Drucks im Überwachungsabschnitt. Eine Datenleitung überträgt Echtzeitdaten vom Drucksensor an einen Überwachungs- und Warncomputer. (2) Anhand der über die Datenleitung übertragenen Echtzeit-Überwachungsdaten erstellt der besagte Computer der Überwachungs- und Warnzentrale eine Informationsdatenbank und generiert Datentrendberichte. (3) Wenn der tiefe Boden im Abschnitt der Überwachung durch Erosion, Verlust von Sandpartikeln und Verlust von weichem Boden Löcher bildet, ändert sich der Druckwert des Drucksensors an seinem oberen Teil. Der Echtzeit-Druckwert wird mit den kritischen Daten des Bodeneinbruchs verglichen, die aus dem voreingestellten physikalischen Modelltest gewonnen wurden, um festzustellen, ob sich hier ein Erdloch gebildet hat, und wenn es sich gebildet hat, kann es genau überwacht werden.

6. Ein Echtzeit-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Karstkollaps auf der Grundlage von MEMS-Sensoren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Sensor, der intern Beschleunigungssignale sammelt, die Verschiebung des Sensors in der Drei-Achsen-Richtung durch Integration der Beschleunigungssignale im Zeitbereich erhalten kann. Die Auslenkung wird wie folgt berechnet: (I) Vorverarbeitung der Beschleunigung: Der Fehler der Beschleunigungseliminierung berücksichtigt die Bewegungseigenschaften des Bodenkörpers innerhalb des Karsteinsturzes, und das Beschleunigungssignal wird in drei Phasen unterteilt, d.h. stabil, beschleunigt und glatt, und der Durchschnittswert der Abtastpunkte in den drei Phasen wird berechnet: LY a ow In der obigen Gleichung (1) steht N für die Anzahl der Erfassungspunkte, a, für die erfassten Beschleunigungssignale und a, für den dreistufigen Abtastmittelwert. Subtrahiert man die Beschleunigung jeder Stufe vom Durchschnittswert dieser Stufe, so erhält man die anfängliche Entfernung der Gleichstromkomponente von a! = a, —a(k =1,2,3--+-N) 2) In der obigen Gleichung (2) ist a; die Beschleunigung, bei der die Gleichstromkomponente zunächst entfernt wurde. (II) Entfernung der Basisauslenkung: Wenn festgestellt wird, dass die Basis des MEMS- Sensors während der Kollabierbewegung ausgelenkt wird, muss die regionale Schwerkraftbeschleunigungskomponente subtrahiert werden, um die Beschleunigung ohne Basisauslenkung zu erhalten: a,-gsin6 a,-gsin6 a =e = Viento © In der obigen Gleichung (3): a, ist die Beschleunigungsaufzeichnung zur Beseitigung der

Basisablenkung in horizontaler Richtung; die Einsturzneigung ist 0; g ist dt&}05792 Gravitationsbeschleunigung. (IID) Eliminierung des Trendterms im Zeitbereich: Der Trendterm im Zeitbereich wird bei der Polynomanpassung durch die Methode der kleinsten Quadrate entfernt.

Für Polynome: x, = D, HD X HD x) +: 4+b„ x" (m=1,2,3--7) (4) In der obigen Gleichung (4) ist m der Koeffizient des höchstwertigen Terms des Polynoms, b; (m=1,2,3,......, m) ist der Polynomkoeffizient und x,, ist der angepasste Trendterm.

Die Koeffizienten b von x, werden nach der Methode der zu bestimmenden Koeffizienten so bestimmt, dass die Summe der Quadrate der Fehler des Polynoms und des Beschleunigungssignals a, minimiert wird, d.h.: minE = Yi, (nm — A)“ 6) In der obigen Gleichung (5): E ist der Minimalwert der Gleichung Wenn mit extremen Werten zufrieden, b, für Polynom-Koeffizienten, die partiellen Ableitungen = = 0, um ein System von (m+1) Element lineare Gleichungen zu erhalten, kann J das System der Gleichungen zu lösen, um die Bedingungen der (m+1) Koeffizienten bestimmt werden b ,(G=1,2,3......m) zu erfüllen erhalten. (IV) Zeitbereichsintegrationsalgorithmus zur Berechnung von Geschwindigkeits- und Verschiebungssignalen: Das Simpsonsche (Simpson) Gesetz wird zur Integration der Beschleunigungs- und Geschwindigkeitszeitskala verwendet: vo =v LEDER AD as (6) In der obigen Gleichung (6): a(t) ist das Beschleunigungssignal nach der Vorverarbeitung und der Verarbeitung der Basisablenkung; v(t) ist das Geschwindigkeitssignal, wobei t=0,1,2, ..... N-1, At die Abtastzeit ist. s()=s@-1)+ PTS x At (7) In der obigen Gleichung (7): s(t) ist das Wegsignal.

Berechnen Sie die Energie der Geschwindigkeits- und Verschiebungssignale: Vv, = JE, v09 S, => sy (8) In der obigen Gleichung (8) sind v, und S, die Geschwindigkeits- bzw.

Verschiebungsenergie.

Die integrale Energie wird nach Entfernung des Trendterms mit der Methode der kleinsten Quadrate berechnet: N-1 N-1 VE OS = se) ©) In der obigen Gleichung (9) sind v, und S, jeweils die integrale Energie nach Entfernung des Trendterms.

Stellen Sie den Energieverlust für die Geschwindigkeits- und Wegsignale nach Entfernung des Trendterms dar:

S(t) LU505792 v(t) = — S(t) = — 10 ( ) V.v, SS, ( ) In der obigen Gleichung (10) sind v(f) und S(#) die verfügbaren Geschwindigkeits- bzw.

Wegsignale.