一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法及系统，在边坡监测区域各潜在落石表面安装落石监测终端；无人机巡航定位系统中在边坡监测区域进行巡航；每轮巡航过程中，每隔一段时间发射一个无线电磁波信号；各落石监测终端接收无线电磁波信号；无人机巡航定位系统一轮巡航结束后，信息处理中心根据无人机巡航定位系统在本轮巡航过程中发射信号的位置和时间，以及各落石监测终端相应的信号到时数据，计算各落石监测终端在本轮巡航过程中的位置，并对每个落石监测终端，判断其在本轮与上一轮巡航过程中的位置是否发生变化，若位置发生变化，则发出该落石监测终端安装位置处发生边坡落石灾害的预警。本发明专利技术能实现落石精准定位、成本低。

A dynamic wireless monitoring and positioning method and system for rockfall

【技术实现步骤摘要】
一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法及系统
本专利技术涉及一种可对边坡(如公路、铁路沿线及尾矿坝等边坡)落石进行实时监测和定位的方法及系统，属于防灾监测领域。
技术介绍
据统计，我国山地、丘陵和高原的面积占到了总土地面积的近七成。伴随着我国公路、铁路运输业在非平原地区建设需求的日益增长，边坡危岩落石成为影响公路、铁路建设运行的一大安全隐患。边坡落石灾害具有突发性、破坏性，往往无律可循；一旦发生，就对道路相关设施建设造成破坏，且对来往人员和车辆安全形成巨大威胁。因为，实现边坡落石灾害的动态监测和预警尤为重要。目前为解决这一问题采取的常见技术手段包括两个方面，一方面借助于利用光纤光栅、视频成像和振动传感器等设备进行落石监测，另一方面依赖于安装落石拦截装置进行防护。但是都存在难以克服的技术问题：光纤光栅监测装置的安装及维护成本较高；摄像视频对复杂环境的适应能力较差；振动传感器易误报误触，可用性低；检修落石拦截装置会消耗大量人力物力，被动地依靠于工程防护措施便势单力薄，安全系数不高。这些或多或少地影响了上述方案的实际应用价值。特别地，如何有效控制落石并实现潜在危险源的精准定位成为了监控减灾的一大难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述传统边坡落石灾害监测方法的不足，提供一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法及系统，能对边坡潜在落石灾害进行动态实时监控，兼具落石精准定位、可靠度高、成本低等优势。本专利技术的技术方案如下：一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法，包括以下步骤：<br>步骤1、将各落石监测终端分别安装在边坡监测区域(目标监测区域)的各潜在落石表面，潜在落石发生移动时，其表面安装的落石监测终端会随之移动；步骤2、落石监测终端与无人机巡航定位系统协同获取落石监测数据无人机巡航定位系统中在边坡监测区域进行巡航；每轮巡航过程中，每隔一段时间发射一个无线电磁波信号；各落石监测终端接收无线电磁波信号，并记录接收到无线电磁波信号的时间，即信号到时；步骤3、信息处理中心计算各潜在落石位置，评估边坡落实安全状态无人机巡航定位系统一轮巡航结束后，信息处理中心根据无人机巡航定位系统在本轮巡航过程中发射无线电磁波信号的位置和时间，以及各落石监测终端相应的信号到时数据，计算各落石监测终端在本轮巡航过程中的位置，并对每个落石监测终端，判断其在本轮与上一轮巡航过程中的位置是否发生变化，若位置发生变化，则发出该落石监测终端安装位置处发生边坡落石灾害的预警。进一步地，预先在边坡监测区域规划巡航线路；在规划好的巡航线路上，每间隔一定距离确定一个信号发射点；每轮巡航过程中，无人机均按预先规划好的巡航线路进行巡航，且在每个信号发射点发射一个无线电磁波信号。进一步地，无人机巡航定位系统通过GPS高精度授时定位模块，在规划的信号发射点通过信号发射模块向落石监测终端发射特定频段的无线电磁波信号，并根据GPS高精度授时定位模块确定每次发射无线电磁波信号的时间；落石监测终端的信号接收模块接收信号后，根据纳米级时钟确定信号到时，并将信号到时及落石监测终端的编号通过数据传输模块反馈给无人机巡航定位系统；无人机巡航定位系统继续沿规划好的巡航线路完成在各个信号发射点的信号发射工作，并获取各落石监测终端反馈的数据；无人机巡航定位系统的数据采集模块依各落石监测终端的编号i记录其对应的信号到时数据，并将记录的信号到时数据、发射无线电磁波信号的位置和时间，传输至所述信息处理中心，完成一轮巡航监测工作。进一步地，落石监测终端i的位置计算方法如下：根据电磁波的传播路径、波速和时间的函数关系列出落石监测终端与无人机巡航定位系统之间电磁波理论传播时间的函数表达式，函数表达式中落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)3个未知量，一般地，选取3组数据建立方程组：其中，(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)和(x03,y03,z03)分别为3个信号发射点的坐标；t01、t02和t03分别为无人机在这3个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，ti1、t02和ti3分别为落石监测终端i记录的相应的3个到时；c0为电磁波传播速度；解上述方程组即可求得落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)。进一步地，在落石监测终端i与无人机巡航定位系统的时钟不同步，存在时间差tid的情况下(比如为节约系统安装成本，落石监测终端不配置GPS系统，所获取的信号到时数据tin,n＝1,2,…,N未经过GPS同步；而无人机巡航定位系统配置有GPS高精度授时定位模块，其记录的发射无线电磁波信号的时间为经过GPS同步的标准时间，两者的时钟不同步)，根据电磁波的传播路径、波速和时间的函数关系列出落石监测终端与无人机巡航定位系统之间电磁波理论传播时间的函数表达式，函数表达式中存在落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)、落石监测终端i的信号到时数据与标准时间的差4个未知量，一般地，选取4组数据建立方程组：其中，(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)、(x03,y03,z03)和(x04,y04,z04)分别为4个信号发射点的坐标；t01、t02、t03和t04分别为无人机在这4个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，ti1、t02、ti3和ti4分别为落石监测终端i记录的相应的4个到时；c0为电磁波传播速度；解上述方程组即可求得落石监测终端i的位置(xi,yi,zi)及利用本方案，借助单个高精度GPS授时定位装置即可实现精准定位。进一步地，电磁波的传播路径总是受到地形及人为环境的影响，造成接收信号大量的散射、反射或叠加，使得电磁波在动态变化且复杂外界环境的传播路径产生影响。而在不同折射率的介质中，电磁波速会发生差异。在上述情境下所述任一落石监测终端的位置计算方法如下：设无人机巡航定位系统发射的第n次电磁波传播至落石监测终端i的理想传播路径(距离)为：假设电磁波在介质中的实际传播速度c未知，则无人机巡航定位系统发射的第n次电磁波传播至落石监测终端i的计算传播路径(距离)为：无人机巡航定位系统发射的第n次和第m次电磁波传播至落石监测终端i的计算距离差为：计算距离差从而消去未知数——到时数据与标准时间的差对于N组现场监测数据，应该使理论距离差和计算距离差的偏差Q(xi,yi,zi,c)最小，以实现(xi,yi,zi,c)的求解，定义偏差Q(xi,yi,zi,c)为：对于上式超静定方程，存在一组(xi,yi,zi,c)使得Q(xi,yi,zi,c)达到最小，Q(xi,yi,zi,c)达到最小时，满足：其中，分别为Q对xi,yi,zi,c求偏导；(x0n,y0n,z0n)和(x0m,y0m,z0m)分别为第n和m个信号发射点的坐标；t0n和t0m分别为无人机在第n和m个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，t0n和t0m分别为落石监测终端i记录的相应的信号到时(落本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、在边坡监测区域各潜在落石表面安装落石监测终端；每个落石监测终端具有固定唯一的编号；/n步骤2、落石监测终端与无人机巡航定位系统协同获取落石监测数据；/n无人机巡航定位系统中在边坡监测区域进行巡航；每轮巡航过程中，每隔一段时间发射一个无线电磁波信号；各落石监测终端接收无线电磁波信号，并记录接收到无线电磁波信号的时间，即信号到时；/n步骤3、信息处理中心计算各潜在落石位置，评估边坡落实安全状态；/n无人机巡航定位系统一轮巡航结束后，信息处理中心根据无人机巡航定位系统在本轮巡航过程中发射无线电磁波信号的位置和时间，以及各落石监测终端相应的信号到时数据，计算各落石监测终端在本轮巡航过程中的位置，并对每个落石监测终端，判断其在本轮与上一轮巡航过程中的位置是否发生变化，若位置发生变化，则发出该落石监测终端安装位置处发生边坡落石灾害的预警。/n

【技术特征摘要】
1.一种边坡落石灾害动态无线监测定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在边坡监测区域各潜在落石表面安装落石监测终端；每个落石监测终端具有固定唯一的编号；
步骤2、落石监测终端与无人机巡航定位系统协同获取落石监测数据；
无人机巡航定位系统中在边坡监测区域进行巡航；每轮巡航过程中，每隔一段时间发射一个无线电磁波信号；各落石监测终端接收无线电磁波信号，并记录接收到无线电磁波信号的时间，即信号到时；
步骤3、信息处理中心计算各潜在落石位置，评估边坡落实安全状态；
无人机巡航定位系统一轮巡航结束后，信息处理中心根据无人机巡航定位系统在本轮巡航过程中发射无线电磁波信号的位置和时间，以及各落石监测终端相应的信号到时数据，计算各落石监测终端在本轮巡航过程中的位置，并对每个落石监测终端，判断其在本轮与上一轮巡航过程中的位置是否发生变化，若位置发生变化，则发出该落石监测终端安装位置处发生边坡落石灾害的预警。


2.根据权利要求1所述的边坡落石灾害动态无线监测定位方法，其特征在于，预先在边坡监测区域规划巡航线路；在规划好的巡航线路上，每间隔一定距离确定一个信号发射点；每轮巡航过程中，无人机均按预先规划好的巡航线路进行巡航，且在每个信号发射点发射一个无线电磁波信号。


3.根据权利要求2所述的边坡落石灾害动态无线监测定位方法，其特征在于，无人机巡航定位系统通过GPS高精度进定位模块进行定位，在规划的信号发射点通过信号发射模块向落石监测终端发射特定频段的无线电磁波信号，并根据GPS高精度授时定位模块确定每次发射无线电磁波信号的时间。


4.根据权利要求1所述的边坡落石灾害动态无线监测定位方法，其特征在于，各落石监测终端将信号到时及其自身的编号通过数据传输模块反馈给无人机巡航定位系统；无人机巡航定位系统通过数据采集模块获取各落石监测终端反馈的数据，依各落石监测终端的编号i记录其对应的信号到时数据，并将记录的信号到时数据、发射无线电磁波信号的位置和时间传输至所述信息处理中心，完成一轮巡航监测工作。


5.根据权利要求1所述的边坡落石灾害动态无线监测定位方法，其特征在于，所述步骤3中，落石监测终端i的位置计算方法如下：
建立方程组：



其中，(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)和(x03,y03,z03)分别为3个信号发射点的坐标；t01、t02和t03分别为无人机在这3个信号发射点发射无线电磁波信号的时间，ti1、t02和ti3分别为落石监测终端i记录的相应的3个到时；c0为电磁波传播速度；
解上述方程组，求得落石监测终端i的位...

【专利技术属性】
技术研发人员：董陇军，张义涵，陈永超，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43