一种泥石流多通道时序控制预警方法与流程

1.本发明属于地质灾害监测技术领域，具体涉及一种泥石流多通道时序控制预警方法。


背景技术：

2.由公开研究得知，不同形态的泥石流的地声频率是不一样的，基本介于5hz到300hz之间，考虑到地声传感器本身自然频率的技术限制，超低频的信号如1hz以下设备很难采集到。而在实际监测过程中发现，地声低频信号衰减慢，传播距离远，而高频信号只能在泥石流沟的源头才能监测到。
3.现有地声传感器基本为三分量的架构，如果采集信号范围在0.2hz～50hz之间的信号，则地声预警仪的采样频率至少应设置在250hz才能采集到比较准确的地声信号。按照一个采样点2个字节，则地声预警仪每秒上传约1500个字节。若采用4g实时传输的方式，对于野外的数据传输设备来说数据量和功耗都太大。为了降低功耗，地声传感器常采用间歇采集方式，但该方式会导致数据采集不全，降低预警及时性和准确性。另外，由于地声信号衰减快，采用单个地声传感器很难全面捕捉信号，也会降低数据准确性。
4.综上所述，现有技术中泥石流地声预警仪经常发生原始数据采集不全、功耗大、预警不及时、预警准确率低等技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种泥石流多通道时序控制预警方法，通过在泥石流流经路径上布设三套泥石流地声预警仪形成一个监测阵列，并通过阵列时序控制使多套设备的监测数据形成一个连续的数据集，通过数据分析进行实时预警。
6.本发明实现上述目的采用的技术方案如下：
7.一种泥石流多通道时序控制预警方法，包括如下步骤
8.采用三个泥石流地声预警仪组成一个监测阵列，配置一个为主设备、其他为从设备；
9.主从设备上电、自检、授时同步，并进行组网；
10.配置主从设备采集参数，主从设备数据采集周期为2t，每个设备采集时长为t，每个周期三个设备开始采集数据时间相隔t/2；
11.每个周期主从设备按照采集时序进行数据采集，采集后进入数据分析预警；
12.若有任意一个设备经过数据分析预警判定后为泥石流预警状态，则主设备记录一次泥石流预警事件；
13.主从设备按周期循环采集、数据分析；
14.若主设备连续三次记录泥石流预警事件，则发布泥石流预警通知至监控中心。
15.进一步地，所述数据分析预警包括如下处理步骤
16.将地声传感器采集的t时长数据分成2个t/2时长的数据包；
17.计算每个数据包的三个方向的时域能量，若六个时域能量中有任意一个大于设定的能量阈值，则进入下一步，否则该设备进入待机模式；
18.计算每个数据包的幅频谱、能量谱，从能量谱中选取地声信号0.2～50hz频率范围内的能量值，计算地声传感器三个方向中地声信号0.2～50hz频率范围内的能量值的能量占比因子；
19.若三个方向中能量占比因子有两个以上超过能量占比因子阈值，则报告一次泥石流预警状态，该设备退出数据分析预警模式；否则，该设备直接退出数据分析预警模式。
20.进一步地，三个方向能量占比因子计算方法如下
21.k1＝(wx1+wx2)/(ex1+ex2)
22.k2＝(wy1+wy2)/(ey1+ey2)
23.k3＝(wz1+wz2)/(ez1+ez2)
24.其中，wx1、wy1、wz1分别为第一个t/2时长对应三个方向的地声信号0.2～50hz频率范围内的能量值和；wx2、wy2、wz2分别为第二个t/2时长对应三个方向的地声信号0.2～50hz频率范围内的能量值和；ex1、ey1、ez1分别为第一个t/2时长对应三个方向的时域能量；ex2、ey2、ez2分别为第二个t/2时长对应三个方向的时域能量。
25.进一步地，t取值范围为10s～30s；能量阈值设定为背景阈值的2.5～5倍。
26.进一步地，所述三个泥石流地声预警仪按照三角形阵列布置或者直线阵列布置，所述主设备放置在阵列的中心位置。
27.进一步地，所述泥石流地声预警仪包括地声传感器、一体化预警传输单元，所述一体化预警传输单元与地声传感器通过线缆相连；
28.所述一体化预警传输单元包括采集传输预警子单元、供电子单元和支撑结构件，所述采集传输预警子单元、供电子单元安装支撑结构件上，所述采集传输预警子单元包括微处理器模块、存储模块、4g通信模块、北斗卫星通信模块、lora通信模块、蓝牙模块，用于完成现场地声传感器的信号采集、存储、数据发送及预警功能。
29.进一步地，所述地声传感器为自然频率低于0.5hz的三分量传感器；所述地声传感器与一体化预警传输单元之间为数字接口。
30.进一步地，所述地声传感器埋在离地面0.5米到1米范围内。
31.本发明与现有技术相比的有益效果：
32.本发明提供的一种泥石流多通道时序控制预警方法，通过在泥石流流经路径上布设三套泥石流地声预警仪形成一个监测阵列，并通过阵列时序控制使多套设备的监测数据形成一个连续的数据集，通过数据分析进行实时预警，解决了现有常规监测设备原始数据采集不全、功耗大、预警不及时、预警准确率低、平台综合预警实时性不够等问题，该方法可直接在前端多设备联动决策预警，具有安装便捷、调试方便、预警实时性高等优点。
附图说明
33.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明具体实施例提供的泥石流地声预警仪组成示意图；
35.图2为本发明具体实施例提供的泥石流地声预警仪阵列采集时序图。
具体实施方式
36.下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
37.在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
38.本发明提供的一种泥石流多通道时序控制预警方法，包括如下步骤
39.采用三个泥石流地声预警仪组成一个监测阵列，配置一个为主设备、其他为从设备；
40.主从设备上电、自检、授时同步，并进行组网；
41.配置主从设备采集参数，主从设备数据采集周期为2t，每个设备采集时长为t，每个周期三个设备开始采集数据时间相隔t/2；
42.每个周期主从设备按照采集时序进行数据采集，采集后进入数据分析预警模式；
43.若有任意一个设备经过数据分析预警模式判定后为泥石流预警状态，则主设备记录一次泥石流预警事件；
44.主从设备按周期循环采集、数据分析；
45.若主设备连续三次记录泥石流预警事件，则发布泥石流预警通知至监控中心。
46.本发明预警方法，通过在泥石流流经路径上布设三套泥石流地声预警仪形成一个监测阵列，并通过阵列时序控制使多套设备的监测数据形成一个连续的数据集，通过数据分析进行实时预警，采集数据全面、功耗小、预警及时、预警准确率高，该方法可直接在前端多设备联动决策预警，具有安装便捷、调试方便等优点。
47.本发明提供的一种泥石流多通道时序控制预警方法，其主要载体为泥石流地声预警仪，泥石流地声预警仪主要包括地声传感器和一体化预警传输单元。
48.地声传感器为超低频(自然频率低于0.5hz)和高灵敏度的三分量传感器，可放置在远距离处感知泥石流发生时产生的振动信号，该地声传感器与一体化预警传输单元之间为数字接口，相比模拟接口，更有利于弱信号的远距离不失真传输。因地声传感器为超低频的传感器，可放置在远离泥石流源头0.5公里的地方，当泥石流发生后保证有足够的时间安全撤离。该地声传感器放置在泥石流流经路径附近，为了减少风噪声及地面的机械干扰，优选的，将地声传感器埋在离地面0.5米到1米处。
49.一体化预警传输单元包括采集传输预警子单元、供电子单元和支撑结构件，采集传输预警子单元、供电子单元安装支撑结构件上，一体化预警传输单元放置在地声传感器附近，与地声传感器通过线缆相连。采集传输预警子单元包括微处理器模块、存储模块、4g通信模块、北斗卫星通信模块、lora通信模块、蓝牙模块，主要完成现场地声传感器的信号采集、存储、数据发送及预警功能，其中微处理器模块作为总的控制协调单元，调度所有设备完成设定的工作任务；存储模块用于存储设备参数信息、采集的地声数据等；4g通信为应
急的主要通信方式，当现场4g信号不好时，会自动切换到北斗通信方式。北斗卫星通信模块提供授时和通信双功能；lora通信用于现场组网联动预警；蓝牙模块用于现场无线调试。供电子单元为泥石流地声预警仪中的各模块提供电源输入。在一个阵列单元中，可选择一套配置为主设备，其它的为从设备。
50.本发明提供的一种泥石流多通道时序控制预警方法，主要采用三个泥石流地声预警仪组成一个监测阵列，可以按照三角形阵列布置，也可以按照直线阵列布置，监测阵列中主设备放置在阵列的中心位置，主设备与从设备的距离以50米左右为宜。该监测阵列中的设备采用lora进行数据传输。通过监测阵列布设，有效解决了地声信号衰减快、单点设置地声传感器捕捉信号不全的问题。对泥石流流经路径上的多点进行监测，多个点位的信号进行互补，保证了信号的连续性。
51.本发明提供的一种泥石流多通道时序控制预警方法，采用三个泥石流地声预警仪组成一个监测阵列，记三个设备分别为a、b、c，其中a为主设备，b和c均为从设备，为了保证现场采集数据的连续性及设备功耗的最优化，a、b、c的时序采用重叠一部分采集时段的方式(每个周期中，a、b、c分别采集三个时段的数据，三个时段覆盖整个周期，且三个时段之间有部分数据重叠)，三个设备在采集并分析完数据后处于低功耗的待机模式。该泥石流多通道时序控制预警方法，包括如下步骤：
52.(1)主设备和从设备上电完成各自的初始化；
53.(2)主设备和从设备完成各自的设备状态自检；
54.(3)主设备和从设备完成授时同步；
55.(4)主设备以广播方式发送握手信号；
56.(5)从设备发送应答信号给主设备；
57.(6)主设备将现场参数发送给从设备b和从设备c，现场参数包括开始采集时间ta0、采样周期2t、从设备b和从设备c的采集顺序；
58.(7)从设备b和c将现场参数存入，并按照设定的采集顺序等待采集,如从设备b为顺序1，则b的开始采集时间为ta0+t/2；从设备c为顺序2，则c的采集时间为ta0+t；
59.(8)若启动时间ta0到，则主设备a进入采集模式，开始采集t时长的地声传感器三分量(x、y、z)的数据，采集完后进入数据分析预警模式；
60.若启动时间ta0没有到或者本周期数据采集传输结束，则主设备a处于待机模式；主设备a按照周期2t的间隔重复执行步骤8；
61.(9)若启动时间ta0+t/2到，则从设备b进入采集模式，开始采集t时长的数据，采集完后进入数据分析预警模式；若启动时间ta0+t/2没有到或者本周期数据采集传输结束，则从设备b处于待机模式；从设备b按照周期2t的间隔重复执行步骤9；
62.(10)若启动时间ta0+t到，则从设备c进入采集模式，开始采集t时长的数据，采集完后进入数据分析预警模式；若启动时间ta0+t没有到或者本周期数据采集传输结束，则从设备c处于待机模式；从设备c按照周期2t的间隔重复执行步骤10；
63.(11)若设备a、b、c中有一个经过数据分析预警模式判定后为泥石流预警状态，主设备a记录一次泥石流预警事件；
64.(12)重复步骤8到步骤11；
65.(13)若主设备记录到连续三次预警事件，则主设备发布泥石流预警通知至监控中
心。
66.本发明提供的一种泥石流多通道时序控制预警方法，其主设备和从设备均有三种工作模式，1)数据采集模式，2)传输模式，3)待机模式；数据采集模式指按照设定的采样率，采集地声传感器三个分量的数据；主设备的传输模式包括lora组网传输及泥石流预警通知上传等，从设备的传输模式主要是当判定为泥石流预警事件后通过lora发送至主设备；待机模式下设备除定时器中断开启外，别的所有电源处于关断模式。
67.本发明提供的一种泥石流多通道时序控制预警方法，其中，任一个三分量地声传感器的数据分析预警模式包括如下处理步骤：
68.(1)将三分量地声传感器采集的t时长的数据分成2个t/2时长的数据包；其中t一般为10s～30s；将t时长拆分成2个t/2时长，可以对时间序列上的频率成分进行更准确的分析。
69.(2)分别计算2个t/2时长的数据包的时域能量，第一个t/2时长对应三个方向的时域能量为ex1、ey1、ez1，第二个t/2时长对应三个方向的时域能量为ex2、ey2、ez2，若2个t/2时长中有一个方向的时域能量大于设定的能量阈值e
阈值
/2，则进入步骤3；否则该设备进入待机模式；其中能量阈值e
阈值
一般设定为背景阈值的5～10倍；
70.(3)分别对2个t/2时长的数据包均进行fft变换，得到其幅频谱，再运算得到2个t/2时长数据的能量谱；
71.(4)从每个数据包的能量谱中选取地声信号范围内(0.2～50)hz频率范围内的能量值，计算第一个t/2时长对应三个方向的所有能量值的总和wx1、wy1、wz1，计算第二个t/2时长对应三个方向的所有能量值的总和wx2、wy2、wz2，计算该设备三个方向的能量占比因子k1＝(wx1+wx2)/(ex1+ex2)，k2＝(wy1+wy2)/(ey1+ey2)，k3＝(wz1+wz2)/(ez1+ez2)；
72.(5)计算k1、k2、k3中大于能量占比因子阈值k的个数，若个数大于等于2，则报告一次泥石流预警状态，同时，该设备退出数据分析预警模式；否则，该设备直接退出数据分析预警模式。
73.本发明提供的一种泥石流多通道时序控制预警方法，采用多通道采集、采集时段部分重叠的方式，降低功耗，满足用户对原始数据的收集要求和现场数据样本的连续采集。
74.如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
75.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
76.这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
77.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
78.本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

技术特征：
1.一种泥石流多通道时序控制预警方法，其特征在于，包括如下步骤采用三个泥石流地声预警仪组成一个监测阵列，配置一个为主设备、其他为从设备；主从设备上电、自检、授时同步，并进行组网；配置主从设备采集参数，主从设备数据采集周期为2t，每个设备采集时长为t，每个周期三个设备开始采集数据时间相隔t/2；每个周期主从设备按照采集时序进行数据采集，采集后进入数据分析预警；若有任意一个设备经过数据分析预警判定后为泥石流预警状态，则主设备记录一次泥石流预警事件；主从设备按周期循环采集、数据分析；若主设备连续三次记录泥石流预警事件，则发布泥石流预警通知至监控中心。2.根据权利要求1所述的泥石流多通道时序控制预警方法，其特征在于，所述数据分析预警包括如下处理步骤将地声传感器采集的t时长数据分成2个t/2时长的数据包；计算每个数据包的三个方向的时域能量，若六个时域能量中有任意一个大于设定的能量阈值，则进入下一步，否则该设备进入待机模式；计算每个数据包的幅频谱、能量谱，从能量谱中选取地声信号0.2～50hz频率范围内的能量值，计算地声传感器三个方向中地声信号0.2～50hz频率范围内的能量值的能量占比因子；若三个方向中能量占比因子有两个以上超过能量占比因子阈值，则报告一次泥石流预警状态，该设备退出数据分析预警模式；否则，该设备直接退出数据分析预警模式。3.根据权利要求2所述的泥石流多通道时序控制预警方法，其特征在于，三个方向能量占比因子计算方法如下k1＝(wx1+wx2)/(ex1+ex2)k2＝(wy1+wy2)/(ey1+ey2)k3＝(wz1+wz2)/(ez1+ez2)其中，wx1、wy1、wz1分别为第一个t/2时长对应三个方向的地声信号0.2～50hz频率范围内的能量值和；wx2、wy2、wz2分别为第二个t/2时长对应三个方向的地声信号0.2～50hz频率范围内的能量值和；ex1、ey1、ez1分别为第一个t/2时长对应三个方向的时域能量；ex2、ey2、ez2分别为第二个t/2时长对应三个方向的时域能量。4.根据权利要求2所述的泥石流多通道时序控制预警方法，其特征在于，t取值范围为10s～30s；能量阈值设定为背景阈值的2.5～5倍。5.根据权利要求1所述的泥石流多通道时序控制预警方法，其特征在于，所述三个泥石流地声预警仪按照三角形阵列布置或者直线阵列布置，所述主设备放置在阵列的中心位置。6.根据权利要求1所述的泥石流多通道时序控制预警方法，其特征在于，所述泥石流地声预警仪包括地声传感器、一体化预警传输单元，所述一体化预警传输单元与地声传感器通过线缆相连；所述一体化预警传输单元包括采集传输预警子单元、供电子单元和支撑结构件，所述采集传输预警子单元、供电子单元安装支撑结构件上，所述采集传输预警子单元包括微处
理器模块、存储模块、4g通信模块、北斗卫星通信模块、lora通信模块、蓝牙模块，用于完成现场地声传感器的信号采集、存储、数据发送及预警功能。7.根据权利要求6所述的泥石流多通道时序控制预警方法，其特征在于，所述地声传感器为自然频率低于0.5hz的三分量传感器；所述地声传感器与一体化预警传输单元之间为数字接口。8.根据权利要求6所述的泥石流多通道时序控制预警方法，其特征在于，所述地声传感器埋在离地面0.5米到1米范围内。

技术总结
本发明提供了一种泥石流多通道时序控制预警方法，首先采用三个泥石流地声预警仪组成一个监测阵列，进行主从配置、组网；配置主从设备采集参数，采集周期为2t，每个设备采集时长为t，每个周期三个设备开始采集数据时间相隔t/2；按照采集时序进行数据采集、数据分析预警；若任一个设备判定后为泥石流预警状态，主设备记录泥石流预警事件；若主设备连续三次记录泥石流预警事件，则发布泥石流预警通知至监控中心。该方法通过监测阵列时序控制进行实时预警，采集数据全面、功耗小、预警及时、准确率高，可直接在前端多设备联动决策预警，具有安装便捷、调试方便等优点。调试方便等优点。调试方便等优点。


技术研发人员：颜芳 骆斌 刘天霸 刘尊言 詹森 黄鑫
受保护的技术使用者：航天科工惯性技术有限公司
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2023/6/6