基于wsn的深部花崗巖巖爆定位測量系統及方法
【專利摘要】一種基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統及方法，其系統包括多個感測站、與多個感測站電性連接的無線路由器組、協調器、網關、服務器及客戶端，所述感測站包括設置在花崗巖的巖體內的巷道上的多個感知節點，感知節點用于測量巖體表面位移、巖體表面壓力、巖體深部位移及巖體深部溫濕度，所述無線路由器組、協調器、網關及服務器依序電性連接，所述網關服務器還分別連接客戶端，所述無線路由器組將感知節點采集的數據通過協調器和網關發送至服務器，所述服務器將獲取的數據進行處理，并對于坐標圖中的異常數據發出警報，通過無線傳感器網絡監測巖體的動態信息，測量巖爆的位置，極大地提升了測量效率，同時也保障了工作人員的安全。
【專利說明】
基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統及方法
技術領域
[0001]本發明涉及深部巖體工程巖爆定位測量技術領域，特別是涉及一種基于WSN的深 部花崗巖巖爆定位測量系統及方法。
【背景技術】
[0002] 目前，世界范圍內深部地下空間建設方興未艾，向地球深部尋求發展空間已經成 為世界范圍內的共同趨勢。深部巖石力學問題已經成為國內外巖石力學與地下工程研究領 域的焦點問題。深部圍巖在開挖卸載過程中會致使儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放， 從而出現爆裂脫落、剝離、彈射或拋擲破壞的巖爆現象。地下采場的人工開挖破壞了巖體初 始的應力平衡狀態，由于單向或雙向卸載形成臨空面后巖體應力重新分布，圍巖局部應力 集中并不斷集聚，最終向臨空面釋放。深部工程巖體的受力狀態十分復雜，未開挖的地下巖 體為三向應力狀態，人工開挖后巷道兩側表面圍巖為單向壓縮狀態，巷道表面頂板圍巖處 于單向拉伸狀態，深部為三向應力狀態。當三向應力狀態的巖體因開挖出現臨空面而成為 單向或雙向壓縮狀態，脆硬性花崗巖體極易發生巖爆災害。巖爆的發生會導致設備的損壞 甚至人員的傷亡，造成工期的延遲，成為巖體工程施工中亟待解決的問題。
[0003] 檢索現有專利發現，現在深部巖體工程巖爆定位測量依然有不足，如中國實用新 型專利說明書CN202041167U公開了一種鉆孔內圍巖三向變形測量裝置，該裝置由橫向測試 裝置卡槽與豎向測試鋼片相連，豎向測試鋼片上貼有第一電阻應變片，能夠準確測量鉆孔 內圍巖的三向變形。中國發明專利說明書CN103954197A，提供一種巷道表面位移、深部位移 同位測量方法，在巷道內至少布置一個測點，在測站同一垂直斷面上頂板和兩幫中部施工 鉆孔，安裝深部位移計。上述發明專利都只是在測量深部圍巖受高地應力作用下的位移變 形，還沒有做到實際深部巖體開挖過程中對于巖體內部的力學性能和巖爆定位的測量。
【發明內容】
[0004] 鑒于上述狀況，本發明提供一種基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統及方法。 WSN即無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)，是由部署在監測區域的大量微型傳感 器構成的無線網絡，WSN感知、采集、處理監測區域內被感知對象的信息并上傳至客戶端，實 現遠程實時定位測量深部巖體巖爆數據。
[0005] 本發明提供的一種基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，包括多個感測站、與 多個所述感測站電性連接的無線路由器組、協調器、網關、服務器及客戶端，所述感測站包 括設置在花崗巖的巖體內的巷道上的多個感知節點，每個所述感知節點包括第一位移傳感 器、壓力傳感器、第二位移傳感器和溫濕度傳感器，所述第一位移傳感器和壓力傳感器設置 于所述巷道的壁面，分別用于采集巖體表面位移數據和巖體表面壓力數據，所述第二位移 傳感器和溫濕度傳感器設置于由所述巷道的壁面向巖體內部延伸的孔道內，分別用于采集 巖體深部位移數據和巖體深部溫濕度數據，所述無線路由器組、協調器、網關及服務器依序 電性連接，所述網關和服務器還分別連接所述客戶端，所述感知節點采集的數據通過所述 無線路由器組、協調器和網關發送至所述服務器，所述服務器將獲取的數據進行處理，繪制 出以時間軸為X軸，以所述感知節點采集的數據為Y軸的坐標圖，并對于坐標圖中的異常數 據發出警報。
[0006] 上述基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其中，每個所述感測站包括三個所 述感知節點，三個所述感知節點分別設置于所述巷道的同一剖面的頂部及兩側部。
[0007] 上述基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其中，所述無線路由器組包括多個 無線路由器，多個所述無線路由器采用網型網絡拓撲結構以使無線網絡覆蓋整個巷道。
[0008] 上述基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其中，每個所述感知節點設置網絡 標號，所述感知節點采集的數據還包括所述網絡標號。
[0009] 上述基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其中，所述服務器將繪制的坐標圖 和預警信息發送至所述客戶端。
[0010] 上述基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其中，所述孔道深度大致為40cm、 直徑大致為2cm 〇
[0011] 上述基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其中，所述第一位移傳感器為磁致 伸縮位移傳感器。
[0012] 上述基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其中，所述壓力傳感器為半導體壓 阻式壓力傳感器。
[0013] 本發明提供的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量方法，包括以下步驟：
[0014] a、感知節點采集巖體表面位移、巖體表面壓力、巖體深部位移及巖體深部溫濕度 數據；
[0015] b、無線路由器獲取感知節點采集的數據后，同步發送至協調器；
[0016] c、協調器通過網關將所述數據發送至服務器，服務器對接收到的數據進行實時處 理，繪制出巖體表面位移、巖體表面的壓力、巖體深部位移及巖體深部溫濕度與時間的關系 圖，并對于異常情況發出警報；
[0017] d、服務器將繪制的關系圖和警報信息通過無線通訊方式發送至客戶端，管理根據 關系圖預測巖爆位置，并對異常情況即時采取安保措施。
[0018] 上述基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量方法，其中，每個感知節點進行網絡標 號，根據網絡標號查詢巖爆事故發生前后巖體動態信息并加以分析，以判斷出巖爆的具體 位置。
[0019] 本發明通過無線傳感器網絡采集巖體表面位移、巖體表面的壓力、巖體深部位移 及巖體深部溫濕度的動態變化數據，并將采集的數據發送至服務器，服務器將接收的數據 進行處理并對異常數據發出警報，管理者根據警報預測巖爆的位置和具體方向并作出對應 決策，對于突發的巖爆事故，管理者可根據網絡標號查詢巖爆事故發生前后其附近節點所 記錄的巖體動態信息加以分析，可以判斷出巖爆的具體方向，根據分析結果優化、完善當前 的安全保障措施，以減少后續巖爆事故發生的概率。本發明優化了傳統的人為定位測量巖 爆的方法，在極大地提升測量效率的同時也保障了工作人員的安全。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明提供的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統的結構框圖；
[0021] 圖2為本發明中同一巷道剖面的感知節點的布局圖；
[0022] 圖3為本發明提供的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量方法的流程圖。
[0023]主要元件符號說明
【具體實施方式】
[0025]為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中 給出了本發明實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的 實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容更加透徹全面。
[0026]需要說明的是，當元件被稱為"固設于"另一個元件，它可以直接在另一個元件上 或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是"連接"另一個元件，它可以是直接連接 到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語"垂直的"、"水平的"、"左"、 "右"以及類似的表述只是為了說明的目的。
[0027] 除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的 技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具 體的實施例的目的，不是旨在于限制本發明。本文所使用的術語"及/或"包括一個或多個相 關的所列項目的任意的和所有的組合。
[0028] 請參閱圖1及圖2,一種基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，包括多個感測站 10、與多個感測站10電性連接的無線路由器組20、協調器30、網關40、服務器50及客戶端60。 所述無線路由器組20、協調器30、網關40及服務器50依序電性連接。所述網關40和服務器50 還分別連接了客戶端60。
[0029] 感測站10用于采集花崗巖巖體各處的表面位移、表面壓力、深部位移及深部溫濕 度數據。感測站10沿著花崗巖巖體內部巷道的長度方向設置，相鄰的感測站的距離為50米， 以利于巖體相關數據采集的全面性。每個感測站10設置三個感知節點11，分別位于巷道的 同一剖面的頂部及兩側部。
[0030] 感測站10的個數以及每個感測站10設置的感知節點11的個數根據巖體開挖的實 際狀況設置。可以理解的，相鄰感測站之間的距離也可以為20米或80米。每個感測站10的感 知節點11的個數不限于3個，在本發明的另一實施例中，每個感測站的感知節點個數為4個， 巷道的頂部設置兩個，巷道的兩側各設置一個。
[0031] 每個感知節點11包括第一位移傳感器111、壓力傳感器112、第二位移傳感器113和 溫濕度傳感器114。
[0032]第一位移傳感器111和壓力傳感器112固定在巷道的壁面，用于采集巖體的表面位 移數據和表面壓力數據。本發明中第一位移傳感器111為磁致伸縮位移傳感器，壓力傳感器 112為半導體壓阻式壓力傳感器。
[0033]沿著巷道的壁面向巖體內部開設深度大致為40cm、直徑大致為2cm的孔道，并將第 二位移傳感器113和溫濕度傳感器114置于孔道內，用于采集巖體深部位移數據和巖體深部 溫濕度數據。
[0034] 巷道內縱向的不同感測站10間的數據傳輸由部署在巷道內合適位置的無線路由 器組20來完成，所述無線路由器組20由多個無線路由器21組成，多個無線路由器21采用網 型網絡拓撲結構以使無線網絡覆蓋整個巷道，便于實現對采集到的數據的實時互通，保證 服務器50能夠實時獲取巖體動態信息。
[0035] 所述第一位移傳感器111、壓力傳感器112、第二位移傳感器113和溫濕度傳感器 114采集的數據通過無線路由器組20發送至協調器30。所述協調器30管理所有的無線路由 器21并接收無線路由器21網絡傳送過來的數據。
[0036] 協調器30通過網關40將數據發送至服務器50。所述網關40所用的無線通訊方式為 wifi、3G或4G網絡中的一種。服務器50對獲取的數據進行處理和記錄，將獲取的數據繪制出 以時間軸為X軸，以第一位移傳感器111、壓力傳感器112、第二位移傳感器113和溫濕度傳感 器114采集的數據分別為Y軸的坐標圖，并且對于坐標圖中出現異常數據時發出警報。
[0037] 服務器繪制的坐標圖反映了巖體表面位移、巖體表面的壓力、巖體深部位移及巖 體深部溫濕度隨著時間的變化。巖體處于正常情況下，坐標圖上的數據變化波動較小或無 變化。當坐標圖上的數據變化突然增大或減小，則表明該處巖體處于異常狀態，服務器發出 警報，管理者根據警報，查明原因后作出應對，避免事故發生。
[0038] 每個感知節點11設置網絡標號，感知節點11采集的數據還包括所述網絡標號。對 于突發的巖爆事故，管理者可根據網絡標號查詢巖爆事故發生前后其附近感知節點所記錄 的巖體動態信息并加以分析，判斷出巖爆的具體位置，根據分析結果優化、完善當前的安全 保障措施，以減少后續巖爆事故發生的概率。
[0039]服務器50將坐標圖和報警信息傳送至管理者客戶端60,以便管理者實時監測巖體 的動態變化，預測巖爆位置，并對異常情況即時采取安保措施。
[0040] 客戶端60是管理者便于操作和控制的手持或便攜裝置，如包括筆記本電腦、平板 電腦、智能手機等。
[0041] 管理者通過客戶端60和網關40向該測量系統發送啟動的指令，感測站10、無線路 由器組20及協調器30啟動，監測巖體的動態變化，或向該測量系統發送使其處于休眠狀態 的指令，以減少能耗。
[0042] 請參閱圖3,本發明提供的一種基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量方法，包括以 下步驟：
[0043] a、感知節點采集巖體表面位移、巖體表面壓力、巖體深部位移及巖體深部溫濕度 數據；
[0044] b、無線路由器獲取感知節點采集的數據后，同步發送至協調器；
[0045] c、協調器通過網關將所述數據發送至服務器，服務器對接收到的數據進行實時處 理，繪制出巖體表面位移、巖體表面的壓力、巖體深部位移及巖體深部溫濕度與時間的關系 圖，并對于異常情況發出警報；
[0046] d、服務器將繪制的關系圖和警報信息通過無線通訊方式發送至客戶端，管理根據 關系圖預測巖爆的位置，并對異常情況即時采取安保措施。
[0047] 無線傳感器網絡的每個感知節點進行網絡標號，對于突發的巖爆事故，管理者可 根據網絡標號查詢巖爆事故發生前后其附近感知節點所記錄的巖體動態信息并加以分析， 判斷出巖爆的具體位置，根據分析結果優化、完善當前的安全保障措施，以減少后續巖爆事 故發生的概率。
[0048] 以上所述實施例僅表達了本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能 因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范 圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1. 一種基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其特征在于，包括多個感測站、與多 個所述感測站電性連接的無線路由器組、協調器、網關、服務器及客戶端，所述感測站包括 設置在花崗巖的巖體內的巷道上的多個感知節點，每個所述感知節點包括第一位移傳感 器、壓力傳感器、第二位移傳感器和溫濕度傳感器，所述第一位移傳感器和壓力傳感器設置 于所述巷道的壁面，分別用于采集巖體表面位移數據和巖體表面壓力數據，所述第二位移 傳感器和溫濕度傳感器設置于由所述巷道的壁面向巖體內部延伸的孔道內，分別用于采集 巖體深部位移數據和巖體深部溫濕度數據，所述無線路由器組、協調器、網關及服務器依序 電性連接，所述網關和服務器還分別連接所述客戶端，所述感知節點采集的數據通過所述 無線路由器組、協調器和網關發送至所述服務器，所述服務器將獲取的數據進行處理，繪制 出以時間軸為X軸，以所述感知節點采集的數據為Y軸的坐標圖，并對于坐標圖中的異常數 據發出警報。2. 如權利要求1所述的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其特征在于，每個所 述感測站包括三個所述感知節點，三個所述感知節點分別設置于所述巷道的同一剖面的頂 部及兩側部。3. 如權利要求1或2所述的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其特征在于，所述 無線路由器組包括多個無線路由器，多個所述無線路由器采用網型網絡拓撲結構以使無線 網絡覆蓋整個巷道。4. 如權利要求1或2所述的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其特征在于，每個 所述感知節點設置網絡標號，所述感知節點采集的數據還包括所述網絡標號。5. 如權利要求1或2所述的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其特征在于，所述 服務器將繪制的坐標圖和預警信息發送至所述客戶端。6. 如權利要求1所述的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其特征在于，所述孔 道深度大致為40cm、直徑大致為2cm 〇7. 如權利要求1所述的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其特征在于，所述第 一位移傳感器為磁致伸縮位移傳感器。8. 如權利要求1所述的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量系統，其特征在于，所述壓 力傳感器為半導體壓阻式壓力傳感器。9. 一種基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量方法，其特征在于，包括以下步驟： a、 感知節點采集巖體表面位移、巖體表面壓力、巖體深部位移及巖體深部溫濕度數據； b、 無線路由器獲取感知節點采集的數據后，同步發送至協調器； c、 協調器通過網關將所述數據發送至服務器，服務器對接收到的數據進行實時處理， 繪制出巖體表面位移、巖體表面的壓力、巖體深部位移及巖體深部溫濕度與時間的關系圖， 并對于異常情況發出警報； d、 服務器將繪制的關系圖和警報信息通過無線通訊方式發送至客戶端，管理根據關系 圖預測巖爆位置，并對異常情況即時采取安保措施。10. 如權利要求9所述的基于WSN的深部花崗巖巖爆定位測量方法，其特征在于，每個感 知節點進行網絡標號，根據網絡標號查詢巖爆事故發生前后巖體動態信息并加以分析，以 判斷出巖爆的具體位置。
【文檔編號】G01D21/02GK106092198SQ201610479706
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】劉永勝, 黃德昌, 許志博, 吳云, 雷發平, 李小俊, 黃炳華
【申請人】華東交通大學