地面沉降監測系統的制作方法

專利名稱：地面沉降監測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及地質狀況監測技術領域，具體涉及一種地面沉降監測系統。
背景技術：
地面沉降有自然的地面沉降和人為的地面沉降。自然的地面沉降一種是在地表松 散或半松散的沉積層在重力的作用下，由松散到細密的成巖過程；另一種是由于地質構造 運動、地震等引起的地面沉降。地面沉降的危害主要有(1)毀壞建筑物和生產設施；(2) 不利于建設事業和資源開發。發生地面沉降的地區屬于地層不穩定的地帶，在進行城市建 設和資源開發時，需要更多的建設投資，而且生產能力也受到限制；(3)造成海水倒灌。地 面沉降區多出現在沿海地帶。地面沉降到接近海面時，會發生海水倒灌，使土壤和地下水鹽 堿化。因此，隨時正確監測地面和地下水位沉降，并提供標準的數據對于預測和預報地面沉 降工作至關重要。現有自動化監測系統由上位機和下位機組成的分布式結構，數據傳輸通過公用 電話網實現。控制中心主機通過各現場單元的電話號碼來選擇通訊對象，首先，上位機向 MODEM發送RTS信號，詢問MODEM是否準備好，MODEM收到后，如果準備好，則向上位機發出 CTS信號來響應，上位機與下位機之間的數據鏈路建立成功。接下來就可以進行數據的傳 輸，上位機通過TD線發送數據，通過RD線回傳數據。因為現場測控單元是無人職守的，所 以應將其MODEM設置為自動應答方式，通過AA信號來設制。上述數據傳輸模式中，如果在 進行傳輸時有時由于線路質量或線路被占用聯系不上或MODEM握手失敗，相應的處理方法 是間隔設定的時間后重試，如果重試N次(可設定)失敗，則給出線路不同信息。該種數據傳輸模式不安全，經常出現連接困難、連接出錯等問題，無法實現實時自 動數據傳輸。而且上述的監測系統不支持網絡節點的擴展，新設備的采用；對后續數據的處 理、分析也支持不力。

發明內容
本發明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供了一種面沉降監測系統，該 面沉降監測系統主要由地面沉降監測中心控制系統、傳輸系統和現場自動測量系統構成， 是適用于地面沉降監測站內運行的可行、穩定、可靠的自動化監測技術。本發明目的實現由以下技術方案完成
一種地面沉降監測系統，包括用設置于分層標及水位井中的多個傳感器、被編程的數 據采集單元及數據采集處理服務器，所述傳感器和數據采集單元組成星形拓撲結構，所述 數據采集處理服務器與所述數據采集單元建立有連接，其特征在于所述數據采集單元連 接有CDMA模塊，該CDMA模塊通過CDMA網絡連接有固定IP服務器，所述固定IP服務器通 過局域網連接有所述數據采集處理服務器的通訊端口，所述傳感器存儲有對應于放置區域 的唯一編碼，所述數據采集處理服務器內設置有一項目表，用于記錄、設置于所述傳感器編 碼對應的編號信息。
所述數據采集單元通過衛星傳輸系統與所述數據采集處理服務器建立連接。
所述數據采集處理服務器通過互聯網或局域網將數據信息傳輸至數據庫服務器 中，所述數據庫服務器用于提供與之相連的計算機用戶以數據信息。所述數據采集處理服務器內設置有實時采集單元，該實時采集單元用于控制所述 數據采集處理服務器與數據采集單元之間的通訊網絡，及將數據采集單元所采集的原始數 據保存至數據采集處理服務器內。所述數據采集處理服務器內包括有系統管理模塊，用于記錄、管理所述用戶的用 戶名及對應于所述用戶名的登錄密碼的信息，及提供所述用戶數據查詢的服務。所述數據采集處理服務器內包括有數據處理模塊，其內設置有多個可選的數據處 理模型，并根據一被選數據處理模型對原始數據進行處理、計算。所述數據處理模塊剔除原始數據中的錯誤數據。所述數據處理模塊根據被選數據處理模型，校驗原始數據的合理性和真實性，并 將校驗之后的數據保存至數據庫服務器中。所述數據采集處理服務器內包括有數據分析模塊，用于將所述原始數據生成曲線 圖。生成的曲線圖包括單個傳感器數據歷時曲線圖、多個傳感器數據歷時曲線圖、多 個傳感器數據同一時刻曲線圖和綜合分析曲線圖。本發明的優點是
1、實時、高效取得精確的地面沉降監測數據；
2、海量、連續的監測數據可為地面沉降研究與防治提供豐富的基礎資料，彌補人工監 測周期長、數據少的不足；
3、可在今后的地面沉降監測站建設和改造中推廣應用；
4、隨著地面沉降監測站的建設與改造的不斷完善，可建立起更加科學、先進、現代化的 地面沉降監測網絡。


圖1為本發明系統結構原理示意圖； 圖2為系統各功能單元結構框圖3為地面監測站數據采集系統功能框圖； 圖4為GeoKon4675型靜力水準儀主要技術參數表(表1)； 圖5為GeoKon4675型靜力水準儀配套設備表(表2)； 圖6為In-SituLevelTroll500型自動水位計主要參數表(表3)； 圖7為In-SituLevelTroll500型自動水位計配套設備表(表4)。
具體實施例方式以下結合附圖通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便 于同行業技術人員的理解
如圖1-7所示，標號分別表示傳感器1、數據采集單元2、CDMA模塊3、固定IP服務器 4、數據采集處理服務器5、數據庫服務器6、局域網7、因特網8、用戶9、衛星傳輸系統10。
一、系統原理及運行模式簡述
系統網絡運行環境見圖1所示。從圖中可以看出整個系統主要由地面沉降監測中心控 制系統既數據采集處理服務器、傳輸系統和現場自動測量系統三大部分組成。其中，中心控 制系統包括數據采集處理服務器5和數據庫服務器6，是數據采集及數據處理管理服務器， 配備測控軟件和數據庫軟件，通過控制指令負責管理各現場測量系統的工作狀態、取回測 量數據并進行數據的管理、分析、處理和圖表輸出，這個部分為采用.net技術編制的服務 器軟件，是整個系統的核心部分；傳輸系統包括CDMA模塊3、固定IP服務器4，其采用網絡 技術直接利用CDMA無線網絡實現控制指令和測量數據的雙向傳輸；現場測量系統則是傳 感器1和數據采集單元2組成的星形拓撲網絡結構構成，數據采集單元2主要用于管理傳 感器1以及采集、存儲和發送測量數據。中國先后在2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月5日發射了 3 顆“北斗”靜止軌道試驗導航衛星，組成了“北斗”區域導航系統(注又稱為“北斗1代”衛 星導航系統)。該系統具備在中國及其周邊地區范圍內的定位、授時、報文和GPS廣域差分 功能。本發明利用了北斗的報文功能來進行信息傳輸和通訊，通過數據采集單元2連接 衛星傳輸系統10，將采集的實時數據加密然后利用報文的形式發送到數據采集處理服務器 5，不僅數據安全可靠，而且傳輸效率極高，以與前述的CDMA無線網絡組成一個補充的信息 傳輸系統，在偏遠地區或重大地質災害導致(有線或無線)信號中斷的情況下，將發揮重要 作用。整個系統運行的流程
通過對地面沉降監測站的數據采集器系統軟件進行設置后，可以實時的采集地面沉降 監測站中傳感器1的數據(目前頻率為10分鐘/次)，并將數據存儲在數據采集單元2的 內存中。在項目組的數據采集處理服務器5中安裝了中心控制系統，其中自動數據采集接 收軟件通過無線模塊以一定的頻率從標房數據采集單元2內存中獲取采集的數據，對采集 的原始數據進行數據處理，最后將原始數據和處理計算的數據都存儲到數據庫服務器6的 數據庫中，為地面沉降分析提供有效可靠的數據來源。二、設備的選擇及功能
本實施例中傳感器1包括數字水位計和靜力水準儀。其中靜力水準儀采用美國GeoKon公司的Ge0K0n4675型靜力水準儀。靜力水準儀 依據連通管的原理，采用振弦式傳感器，測量每個測點容器內液面的相對變化，再通過計算 公式求得相對于基準點的沉降量，具體如下所示
系統中任一特定容器(儲液筒)液位變化按下列公式計算 AELn=(Rln — R0n)Gn — (R0Eef — RlEef)GEef 其中
△ ELn------n號容器的液位變化，即該點相對于基準點的沉降量
Rln--------n號容器當前讀數
R0n--------n號容器初始讀數
Gn---------n號容器傳感器系數
R0Eef-------參照容器的初始讀數RlEef-------參照容器的當前讀數
GEef--------參照容器傳感器系數
注A ELX為負值時表示沉降(A ELX為正值時表示升高)。GeoKon4675型靜力水準儀是一種高精密液位系統，該系統設計是用于測量多點相 對沉降的系統。在使用中，一系列的傳感器容器均采用PVC液管聯接，每一容器的液位由一 精密振弦式力傳感器測出，該傳感器內有一個自由懸重，一旦液位發生變化，懸重的懸應浮 力即被傳感器感，精確測出小至0. 001英寸(0. 025mm)的垂直變化。在多點系統中，所有傳感器的垂直位移均是相對于其中的一點，該點的垂直位移 是相對恒定的或者可用其它人工觀測手段準確確定。GeoKon4675型靜力水準儀特點如表1、2 (參見附圖4、5)所示 數字水位計采用In-SituLevelTroll500型自動水位計。數字水位計的原理是通過被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或 陶瓷)，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，和用電子線 路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。數字水位計就是采用 硅應變壓力傳感器，測量壓力。通過線性公式的換算，得出水位。并有溫度傳感器同時測量 水溫。采用通氣電纜，使水位計與大氣相通，對大氣壓作了補償，減少了大氣壓變化對水位 產生的影響。自動監測時，水位計放入監測井內，通過電纜連接，電纜的一段連接水位計，另 一端懸掛于井口，通過特殊接口連接到自動數據采集系統。In-SituLevelTroll500型自動水位計自帶氣管，且保護良好，不用做氣壓補償，全 密封，內部集成數據采集存儲單元，自身帶電池，可以獨立完成數據采集記錄工作，無需外 部供電。安裝方便。支持第三方數據采集系統。線纜可以延長，滿足水位變化需求。有干燥 裝置，防止水氣對儀器的影響，測量深度大，最高支持346米。美國In-SituLevelTroll500 自動水位計特點如表3、4 (參見附圖6、7)所示
本實施例中數據采集單元2選擇美國Campbell公司的CR1000。美國Campbell公司的CR1000穩定性良好，環境適應能力強，理論最小采集頻率可 以達到一秒。我院已完全掌握坎貝爾CR1000的核心技術，能獨立自主設計監測方案和系 統，因此系統采用CR1000數據采集系統進行水位、分層標的自動數據采集。為掌握數據實時變化情況，保證數據采集的實時性，滿足地面沉降研究所需，數據 采集單元2將采用30分鐘/次的固定頻率進行水位、水溫和分層標標高的數據測量及采 集。通訊是自動實時采集系統的重要組成部分，也是傳輸監測數據的通路，由于監測 站分布范圍廣，受環境的限制，無線通訊是首選。CDMA無線通訊以其穩定性好，帶寬高，低輻 射，數據保密性高以及費用低成為當前無線通訊的熱點，因此，項目組采用CDMA無線通訊 進行自動數據采集和傳輸。CDMA模塊3為臺灣HelicommMAS-QiQ型通訊模塊，采用可視化 軟件，配置非常方便簡單。低功耗產品，12V直流供電。工業級產品，-4(T85寬溫度范圍。三、監測點及設備的設置、安裝方法 監測點布設
根據不同的底層情況，將鋼筋埋入到該底層深度，然后在鋼筋外部加上套管，這樣鋼筋 將與該土層成為一體，這點監測點稱為分層標，如果將鋼筋直接埋設到基巖內部，這樣的監
6測點則稱為基巖標。分層標的前綴為F，后面按照數字順序編排，分別為Fl，F2, F3……；基 巖標的前綴為J，按照不同區域來編排數字，分別為Jl，J2, J3……。根據地下水位的不同深度分布，從地面鉆井到相應的水層，分別設置編號，前綴為區縣名稱加基巖標編號，后面按照順序編排數字加字母W，分別為浦024-1W、浦 024-2W、......
監測點的設置
登錄地面沉降自動化監測信息管理系統后，在點位圖上點擊分層標圖標，將該點編號 設置為實際相應監測點編號，并將數據保存到數據庫，完成監測點的設置。傳感器設置方法 傳感器的安裝
在分層標和水位井中分別安裝靜力水準儀和自動水位計，將傳感器編號與相應分層標 或水位井編號設定為一致。傳感器設置
登錄地面沉降自動化監測信息管理系統后，在點位圖上點擊傳感器圖標，將傳感器編 號設置為實際相應傳感器編號，并將數據保存到數據庫，完成傳感器的設置。四、系統軟件部分功能
地面沉降監測站數據采集單元2功能主要通過開發CRBasic程序來管理傳感器、定時 采集傳感器數據、采集數據存儲以及根據服務器中心處理軟件的指令發送采集數據。這個 部分主要是底層的采集功能單元，功能如圖2所示。地面沉降自動化監測信息管理系統功能。參見圖3，本管理系統各個模塊功能說明 1、系統管理模塊
a)、權限管理
增加新用戶添加新的系統合法使用用戶，包括用戶名和密碼。刪除用戶刪除已有的系統用戶名和密碼。密碼修改修改已有用戶名稱和密碼。b)、數據庫管理
數據查詢按照用戶的要求進行數據的查詢和顯示。數據源采用ODBC進行數據庫連接，需要進行數據源的配置；如果已經存在數據 源，那么可以選擇已有數據源進行數據庫連接。數據保存和備份將數據保存到數據庫，數據庫備份或者導出數據庫保存到其他 存儲設備。數據庫壓縮壓縮數據庫，節省硬盤空間。、實時數據采集模塊
實時采集模塊負責水位和分層標數據的實時采集，按照用戶設定好的通訊參數、采集 時間和采集頻率來獲取地面監測站數據采集系統中數據采集器存儲的數據，實現無人值守 自動實時數據采集。a)、通訊設置CR1000可以通過以下兩種方式進行通訊串口通訊或者固定IP地 址。如果采用串口通訊，需要設置串口號，通訊速率；如果采用IP地址通訊，需要設置固定的IP地址、端口號。b)、建立/斷開連接通過特殊的指令已經提供的通訊協議，建立或者斷開計算機 與數據采集系統的連接，為數據通訊和傳輸建立橋梁。c)、自動采集和數據保存 自動采集功能包括以下部分自動采集參數設置， 自動采集，自動將原始數據保存到系統數據庫。、數據處理模塊 數據處理模塊對原始數據進行提取，根據用戶選定的數據處理模型處理原始數據，剔 除錯誤數據或者降低系統誤差，將數據盡可能還原到接近真實值。a)、處理模型選擇根據不同的采集時段、不同的區域或者數據，選擇有效合理的 數據處理模型
b)、粗差剔除剔除錯誤數據，降低數據誤差。C)、數據校驗根據選定的數據處理模型，檢驗數據的合理性，真實性，并將校驗 之后的數據保存到數據庫。d)、數據管理對數據進行管理，包括數據增加、刪除、修改、格式轉換等。e)、數據計算根據傳感器提供的計算公式，計算水位變化結果和分層標沉降量。、數據分析模塊
數據分析模塊主要為地面沉降分析研究提供服務。數據分析包括曲線生成、曲線保存 和打印，并對分析變化趨勢，對異常數據提示和提醒，以引起用戶注意。a)、曲線分析曲線分析包括單個傳感器數據歷時曲線，多個傳感器數據同一時 刻曲線，綜合分析曲線等
b)、系統提醒(1)數據異常提醒；(2)曲線變化趨勢異常提醒；(3)累計變化報警；
c)、數據統計分析對用戶選擇的時間段內的數據進行分析，體現其中最值出現的時 間以及變幅度，從而使用戶能更好更直觀的了解數據總體的變化情況。d)、觀測成果批量計算對數據庫中的數據進行批量的重算。這樣可以再局部修 改數據后進行數據的平差計算和粗差剔出。
、數據輸出模塊
系統管理模塊負責系統的權限和數據管理。權限管理主要有增加新用戶、刪除用戶， 更改用戶密碼；數據管理主要有數據查詢，數據維護，數據保存、數據庫壓縮。a)、輸出設定設定輸出的類型，格式，內容等，也可以根據用戶條件輸出。b)、生成報表根據設定輸出到特定格式的報表文件，并保存。c)、報表打印報表打印輸出。五、系統的主要優點 1、采集模式
為了能更好的、更全面的對地面沉降監測站的數據進行分析比較，本系統采用了無人 值守的實時采集模式。即所有的數據采集流程包括數據定時采集、數據采集故障排除、采集 數據粗差剔除、采集數據計算處理、采集數據存儲都是由系統軟件完成。在設定了相應采集 頻率的基礎上完全實現了無需人為干預的實時采集系統。CR1000核心程序的上傳和下載， 隨時調整采集內容和監測頻率。2、通訊本系統采用了 CDMA無線通訊方式。現有的地面沉降監測系統采用的是撥號連接的方式，而相比撥號連接的方式，CDMA無線通訊速度更加快，并且穩定性更高，CDMA無線通訊模 塊都具有斷點序傳功能，因此更加符合實時采集的需要。老系統的通訊方式對于人工采集 數據尚可以較好完成，而對于實時的采集模式撥號上網無論從穩定性、速度流量、費用、方 便性上都無法與網絡形式的通訊相比。3G技術的出現和發展，我院及時升級設備和軟件，直 接采用3G技術進行數據傳輸，大大提高了傳輸效率，也降低了數據丟失的風險。3、數據的表達
本系統將增加了地面沉降監測站點位平面圖查詢、異常數據報警等功能。從數據的表 達形式上豐富了不少。4、安全
本系統對用戶權限進行了規劃和管理，不同等級的用戶類型操作的功能有不同的限 制，不會產生非技術人員誤操作的現象。系統采用了 SQLServer作為系統數據庫，容量大， 數據安全性高，并且由于是非獨占的數據庫，可以邊存儲邊查看，不影響功能操作。
權利要求
一種地面沉降監測系統，包括用設置于分層標及水位井中的多個傳感器、被編程的數據采集單元及數據采集處理服務器，所述傳感器和數據采集單元組成星形拓撲結構，所述數據采集處理服務器與所述數據采集單元建立有連接，其特征在于所述數據采集單元連接有CDMA模塊，該CDMA模塊通過CDMA網絡連接有固定IP服務器，所述固定IP服務器通過局域網連接有所述數據采集處理服務器的通訊端口，所述傳感器存儲有對應于放置區域的唯一編碼，所述數據采集處理服務器內設置有一項目表，用于記錄、設置于所述傳感器編碼對應的編號信息。
2.根據權利要求1所述的一種地面沉降監測系統，其特征在于所述數據采集單元通過 衛星傳輸系統與所述數據采集處理服務器建立連接。
3.根據權利要求1所述的一種地面沉降監測系統，其特征在于所述數據采集處理服務 器通過互聯網或局域網將數據信息傳輸至數據庫服務器中，所述數據庫服務器用于提供與 之相連的計算機用戶以數據信息。
4.根據權利要求3所述的一種地面沉降監測系統，其特征在于所述數據采集處理服 務器內設置有實時采集單元，該實時采集單元用于控制所述數據采集處理服務器與數據采 集單元之間的通訊網絡，及將數據采集單元所采集的原始數據保存至數據采集處理服務器 內。
5.根據權利要求3所述的一種地面沉降監測系統，其特征在于所述數據采集處理服務 器內包括有系統管理模塊，用于記錄、管理所述用戶的用戶名及對應于所述用戶名的登錄 密碼的信息，及提供所述用戶數據查詢的服務。
6.根據權利要求3所述的一種地面沉降監測系統，其特征在于所述數據采集處理服務 器內包括有數據處理模塊，其內設置有多個可選的數據處理模型，并根據一被選數據處理 模型對原始數據進行處理、計算。
7.根據權利要求6所述的一種地面沉降監測系統，其特征在于所述數據處理模塊剔除 原始數據中的錯誤數據。
8.根據權利要求6所述的一種地面沉降監測系統，其特征在于所述數據處理模塊根據 被選數據處理模型，校驗原始數據的合理性和真實性，并將校驗之后的數據保存至數據庫 服務器中。
9.根據權利要求3所述的一種地面沉降監測系統，其特征在于所述數據采集處理服務 器內包括有數據分析模塊，用于將所述原始數據生成曲線圖。
10.根據權利要求9所述的一種地面沉降監測系統，其特征在于所述生成的曲線圖包 括單個傳感器數據歷時曲線圖、多個傳感器數據歷時曲線圖、多個傳感器數據同一時刻曲 線圖和綜合分析曲線圖。
全文摘要
本發明涉及地質狀況監測技術領域，具體涉及一種地面沉降監測系統，包括用設置于分層標及水位井中的多個傳感器、被編程的數據采集單元及數據采集處理服務器，所述傳感器和數據采集單元組成星形拓撲結構，所述數據采集處理服務器與所述數據采集單元建立有連接，其特征在于所述數據采集單元連接有CDMA模塊，該CDMA模塊通過CDMA網絡連接有固定IP服務器，所述固定IP服務器通過局域網連接有所述數據采集處理服務器的通訊端口，所述傳感器存儲有對應于放置區域的唯一編碼，所述數據采集處理服務器內設置有一項目表，用于記錄、設置于所述傳感器編碼對應的編號信息。本發明的優點是實時、高效取得精確的地面沉降監測數據，彌補人工監測周期長、數據少的不足。
文檔編號H04W84/18GK101813478SQ201010154059
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者唐繼民, 許準, 郭陳 申請人:上海市地質調查研究院