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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 山體滑坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 滑坡是全世界常見(jiàn)的自然地質(zhì)災(zāi)害。針對(duì)實(shí)際需求,在滑坡體自動(dòng)監(jiān)測(cè)、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸、險(xiǎn)情預(yù)報(bào)等方面展開(kāi)了深入研究。在繼承前人研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作了“山體滑坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”。為了能夠掌握滑坡孕育過(guò)程，全方位捕捉滑坡信息，同時(shí)傳感器應(yīng)具有精度高、反應(yīng)快速高效、可廣泛應(yīng)用等特點(diǎn)，從監(jiān)測(cè)滑坡原始信息著手，把“設(shè)計(jì)制作具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傾角、地聲、土壤含水量傳感器”作為研究本課題的重點(diǎn)。
- 詳細(xì)介紹：
- 山體滑坡是常見(jiàn)自然地質(zhì)災(zāi)害,給國(guó)家建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)山體狀態(tài)，并發(fā)布滑坡預(yù)警信息對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。 本作品是從滑坡產(chǎn)生的物理過(guò)程著手，在繼承前人研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作專門用于獲取滑坡體變化過(guò)程物理信息的傾角、滑坡運(yùn)動(dòng)地聲和土壤含水量三種傳感器： 傾角傳感器： 使用MMA7361芯片配合外圍電路設(shè)計(jì)制作的傾角傳感器對(duì)傾角變化十分敏感。水平放置時(shí)，傳感器輸出恒定，隨著傾角的增大，輸出電壓線性增長(zhǎng)，輸出信號(hào)經(jīng)放大后角度分辨力可達(dá)94mV/度。 地聲傳感器： 使用傳振棒連接駐極體提取地聲信號(hào)，并放大后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地聲信息。發(fā)生滑坡時(shí)產(chǎn)生的地聲波頻率在10Hz—150Hz范圍，但主要集中在30Hz—80Hz。 土壤含水量傳感器： 采用雙線圈系，通過(guò)測(cè)量土壤的感應(yīng)渦流在接受線圈上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，確定土壤的電導(dǎo)率，從而得到土壤的含水量大小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，接收線圈中的電壓信號(hào)隨著土壤含水量的增大而減小，呈現(xiàn)線性關(guān)系。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化選擇600kHz的交流信號(hào)作為輸入信號(hào)，以獲取最高的靈敏度。 三種傳感器組合構(gòu)成監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并配套一個(gè)無(wú)線收發(fā)裝置和太陽(yáng)能供電裝置。在滑坡體內(nèi)布設(shè)多組節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)滑坡的孕育過(guò)程。 在鄰近的，1-2公里范圍內(nèi)的村莊、居民點(diǎn)、公路、鐵路、江河兩岸近處及其他可能受災(zāi)區(qū)域的預(yù)警點(diǎn)，設(shè)置信息分析處理和預(yù)警中心。采用基于Zigbee協(xié)議的CC2530無(wú)線通訊模塊組成無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，將傳感器在坡體獲取的監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)叫畔⒎治鎏幚砗皖A(yù)警中心，對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行整體分析處理，做出預(yù)警決策，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)山體滑坡的預(yù)警。 所有設(shè)備均采用太陽(yáng)能供電，無(wú)需立桿送電，節(jié)省人力和資源。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1. 原創(chuàng)設(shè)計(jì)三種專用傳感器獲取滑坡體變化過(guò)程的三種物理信息：傾角、地聲及土壤含水量，充分利用現(xiàn)代微電子、微機(jī)電和電磁學(xué)等新技術(shù)； 2. 利用現(xiàn)代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建坡體險(xiǎn)情信息監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，坡體不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的信息自動(dòng)匯總并綜合分析決策預(yù)警，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)預(yù)警； 3. 采用太陽(yáng)能電池供電，無(wú)需立桿送電，節(jié)省人力和資源。 4. 提出滑坡預(yù)報(bào)和早期治理研究的新觀念：從工程實(shí)際出發(fā)，注重生產(chǎn)、安裝、施工等技術(shù)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 本作品從工程實(shí)際出發(fā)，注重生產(chǎn)、安裝、施工等技術(shù)，設(shè)計(jì)制作山體滑坡險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)專用傳感器，并采用太陽(yáng)能供電和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，避免了山區(qū)立桿送電和拉線的難題，易于工程實(shí)現(xiàn)，且系統(tǒng)造價(jià)低，長(zhǎng)壽命，可無(wú)人值守，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警。 適應(yīng)范圍及推廣前景 作品設(shè)計(jì)充分考慮了山區(qū)的地形特點(diǎn)和資源條件，安裝簡(jiǎn)便，無(wú)需專業(yè)人員操作，且成本低，可廣泛布設(shè)并推廣應(yīng)用于山區(qū)的村莊、居民區(qū)、重要鐵路和公路等附近的山體，應(yīng)用前景廣闊。 市場(chǎng)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益 我國(guó)山地面積廣闊，地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)，本作品的研究成果對(duì)提高山體滑坡的早期預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)工作水平具有重要的社會(huì)效益意義。系統(tǒng)具有成本低、長(zhǎng)壽命、安裝簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，它的推廣應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益顯著。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：山體滑坡是常見(jiàn)自然地質(zhì)災(zāi)害,給國(guó)家建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)山體狀態(tài)，并發(fā)布滑坡預(yù)警信息對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。 設(shè)計(jì)思路：本作品從信息檢測(cè)著手，在繼承前人研究成果基礎(chǔ)上，選取坡體傾角、滑坡運(yùn)動(dòng)地聲和土壤含水量三種物理量，設(shè)計(jì)制作專門用于獲取滑坡體變化過(guò)程物理信息的三種傳感器，組合構(gòu)成監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，在一處坡體布設(shè)多組節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)滑坡的孕育過(guò)程。利用現(xiàn)代無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將傳感器在坡體獲取的監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)洁徑?-2公里范圍內(nèi)的村莊或可能受災(zāi)地區(qū)，再對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行整體分析處理，做出預(yù)警決策，實(shí)現(xiàn)山體滑坡預(yù)警。所有設(shè)備均采用太陽(yáng)能供電。 創(chuàng)新點(diǎn)：1. 原創(chuàng)設(shè)計(jì)三種專用傳感器獲取滑坡體變化過(guò)程的三種物理信息：傾角、地聲及土壤含水量，充分利用現(xiàn)代微電子、微機(jī)電和電磁學(xué)等新技術(shù)；2. 利用現(xiàn)代無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建坡體險(xiǎn)情信息監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，坡體不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取信息自動(dòng)匯總并綜合分析決策預(yù)警，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)預(yù)警；3. 太陽(yáng)能電池供電，無(wú)需立桿送電，節(jié)省人力和資源；4. 提出滑坡預(yù)報(bào)和早期治理研究的新觀念：從工程實(shí)際出發(fā)，注重生產(chǎn)、安裝、施工等技術(shù)。 技術(shù)關(guān)鍵：1.設(shè)計(jì)制作專用傳感器。注重工藝制造技術(shù)，保證長(zhǎng)壽命，低成本； 2.無(wú)線傳輸系統(tǒng)安裝工程質(zhì)量保證，數(shù)據(jù)處理預(yù)警顯示的現(xiàn)代技術(shù)。 技術(shù)指標(biāo)： 傳感器：傾角：0—25度，10mV/度；地聲頻率：15—150Hz；土壤含水量：40mV/mm 局域網(wǎng)：無(wú)線頻率：2.4G；波特率：38400bps無(wú)遮擋：800m
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 研究從山體滑坡孕育過(guò)程入手，觀測(cè)物理現(xiàn)象獲得原始信息，在研究觀念上科學(xué)地從滑坡源頭做起，由信息檢測(cè)深入，對(duì)滑坡關(guān)鍵信息進(jìn)行分析處理，并在前人研究成果的基礎(chǔ)上融合新的觀點(diǎn)，以微機(jī)械電子、信息、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)造性設(shè)計(jì)制作三種專用于山體滑坡監(jiān)測(cè)的傳感器： 傾角傳感器：測(cè)滑坡地段傾角的變化，由微機(jī)械電子模塊構(gòu)成，其電信號(hào)輸出大小即反映滑坡體傾角的變化。 地聲傳感器：測(cè)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的次聲波轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)處理可反映滑動(dòng)地段移動(dòng)傾斜時(shí)特有的聲音特性。 土壤含水量傳感器：測(cè)滑坡地段因雨水或地下水的浸入導(dǎo)致土壤中含水量的變化，泥土中含水量的多少表征了坡體下滑的難易程度。 這三種傳感器采用微機(jī)械電子模塊和電磁技術(shù)，構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)滑坡全方位監(jiān)測(cè)的專用傳感器。通過(guò)它們將滑坡孕育過(guò)程中的原始信息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化，對(duì)滑坡變化過(guò)程全面科學(xué)地剖析，了解其本質(zhì)狀態(tài)，最終做出科學(xué)準(zhǔn)確的判斷。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；現(xiàn)場(chǎng)演示；樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明： 三種傳感器構(gòu)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，選取可能發(fā)生滑坡的區(qū)域根據(jù)需要布設(shè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配套一個(gè)無(wú)線收發(fā)裝置和太陽(yáng)能供電裝置；在鄰近的，1-2公里范圍內(nèi)的村莊布置一套信息分析處理和預(yù)警中心。技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì): 本作品從工程實(shí)際出發(fā)，注重生產(chǎn)、安裝、施工等技術(shù)，設(shè)計(jì)制作山體滑坡險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)專用傳感器，并采用太陽(yáng)能供電和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，避免了山區(qū)立桿送電和拉線的難題，易于工程實(shí)現(xiàn)，且系統(tǒng)造價(jià)低，長(zhǎng)壽命，可無(wú)人值守，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警。 適應(yīng)范圍及推廣前景: 作品設(shè)計(jì)充分考慮了山區(qū)的地形特點(diǎn)和資源條件，安裝簡(jiǎn)便，無(wú)需專業(yè)人員操作，且成本低，可廣泛布設(shè)并推廣，應(yīng)用于山區(qū)的村莊、居民點(diǎn)、重要鐵路和公路等附近的山體，應(yīng)用前景廣闊。 市場(chǎng)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益: 我國(guó)山地面積廣闊，地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)，本作品的研究成果對(duì)提高山體滑坡的早期預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)工作水平具有重要的社會(huì)效益意義。系統(tǒng)具有成本低、長(zhǎng)壽命、安裝簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，它的推廣應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益顯著。
同類課題研究水平概述
- 山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究是科學(xué)界公認(rèn)的尖端課題，國(guó)家列為十二?五長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。形成因素具有復(fù)雜性與多樣性，因形成條件、誘發(fā)因素具有隨機(jī)性和非穩(wěn)定性[1]。國(guó)內(nèi)外滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究，分滑坡災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究和監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。 一、滑坡災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究 二戰(zhàn)以后，人們才廣泛開(kāi)始對(duì)滑坡進(jìn)行專門、系統(tǒng)的研究，國(guó)內(nèi)外滑坡預(yù)報(bào)研究的發(fā)展，分為三個(gè)階段： 1.采用經(jīng)驗(yàn)-統(tǒng)計(jì)學(xué)方法預(yù)報(bào)階段（20世紀(jì)80年代之前） 2.預(yù)測(cè)滑坡學(xué)形成階段（20世紀(jì)80年代） 3.現(xiàn)代科技全新預(yù)報(bào)階段（20世紀(jì)90年代以后）[2] 通常采用的方法有兩類：空間預(yù)測(cè)和時(shí)間預(yù)測(cè)?？臻g預(yù)測(cè)從傳統(tǒng)安全系數(shù)法到現(xiàn)在模糊理論綜合評(píng)判法, 時(shí)間預(yù)報(bào)從齋滕法到現(xiàn)在人工智能理論的引入，但由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜、自然條件的變化以及人類工程活動(dòng)等因素的隨機(jī)性和不可控制性, 所以對(duì)滑坡做出準(zhǔn)確可靠的預(yù)報(bào)還是十分困難的。 二、滑坡災(zāi)害的監(jiān)測(cè)技術(shù)研究 滑坡監(jiān)測(cè)分變形監(jiān)測(cè),物理與化學(xué)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和誘發(fā)因素監(jiān)測(cè)三類。變形監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)坡體形變；物理與化學(xué)場(chǎng)監(jiān)測(cè)包括應(yīng)力監(jiān)測(cè)、地聲監(jiān)測(cè)、放射性元素測(cè)量等；誘發(fā)因素監(jiān)測(cè)用以監(jiān)測(cè)滑坡的主要誘發(fā)因素,包括氣象監(jiān)測(cè)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等[3]。 近年來(lái)監(jiān)測(cè)方法及儀器取得了長(zhǎng)足進(jìn)步, 現(xiàn)代物理, 特別是電子技術(shù)的成就, 已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、水文測(cè)量?jī)x器儀表中, 有多點(diǎn)位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)、雨量計(jì)及測(cè)斜儀等。20 世紀(jì)80 年代中期出現(xiàn)全站儀, 利用全站儀導(dǎo)線和電磁波測(cè)距三角高程方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。但上述方法都需要人到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè), 工作量大,很難實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守[4]。國(guó)內(nèi)滑坡監(jiān)測(cè)多為水文和地質(zhì)部門設(shè)長(zhǎng)期觀測(cè)站，普遍缺點(diǎn)是儀器貴重，需專人執(zhí)守，且連續(xù)觀測(cè)能力較差，需要定期實(shí)地采集數(shù)據(jù)和處理。 國(guó)內(nèi)外也有利用仿生傳感器[5]監(jiān)測(cè)技術(shù)以及融合了GPS全球定位、時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)TDR等新興技術(shù)的大范圍滑坡監(jiān)測(cè)。一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為光纖傳感器系統(tǒng)具有廣泛應(yīng)用前景，但現(xiàn)有技術(shù)還存在不足：傳感光纖對(duì)多種信號(hào)敏感，其中溫度與其待測(cè)量分量不易準(zhǔn)確分離；光纖傳感器封裝埋入地下技術(shù)等具體問(wèn)題還有待解決[6]。因此，雖然它覆蓋面積廣，但工程量大，不易普及實(shí)現(xiàn)。 參考文獻(xiàn)見(jiàn)論文文檔中的參考文獻(xiàn)。
