本技術(shù)涉及一種基于多源數(shù)據(jù)融合的弱電管線沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于建筑工程安全監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

1、在弱電管線進(jìn)樓段的應(yīng)用場(chǎng)景中，常因地基沉降導(dǎo)致光纜所承受的機(jī)械應(yīng)力超過(guò)限度從而發(fā)生斷裂。因此，需要需要對(duì)管線沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。

2、傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，如水準(zhǔn)儀、全站儀等，需要依賴(lài)人工操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候24小時(shí)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效率較為低下。僅采用光纖傳感監(jiān)測(cè)方式時(shí)，常規(guī)的光纖光柵系統(tǒng)僅能支持有限數(shù)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，難以滿足超長(zhǎng)管線對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的需求。而運(yùn)用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)手段，以insar技術(shù)為例，雖然能夠獲取大范圍的形變數(shù)據(jù)，但由于缺乏地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，導(dǎo)致誤報(bào)率較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供一種用于建筑工程的地基沉降監(jiān)測(cè)裝置,旨在解決現(xiàn)有沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)單一、精度不足、響應(yīng)滯后的問(wèn)題。

2、第一方面，本技術(shù)實(shí)施例提供一種基于多源數(shù)據(jù)融合的弱電管線沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：

3、地面?zhèn)鞲衅麝嚵?，包括多個(gè)光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀、應(yīng)變傳感光纜與多個(gè)mems三軸加速度計(jì)，依次用于采集水平位移、形變應(yīng)力和垂直沉降量；

4、衛(wèi)星遙感模塊，包括合成孔徑雷達(dá)模塊和gnss模塊，依次用于獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表形變數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)；

5、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，用于對(duì)所述地面?zhèn)鞲衅麝嚵胁杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，并采用多源數(shù)據(jù)融合算法將提取的特征與所述衛(wèi)星遙感模塊獲取的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合，并基于融合結(jié)果進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)和預(yù)警；

6、其中，所述地面?zhèn)鞲衅麝嚵醒厝蹼姽芫€進(jìn)樓口呈三維網(wǎng)格狀分布，垂直方向分層埋設(shè)于地表以下多個(gè)不同深度，水平方向以管線進(jìn)樓口為中心，向外輻射布置于設(shè)定范圍內(nèi)，每間隔設(shè)定距離設(shè)置一組傳感器節(jié)點(diǎn)；

7、所述合成孔徑雷達(dá)模塊周期性獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表形變數(shù)據(jù)，并通過(guò)差分干涉測(cè)量技術(shù)生成沉降速率圖；所述gnss模塊實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的高程數(shù)據(jù)；

8、所述數(shù)據(jù)分析平臺(tái)包括邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、云端服務(wù)器和預(yù)警終端，所述邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，搭載輕量化lstm模型，實(shí)時(shí)處理所述地面?zhèn)鞲衅麝嚵胁杉臄?shù)據(jù)并提取沉降特征；所述云端服務(wù)器獲取衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建時(shí)空統(tǒng)一坐標(biāo)系，并采用加權(quán)卡爾曼濾波算法進(jìn)行多源數(shù)據(jù)擬合，以生成綜合沉降風(fēng)險(xiǎn)圖譜；所述預(yù)警終端存儲(chǔ)有不同管線材質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)閾值，當(dāng)基于綜合沉降風(fēng)險(xiǎn)圖譜和風(fēng)險(xiǎn)閾值確定沉降量滿足設(shè)定預(yù)警條件時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警并向運(yùn)維人員發(fā)送預(yù)警區(qū)域的定位信息。

9、基于以上的系統(tǒng)，可選地，所述光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀采用溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，內(nèi)置pt-100鉑電阻，通過(guò)雙參量解調(diào)算法消除環(huán)境溫度對(duì)沉降測(cè)量的干擾。

10、基于以上的系統(tǒng)，可選地，所述地面?zhèn)鞲衅麝嚵械陌惭b結(jié)構(gòu)包括：

11、所述光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀與所述應(yīng)變傳感光纜采用棘刺式沉降管安裝，沉降管管體外側(cè)設(shè)倒鉤結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)與土壤的耦合性；每根沉降管長(zhǎng)度1.5米，通過(guò)法蘭盤(pán)連接形成連續(xù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；管體內(nèi)嵌光纖光柵傳感器串，每間隔0.3米設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，覆蓋全深度形變監(jiān)測(cè)；

12、所述mems三軸加速度計(jì)模塊沿管線軸向按預(yù)設(shè)間距布設(shè)多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包含密封防護(hù)的mems三軸加速度計(jì)、溫度補(bǔ)償單元及無(wú)線傳輸模塊；所述加速度計(jì)垂直固定于管線上方。

13、基于以上的系統(tǒng)，可選地，所述合成孔徑雷達(dá)模塊的監(jiān)測(cè)周期為7天；所述數(shù)據(jù)分析平臺(tái)更新綜合沉降圖譜后，自動(dòng)與歷史綜合沉降圖譜進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別異常形變區(qū)域并標(biāo)記為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

14、基于以上的系統(tǒng)，可選地，所述衛(wèi)星遙感模塊中，所述gnss模塊在監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)，布設(shè)至少一個(gè)基準(zhǔn)站與多個(gè)監(jiān)測(cè)站構(gòu)成觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，各站點(diǎn)配備多頻gnss接收機(jī)及抗多路徑天線；監(jiān)測(cè)站延弱電管線進(jìn)樓方向網(wǎng)狀布置。

15、基于以上的系統(tǒng)，可選地，所述數(shù)據(jù)分析平臺(tái)集成bim模型，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與建筑結(jié)構(gòu)模型疊加顯示，并支持三維可視化沉降趨勢(shì)模擬及管線應(yīng)力仿真分析。

16、基于以上的系統(tǒng)，可選地，所述云端服務(wù)器構(gòu)建時(shí)空統(tǒng)一坐標(biāo)系，建立wgs84坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模型：

17、

18、式中，為旋轉(zhuǎn)矩陣，通過(guò)3個(gè)gnss基準(zhǔn)站的基線向量解算得到，t為平移向量，通過(guò)地面控制點(diǎn)測(cè)量確定；

19、、和為地方坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，、和為wgs84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。

20、基于以上的系統(tǒng)，可選地，所述多源數(shù)據(jù)融合算法包括：

21、（1）構(gòu)建狀態(tài)方程

22、

23、式中，表示狀態(tài)向量，用于描述系統(tǒng)在時(shí)刻的狀態(tài)，是垂直沉降量，單位為mm；是管線軸向應(yīng)變，單位為；是垂向加速度，單位為g；是衛(wèi)星反演沉降速率，單位為mm/月；

24、

25、式中，表示觀測(cè)向量，表征傳感器實(shí)測(cè)的原始信號(hào)，需通過(guò)轉(zhuǎn)換與狀態(tài)向量關(guān)聯(lián)，是光纖波長(zhǎng)偏移量，單位為pm；是應(yīng)變光纜相位差，單位為rad；是mems三軸加速度計(jì)垂向分量二階導(dǎo)，單位；是insar干涉相位，單位為rad；

26、（2）權(quán)重自適應(yīng)分配

27、計(jì)算衛(wèi)星數(shù)據(jù)置信度：

28、

29、式中，是衛(wèi)星測(cè)量誤差，典型值1.2mm；

30、是地面?zhèn)鞲衅骶C合誤差，光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀為0.05mm，mems三軸加速度計(jì)為0.1mm；

31、是衛(wèi)星數(shù)據(jù)權(quán)重，信噪比＞15db時(shí)取上限；

32、是傳感器權(quán)重，當(dāng)溫度梯度時(shí)，強(qiáng)制；

33、（2）加權(quán)卡爾曼濾波迭代：

34、預(yù)測(cè)階段，按照以下公式計(jì)算：

35、

36、

37、式中，表示第時(shí)刻的預(yù)測(cè)狀態(tài)向量；表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；表示第時(shí)刻的預(yù)測(cè)狀態(tài)向量；表示控制輸入矩陣；表示外部控制向量；表示第時(shí)刻預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣；表示第時(shí)刻的誤差協(xié)方差矩陣；表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣；表示過(guò)程噪聲矩陣，根據(jù)管線埋深動(dòng)態(tài)調(diào)整；

38、更新階段，按照以下公式計(jì)算：

39、

40、

41、

42、式中，表示第時(shí)刻的卡爾曼增益矩陣；表示觀測(cè)矩陣，包含傳感器與衛(wèi)星的幾何關(guān)系參數(shù)；表示觀測(cè)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣；表示衛(wèi)星數(shù)據(jù)權(quán)重；表示地面?zhèn)鞲衅鳈?quán)重，=1-；表示衛(wèi)星觀測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣；表示地面?zhèn)鞲衅饔^測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣；表示第時(shí)刻更新后的狀態(tài)向量；表示第時(shí)刻的觀測(cè)向量；表示預(yù)測(cè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值，與實(shí)測(cè)值的差值為更新依據(jù)；表示第時(shí)刻更新后的誤差協(xié)方差矩陣；i表示單位矩陣。

43、基于以上的系統(tǒng)，可選地，風(fēng)險(xiǎn)閾值的計(jì)算公式為：

44、

45、式中，是基礎(chǔ)閾值，pvc管為2.5mm/月，鋼管為3.5mm/月；=0.05/m，是埋深修正系數(shù)，d是埋深；是材質(zhì)系數(shù)，pvc管為0，鋼管為0.2。

46、本技術(shù)提供的基于多源數(shù)據(jù)融合的弱電管線沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下有益效果：

47、1.本技術(shù)采用傳感器布設(shè)垂直分層結(jié)合水平輻射的三維網(wǎng)格化布局，結(jié)合不同層深的同步監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)捕捉不同深度層土體的壓縮形變特征。應(yīng)變傳感光纜沿弱電管線走線緊密貼合，突破傳統(tǒng)的離散點(diǎn)式監(jiān)測(cè)局限，實(shí)現(xiàn)連續(xù)線狀應(yīng)力分布測(cè)量。提高監(jiān)測(cè)的全面性和準(zhǔn)確性。

48、2.本技術(shù)通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將地面?zhèn)鞲嘘嚵刑峁┑母呔葘?shí)時(shí)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感覆蓋的大范圍宏觀形變相融合，提升監(jiān)測(cè)的可靠性。

49、3.本技術(shù)設(shè)置預(yù)警機(jī)制，超過(guò)沉降風(fēng)險(xiǎn)閾值會(huì)提醒運(yùn)維人員，運(yùn)維人員接到報(bào)警信息，可進(jìn)行相應(yīng)處理（例如啟動(dòng)備用光纜路由），將管線沉降造成的影響降到最低。