一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113744503A(43)申请公布日2021.12.03(21)申请号202111008923.8(22)申请日2021.08.31(71)申请人南京大学地址210023江苏省南京市栖霞区仙林大道163号(72)发明人张巍马佳骏辛韫潇朱雨辰许文涛马建朱鸿鹄(74)专利代理机构南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)32249代理人陈建和(51)Int.Cl.G08B21/10(2006.01)G01B7/16(2006.01)E02D1/08(2006.01)G06N20/00(2019.01)权利要求书2页说明书5页附图5页(54)发明名称一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统及方法(57)摘要本发明公开了一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统及方法，所述系统包括聚合物测管、柔性导电膜、信号处理模块、多源数据融合和预警预报模块；所述聚合物测管通过水平定向钻进方式铺设在岩溶土洞临界深度以下，表面布设有多道柔性导电膜及其两侧金属电极；所述金属电极通过导线连接至信号处理模块；所述信号处理模块获取测管上各柔性导电膜的电阻信号并计算测管弯曲与剪切变形，通过多源数据融合模块中多元泰勒级数展开卡尔曼滤波算法估算测管周围土体变形场分布与土洞边界，通过预警预报模块中贝叶斯优化随机森林卡尔曼滤波算法预报土洞深度与边界发育速率，当预报土洞发育深度抵达土洞临界深度时，触发岩溶地面塌陷预警信号。CN113744503ACN113744503A权利要求书1/2页1.一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统，其特征在于，包括聚合物测管、柔性导电膜、信号处理模块、多源数据融合模块和预警预报模块；所述聚合物测管通过水平定向钻进方式铺设在土洞的临界深度以下；所述聚合物测管表面布设有若干道导电膜，每道导电膜两侧布设有金属电极，所述金属电极通过导线连接至信号处理模块；所述信号处理模块获取测管上各柔性导电膜的电阻信号并计算测管弯曲与剪切变形，通过所述多源数据融合模块中多元泰勒级数展开卡尔曼滤波算法估算测管周围土体变形与土洞边界，通过所述预警预报模块中贝叶斯优化随机森林卡尔曼滤波算法预报土洞深度与边界发育速率，当预报土洞发育深度抵达土洞临界深度附近或者土洞边界发育至控制位置时，触发岩溶地面塌陷预警信号。2.根据权利要求1所述的一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统，其特征在于，所述每段聚合物测管设置多个监测断面，每个监测断面布置至少两组柔性导电膜及其两端金属电极，其中包括一组涂覆于测管底部，与地面平行，另一组涂覆于测管侧面，与地面垂直。3.根据权利要求1所述的一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统，其特征在于，所述柔性导电膜采用以有机高分子聚合物作为粘合剂，由粉末状导电材料、助剂混制而成；所述粉末状导电材料为碳粉或金属粉：所述粘合剂为硅酸盐胶凝材料或弹性聚酯类有机高分子聚合物；每段柔性导电膜长度大于30mm，宽度大于10mm。4.根据权利要求1所述的一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统，其特征在于，所述信号处理模块包括放大器芯片、微控制器、信号调理模组、内存与温度补偿芯片；所述放大器芯片与信号调理模组用于测量柔性导电膜的电阻值，所述微控制器用于运行多源数据融合与预警预报模块，所述内存用于存储传感器标定数据与边缘机器学习算法，所述温度补偿芯片用于测量测管周围环境温度，并对柔性导电膜电阻测量值进行温度补偿；所述信号处理模块采用微型低功耗结构，每个信号处理模块与若干道导电膜连接，经防水封装后逐一安装在每段测管内部，通过布置在测管内部的线缆供电，同时实现485总线通讯。5.根据权利要求4所述的一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统，其特征在于，所述内存中存储有柔性导电膜“电阻变化率‑应变”标定数据，所述微控制器可根据电阻测量值实时计算柔性导电膜应变量，并根据测管表面不同位置柔性导电膜组群应变数据，估算测管应变场与临空面弯曲、剪切应变值；所述内存中还存储有测管的“管‑土协调变形”标定数据，所述多源数据融合模块根据测管整体应变场分布数据估算测管周围土体变形场分布。6.根据权利要求1所述的一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统，其特征在于，所述聚合物测管包括若干段通过刚性连接的PVC材料测管，每段测管长度大于1.5m，公称直径大于50mm。7.一种采用权利要求1‑6中任一项所述的岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统的预警预报方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、根据实际要求，在聚合物测管设置若干个监测断面，并在测管外壁涂覆若干道导电膜，通过电极与导线将每道导电膜与信号处理模块连接；步骤S2、在需要监测的地层附近，采用水平定向钻拖管施工铺