一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法

本发明涉及铁路沿线的地质灾害监测预警领域，具体涉及一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法。

背景技术：

1、降水、土壤及地形等综合要素导致泥石流的发生与发展，铁路沿线可靠的泥石流监测预警有助于降低灾害损失、保障行车安全。现有泥石流监测方式大多通过传感器监测雨量等气象变量、次声或图像信号；预警方法通常基于监测结果采用经验统计或物理过程的泥石流预警模型来实现。然而，现有的监测手段仅为一种或几种传感器检测方式的简单组合，协同性不高；预警过程中也未能考虑列车的运动状态，导致铁路沿线泥石流灾害预警对行进中的列车适用性不高，这对于铁路沿线泥石流灾害的应急减灾与决策带来了困难。

2、具体的，现有技术中采用一种或几种传感器监测泥水位、雨量、气温、振动信号或图像信号，通过降水阈值、声音或图像识别判断泥石流的产生或即将产生，存在误报率高、可靠性低及时效性不一的问题；而采用多个或多种传感器简单组合的监测方式可增强监测结果的可靠性，但也还存在监测结果不一致、结果比对自动化程度低、监测要素不协同等问题。同时，单纯基于监测结果或采用流体运动学方法的预警方式无法准确实现提前预警时间随泥石流发展而动态变化。综上，现有的泥石流监测预警方法还难以有效的适用于铁路沿线使用，难以为行驶列车提供稳定且精确的泥石流预警。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法，以解决现有技术中铁路沿线的泥石流监测过程中，各传感器间的协同能力低、无法实现对铁路沿线泥石流灾害的多级预警等问题，实现对铁路沿线泥石流监测预警的准确性、降低误报率，同时实现分级预警的目的。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法，包括：

4、确定铁路沿线需要监测预警的泥石流沟；

5、采用动力学模型模拟需要监测预警的泥石流沟，得到基于模拟的第一预警时间、第二预警时间、第三预警时间；其中第一预警时间为泥石流从物源区到铁路沿线的时间，第二预警时间为泥石流从流通区到铁路沿线的时间，第三预警时间为泥石流从堆积区到铁路沿线的时间；

6、监测泥石流沟的物源区的降雨量数据、土壤湿度数据，监测泥石流沟的流通区的泥水位数据、次声振动数据，监测泥石流沟的堆积区的视频数据；

7、当物源区的降雨量数据和土壤湿度数据均超过设定阈值时，触发第一级预警，输出第一预警时间；

8、当第一级预警被触发，且流通区的泥水位数据和次声振动数据均监测到泥石流发生时，触发第二级预警，输出第二预警时间；

9、当第二级预警被触发，且堆积区的视频数据监测到泥石流发生时，触发第三级预警，输出第三预警时间。

10、针对现有技术中铁路沿线的泥石流监测时各传感器间的协同能力低、无法实现对铁路沿线泥石流危害的多级预警等问题，本发明提出一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法，本方法首先在铁路沿线的众多泥石流沟中，确定出哪些是需要进行监测预警的泥石流沟，该确定过程可依据不同泥石流沟发生泥石流的概率、与铁路轨道的相关程度或铁路轨道受损的风险程度等而定，其具体的确定方法在此不做限定。之后，对需要监测预警的泥石流沟建立动力学模型并进行模拟，进而得到各泥石流沟中，泥石流从物源区到铁路沿线、从流通区到铁路沿线，以及从堆积区到铁路沿线各自所需的时间，分别定义为第一预警时间、第二预警时间、第三预警时间。之后，对物源区的降雨量、土壤湿度进行监测，对流通区的泥水位、次声振动进行监测，对堆积区采集图像；并以这三个区域不同的监测结果实现逐级预警。

11、本技术通过监测物源区的降雨量数据、土壤湿度数据进行初级预警，其中对于降雨量和土壤湿度可在降低成本下实现大面积的监测，以得到广范围的观测结果，避免了单个或少量传感器监测导致代表性不强的缺陷；其中降雨量数据和土壤湿度数据的设定阈值，可根据当地泥石流数据与观测降水来确定。本技术通过监测流通区的泥水位数据、次声振动数据进行二级预警，这两种传感器都需要泥石流流过时才能有效发挥功能，将其设置在泥石流的流通区有利于充分发挥其功能。此外，监测堆积区的图像可作为泥石流发生的最终验证，在不考虑成本的前提下，也可在泥石流沟的其余区域也监测视频数据，进而实现与其它类型传感器之间的相互验证。

12、可以看出，本技术通过在泥石流沟的不同区域有针对性的设置不同类型的传感器、对不同的信号/数据进行监测，实现了不同监测要素之间的协同联动、实现了对泥石流从发生到发展的全过程的有效监测，提高了监测结果可靠性，进而提高了对铁路沿线的预警可靠性。由于本技术采用了多种传感器监测数据协同校验，因此能更加准确的验证泥石流发生的真实性，降低单一传感器监测带来的误报率。此外，本技术基于不同监测区域和监测要素之间的协同监测，实现了对铁路沿线泥石流危害的三级预警，三级预警强度逐渐升高，有利于铁路管理部门更加科学合理的对正在铁路线上行驶的列车进行动态的调度与管理、指挥线上列车高效实现应急减灾，实现对线上列车的精准化预警效果。

13、进一步的，确定铁路沿线需要监测预警的泥石流沟的方法包括：

14、搜集铁路沿线各泥石流沟的危险度变量、易损度变量，做归一化处理；

15、计算各泥石流沟的危险度指数、易损度指数；

16、基于所述危险度指数、易损度指数，计算各泥石流沟的风险度指数；

17、基于风险度指数对各泥石流沟进行风险评价，确定铁路沿线需要监测预警的泥石流沟。

18、本方案提出了一种确定铁路沿线需要监测预警的泥石流沟的方法，其中的危险度变量是指与泥石流对铁路沿线的危害程度相关的变量、易损度变量是指与铁路道床和轨道受泥石流作用下受损程度相关的变量。

19、本方案分别对归一化后的危险度变量、易损度变量计算危险度指数、易损度指数，然后得到各泥石流沟的风险度指数，进行风险评价，根据风险评价的结果，即可筛选出泥石流发生风险较大的泥石流沟作为需要监测预警的泥石流沟。

20、进一步的，所述危险度变量包括以下任意一种或多种变量：泥石流发生频率、一次泥石流最大冲出规模、流域面积、主沟长度、流域相对高差、流城切割密度、主沟平均比降、松散固体物质储量、主沟床弯曲系数、泥砂补给段长度比；

21、危险度变量的归一化方法为：

22、hi，j＝(hi，j-min(hi，j))÷(max(hi，j)-min(hi，j))；

23、式中：hi，j为第i条泥石流沟的第j个危险度变量归一化后的值；hi，j为第i条泥石流沟的第j个危险度变量；max(hi，j)为所有泥石流沟的第j个危险度变量中的最大值；min(hi，j)为所有泥石流沟的第j个危险度变量中的最小值。

24、进一步的，所述易损度变量包括以下任意一种或多种变量：铁路线与沟道角度、线路与沟道距离、铁路等级、桥梁类型、泥石流规模、泥石流危害类型；

25、所述铁路线与沟道角度、线路与沟道距离的归一化公式为：

26、vi，j＝(max(vi，j)-min(vi，j))÷(vi，j-min(vi，j))；

27、式中：vi，j为第i条泥石流沟的第j个易损度变量归一化后的值；vi，j为第i条泥石流沟的第j个易损度变量；max(vi，j)为所有泥石流沟的第j个易损度变量中的最大值；min(vi，j)为所有泥石流沟的第j个易损度变量中的最小值；

28、所述泥石流规模的归一化公式为：

29、vi，j＝(vi，j-min(vi，j))÷(max(vi，j)-min(vi，j))；

30、式中：vi，j为第i条泥石流沟的第j个易损度变量归一化后的值；vi，j为第i条泥石流沟的第j个易损度变量；max(vi，j)为所有泥石流沟的第j个易损度变量中的最大值；min(vi，j)为所有泥石流沟的第j个易损度变量中的最小值；

31、所述铁路等级、桥梁类型、泥石流危害类型通过分级赋值方式进行归一化处理。

32、本方案中对于不同类型的易损度变量有针对性的限定了不同的归一化方法，以保证对易损度指数的稳定计算，避免计算易损度指数过程中出现故障报错等现象。

33、进一步的，计算危险度指数的公式为：

34、

35、式中：h(i)为第i条泥石流沟的危险度指数；hi，j为第i条泥石流沟的第j个危险度变量归一化后的值；wj为第j个危险度变量的危险度权重；

36、计算易损度指数的公式为：

37、

38、式中：v(i)为第i条泥石流沟的易损度指数；vi，j为第i条泥石流沟的第j个易损度变量归一化后的值；wj为第j个易损度变量的易损度权重；

39、计算风险度指数的公式为：

40、r(i)＝h(i)×v(i)；

41、式中：r(i)为第i条泥石流沟的风险度指数。

42、其中，危险度权重、易损度权重可采用任意现有权重获取方式获取，在此不做限定。

43、进一步的，所述得到第一预警时间、第二预警时间、第三预警时间的方法包括：

44、获取泥石流沟的基础参数；所述基础参数包括泥石流流量；

45、基于bingham模型建立各泥石流沟的流变模型、并设定边界条件；

46、仿真模拟，得到泥石流流速；

47、计算泥石流从物源区到铁路沿线的平均流速s1、泥石流从流通区到铁路沿线的平均流速s2、泥石流从堆积区到铁路沿线的平均流速s3；

48、计算：t1＝l1/s1；t2＝l2/s2；t3＝l3/s3；

49、其中，t1、t2、t3分别为第一预警时间、第二预警时间、第三预警时间；l1、l2、l3分别为物源区到铁路沿线的距离、流通区到铁路沿线的距离、流堆积区到铁路沿线的距离。

50、本方案通过建立动力学模型，仿真模拟得到泥石流在沟内的流速，该流速在不同位置为变量，因此对不同区域内的流速求均值以得到所需的平均流速s1、s2、s3，之后即可计算出三级预警分别所对应的预警时间。其中，泥石流沟流变模型的边界条件可根据现有技术设置，也可在具体实施本技术时根据具体的地质工况条件设置，在此不做限定。

51、进一步的，在触发第二级预警时，还对所述流变模型进行一级修正，修正方法包括：

52、基于仿真模拟结果计算泥石流从物源区到流通区的预估平均流速s4；

53、基于监测结果计算泥石流从物源区到流通区的实测平均流速s6，s6＝(l1-l2)/δt1；其中δt1为触发第一级预警和触发第二级预警的时间间隔；

54、计算s6与s4的相对误差a：a＝(s6-s4)/s6：

55、若|a|≤m％，则保持所述流变模型不变；

56、若|a|＞m％，修正所述基础参数中的泥石流流量，重新仿真模拟、重新得到泥石流流速并计算预估平均流速s4，直至|a|≤m％；

57、基于一级修正后的流变模型更新第一预警时间、第二预警时间、第三预警时间；其中m为相对误差的阈值。

58、本方案根据泥石流从物源区流动到流通区时的实际流速，对当前泥石流沟所建立的流变模型进行修正，当实测平均流速s6与模型预估的平均流速s4的相对误差超过m％，则调整建模时所采用的泥石流流量参数，直至s6与s4的相对误差在m％以内。

59、此过程中对泥石流流量的具体修正方法包括：

60、若a＞m％，则以步长k1对泥石流流量进行迭代修正、重新仿真模拟并计算s4，直至|a|≤m％，其中k1＞0；若迭代过程中出现a<-m％，则判断最近两次迭代得到的a的正负符号：

61、若最近两次迭代得到的a的正负符号相同，则取k1＝k1/2，继续迭代；

62、若最近两次迭代得到的a的正负符号相反，则取k1＝-k1/2，继续迭代；

63、若a<-m％，则以步长k2对泥石流流量进行迭代修正、重新仿真模拟并计算s4，直至|a|≤m％，其中k2＜0；若迭代过程中出现a＞m％，则判断最近两次迭代得到的a的正负符号：若最近两次迭代得到的a的正负符号相同，则取k2＝k2/2，继续迭代；若最近两次迭代得到的a的正负符号相反，则取k2＝-k2/2，继续迭代。

64、进一步的，在触发第三级预警时，还对所述流变模型进行二级修正，修正方法包括：

65、基于仿真模拟结果计算泥石流从流通区到堆积区的预估平均流速s5；

66、基于监测结果计算泥石流从流通区到堆积区的实测平均流速s7，s7＝(l2-l3)/δt2；其中δt2为触发第二级预警和触发第三级预警的时间间隔；

67、计算s7与s5的相对误差b：b＝(s7-s5)/s7：

68、若|b|≤m％，则保持所述流变模型不变；

69、若|b|＞m％，修正所述基础参数中的泥石流流量，重新仿真模拟、重新得到泥石流流速并计算预估平均流速s5，直至|b|≤m％。

70、基于二级修正后的流变模型更新第一预警时间、第二预警时间、第三预警时间；其中m为相对误差的阈值。

71、本方案根据泥石流从流通区流动到堆积区时的实际流速，对当前泥石流沟所建立的流变模型进行修正，当实测平均流速s7与模型预估的平均流速s5的相对误差超过m％，则调整建模时所采用的泥石流流量参数，直至s7与s5的相对误差在m％以内。

72、此过程中对泥石流流量的具体修正方法包括：

73、若|b|＞m％时，修正所述基础参数中的泥石流流量的方法包括：

74、若b＞m％，则以步长k3对泥石流流量进行迭代修正、重新仿真模拟并计算s5，直至|b|≤m％，其中k3＞0；若迭代过程中出现b<-m％，则判断最近两次迭代得到的b的正负符号：若最近两次迭代得到的b的正负符号相同，则取k3＝k3/2，继续迭代；若最近两次迭代得到的b的正负符号相反，则取k3＝-k3/2，继续迭代；

75、若b<-m％，则以步长k4对泥石流流量进行迭代修正、重新仿真模拟并计算s5，直至|b|≤m％，其中k4＜0；若迭代过程中出现b＞m％，则判断最近两次迭代得到的b的正负符号：若最近两次迭代得到的b的正负符号相同，则取k4＝k4/2，继续迭代；若最近两次迭代得到的b的正负符号相反，则取k4＝-k4/2，继续迭代。

76、可以看出，本技术实现了对铁路沿线泥石流预警模型的动态修正，在泥石流发生后通过对模型的动态修正，可以根据现场实际工况对第一预警时间、第二预警时间、第三预警时间进行更新，进而实现对铁路沿线泥石流预警时间的动态调节，使得所提供的预警时间更为精准，更加提高了铁路沿线泥石流监测预警的适用性。

77、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

78、1、本发明一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法，在泥石流沟的不同区域有针对性的设置不同类型的传感器、对不同的信号/数据进行监测，实现了不同监测要素之间的协同联动、实现了对泥石流从发生到发展的全过程的有效监测，提高了监测结果可靠性，进而提高了对铁路沿线的预警可靠性。

79、2、本发明一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法，采用了多种传感器监测数据协同校验，因此能更加准确的验证泥石流发生的真实性，降低单一传感器监测带来的误报率。

80、3、本发明一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法，基于不同监测区域和监测要素之间的协同监测，实现了对铁路沿线泥石流危害的三级预警，三级预警强度逐渐升高，有利于铁路管理部门更加科学合理的对正在铁路线上行驶的列车进行动态的调度与管理、指挥线上列车高效实现应急减灾，实现对线上列车的精准化预警效果。

81、4、本发明一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法，提出了用于本技术的确定铁路沿线需要监测预警的泥石流沟的方法。

82、5、本发明一种基于流体特征和协同监测的铁路泥石流预警方法，实现了对铁路沿线泥石流预警模型的动态修正，进而实现对铁路沿线泥石流预警时间的动态调节，使得所提供的预警时间更为精准，更加提高了铁路沿线泥石流监测预警的适用性。