基于物联网的岩土工程安全监测预警系统

本发明涉及安全监测，具体为基于物联网的岩土工程安全监测预警系统。

背景技术：

1、岩土工程安全监测预警系统在确保结构安全、评估工程质量、延长使用寿命、防止地质灾害和环境保护等方面发挥着重要作用，这种系统通过实时监测地质环境的变化，来预防可能的灾难性后果，并保护人员和财产的安全，在申请号为202010597609.7发明专利中公开了“一种岩土工程安全监测预警系统，属于岩土工程安全监测技术领域，包括机敏带和与机敏带电连接用于采集机敏带上各信号监测点处电阻值的采集模块，采集模块电连接有用于对采集模块传输的数据进行分析处理的主控模块，主控模块无线连接有云服务器，云服务器无线连接有用户终端，采集模块对机敏带自动采集并将采集到的机敏带上各信号监测点处的电阻值发送至主控模块，主控模块对该数据与机敏带各信号监测点的基础电阻值进行比较，判断是否达到报警阈值，并将各数据上传云服务器进行存储，云服务器将数据发送至用户终端，使得用户能够从用户终端上查看铺设该机敏带的土体内部存在的安全隐患”。

2、上述现有技术解决了对道路路基在服役期可能发生的变形和沉降变形无法进行监测等问题，但是该系统在运行时，若岩土工程涉及隧道以及基坑施工时，无法对隧道中的通风量进行计算，不能够确保施工人员的安全，同时并不能构建出与工程相关的三维模型，操作人员无法直观的观察到施工建筑的状态，当发生异常情况时，该系统不能够及时发出提示。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于物联网的岩土工程安全监测预警系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于物联网的岩土工程安全监测预警系统，包括热量分析单元和基坑监测单元；

3、数据收集单元，所述数据收集单元将岩土工程中涉及的区域进行划分，得到多个子区域，并利用传感器对每个子区域隧道中的粉尘含量、一氧化碳含量、温度和湿度数据进行监测，将监测到的实时数据传输至数据采集设备中，获取该岩土工程每个子区域的地质条件数据、邻近建筑数据、隧道基础数据和基坑监测数据，将这些数据传输至存储设备中；

4、通风量确定单元，所述通风量确定单元确定当前隧道需风量、本次爆破需风量以及设备需风量后，取这些数据中的最大值作为该区域标准通风量，利用漏风系数以及通风距离对标准通风量进行修正，确定当前子区域的实际通风量；

5、模糊权重分析单元，所述模糊权重分析单元根据岩土工程施工中涉及的所有风险因素构建出多个对应的指标，明确每个风险指标在四个风险等级下对应的数值以及取值范围，将指标逐个进行比对后，得到相应的标度值，根据标度值推算出每个指标对应的初始模糊权重，利用可能度分析算法对指标的初始模糊权重进行计算，得到可能度，根据可能度构建出模糊系数矩阵，利用模糊系数矩阵以及指标总数确定出最终的模糊权重向量；

6、评估权重分析单元，所述评估权重分析单元利用指标对应的评分结果和不同风险等级下指标对应的评分结果构建出决策矩阵，对决策矩阵进行标准化处理后，根据标准化后的数值确定每个指标在同一风险等级中的所占比例，并使用熵值以及差异系数分析出最终的评估权重向量；

7、综合权重分析单元，所述综合权重分析单元确定权重分配系数后，利用权重分配系数、模糊权重向量以及评估权重向量计算得到综合权重向量；

8、预警提示单元，所述预警提示单元获取当前每个指标对应的数值以及范围值，计算出云模型中的期望值、熵值以及超熵值后，将这些数字特征值作为综合数字特征值传输至云发生器中，利用云发生器构建出风险等级云图，根据风险等级云图中综合风险云的位置判断各个指标对应的风险等级以及总体风险等级，获取每个指标对应的风险等级，根据风险等级执行相应的操作。

9、优选的，所述数据收集单元包括区域划分模块、含量检测模块和数据提取模块，所述区域划分模块将岩土工程中涉及的区域进行划分，得到多个子区域，并对每个子区域进行编号，所述含量检测模块利用粉尘传感器对每个子区域隧道中的粉尘含量进行监测，通过一氧化碳传感器对隧道中的一氧化碳含量进行监测，使用温湿度传感器对隧道中的温度和湿度数据进行监测，将监测到的实时数据传输至数据采集设备中，所述数据提取模块获取该岩土工程每个子区域对应的含水量、重度、孔隙比、黏聚力、内摩擦角、压缩模量和地下水位数据，提取邻近建筑的重要程度、完好状况、结构形式、基础类型和与项目邻近关系信息，并确定每个子区域中的隧道长度范围、管片厚度、最大坡度范围和支撑防护等级信息，检测到每个子区域中的深层土体水平位移、地表沉降、支撑轴力、水位、土压力和地下管线变形数据，将这些数据信息传输至存储设备中。

10、优选的，所述热量分析单元包括设备热量计算模块和爆破热量计算模块，所述设备热量计算模块确定每个子区域涉及的机械设备编号后，根据设备编号在数据库中进行查询，得到这些设备对应的运行参数，根据设备运行参数计算出每个设备的污染物排放量以及热量，将设备编号、子区域编号、对应的污染物排放量以及热量通过可视化界面进行输出，所述爆破热量计算模块获取岩体爆破过程中所用炸药总量，确定被爆破岩体的体积以及单位体积对应的炸药量后，根据这些数据计算出本次爆破结束后污染物排放量以及热量，将其通过可视化界面进行输出。

11、优选的，所述通风量确定单元包括施工通风分析模块、爆破通风分析模块、设备通风分析模块和实际通风分析模块，所述施工通风分析模块获取每个子区域中隧道当前施工人数、风量系数、人均需风量，根据这些数据计算出当前隧道需风量，所述爆破通风分析模块获取岩体爆破过程中所用炸药总量、开挖断面面积、通风区域长度以及通风时间，根据这些数据计算出本次爆破需风量，所述设备通风分析模块获取机械设备功率工作系数、单位功率需风量以及设备总功率，根据这些数据计算出设备需风量，所述实际通风分析模块取当前隧道需风量、本次爆破需风量、设备需风量中的最大值作为该区域标准通风量，由于风管在输送时存在损耗，利用漏风系数以及通风距离对标准通风量进行修正，确定当前子区域的实际通风量。

12、优选的，所述基坑监测单元包括图像采集模块、特征点提取模块和模型构建模块，所述图像采集模块利用无人机搭载的摄像机镜头焦距以及地面分辨率计算出对应的航高，设置参数后对岩土项目中的基坑进行拍摄，并将拍摄的图片逐个进行编号，所述特征点提取模块在基坑区域布置多个控制点，确定每个控制点对应的平面坐标以及高程坐标，利用sift算法对图像信息中的特征点进行提取后，通过空间相关法对相邻图像信息中的特征点进行分析，判断相邻图像信息中包含的特征点是否相同，若存在相同的特征点，则将这些特征点进行标记，反之则不执行任何操作，所述模型构建模块利用context capture软件根据每个图像信息中包含的特征点以及控制点计算出物体表面所有点对应的三维坐标，将其作为点云数据，通过点云数据构建出三维模型的骨架，经过纹理映射后，构建出基坑三维模型，将其通过可视化界面进行输出。

13、优选的，所述模糊权重分析单元包括指标划分模块、等级确定模块、标记位添加模块和矩阵构建模块，所述指标划分模块根据岩土工程施工中涉及的所有风险因素构建出多个对应的指标，将所有指标划分为四类，分别是地质条件风险指标、邻近建筑风险指标、隧道基础风险指标和基坑监测风险指标，所述等级确定模块将岩土工程施工风险等级划分为四种，分别是最低风险等级、中低风险等级、中高风险等级和最高风险等级，明确每个风险指标在四个风险等级下对应的数值以及取值范围，所述标记位添加模块从同一风险等级下的所有指标中选取未标记的指标，将该指标与其他指标逐个进行比对后，得到相应的标度值，并将该指标添加标记位，重复操作直至所有指标均已添加标记位，根据标度值构建出互补判断矩阵，所述系数矩阵构建模块根据互补判断矩阵推算出每个指标对应的初始模糊权重，利用可能度分析算法选取任意两个指标的初始模糊权重进行计算，得到当前两个指标对应的可能度，重复操作直至得到所有指标之间的可能度，根据可能度构建出模糊系数矩阵，利用模糊系数矩阵以及指标总数确定出最终的模糊权重向量，所述地质条件风险指标包括含水量、重度、孔隙比、黏聚力、内摩擦角、压缩模量和地下水位，所述邻近建筑风险指标包括建筑重要程度、完好状况、结构形式、基础类型和与项目邻近关系，所述隧道基础风险指标包括隧道长度范围、管片厚度、粉尘含量、温度、一氧化碳含量、最大坡度范围、通风量和支撑防护等级，所述基坑监测风险指标包括深层土体水平位移、地表沉降、支撑轴力、水位、土压力和地下管线变形，所述可能度分析算法具体为：

14、；

15、式中，，，表示第个指标对应的初始模糊权重，表示第个指标对应的初始模糊权重，表示第个指标对应的初始模糊权重数下界值，表示第个指标对应的初始模糊权重数最可能值，表示第个指标对应的初始模糊权重数上界值，表示第个指标对应的初始模糊权重数下界值，表示第个指标对应的初始模糊权重数最可能值，表示第个指标对应的初始模糊权重数下界值，表示初始模糊权重的可能度，表示评估者对风险指标的偏好程度，和表示参数。

16、优选的，所述评估权重分析单元包括决策矩阵生成模块、标准化处理模块和熵值计算模块，所述决策矩阵生成模块获取当前每个指标对应的数值以及范围值，对每个指标对应的数据进行遍历，若该指标对应的数据为范围值时，根据该范围值的上限以及下限计算其平均值，将得到的平均值作为该指标对应的数值，利用专家系统对每个指标进行评分，通过当前指标对应的评分结果和不同风险等级下指标对应的评分结果构建出决策矩阵，所述标准化处理模块判断每个指标数值是否与风险等级成正比，若判定数值与风险等级成正比，则利用正向标准化算法对该指标评分数值进行处理，反之则利用反向标准化算法进行处理，所述熵值计算模块利用标准化后的数值确定每个指标在同一风险等级中的所占比例，根据这些数据推算出每个指标对应的熵值，利用熵值以及差异系数分析出最终的评估权重向量。

17、优选的，所述预警提示单元包括等级参数设置模块、实时参数分析模块、风险评估模块和风险提示模块，所述等级参数设置模块根据每个指标在不同风险等级下对应的数值以及范围值计算出云模型中的期望值、熵值和超熵值，利用这些数据以及综合权重向量分别对四个大类指标对应的期望值、熵值和超熵值进行计算，所述大类指标具体为地质条件风险指标、邻近建筑风险指标、隧道基础风险指标和基坑监测风险指标，将这些数字特征值作为标准数字特征值传输至云发生器中，所述实时参数分析模块获取当前每个指标对应的数值以及范围值，计算出云模型中的期望值、熵值以及超熵值后，利用这些数据以及综合权重向量分别对四个大类指标对应的期望值、熵值和超熵值进行计算，将这些数字特征值作为综合数字特征值传输至云发生器中，所述风险评估模块利用云发生器根据综合数字特征值以及标准数字特征值分别构建出每个指标对应的综合风险云和标准风险云，将两者组合产生风险等级云图，根据风险等级云图中综合风险云的位置判断各个指标对应的风险等级以及总体风险等级，所述风险提示模块获取每个指标对应的风险等级，若风险等级为最低风险等级时，则不执行任何操作，若风险等级为中低风险等级时，通过可视化界面进行提示，若风险等级为中高风险等级时，将立刻向控制中心进行上报，若风险等级为最高风险等级时，将立刻向控制中心进行上报，并通过智能语音设备进行区域广播。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、1、本发明通过数据收集单元获取该岩土工程每个子区域的地质条件数据、邻近建筑数据、隧道基础数据和基坑监测数据，使得后续对该岩土工程进行风险评估能够更加准确，由于风管在输送时存在损耗，利用通风量确定单元对于计算得到标准通风量进一步优化，保证隧道中的通风量完全满足需求，并且该系统利用基坑监测单元对岩土工程涉及的基坑进行无人机拍摄，根据拍摄的图像信息构建出基坑三维模型，便于操作人员能够更加直观的观察当前基坑的状态；

20、2、本发明通过综合权重分析单元根据模糊权重向量和评估权重向量计算出综合权重向量，这种方式得到的权重更加合理可靠，既有效的体现了专家所提供的信息，也考虑到了实时指标数值对权重的影响，预警提示单元根据综合权重以及实时指标数值产生风险等级云图，并利用风险等级云图分析出各个指标对应的风险等级以及总体风险等级，一旦出现异常情况，操作人员能够第一时间采取相关措施进行干预，并且由于指标种类丰富，使得岩土工程监测效果更加突出。