[发明专利]边坡大变形监测系统及监测方法

权利要求书

1.一种边坡大变形监测系统，其特征在于，包括：

测量基站，能够设置于边坡上；及

粘贴式智能石块，能够布置于边坡上，所述粘贴式智能石块与所述测量基站无线通信连接。

2.根据权利要求1所述的边坡大变形监测系统，其特征在于，所述粘贴式智能石块为多个，多个所述粘贴式智能石块间隔布置于所述边坡上，所述测量基站包括一个测量主基站和三个测量辅基站，分别布置在四个参考点，所述测量辅基站与所述粘贴式智能石块中的智能标签无线通信连接，所述测量辅基站与所述测量主基站之间进行无线通信连接。

3.根据权利要求1所述的边坡大变形监测系统，其特征在于，所述粘贴式智能石块包括智能标签、太阳能电池板和混凝土块，所述智能标签设置于所述混凝土块的孔内，所述太阳能电池板设置于所述混凝土块上，所述太阳能电池板与所述智能标签电连接，所述混凝土块为正方体，所述混凝土块的五个表面均设有所述太阳能电池板，且将所述智能标签的天线显露于外。

4.根据权利要求3所述的边坡大变形监测系统，其特征在于，所述智能标签通过环氧树脂粘贴在所述混凝土块的孔内，所述智能标签的天线与所述混凝土块的表面平齐。

5.根据权利要求4所述的边坡大变形监测系统，其特征在于，所述智能标签包括超宽带标签和充电电池，所述超宽带标签和所述充电电池设置于所述混凝土块的孔内，所述充电电池与所述太阳能电池板电连接，且所述充电电池与所述超宽带标签电连接。

6.一种边坡大变形的监测方法，其特征在于，在边坡表面布置多个粘贴式智能石块，在边坡表面选择四个参考点，且该四个参考点不得位于同一个平面内，分别布置一个测量主基站和三个测量辅基站，该监测方法包括以下步骤：

在t₁时刻，粘贴式智能石块上的智能标签向参考点处的测量基站发送一个无线脉冲消息；t₂时刻，对应测量基站收到包含时间t₁的无线脉冲消息，并经过一个事先设定的响应时间(T_reply1)，于t₃时刻向智能标签发送无线脉冲确认消息；智能标签在t₄时刻收到测量基站无线脉冲的确认信息，并经过一个事先设定的响应时间(T_reply2)于t₅时刻发送计算距离的无线脉冲消息；测量基站在t₆时刻收到智能标签的包含时间t₅的无线脉冲消息；其中，t₁、t₄和t₅为智能标签测量的时间，以智能标签的晶振时钟为基准；而t₂、t₃和t₆为测量基站测量的时刻，以测量基站的晶振时钟为基准；

得到智能标签至参考点处的测量基站的单程飞行时间为：

式中，T_round1为粘贴式智能石块上的智能标签向参考点处的测量基站发送一个无线脉冲消息并收到确认消息的时间，T_reply1为测量基站中芯片设定的响应时间，T_round2为参考点处的测量基站向智能标签发送一个无线脉冲消息并收到确认消息的时间，T_reply2为智能标签中芯片设定的响应时间，T_round1＝t₄-t₁，T_reply1＝t₃-t₂，T_reply2＝t₅-t₄，T_round2＝t₆-t₃；

晶振时钟漂移会影响时间测量，假定智能标签和测量基站的晶振时钟漂移分别为e_A和e_B，考虑晶振时钟漂移后，粘贴式智能石块至参考点处测量基站由于延时的实际单程飞行时间和理论飞行时间T的关系为：

考虑晶振时钟漂移，粘贴式智能石块至参考点处测量基站的距离必然存在误差，修正前距离为：

式中，c为光速，取3×10⁸m/s；

考虑晶振动随温度的影响，并考虑环境的干扰，将智能标签至参考点处测量基站的距离进行修正得到真实距离L：

式中，a和b为修正系数，由式(2)和式(3)可知，a小于1；

在布置粘贴式智能石块时，设置四个参考点(x_i，y_i，z_i)，(i＝1，…4)，其中，x_i和y_i位于水平方向，z_i位于铅垂方向；选择其中1个参考点为坐标原点，并根据坐标原点测量各参考点的初始三维位置；

假定粘贴式智能石块的三维坐标为(x,y,z)，在边坡变形过程中，测量粘贴式智能石块至各参考点的距离L_i(i＝1，…4)，则

式(5)为高度非线性的方程组，可通过优化搜索的方式求解(x,y,z)：

O(C)＝min{[(L′₁-L₁)²+(L′₂-L₂)²+(L′₃-L₃)²+(L′₄-L₄)²]/4}^0.5 (6)

式中，L₁，L₂，L₃和L₄为粘贴式智能石块至四个参考点考虑延时修正后的实测距离，L′₁，L′₂，L′₃和L′₄为通过式(5)计算得到粘贴式智能石块至四个参考点的理论距离，且L′₁，L′₂，L′₃和L′₄均含有未知的三维位置(x,y,z)；

测得粘贴式智能石块任意时刻的瞬时三维位置(x,y,z)，并记录此时北京时间t，与布设粘贴式智能石块时的坐标比较，得到粘贴式智能石块的三维位移变化(Δx,Δy,Δz)及测量的时间间隔Δt，计算粘贴式智能石块运动的三维速度(Δx/Δt,Δy/Δt,Δz/Δt)；在计算Δt时，将时间的差值换算为秒；

研究粘贴式智能石块运动的三维速度(Δx/Δt,Δy/Δt,Δz/Δt)和时间t的曲线关系，当该曲线发生突变时，则边坡发生失稳；

通过粘贴式智能石块的三维位移变化(Δx,Δy,Δz)判断边坡中土体和岩体的运动距离，与边坡坡脚至道路、建筑物、农田和河道的距离S比较，则预警时间t₀为并根据预警时间提前预警。