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基于物联网技术的工程、地质自动化安全监测产业链及工程应用

简介: 我国地域辽阔,潜在地质灾害数量巨大,无论是自然形成或人类活动诱发的地质灾害还是大型工程结构自身,均需进行安全监测,提前预测预报,减少人员和经济损失。目前的安全监测技术、手段或监测方法普遍存在效率不高、信息化程度低、专业化程度不够、工作流程不适用、预警不及时等诸多问题,影响了安全监测的实效性和可靠性,无法适应我国新形式下的防灾减灾需求。
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基于物联网技术的工程、地质自动化安全监测产业链及工程应用

我国地域辽阔,潜在地质灾害数量巨大,无论是自然形成或人类活动诱发的地质灾害还是大型工程结构自身,均需进行安全监测,提前预测预报,减少人员和经济损失。目前的安全监测技术、手段或监测方法普遍存在效率不高、信息化程度低、专业化程度不够、工作流程不适用、预警不及时等诸多问题,影响了安全监测的实效性和可靠性,无法适应我国新形式下的防灾减灾需求。

主要技术内容:围绕工程结构、地质灾害自动化安全监测需求及特点,从节能、传感、防护、有效预警技术几方面着手研究,建立底层技术支撑;以此为基础运用电子集成、自动化控制、无线网络技术研发了一体化、自主工作的专业监测设备和监测执行机构,实现监测数据实时、稳定自动获取;基于监测数据和地理信息数据、历史灾害数据,开发了具有对比、分析、学习能力的灾害提前识别预警和项目管理为一体的综合数据信息平台以及基于连续-非连续(CDEM)介质力学的安全分析方法模型。

本项目为企业自主项目,研发期间河北省科技厅、北京市科委、中国地质调查局分别给予了立项支持。项目实施以技术内容为主线,攻克了一系列关键技术问题,形成了较为完备的专业化、规范化、标准化的无人值守安全监测体系、技术支撑和监测系统。主要成果和创新如下:

1.提出了针对工程、地质全自动安全监测系统研发应用保障体系-321保障体系。三项底层支撑技术+两个现场执行机构+一套功能完备的管理软件系统,使本项目得以有理、有序逐步推进。

2.攻克了野外(室外)无人值守监测设备的数据采集、超低功耗、适用工作流程、富网络无缝通讯、预警预报方式方法等关键技术难题,明确了恶劣环境下监测设备应具备的基本功能、性能,完成了自动化监测底层技术积累。

3.针对工程、地质无人值守永久监测特点,提出了专业化、一体化、自主工作的适用理念,研发了系列化的三十余种具有自主知识产权的专业化物联网监测设备。为全自动安全监测数据可靠、准确获取提供了有利支持。

4.根据安全监测预报实效性的需求,将安全分析算法嵌入监测设备;提出了多途径有效预警方式方法,研发了基于自建射频网络的区域化预警网络及设备,实现现场数公里内的预警信息发布,同时也为防灾减灾科普宣传、应急指挥提供了新的通讯渠道。

5.提出了以区域管理、项目管理、数据管理、人员管理、实时预报为主要功能的大数据安全信息平台架构,开发了基于地理信息与实时监测数据的时空大数据灾害模型动态识别算法和基于连续-非连续介质力学的进行定量化分析预警预报模块,使灾害防治由被动防灾向主动防灾转变。

研发成果:发表论文65篇,专著1册;授权发明专利6项、授权实用新型专利22项、软件著作22项。

主要完成单位及创新推广贡献
大坝1.jpg

河北稳控科技有限公司

总结并提出了能够保障自动化安全监测系统能够稳定、可靠、高效运行的一系列技术手段和方法-“321安全监测保障体系”。提出了超低功耗技术层面解决方案、工作流程、有效预警实现方案和技术路线;完成了基于多种节电技术的低能耗技术、算法嵌入技术开发,有针对性的研发了本项目中80%的工程、地质专业化监测设备;提出了基于多种类数据的综合化信息平台架构并搭建了基于地理信息系统和监测数据的数据管理平台,实现了基于网络的数据接收、反向控制、项目管理、网络定向预警功能,完成了整个系统各个环节的双向互动通讯、数据发布等工作。使基于物联网技术的工程、地质安全监测系统具备了完整的体系结构和业务流程。在监测系统总体要求、体系组成构建、数据稳定性、可靠性和预警方式方法方面发作出了重要贡献。

重庆地质矿产研究院

充分发挥区域和技术优势,针对极具代表性的长江流域地质灾害提出了监测设备应具备的基本功能及性能;开发了驻守人员及调查手持终端系统(群测群防电子表格),攻克了地质环境条件复杂区域人员的持续精确定位难题;开发了基于GIS基础数据与监测数据融合的灾害体智能识别功能模块,提高了地质灾害预警预报的针对性和指导性;提供设备测试、验证场地;在三峡库区进行了大量的项目实施,使本项目研发成果得以大范围推广应用。为本项目研发成果与区域产业对接应用方面做出了突出贡献。

中国科学院力学研究所

充分发挥自身学科优势、人才优势和科研优势的基础,中科院力学所联合院内外研究机构,组织滑坡灾害研究团队,在国家973、中国科学院重要方向性等项目等支持下深入参与了本项目实施过程,提出了基于监测数据及连续-非连续数值模拟的稳定性评价方法,研发了以地下深部破裂及大位移测量技术、土石混合体柔性边界等应力加载测试技术、当前状态评价方法为代表的一系列创新性成果,构建了监测预警系统,初步实现了灾变体渐进破坏过程的高相似度模拟与预测。提高了我国灾害监测分析与预警水平,获得了显著的社会经济效益,引领了我国地质灾害防治理论与技术的发展。

北京卓越经纬测控技术有限公司

深入研究了本项目中监测设备的工作环境、防护等级需求,从工业产品和防护要求方面开展监测设备系统集成研究,完成了监测设备环境适应性设计;深入研究并通过实验验证了一些公认的便于实现自动化分析的计算方法,筛选了斋藤法、Vedlulst灰色系统理论法等二十余种安全分析、推测方法,完成了现场预警所需核心算法的代码编写工作;采用数据模拟手段探索了基于监测数据和灾变体结构的有限元计算方法;与河北稳控科技有限公司共同完成批量生产工作。

推广应用及经济社会效益情况

应用情况:成果已得到广泛应用,特别是华北地区和三峡库区,基于本项目研发成果的应用已达数百个监测区域,成功预报各类险情千余起(次),避免直接经济损失数十亿元,起到了很好的引领和示范作用。

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