一种基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统

技术领域

本发明涉及路基维护技术领域，尤其是一种基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统。

背景技术

现有的路基变形监测装置大多都集中在普通公路路基和铁路路基的变形监测，主要针对于路基在使用过程中的沉降变形监测。现有的路基变形监测装置通过路基变形产生位移，对路基变形监测装置产生压力。液体将压力传递给监测系统中的压力探头，将压力变化换算成高度，可以测得测点的相对沉陷，从而实现对路基变形的监测。

在寒区路基工程中通常采用路基变形检测桩来进行路基监测，获得测桩地上高度，通过测桩地上高度的变化来对路基变形进行监测。

目前的路基变形监测技术需要在路基底部设置多个仪器主体安装墩，且需要在仪器之间安装多组液体联通管，安置储液罐等附属设施。此路基变形监测装置所需设备较多，操作复杂。且主体仪器需安装在路基内部，对路基本身的力学性能会产生较大的影响。路基变形监测装置内需要供电系统及信号转换系统，供电系统和信号转换系统在路基投入使用过程中极易失效，需要定时维护，但维护又会影响路基的交通运输能力。路基变形监测装置中液体采用为水，但在寒区路基中，冬季温度常年处于零下，水会发生冻结，造成整个路基变形监测装置的失效，故此路基变形监测装置不适合用于寒区路基。路基变形监测桩通过对桩的地上高度进行读取，来获得路基的变形情况，但在读取过程中，数据测量会存在一定的误差。

发明内容

针对目前的目前的路基变形监测技术存在的设备结构和使用复杂、对路基的性能和使用影响大、数据读取麻烦、数据测量误差大等技术问题，本发明的目的在于提供一种基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统。所述基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统包括：

多个GNSS天线；各所述GNSS天线用于分别安装在路基同一横断面的不同位置，所述GNSS天线用于监测自身所在位置的坐标信息；

通信机；所述通信机分别与各所述GNSS天线连接，所述通信机用于获取各所述坐标信息，发送各所述坐标信息。

进一步地，所述通信机为卫星接收机，所述通信机用于向GNSS卫星系统发送各所述坐标信息。

进一步地，所述通信机还用于对各所述坐标信息进行解算，根据解算结果确定路基的变形信息，对外发送所述变形信息。

进一步地，所述对各所述坐标信息进行解算，根据解算结果确定路基的变形信息，包括：

与GNSS卫星系统进行通信，获得卫星星历；

根据所述卫星星历，对相应时刻测得的一组各所述坐标信息进行解算，获得该时刻各所述GNSS天线的U坐标；

跟踪多个时刻各所述GNSS天线的U坐标，当检测到同一所述GNSS天线的U坐标增大，确定该GNSS天线所在路基位置发生冻胀，当检测到同一所述GNSS天线的U坐标减小，确定该GNSS天线所在路基位置发生融沉。

进一步地，所述通信机还用于记录所述变形信息对应的时间曲线，对所述时间曲线进行周期分析。

进一步地，所述通信机还用于获取对所述时间曲线进行周期分析所得的各次谐波，选择出幅度大于阈值的最高次谐波，根据所述最高次谐波的周期，控制各所述GNSS天线的监测周期。

进一步地，所述基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板用于对各所述GNSS天线和所述通信机进行供电。

进一步地，各所述GNSS天线底部设有水平板。

进一步地，所述通信机设有水平板。

进一步地，各所述GNSS天线用于分别安装在路基同一横断面的各顶角位置。

本发明的有益效果是：实施例中的基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统，将卫星定位技术与路基冻胀变形监测相结合，使用成熟的卫星系统为路基变形监测而服务，能够大幅度提升路基变形监测的时效性和便捷性；相比于传统路基变形监测装置，不需要在路基内部安装复杂的监测系统，且避免了不能在寒区使用的缺点，能够适用于多种地形、多种环境下的路基变形监测；相比于路基变形监测桩，减少了由于数据读取所产生的误差，消除了人为误差；通过对GNSS信号的持续采集，能够获得路基不同监测点处的位移变化，经过数据处理后可以得到其坐标的变化，从而能够对路基的变形状态进行三维分析，能够更加准确的获得路基自身的变形特点。能够实现实时监测，动态分析其变化趋势，实现路基监测的自动化，避免了因人工读取数据而导致的数据不连续等现象。

附图说明

图1为实施例中基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统的结构图。

具体实施方式

本实施例中，参照图1，基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统包括通信机和多个GNSS天线，通信机与各GNSS天线之间通过线路连接。

本实施例中，通信机是有控制功能、数据处理功能以及通信功能的设备，其中的通信功能可以是卫星通信功能，或者蓝牙通信、USB接口通信等功能。例如，可以使用卫星接收机作为通信机，卫星接收机可以与GNSS卫星系统建立连接并进行通信，可以向GNSS卫星系统上传数据。

本实施例中，基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统还包括太阳能电池板，由太阳能电池板对各GNSS天线和通信机进行供电，从而使得基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统在没有常规电源供电时，仍能由太阳能电池板供电工作。

在使用基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统时，参照图1，可以将太阳能电池板3安装在路基附近能够接收到阳光的地方，将通信机2安装在路基附近。各GNSS天线分别安装在路基同一横断面6的各顶角位置，例如图1中，部分GNSS天线4安装在路基顶面两个路肩处，部分GNSS天线5安装在路基底部两个坡脚处。通信机2可以与GNSS卫星系统1建立通信。

本实施例中，参照图1，各GNSS天线底部基座处以及通信机底部两侧均设有水平板。通过设置水平板，可以增加各GNSS天线和通信机在路基冻拔过程中所受到的反力大小，减弱GNSS和通信机天线的冻拔作用，使得各GNSS天线和通信机的安装更稳定，减弱路基冻拔对数据准确性的影响。

本实施例中，在各GNSS天线中选择一个GNSS天线作为基准站，其余GNSS天线作为移动站。每个GNSS天线都可以接收GNSS卫星系统发出的定位信号，从而解算出自身所在位置的坐标信息。

每个GNSS天线都可以周期性地检测自己的坐标信息，将坐标信息发送至通信机。通信机可以不对坐标信息进行进一步的处理，只是将坐标信息封装成数据包，上传至GNSS卫星系统，由服务器等设备从GNSS卫星系统下载坐标信息后，对坐标信息进行进一步的处理，或者由现场人员使用蓝牙、USB接口等的设备与通信机连接，从通信机处读取坐标信息后，对坐标信息进行进一步的处理。通信机也可以对坐标信息进行进一步的处理。

无论是由通信机、服务器还是其他设备对坐标信息进行进一步的处理，其执行的步骤可以是一样的，如果通过服务器或者其他设备对坐标信息进行进一步的处理，可以把服务器或者其他设备也视为是通信机的一部分，因此本实施例中以通信机对坐标信息进行进一步的处理进行说明。

本实施例中，通信机对各GNSS天线发送过来的各坐标信息进行解算，根据解算结果确定路基的变形信息。

本实施例中，各GNSS天线之间可以周期性地同步工作，在某一时刻同时测得各自所在位置的坐标信息，从而形成对应一个采集时刻的一组坐标信息。通信机在根据这样一组坐标信息解算出变形信息时，可以与GNSS卫星系统进行通信，获得这个采集时刻(或者相近的时刻)相应的卫星星历，根据卫星星历和这组坐标信息进行解算，获得固定解，最终解算得到该时刻各GNSS天线(移动站)的N、E、U坐标。一个GNSS天线(移动站)的N、E、U能够反映出其与基准站之间的相对位置关系。

通信机获取各GNSS天线在不同采集时刻发送的坐标信息，从而解算出不同采集时刻的N、E、U坐标。通信机跟踪U坐标的变化，对于某一GNSS天线，通信机如果检测到该GNSS天线某一采集时刻的U坐标比上一采集时刻的U坐标大，即该GNSS天线的U坐标增大，那么通信机可以判断该GNSS天线所在路基位置发生冻胀；通信机如果检测到该GNSS天线某一采集时刻的U坐标比上一采集时刻的U坐标小，即该GNSS天线的U坐标减小，那么通信机可以判断该GNSS天线所在路基位置发生融沉；通信机如果检测到该GNSS天线相邻两个采集时刻的U坐标不变，那么通信机可以判断该GNSS天线所在路基位置在这两个采集时刻之间的时间段内未发生变形。

本实施例中的基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统，将卫星定位技术与路基冻胀变形监测相结合，使用成熟的卫星系统为路基变形监测而服务，能够大幅度提升路基变形监测的时效性和便捷性。相比于传统路基变形监测装置，不需要在路基内部安装复杂的监测系统，且避免了不能在寒区使用的缺点，能够适用于多种地形、多种环境下的路基变形监测。相比于路基变形监测桩，本实施例中的基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统减少了由于数据读取所产生的误差，消除了人为误差。并且在GNSS天线基座底部增加了反力结构，减少了冻拔力对天线位移的影响，使得测量的数据更加准确、可靠。通过对GNSS信号的持续采集，能够获得路基不同监测点处的位移变化，经过数据处理后可以得到其坐标的变化，从而能够对路基的变形状态进行三维分析，能够更加准确的获得路基自身的变形特点。能够实现实时监测，动态分析其变化趋势，实现路基监测的自动化，避免了因人工读取数据而导致的数据不连续等现象。

本实施例中，通信机记录变形信息对应的时间曲线，对时间曲线进行周期分析。具体地，变形信息对应的时间曲线可以是每个GNSS天线各自的U坐标变化曲线，或者每个GNSS天线各自在“冻胀”(对应一个固定值)、“融沉”(对应一个更大或者更小的固定值)等状态之间变换所形成的时间曲线。

本实施例中，由于基于GNSS技术的路基冻胀融沉变形监测系统所测量的路基冻胀融沉变形受到季节和天气等因素的影响，在一定时间观测具有周期性，因此变形信息对应的时间曲线将呈现周期性，可以对时间曲线进行傅里叶变换等周期分析，从而提取出谐波周期等更深层的信息。

本实施例中，通信机对时间曲线进行傅里叶变换，得到时间曲线的各次谐波。一般来说各次谐波满足次数越高幅度越小的规律，因此可以设定一个阈值，筛选出幅度大于阈值的各次谐波，再从中选择出最高次谐波。最高次谐波的频率是时间曲线的频率的若干倍，因此如果控制各GNSS天线按照最高次谐波的频率进行坐标信息的监测，那么将能够获得较完整的路基各点位置坐标变化信息，而通过阈值的筛选限定了最高次谐波的次数，因此最高次谐波的频率处于一个相对较低的水平。因此，控制各GNSS天线按照最高次谐波的周期监测各自的坐标信息，一方面最高次谐波的频率能够取得坐标信息采样完整，另一方面也可以避免频繁进行采样而导致电力消耗过大，有利于提高续航能力。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。