一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统

1.本实用新型涉及智能检测技术领域，更具体的说是涉及一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统。


背景技术：

2.分布式光纤传感测试技术是利用光纤作为传感、传输单元从而获得被测物理量(应变、温度)在时间和空间上的分布信息。在一定程度上，分布式光纤实现了分布式、实时动态监测，弥补了以往点式传感单元的不足；同时光纤基于泵浦光作为信号源，不受电磁信号的干扰，保障了传感单元的存活性。近年来，分布式光纤测试技术已逐步应用于边坡治理、隧道、桥梁以及桩体结构性测试等。对于矿山开采的光纤测试研究多集中在火灾监测、围岩体变形测量。
3.但是在工程地质体结构健康监测系统中，发现仍然存在很多问题亟待解决。其一，光纤解调仪内部无供电电源，需携带大容量电池进行供电，但是其供电时间较短，且电压较不稳定易损坏内部元器件；其二，数据采集大多为人工手动进行，耗时耗力且数据量难以满足目前智能化趋势要求；其三，光纤解调仪多为单端接口，但是结构体中多布设多条光缆，因此在数据采集中，需人工更换不同光缆与解调仪连接，长此以往会损伤光缆接头，影响数据质量；其四，数据存储与调用仍停留在人工阶段，实时性较低，难以满足工程地质体监测需求；其五，工程地质体建构健康风险预警自动化程度较低，反馈较为滞后。
4.因此，目前工程地质体结构健康监测系统已无法满足人工智能大数据时代的需求，其智能化、自动化、实时性等均有待提高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供了一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统，能够根据特定工区进行相应的电源配给，供电方便，且能够自动切换光缆，提高测试效率，同时，数据的实时性传输得到了提高。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统，包括：电源配给子系统、多场源数据体采集子系统、数据处理子系统和预警子系统；
8.所述电源配给子系统为所述多场源数据体采集子系统供电，且其根据工区不同分为太阳能供电模块、矿井供电模块或生活供电模块；
9.所述多场源数据体采集子系统包括电脑端、分布式光纤测试仪、光口交换机和多种不同类型的光缆；所述分布式光纤测试仪通过所述光口交换机搭载所述多种不同类型的光缆；所述电脑端分别与所述分布式光纤测试仪和所述数据处理子系统通信连接；
10.所述数据处理子系统用于接收、读取和分析所述电脑端传输的数据，并输出数据分析结果至所述预警子系统；
11.所述预警子系统与所述数据处理子系统通信连接，其用于根据所述数据分析结果
生成相应的预警信息。
12.优选的，在上述一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统中，所述太阳能供电模块包括依次连接的太阳能电池板、逆变器和第一稳压器；所述逆变器用于将所述太阳能电池板产生的电压升压为220v交流电；所述第一稳压器用于将所述逆变器输出的电压进行稳压控制后，为所述多场源数据体采集子系统供电。
13.优选的，在上述一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统中，所述矿井供电模块包括矿用电源、电压转换器和第二稳压器；所述电压转换器用于将所述矿用电源产生的高压降压为220v交流电；所述第二稳压器用于将所述电压转换器输出的电压进行稳压控制后，为所述多场源数据体采集子系统供电。
14.优选的，在上述一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统中，所述生活供电模块包括交流电输出端和第三稳压器；所述交流电输出端连接市电，并输出220v交流电；所述第三稳压器用于将所述交流电输出端输出的电压进行稳压控制后，为所述多场源数据体采集子系统供电。
15.优选的，在上述一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统中，所述分布式光纤测试仪包括光纤布拉格光栅分析仪、布里渊散射光时域反射仪、布里渊光时域分析仪和布里渊散射光频域分析仪；所述光纤布拉格光栅分析仪、所述布里渊散射光时域反射仪、所述布里渊光时域分析仪和所述布里渊散射光频域分析仪分别通过光缆跳线与所述光口交换机连接。
16.优选的，在上述一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统中，所述多种不同类型的光缆包括应变光缆、温度光缆和位移光缆；所述应变光缆、所述温度光缆和所述位移光缆埋设于对应的探测靶区，且其引线接头分别与所述光口交换机可插拔电性连接，形成多个不同的数据传输通道；所述光口交换机用于对所述多个不同的数据传输通道进行切换。
17.优选的，在上述一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统中，所述数据处理子系统包括多个第一pc端；其中一个所述第一pc端通过5g网络与所述电脑端通信连接，且各所述第一pc端之间通过局域网进行数据共享。
18.优选的，在上述一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统中，所述预警子系统包括第二pc端和智慧屏；所述第二pc端通过internet网络与所述数据处理子系统通信连接；所述智慧屏通过局域网与所述第二pc端通信连接，用于实时动态显示所述预警信息。
19.优选的，在上述一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统中，所述预警子系统还包括移动终端；所述移动终端通过5g网络与所述第二pc端通信连接。
20.优选的，在上述一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统中，所述电脑端通过局域网与所述分布式光纤测试仪通信连接。
21.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统，具有以下有益效果：
22.1、本实用新型根据不同工区，提出多种电源配给解决方案，供电更为方便、灵活，解决了现有分布式光纤仪器在特定工区电源配给不便的问题，
23.2、本实用新型采用5g网络、英特网和无线局域网相结合的方式，使得信息传输更加快速便捷，便于实现自动感知、主动分析、智能预警的功能，有效提高了应急指挥速度，大大缩短抢险时间。
24.3、本实用新型有效解决了目前分布式光纤测试仪单端测试接口的弊端，无需多次更换不同光缆进行单次数据采集，通过将多根不同类型光缆同时接入光口交换机，通过内部切换，实现不同光缆与分布式光纤测试仪的自动连接，提高了测试效率，降低了人工切换光缆引起的人为误差。
25.4、本实用新型针对不同类型的测试工区，均埋设多种类型的光缆，实现了多场源数据体自动采集、实时传输的功能，一方面提高了数据量，可为工程地质体变形场的重构与反演提供数据支撑；另一方面改变了单一物理场测试的弊端，多场源相互印证，提高数据解译精度，有效降低了误报率。
26.5、本实用新型结构简单、设计合理，且使用操作简便，能有效解决现有监测中存在的供电、数据采集、数据传输、数据处理与分析、实时预警等问题，进一步提高智能化和自动化程度。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
28.图1为本实用新型提供的分布式光纤远程在线实时监测预警系统的结构示意图；
29.图2为本实用新型提供的电源配给子系统的结构示意图；
30.图3a为本实用新型提供的多场源数据体采集子系统应用在隧道壁监测方面时的结构示意图；
31.图3b为本实用新型提供的多场源数据体采集子系统应用在边坡稳定性监测方面的结构示意图；
32.图3c为本实用新型提供的多场源数据体采集子系统应用在矿井采掘工作面围岩变形监测方面的结构示意图；
33.图3d为本实用新型提供的多场源数据体采集子系统应用在地表沉降变形监测方面的结构示意图；
34.图4为本实用新型提供的数据处理子系统及其与多场源数据体采集子系统之间的连接关系示意图；
35.图5为本实用新型提供的预警子系统及其与数据处理子系统之间的连接关系示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.如图1所示，本实用新型实施例公开了一种分布式光纤远程在线实时监测预警系统，包括：电源配给子系统1、多场源数据体采集子系统2、数据处理子系统3和预警子系统4；
38.电源配给子系统1为多场源数据体采集子系统2供电，且其根据工区不同分为太阳能供电模块11、矿井供电模块12或生活供电模块13；
39.多场源数据体采集子系统2包括电脑端201、分布式光纤测试仪、光口交换机202和多种不同类型的光缆；分布式光纤测试仪通过光口交换机202搭载多种不同类型的光缆；电脑端201分别与分布式光纤测试仪和数据处理子系统3通信连接；
40.数据处理子系统3用于接收、读取和分析电脑端201传输的数据，并输出数据分析结果至预警子系统4；
41.预警子系统4与数据处理子系统3通信连接，其用于根据数据分析结果生成相应的预警信息。
42.在一个具体实施例中，如图2所示，太阳能供电模块11包括依次连接的太阳能电池板111、逆变器112和第一稳压器113；逆变器112用于将太阳能电池板111产生的电压升压为220v交流电；第一稳压器113用于将逆变器112 输出的电压进行稳压控制后，为多场源数据体采集子系统2供电。
43.矿井供电模块12包括矿用电源121、电压转换器122和第二稳压器123；电压转换器122用于将矿用电源产生的高压降压为220v交流电；第二稳压器 123用于将电压转换器122输出的电压进行稳压控制后，为多场源数据体采集子系统2供电。
44.生活供电模块13包括交流电输出端131和第三稳压器132；交流电输出端131连接市电，并输出220v交流电；第三稳压器132用于将交流电输出端输出的电压进行稳压控制后，为多场源数据体采集子系统2供电。
45.本实施例根据工区环境不同分为三种类型，当测试工区位于野外，测试对象为边坡、地表沉降等工程地质灾害时，因远离居民区，将采用太阳能供电模块11进行供电，太阳能电池板产生的电压低于220伏，通常为 18/27/30/36/48伏，需要利用逆变器将电压升至220伏交流电；当测试工区位于煤矿及其他非煤矿产资源井下作业空间时，由于其供电电压高于220伏，通常为660/380伏，采用矿井供电模块12进行供电，需要利用电压转换器122 将380伏或660伏电压降低至220伏，同时为了电压稳定，设置有第二稳压器123对电压进行保护；当测试工区位于居民区时，电源配给问题将迎刃而解，采用生活供电模块13进行供电，直接接入220伏电压，同样为了保护仪器，需在前端配备有第三稳压器132进行保护。
46.在另一个具体实施例中，如图3a-3d所示，分布式光纤测试仪包括光纤布拉格光栅(fbg)分析仪203、布里渊散射光时域(botdr)反射仪204、布里渊光时域(botda)分析仪205和布里渊散射光频域(bofda)分析仪206；光纤布拉格光栅分析仪203、布里渊散射光时域反射仪204、布里渊光时域分析仪205和布里渊散射光频域分析仪206分别通过光缆跳线207与光口交换机202连接。
47.针对不同监测对象，根据需求可布设不同类型的光缆，多种不同类型的光缆包括应变光缆208、温度光缆209和位移光缆210；应变光缆208、温度光缆209和位移光缆210埋设于对应的探测靶区，且其引线接头分别与光口交换机202可插拔电性连接，形成多个不同的数据传输通道；光口交换机202 用于对多个不同的数据传输通道进行切换。探测靶区类型包括：隧道壁、边坡、矿井采掘工作面和地表。
48.光缆埋设于探测靶区后，将光缆引线接头分别插入光口交换机202，光口交换机202的目的是自动切换不同的通道，在避免多次插拔光缆接头的前提下完成对不同类型光
缆的数据采集，然后利用光缆跳线207将分布式光纤测试仪器与光口交换机连接。上述步骤既完成了分布式光纤测试仪器与多类型专用光缆的连接。在采集系统布设完成的情况下，通过局域网将电脑端201 与分布式光纤测试仪器进行连接，从而可以对分布式光纤测试仪器下达采集命令，完成不同类型数据的采集。
49.更有利的，电脑端201通过局域网与分布式光纤测试仪通信连接。
50.其中，应变光缆208用于测试应变场，温度光缆209用于测试温度场和渗流场，位移光缆210用于测试位移场。
51.下面以监测地表沉降变形监测为例进行说明。
52.煤层采动将引发上覆岩体垮塌、下沉、变形，从而进一步导致地表下沉，形成地表塌陷区，为了有效防止地表下沉，准确预测塌陷区范围，需对矿区地表沉陷规律进行研究。提出实施地表垂直钻孔，终孔与煤层顶板上方一定距离，并与孔中安装不同类型的光缆，确保可获取塌陷区范围内岩层的应变、位移、温度、渗流场等动态数据。从而为沉陷规律总结提供基础数据支撑。
53.针对地表沉降变形测试，根据需求于地表垂直钻孔内布设不同类型的光缆，光缆埋设于探测靶区后，将光缆引线接头分别插入光口交换机，光口交换机的目的是自动切换不同的通道，在避免多次插拔光缆接头的前提下完成对不同类型光缆的数据采集，然后利用光缆跳线将分布式光纤测试仪器与光口交换机连接。上述步骤即完成了分布式光纤测试仪器与多类型专用光缆的连接，在多场源数据体采集子系统布设完成的情况下，通过局域网将第三pc 端与分布式光纤测试仪进行连接，从而可以对分布式光纤测试仪下达采集命令，完成不同类型数据的采集。
54.如图4所示，数据处理子系统3包括多个第一pc端301；其中一个第一 pc端通过5g网络与电脑端通信连接，且各第一pc端之间通过局域网进行数据共享。
55.各第一pc端301可安装在研究人员办公区，工区采集系统布设完成后，通过其中的一个第一pc端301与多场源数据体采集子系统2建立通信连接，下达数据采集命令，多源数据体采集子系统2采集数据完成后，再由第一pc 端301下达数据调取命令，将现场多源数据体读取到第一pc端301，此过程即实现了数据体的自动采集、实时传输和读取。数据读取到第一pc端301后，通过室内建立的局域网，将数据实时分享到室内其他的第一pc端进行多源数据体的处理与分析，数据处理通过相关现有软件进行自动化分析，实时导出应变场、位移场、温度场和渗流场等成果图，此数据处理子系统有助于实现多源数据体的自动化分析。
56.分布式光纤测试仪输出参数首先需要进行解编处理，解遍数据利用仪器配套的分析软件将(.sat)格式的源文件转换为(.xls)格式，并剔除异常数据，然后再进行相关的数据处理与分析，针对不同场源数据体其处理方法不一，均采用现有的分析方式。
57.如图5所示，预警子系统4包括第二pc端401和智慧屏402；第二pc端 401通过internet网络与数据处理子系统3通信连接；智慧屏402通过局域网与第二pc端401通信连接，用于实时动态显示预警信息。
58.更有利的，预警子系统4还包括移动终端403；移动终端403通过5g网络与第二pc端401通信连接。
59.煤层受到人工开挖扰动后，周围岩体将发生变形、破坏，但是其过程是渐进的、缓慢的，前期可通过监测其内部应变场、温度场、位移场、渗流场等变化进行实时解译，对其进
行监测预警。数据处理子系统3对采集数据进行分析后，通过英特网传输到第二pc端401(第二pc端中安装有预警软件)。前期通过正演分析对地质体不同场源设定阈值，并进行危险等级划分，当测试数据达到某值时为一级风险，按照数值大小依次类推，当达到三级风险时将进行实时报警，并在智慧屏402上进行动态实时显示。同时，可将风险信息通过5g实时传输到风险管控专家的移动终端403，从而可对现场进行实时有效指导，提前做好支护加固准备，降低经济损失等。
60.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
61.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。