本发明涉及隧道安全监测，具体为一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统。
背景技术：
1、在基础设施安全监测中，多节点深埋隧道无线传感器网络监测是一个重要的智能监测方式。物联网技术通过各种传感器和数据采集设备，实现对大型基础设施的实时监控和数据分析。在具体的应用场景中，深埋隧道结构的长期稳定性至关重要，隧道的安全监测成为基础设施安全管理的一个重要领域。
2、目前，大多数隧道监测系统依赖于固定时间间隔的数据采集方式，即传感器会在预定时间内间隔性采集数据。这种方式虽然可以提供常规的监测数据，但在突发事件，包括隧道位移和震动剧烈增加时，固定采集频率的限制可能会导致系统无法在关键时刻捕捉到重要数据，无法提供即时的高频数据分析。这种模式的局限性使得监测系统在问题发生的初期无法快速反应，容易错过早期的预警信号，从而无法有效保障隧道的安全性。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，能够在事故发生初期的关键时刻捕捉到重要数据，提供即时的高频数据分析。
2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，包括边缘监测模块、请求发起模块、边缘节点采集模块、多重验证模块和决策反馈模块；
3、所述边缘监测模块通过多个节点集成自检机制，进行实时采集数据并进行自检机制的计算，获取边缘节点自检偏差因子eem；
4、所述请求发起模块根据边缘节点自检偏差因子eem与预设的请求发起阈值qz进行匹配，获取边缘节点请求发起判断结果，并根据边缘节点请求发起判断结果携带当前节点的定位；
5、所述边缘节点采集模块通过云端获取请求节点的相邻节点的运行状态信息，并进行分析统计相邻节点的地表微应力波变化信息、隧道壁声波频谱变化信息和地下水位变化速率，获取相邻节点固定周期内的边缘检测趋势指数enu；
6、所述多重验证模块对边缘节点自检偏差因子eem和边缘检测趋势指数enu进行拟合，获取节点评估系数emu，并与预设的节点异常评估阈值jz进行匹配，获取当前请求节点的二次验证评估结果；
7、所述决策反馈模块根据二次验证评估结果生成通知和提示消息，并将通知和提示消息发送至相关维护人员处前往处理异常节点。
8、优选的，所述边缘监测模块包括数据采集单元和自检计算单元；
9、所述数据采集单元通过从多个传感器节点采集隧道内的检测数据，每个节点配置多个数据采集传感器，进行采集实时的地表应力值sreal（t）、瞬时的声波频率areal（t）和实时的地下水位高度wreal（t）检测数据，并通过传感器内部的缓冲机制，缓存实时采集的检测数据；
10、所述自检计算单元通过传感器节点集成的自检机制对缓存的检测数据执行自检机制，对缓存的检测数据进行统计分析，获取地表微应力波动s、隧道壁声波频谱波动a和地下水位变化速率w，再建立传感器节点的检测公式，并进行计算，获取边缘节点自检偏差因子eem；
11、所述地表微应力波动s通过以下统计分析公式获取：
12、；
13、式中，sreal（t）表示时间点t的地表应力值，tw表示时间窗口，表示在时间窗口tw内的地表应力值sreal（t）的峰值，表示在时间窗口tw内的地表应力值sreal（t）的谷值；
14、所述隧道壁声波频谱波动a通过以下统计分析公式获取：
15、；
16、式中，areal（t）表示时间点t声波频率，表示在时间窗口tw内的声波频率areal（t）峰值，表示在时间窗口tw内的声波频率areal（t）谷值；
17、所述地下水位变化速率w通过以下统计分析公式获取：
18、；
19、式中，wreal（t）表示时间点t的地下水位高，表示时间窗口tw开始时记录的地下水位高度wreal（t），表示时间窗口tw结束时记录的地下水位高度wreal（t）。
20、优选的，所述节点自检偏差因子eem通过以下计算公式获取：
21、；
22、式中，s0、a0和w0分别表示地表微应力波动s、隧道壁声波频谱波动a和地下水位变化速率w的预设基准值。
23、优选的，所述请求发起模块包括偏差判断单元和请求生成单元；
24、所述偏差判断单元根据边缘节点自检偏差因子eem与预设的请求发起阈值qz进行匹配，获取边缘节点请求发起判断结果；
25、所述边缘节点请求发起判断结果通过以下匹配方式获取：
26、；
27、当rq返回信号为1时，获取边缘节点请求发起判断结果为发起请求结果；
28、当rq返回信号为0时，获取边缘节点请求发起判断结果为不发起请求结果；
29、所述请求生成单元当边缘节点请求发起判断结果为发起请求结果时携带当前节点的定位，包括gps坐标、节点编号和传感器节点唯一标识信息，用于后续定位传感器节点的位置以及相关人员前往处理。
30、优选的，所述边缘节点采集模块包括云端数据获取单元和趋势分析单元；
31、所述云端数据获取单元通过云端获取请求节点的gps坐标和节点编号，通过云端查找存储的相邻节点的gps坐标和节点编号，获取若干个相邻的节点组成相邻节点列表njd，同步根据相邻节点列表njd发送数据收集请求，获取时间窗口tw内的监测数据，包括地表应力值sreal（t）、瞬时的声波频率areal（t）和实时的地下水位高度wreal（t）检测数据，组成相邻节点列表检测数据组jds；
32、通过对相邻节点列表检测数据组jds执行自检机制获取相邻节点检测波动数据组bz={s1，...，sn，a1，...，an，w1，...，wn}，具体包括相邻节点1至n的地表微应力波动s、隧道壁声波频谱波动a和地下水位变化速率w。
33、优选的，所述趋势分析单元获取相邻节点时间周期tw内的相邻节点检测波动数据组bz并进行统计分析，获取每个相邻节点的地表微应力波变化量△si、隧道壁声波频谱变化量△ai和地下水位变化量△wi；
34、通过节点的地表微应力波变化量△si、隧道壁声波频谱变化量△ai和地下水位变化量△wi进行统计分析获取节点i的平均波动量△xi；
35、再通过平均波动量△xi建立相邻节点列表检测数据组jds的趋势矩阵mtrend，并对每个相邻节点在时间窗口tw内的波动量进行统计，获取边缘检测趋势指数enu。
36、优选的，所述地表微应力波变化量△si通过以下计算公式获取：
37、；
38、式中，△si表示第i个相邻节点的地表微应力波变化量，n表示相邻节点检测波动数据组bz长度，s（t）i表示第i个相邻节点在时间窗口tw内的时间点t的地表微应力波动，si,avg表示第i个相邻节点在时间窗口tw内的地表微应力波动的平均值；
39、所述隧道壁声波频谱变化量△ai通过以下计算公式获取：
40、；
41、式中，△ai表示第i个相邻节点的隧道壁声波频谱变化量，a（t）i表示第i个相邻节点在时间窗口tw内的时间点t的隧道壁声波频谱波动，ai，avg表示第i个相邻节点在时间窗口tw内的隧道壁声波频谱波动的平均值；
42、所述地下水位变化量△wi通过以下计算公式获取：
43、；
44、式中，△wi表示第i个相邻节点的地下水位变化量，w（t）i表示第i个相邻节点在时间窗口tw内的时间点t的地下水位变化速率，wi，avg表示第i个相邻节点在时间窗口tw内的地下水位变化速率的平均值；
45、所述平均波动量△xi通过计算公式获取；
46、所述趋势矩阵mtrend={△x1，△x2，△x3，...，△xn}；
47、所述边缘检测趋势指数enu通过计算公式获取。
48、优选的，所述多重验证模块包括拟合计算单元和拟合匹配单元；
49、所述拟合计算单元对边缘节点自检偏差因子eem和边缘检测趋势指数enu进行拟合，获取节点评估系数emu，进行评估当前请求节点与相邻节点的趋势状态；
50、所述节点评估系数emu通过以下计算公式获取：
51、；
52、式中，表示预设的权重值。
53、优选的，所述拟合匹配单元将节点评估系数emu与预设的节点异常评估阈值jz进行匹配，获取当前请求节点的二次验证评估结果；
54、所述二次验证评估结果通过以下匹配方式获取：
55、；
56、当rcheck返回信号为1时，获取二次验证评估结果为存在异常；
57、当rcheck返回信号为0时，获取二次验证评估结果为无异常。
58、优选的，所述决策反馈模块根据二次验证评估结果生成通知和提示消息，并将通知和提示消息发送至相关维护人员处前往处理异常节点；
59、当二次验证评估结果为存在异常时，生成节点的待处理通知和提示内容至巡检维护人员的待处理列表中，通知和提示内容包括异常节点gps坐标、节点编号、传感器节点唯一标识信息和异常类型；异常类型包括地表微应力波异常、隧道壁声波频谱异常和地下水位异常。
60、本发明提供了一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，具备以下有益效果：
61、（1）系统运行时，通过集成边缘监测模块、请求发起模块、边缘节点采集模块、多重验证模块和决策反馈模块，构建了一个高度智能化的监测机制，解决了传统监测系统中依赖固定时间间隔采集数据所导致的响应滞后问题。首先，边缘监测模块能够实时计算自检偏差因子eem，并基于请求发起模块在异常情况下触发事件，使系统能够及时调整采集频率，快速响应突发状况。其次，边缘节点采集模块进一步通过云端获取相邻节点的详细数据，并通过分析相邻节点的趋势指数enu提供全面的状态评估。多重验证模块通过拟合eem和enu，确保异常节点的准确识别，减少误报和遗漏。而决策反馈模块则为维护人员提供详细的异常通知和处理建议，使维护响应更加高效，还增强了对隧道结构潜在异常的预警能力，避免因监测滞后带来的结构失稳和运营安全问题。
62、（2）通过缓冲机制确保关键应力、声波和水位数据的完整性和持续性。同时，自检计算单元对缓存数据进行深度统计分析，准确计算出节点的应力波动、声波频谱变化和水位变化速率，结合这些波动建立的自检偏差因子eem，进一步优化了节点异常的识别效率。特别是通过精准的偏差判断和自动请求生成，该系统可以及时携带位置信息发起请求，确保维护人员能够迅速定位异常传感器节点。该系统提高了数据处理的深度，还加强了系统对于节点异常的响应速度，从而有效缩短了异常发生与处理的时间，提升了隧道的整体安全性和运维效率。
63、（3）通过定位并收集相邻节点的应力波、声波频谱和地下水位多维数据，确保全面掌握隧道环境的运行状态。同时，趋势分析单元基于相邻节点的监测波动数据，生成趋势矩阵mtrend并计算边缘检测趋势指数enu，能够精准反映相邻节点的综合状态变化。该系统的优势在于通过相邻节点的集成分析，不仅加强了对单节点异常的判断，还提供了更加全局的趋势监控，避免局部信息造成的误判，有效提升了隧道结构监测的全面性和预警的精准度。
64、（4）通过对边缘节点自检偏差因子eem和边缘检测趋势指数enu进行加权拟合，获取节点的综合评估系数emu，从而将单节点的自检信息与相邻节点的趋势分析结果相结合，提升了整体评估的全面性和准确性。拟合匹配单元则通过将节点评估系数emu与节点异常评估阈值jz相匹配，生成二次验证评估结果，确保只有确实存在异常的节点才会触发维护请求。特殊优势在于它通过二次验证机制有效过滤掉误报和不必要的维护请求，减少了资源浪费，同时保证维护行动只针对真正的异常节点，有效提升了监测系统的响应效率和精准度。
1.一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：包括边缘监测模块、请求发起模块、边缘节点采集模块、多重验证模块和决策反馈模块；
2.根据权利要求1所述的一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：所述边缘监测模块包括数据采集单元和自检计算单元；
3.根据权利要求2所述的一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：所述节点自检偏差因子eem通过以下计算公式获取：
4.根据权利要求1所述的一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：所述请求发起模块包括偏差判断单元和请求生成单元；
5.根据权利要求3所述的一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：所述边缘节点采集模块包括云端数据获取单元和趋势分析单元；
6.根据权利要求5所述的一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：所述趋势分析单元获取相邻节点时间周期tw内的相邻节点检测波动数据组bz并进行统计分析，获取每个相邻节点的地表微应力波变化量△si、隧道壁声波频谱变化量△ai和地下水位变化量△wi；
7.根据权利要求6所述的一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：所述地表微应力波变化量△si通过以下计算公式获取：
8.根据权利要求1所述的一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：所述多重验证模块包括拟合计算单元和拟合匹配单元；
9.根据权利要求8所述的一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：所述拟合匹配单元将节点评估系数emu与预设的节点异常评估阈值jz进行匹配，获取当前请求节点的二次验证评估结果；
10.根据权利要求4所述的一种多节点深埋隧道无线传感器网络监测系统，其特征在于：所述决策反馈模块根据二次验证评估结果生成通知和提示消息，并将通知和提示消息发送至相关维护人员处前往处理异常节点；
