本发明涉及一种地质灾害监测预警系统及方法，具体涉及一种岩溶塌陷预测预警系统。
背景技术：
1、岩溶塌陷是一种常见的地质灾害现象，指的是在石灰岩等可溶性岩石分布区，地下水长期溶蚀形成地下空洞，当上方覆盖层失去支撑后发生地面塌陷。岩溶塌陷的原因主要包括地下水超采、交通荷载振动和工程建设（包括地下工程施工、地面建筑物荷载过大或密集高层建筑群）导致的地基失稳、土层扰动等。岩溶塌陷灾害在我国分布广泛，对社会生产造成了显著的危害，发生在城市、矿区和交通干线附近的岩溶塌陷灾害因其影响范围广、人口密度大、基础设施重要，造成的破坏损失尤为严重，成为监测和防治的重点领域。岩溶塌陷多由覆盖层内土洞发育导致土洞顶板至地表土体整体破坏所诱发。土洞发育在空间上具有隐蔽性，岩溶塌陷在时间上具有突发性，塌陷破坏前地面变形征兆往往不明显，可造成严重的人员伤亡及财产损失。用传统物探方法如精密水准测量、位移计、沉降标或激光雷达等进行岩溶塌陷监测，由于地下土洞发育引起的地表变形小，难以确定靶区；而地质雷达、高密度点法、跨孔地震ct与超声波法等，由于难以实现自动化实时监测与无人遥测，因此对岩溶塌陷作出实时监测并准确预测预警一直是一个难题。
2、中国专利202111008923.8公开了一种岩溶地面塌陷分布式柔性边缘智能预警预报系统及方法，系统包括聚合物测管、柔性导电膜、信号处理模块、多元数据融合和预警预报模块；聚合物测管通过水平定向钻进方式铺设在岩溶土洞临界深度以下，表面布设有多道柔性导电膜及其两侧金属电极；金属电极通过导线连接至信号处理模块；信号处理模块获取测管上各柔性导电膜的电阻信号并计算测管弯曲与剪切变形，通过多元数据融合模块中多元泰勒级数展开卡尔曼滤波算法估算测管周围土体变形场分布与土洞边界，通过预警预报模块中贝叶斯优化随机森林卡尔曼滤波算法预报土洞深度与边界发育速率，当预报土洞发育深度抵达土洞临界深度时，触发岩溶地面塌陷预警信号。该系统及方法仅考虑了采用柔性导电膜所测得的静态电阻信号对地面塌陷进行预测，该方案中柔性导电膜在地层大变形时效果更好，而在岩溶土洞发育早期地层仅发生轻微变形时不易监测到数据，存在单一数据局限性，影响了预测预报结果的可靠性，同时也影响到岩溶塌陷灾变前兆辨识与早期预警的有效性。
技术实现思路
1、发明目的：针对上述现有技术，提出一种岩溶塌陷分布式云边端协同融合预测预警系统，适用于岩溶上覆地层发生轻微变形及大变形的情况，提高了岩溶塌陷灾变前兆辨识与早期预警的有效性与可靠性。
2、技术方案：一种岩溶塌陷分布式云边端协同融合预测预警系统，包括：聚合物测管、柔性导电膜阵列、光纤、边缘电阻变化率动态信号处理模组、边缘分布式光纤声学传感解调模组、边缘多元数据融合模组、云端预测预警模块；
3、所述聚合物测管的两侧中轴线上开有导槽，所述导槽中分别嵌入光纤后封装，所述柔性导电膜阵列布设于聚合物测管表面；将所述聚合物测管水平铺设于土洞稳定临界深度以下，各柔性导电膜通过导线连接边缘电阻变化率动态信号处理模组，所述光纤的末端与边缘分布式光纤声学传感解调模组相连；
4、所述边缘电阻变化率动态信号处理模组用于采集测管表面柔性导电膜阵列的电阻变化率动态信号；所述边缘分布式光纤声学传感解调模组用于采集测管两侧表面导槽内所封装光纤的声振信号；
5、所述边缘多元数据融合模组用于将接收到的所述电阻变化率动态信号与所述声振信号基于空间定位进行融合，融合后的信号上传至云端预测预警模块；
6、所述云端预测预警模块用于基于融合信号辨识出岩溶土洞发育活化或活化停止行为，并基于融合信号预测土洞发育活化速率与发育深度，当预测到在预警时间内土洞发育深度将抵达土洞临界深度或者土洞边界将发育至控制位置时，所述云端预测预警模块发布预警信号。
7、进一步的，所述聚合物测管上设置多个监测断面，各断面等距离间隔，在每个监测断面上布置一组柔性导电膜，各个监测断面上的柔性导电膜共同形成所述柔性导电膜阵列；其中，一组柔性导电膜由沿轴向分别涂覆于所述聚合物测管顶面和底面的导电膜，以及分别斜向涂覆于所述聚合物测管两侧的导电膜构成；顶面和底面的导电膜用于感知测管拉压动应变表征土洞发育时间与位置，两侧面斜向的导电膜用于感知测管剪切动应变表征土洞发育两侧边界；每组柔性导电膜中的各电极通过导线连接到边缘电阻变化率动态信号处理模组。
8、进一步的，所述边缘多元数据融合模组基于空间定位进行融合，具体包括：对于任一监测断面，将各柔性导电膜的电阻信号数据通过卡尔曼滤波进行融合，得到该监测断面经融合后的导电膜数据，即数据一；边缘分布式光纤声学传感解调模组测得的光纤各通道的声振信号数据经预处理后，通过小波去噪对数据进行降噪，得到数据二；将该监测断面对应的数据一与邻近该监测断面的光纤通道的数据二进行多元数据融合，数据融合采用经泰勒级数分解后的经典粒子滤波方程。
9、进一步的，所述云端预测预警模块基于融合信号预测土洞发育活化速率与发育深度，具体包括：利用移动平均法将土洞顶板位移按时间序列分为趋势项与随机项，采用粒子滤波算法预测趋势项位移，采用经过麻雀算法优化模型超参数的xgboost算法预测随机项位移；所述趋势项位移和所述随机项位移共同构成土洞顶板累计位移预测值，最终根据所述多元数据融合的时间序列数据预测土洞发育活化速率与发育深度；
10、所述云端预测预警模块用于辨识岩溶土洞发育活化或活化停止行为，具体包括：根据所述土洞顶板累计位移预测值来判断土洞发育活化或活化停止行为，当所述土洞顶板累计位移预测值在某一段时间内出现连续波峰段且位移量保持大于0时，判断土洞此时发育活化；当所述土洞顶板累计位移预测值随时间的增长不发生明显波动或相较于前一段时间的土洞发育活化段出现明显降低，且趋近于0时，判断土洞发育活化停止。
11、进一步的，在所述云端预测预警模块辨识出岩溶土洞发育活化时，控制边缘端提高信号采集频率；在所述云端预测预警模块辨识出岩溶土洞活化停止时，控制边缘端降低信号采集频率。
12、进一步的，所述聚合物测管为外径大于60mm的pe圆管，聚合物测管的长度大于1.5m；每段柔性导电膜长度大于40mm，宽度大于10mm。
13、进一步的，所述柔性导电膜为石墨烯基柔性导电膜，采用锌箔作为还原剂，利用置换反应还原氧化石墨烯，制备还原氧化石墨烯复合材料后添加到聚氨酯基质中，制备得到所述石墨烯基柔性导电膜。
14、有益效果：本发明提供的预测预警系统，通过柔性导电膜测得的电阻变化率动态信号与光纤测得的声振信号进行融合，云端预测预警模块基于上传的融合信号辨识出岩溶土洞发育活化或活化停止行为，并预测土洞发育活化速率与发育深度，从而能够针对渐进式塌陷破坏进行动态跟踪预警，并最终实现岩溶塌陷灾害的早期预警。其中，边缘分布式光纤声学传感解调模组通过声振信号感知土洞拱顶土块塌落行为，感知数据用于辨识土洞是否发育活化，并通过土洞上覆地层轻微变形所产生的声振效应预测土洞发育活化速率与发育深度；而柔性导电膜电阻动态信息可对土洞发育活化行为进行有效验证，电阻变化率动态信号与光纤声振信号的融合提高了辨识土洞发育活化行为的可靠性。
15、具体的，在聚合物测管设置多个监测断面，各断面等距离间隔，在每个监测断面上布置四个柔性导电膜，其中顶面、底面沿轴向各涂覆一组导电膜，用于感知测管拉压应变表征土洞发育时间与位置，两侧面斜向涂覆柔性导电膜感知测管剪切应变表征土洞发育两侧边界。背景技术提到的现有技术202111008923.8在侧面同时使用了斜向与环向涂覆导电膜。在实验中，环向导电膜所测得的电阻变化率信号对土洞发育时间与位置或土洞发育两侧边界表征信号欠敏感；同时发现，在具体应用场景中，在土洞扩大、土洞顶板不断向上发育时，测管产生沉降变形，但由于两侧所产生的环向应变较小，相较于顶底面的轴向涂覆与两侧的斜向涂覆的导电膜，侧面环向涂覆的导电膜所测得的电阻变化率幅值不明显，传感精度不足；故而由于其本身的数据准确性欠佳，数据融合后结果的准确性也受到影响，可能扩大了监测误差，本发明在研究得到上述原因的基础上省去效果不明显的侧面环向涂覆导电膜，可减小监测误差。
16、在土洞发育活化过程中，上覆土层发育有局部灾变事件如土块垮落、水（气）压力动态变化等，因此本发明引入声振信号，通过分布式光纤动态感知测管沿线声振信号并与电阻变化率动态信号进行多元数据融合，在既考虑地层变形又考虑内部声振特征的情况下，克服单一数据源所存在的局限性，提高感知结果的可靠性，实现土洞塌陷灾变前兆的早期辨识。此外，将光纤沿测管两侧中和轴封装于导槽中，由于测管两侧中和轴轴向应变接近为0，即使土洞持续发育导致测管产生较大弯曲变形也不会导致所封装的光纤被拉断；并且，通过封装使得光纤与测管耦合为一体，测管扩大了光纤与地层间的接触范围，提高了声振信号感知灵敏度。
1.一种岩溶塌陷分布式云边端协同融合预测预警系统，其特征在于，包括：聚合物测管、柔性导电膜阵列、光纤、边缘电阻变化率动态信号处理模组、边缘分布式光纤声学传感解调模组、边缘多元数据融合模组、云端预测预警模块；
2.根据权利要求1所述的岩溶塌陷分布式云边端协同融合预测预警系统，其特征在于，所述聚合物测管上设置多个监测断面，各断面等距离间隔，在每个监测断面上布置一组柔性导电膜，各个监测断面上的柔性导电膜共同形成所述柔性导电膜阵列；其中，一组柔性导电膜由沿轴向分别涂覆于所述聚合物测管顶面和底面的导电膜，以及分别斜向涂覆于所述聚合物测管两侧的导电膜构成；顶面和底面的导电膜用于感知测管拉压动应变表征土洞发育时间与位置，两侧面斜向的导电膜用于感知测管剪切动应变表征土洞发育两侧边界；每组柔性导电膜中的各电极通过导线连接到边缘电阻变化率动态信号处理模组。
3.根据权利要求2所述的岩溶塌陷分布式云边端协同融合预测预警系统，其特征在于，所述边缘多元数据融合模组基于空间定位进行融合，具体包括：对于任一监测断面，将各柔性导电膜的电阻信号数据通过卡尔曼滤波进行融合，得到该监测断面经融合后的导电膜数据，即数据一；边缘分布式光纤声学传感解调模组测得的光纤各通道的声振信号数据经预处理后，通过小波去噪对数据进行降噪，得到数据二；将该监测断面对应的数据一与邻近该监测断面的光纤通道的数据二进行多元数据融合，数据融合采用经泰勒级数分解后的经典粒子滤波方程。
4.根据权利要求2或3所述的岩溶塌陷分布式云边端协同融合预测预警系统，其特征在于，所述云端预测预警模块基于融合信号预测土洞发育活化速率与发育深度，具体包括：利用移动平均法将土洞顶板位移按时间序列分为趋势项与随机项，采用粒子滤波算法预测趋势项位移，采用经过麻雀算法优化模型超参数的xgboost算法预测随机项位移；所述趋势项位移和所述随机项位移共同构成土洞顶板累计位移预测值，最终根据所述多元数据融合的时间序列数据预测土洞发育活化速率与发育深度；
5.根据权利要求4所述的岩溶塌陷分布式云边端协同融合预测预警系统，其特征在于，在所述云端预测预警模块辨识出岩溶土洞发育活化时，控制边缘端提高信号采集频率；在所述云端预测预警模块辨识出岩溶土洞活化停止时，控制边缘端降低信号采集频率。
6.根据权利要求1-3任一所述的岩溶塌陷分布式云边端协同融合预测预警系统，其特征在于，所述聚合物测管为外径大于60mm的pe圆管，聚合物测管的长度大于1.5m；每段柔性导电膜长度大于40mm，宽度大于10mm。
7.根据权利要求1-3任一所述的岩溶塌陷分布式云边端协同融合预测预警系统，其特征在于，所述柔性导电膜为石墨烯基柔性导电膜，采用锌箔作为还原剂，利用置换反应还原氧化石墨烯，制备还原氧化石墨烯复合材料后添加到聚氨酯基质中，制备得到所述石墨烯基柔性导电膜。
