分析基于無線傳感器網(wǎng)絡的分布式山體滑坡預警監(jiān)測

趙棟

摘要：山體滑坡是國內(nèi)山區(qū)常見、多發(fā)的一種地質災害，其帶來的后果十分嚴重，對山體滑坡進行預警監(jiān)測十分關鍵。隨著逐漸興起并快速發(fā)展的無限傳感器網(wǎng)絡，無線傳感器技術在多個領域中得到了廣泛應用。本文對山體滑坡無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求與結構進行了論述，分析了基于無線傳感器網(wǎng)絡的分布式山體滑坡預警監(jiān)測。

關鍵詞：無線傳感器；網(wǎng)絡；分布式；山體滑坡；預警監(jiān)測

一、 山體滑坡無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

在山區(qū)，山體滑坡經(jīng)常發(fā)生，造成了嚴重的人員傷亡與財產(chǎn)損失，對易發(fā)生滑坡的山體進行預警監(jiān)測具有重要意義

（一）山體滑坡無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求

需要監(jiān)測的山體易滑坡地區(qū)具有環(huán)境惡劣、危險性大、干擾嚴重、數(shù)據(jù)采集量大、機械化程度高以及對傳輸?shù)膶崟r性與可靠性要求高的特點，同時山體滑坡屬于突發(fā)性的事件。根據(jù)山體滑坡的上述特點，對監(jiān)測系統(tǒng)也有一定的要求：

第一，數(shù)據(jù)采集。無線監(jiān)測系統(tǒng)需要對所監(jiān)測的山體滑坡區(qū)域監(jiān)測到的信息進行自動采集，并能夠將模擬信號轉換為數(shù)字化信號。

第二，節(jié)點自組網(wǎng)。就是節(jié)點能夠自己組建一個網(wǎng)絡，并能夠將發(fā)現(xiàn)的路由進行建立，最后選擇最優(yōu)傳輸路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。當有新的節(jié)點加入或原有節(jié)點失效的情況發(fā)生時，其組建的網(wǎng)絡能夠進行自動維護，并對路由進行實時更新，對網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生的變化能夠及時應對，為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴峁┍ＷC。

第三，數(shù)據(jù)傳輸。以節(jié)點自組網(wǎng)為基礎，通過利用已經(jīng)建立好的無線路由，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的遠距離、多跳傳輸；通過選擇最優(yōu)的路徑，能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的延遲傳輸、跳數(shù)傳輸情況的發(fā)生，促進了其傳輸實時性的提高；為了節(jié)約能量，減少數(shù)據(jù)傳輸，應從實際情況出發(fā)，將其傳輸?shù)乃俣冗M行自動調整。

第四，數(shù)據(jù)的管理。遠程監(jiān)控中心通過進行存儲數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，從而有利于數(shù)據(jù)以表格、圖形的形式提供實時的顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢以及滑坡報警等功能的實現(xiàn)。

（二）監(jiān)測網(wǎng)絡的系統(tǒng)結構

基于無線傳感器網(wǎng)絡的分布式山體滑坡預警監(jiān)測系統(tǒng)的構成為大量傳感節(jié)點，且每一個節(jié)點又包括了應力計傳感器、數(shù)據(jù)采集板、電源與無限射頻芯片。通過在容易發(fā)生滑坡的山體表面放置一個應力計，這樣巖土壓力出現(xiàn)的應力數(shù)據(jù)就可以監(jiān)測出來。該系統(tǒng)在設計過程中，可以通過設計多個基站來保證系統(tǒng)的魯棒性較高，這樣就避免了一個基站節(jié)點毀壞影響到整個系統(tǒng)的運作，基站是通過控制中心與GPRS二者實現(xiàn)直接通信，它是特殊的節(jié)點。其作用就是根據(jù)一定的監(jiān)測算法實現(xiàn)對山體滑坡進行預警的功能，基站與普通的傳感器節(jié)點不同，它的計算能力更高、存儲資源更多。

有兩種方式進行滑坡監(jiān)測即第一，中心監(jiān)測。中心監(jiān)測是通過節(jié)點首先將原有的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)給簇頭，當簇頭接到各個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，簇頭就會通過多跳路將數(shù)據(jù)由協(xié)議發(fā)送給基站，這些數(shù)據(jù)就由基站進行分析處理，最后實現(xiàn)對山體滑坡的預警；第二，分布式監(jiān)測。分布式監(jiān)測是通過節(jié)點先簡單處理監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，從而獲得一個決策值，將該值發(fā)給簇頭，當簇頭接收各個節(jié)點發(fā)送的信息之后，再將信息轉發(fā)給基站，基站經(jīng)過計算，得出總的決策值，最后實現(xiàn)對山體滑坡的預警。

二、 滑坡的應力監(jiān)測

滑坡即受到重力作用，由巖土體構成的斜坡下部的軟弱面上發(fā)生了剪切作用而產(chǎn)生了整體運動的現(xiàn)象。所以相關監(jiān)測人員應該長期監(jiān)測滑坡體內(nèi)部的應力分布情況與應力分布變化，并進行有效分析，實現(xiàn)對山體滑坡的預警監(jiān)測。在進行應力變化的實驗測量時，可以選擇一個樣本即圓柱形巖土體，將應力計傳感器安裝在該巖土體的表層，通過給巖土體施加外部壓力，通過應力計能夠測量出其內(nèi)部應力發(fā)生的變化，通過應力計信號放大將此種變化輸出不一樣的電壓值。并將其作為數(shù)據(jù)采集板的輸入，同時將該采集板與射頻芯片相連，就構成了完整的一個傳感器節(jié)點。通過對多個樣本的反復操作，能夠模擬出實際監(jiān)測的環(huán)境，并運用線性回歸理論進行計算，根據(jù)最后測到的應力數(shù)據(jù)估計出臨界值，對山體滑坡預測提供幫助，當應力值大于臨界值時，山體滑坡就會產(chǎn)生。

三、 分布式山體滑坡預警監(jiān)測

以某仿真實驗為例，為了對分布式山體滑坡的整個監(jiān)測系統(tǒng)性能進行測試，用誤報率與漏報率這兩個與滑坡預測有關聯(lián)的重要指標進行說明，漏報率即山體發(fā)生滑坡事件之前，通過監(jiān)測算法對滑坡不發(fā)生的概率進行預測，而誤報率即山體沒有發(fā)生滑坡的情況下，對滑坡發(fā)生的概率進行預測，如果想要實現(xiàn)山體滑坡預測的準確性，漏報率和誤報率就應該達到最小數(shù)值，而且從一定程度上看，漏報率比誤報率更為關鍵。在該實驗中，還引進了信噪比（SUR），它指的是系統(tǒng)中噪聲、信號二者的比例，這里特指高斯白噪聲和采集信號之間的比例。正常來看，如果信噪比越大，那么混在信號中的噪聲則越小。在無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)中，信噪比一般為5dB～10dB之間，比較小。通過在不同信噪比下，對分布式監(jiān)測與中心監(jiān)測分別進行仿真實驗?？梢园l(fā)現(xiàn)分布式監(jiān)測的漏報率遠遠低于中心監(jiān)測的漏報率。

通過對分布式監(jiān)測算法進行的分析，與中心監(jiān)測算法相比，分布式的監(jiān)測法性能更優(yōu)，所以可以運用分布式監(jiān)測法對山體滑坡進行預測。

結束語

綜上所述，基于無線傳感器網(wǎng)絡的分布式山體滑坡預警監(jiān)測，實現(xiàn)了對山體滑坡的自動監(jiān)測、快速部署，同時該技術不需要大量的成本投入，所以無線傳感器技術優(yōu)于傳統(tǒng)技術。而其分布式監(jiān)測的方法相對于中心監(jiān)測的方法，性能更優(yōu)。通過對易發(fā)生滑坡的山體進行預警監(jiān)測，同時有效分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，避免發(fā)生山體滑坡而引發(fā)的重大災難、損失，因此該系統(tǒng)具有重要的實用意義與價值。（作者單位：核工業(yè)西南勘察設計研究院有限公司）

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