基于物聯(lián)網(wǎng)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

張衛(wèi)，徐均，李奇，賈婧，劉紅義，岳鐵鑄

（北京京航計算通訊研究所，北京100074）

引 言

在強降雨的誘發(fā)下，滑坡、崩塌、泥石流、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，資料表明，由暴雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的概率約占85%，其中近95%的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在暴雨開始的10小時以后，86%的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在強降雨開始的24小時以后［1］。無論在暴雨過后多長時間發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，往往和監(jiān)測區(qū)域的有效降水量、河道水流情況、地質(zhì)條件等密切相關(guān)。由于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性、隨機性，以及短時間內(nèi)能造成巨大損失的特點，傳統(tǒng)模型并不能實時準確地預(yù)測監(jiān)測區(qū)域的危險系數(shù)。本系統(tǒng)能根據(jù)降雨型滑坡形成機理，將無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用到滑坡等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測模型中，從而全面地感知監(jiān)測區(qū)域的多維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)動態(tài)預(yù)警的同時提高了預(yù)警準確性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

針對山區(qū)復(fù)雜地形，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用特點，特提出基于物聯(lián)網(wǎng)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由前端無線感知網(wǎng)絡(luò)、中間傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理中心等組成。其中前端感知網(wǎng)絡(luò)負責(zé)實時感知監(jiān)測區(qū)域的動態(tài)變化，為合理決策提供科學(xué)依據(jù)；中間傳輸網(wǎng)絡(luò)部分主要包括GPRS無線傳輸和IP網(wǎng)絡(luò)通信等，負責(zé)把前端無線感知網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)包傳送至遠端的數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心具有數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計、數(shù)據(jù)建模、模糊判斷、數(shù)據(jù)共享等功能。同時，系統(tǒng)可以通過網(wǎng)站信息、應(yīng)急短信、電話、LED 顯示屏發(fā)布相關(guān)預(yù)警信息。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)資料分析與專家意見，將滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的影響因子主要劃分為誘發(fā)因子與地質(zhì)條件兩大類，具體的影響因子如表1所列［2］。其中，外在誘發(fā)因子主要指有效降水量和水流情況，而內(nèi)在地質(zhì)條件主要包括斷層裂縫、靠近水域、地質(zhì)巖性、地貌起伏度、高程等。根據(jù)影響因子與相關(guān)技術(shù)建立有效的預(yù)警模型，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的實時預(yù)警。

表1 滑坡等地質(zhì)災(zāi)害影響因子

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

2.1 利用ZigBee技術(shù)互聯(lián)通信

某一監(jiān)測點內(nèi)部采用ZigBee技術(shù)進行組網(wǎng)通信，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的全方面感知與控制。ZigBee WiFi、Bluetooth、GPRS／GSM 等常用無線通信技術(shù)的具體參數(shù)如表2所列。ZigBee具有成本低、體積小、功耗低、易于擴展、感應(yīng)性強等特點［3］?？紤]到降雨型滑坡系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多、數(shù)據(jù)傳輸量不大，但覆蓋面相對較廣的特點，感知區(qū)域適合采用ZigBee技術(shù)進行互聯(lián)通信。

表2 常用無線通信技術(shù)參數(shù)

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是一個微型嵌入式系統(tǒng)，是構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與信息傳輸系統(tǒng)的基本單元，它能在較小的體積內(nèi)集成多種功能，如數(shù)據(jù)采集、信息處理和無線數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般由處理器模塊、ZigBee通信模塊、能量供應(yīng)模塊、傳感器模塊（協(xié)調(diào)節(jié)點可沒有傳感器模塊）等模塊構(gòu)成。其中傳感器模塊作為整個系統(tǒng)的“感知器官”，負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊作為整個節(jié)點的“大腦”，主要負責(zé)對傳感器模塊、ZigBee通信模塊的控制及整個節(jié)點的協(xié)調(diào)等；ZigBee通信模塊作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的“耳朵＋嘴巴”，負責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行無線數(shù)據(jù)通信。其中終端節(jié)點僅包含Zigbee通信模塊，協(xié)調(diào)器節(jié)點包含ZigBee通信模塊和GPRS數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；能量供應(yīng)模塊則是節(jié)點的“心臟”，為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各個組成部分提供足夠的動力和能量。

根據(jù)實際功能需求及部署特點，采用星型的無線網(wǎng)絡(luò)分布模型，具有組網(wǎng)簡單快捷、數(shù)據(jù)傳輸快等特點。在該模型下只需設(shè)計兩類節(jié)點：終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，其結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)收集小范圍內(nèi)終端節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)信息，而終端節(jié)點主要負責(zé)信息采集并實時發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量供應(yīng)設(shè)計方面，由于協(xié)調(diào)器節(jié)點既要負責(zé)收集整個Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)的信息，又要將數(shù)據(jù)包通過GPRS 模塊轉(zhuǎn)發(fā)出去，需要較大的功率，可采用太陽能或線路供電等模式。而終端節(jié)點只需要定時將采集的數(shù)據(jù)包發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，然后就迅速進入睡眠狀態(tài)，其功率較小，可采用電池單獨供電，或者通過線路與協(xié)調(diào)器節(jié)點共用供電系統(tǒng)。

圖2 終端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的操作系統(tǒng)選擇方面，考慮到節(jié)點的任務(wù)量相對少，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求較高，系統(tǒng)可選用一些實時性較強、可移植、可固化、可裁剪、搶先式多任務(wù)內(nèi)核的操作系統(tǒng)，如Tiny OS、μC／OS-II等。

2.3 傳感器的全面感知

在監(jiān)測區(qū)域選擇性部署電子自動雨量計，并在已發(fā)生（潛在發(fā)生）滑坡、泥石流所經(jīng)河道的水壩前設(shè)置多個孔洞，每個孔洞下端部署一個液位傳感器，在不同深度部署數(shù)個液體流速傳感器，實時采集監(jiān)測區(qū)域降雨及河道水流信息。其中，測量的有效降雨量作為山體滑坡危險度的第一指標，河道水位深度及流速作為輔助指標。同時，在易發(fā)斷層裂縫處部署多個縫距傳感設(shè)備，測量地表裂縫分割體之間相對張開、閉合、位錯及垂直向升降的變化量，從而全面感知監(jiān)測區(qū)域的動態(tài)變化。

3 預(yù)警模型

3.1 影響因子分析

在地形較為復(fù)雜的山區(qū)，降雨型滑坡等地質(zhì)災(zāi)害一般由一系列外在誘發(fā)因子和內(nèi)在地質(zhì)條件等影響因子共同作用誘發(fā)產(chǎn)生。由于各因子在誘發(fā)災(zāi)害過程中的作用程度不同，內(nèi)在則表現(xiàn)為各影響因子在數(shù)據(jù)模型中所占權(quán)重不同。由于很難獲取大量的歷史滑坡統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文結(jié)合相關(guān)資料，相關(guān)影響因子權(quán)值采用主觀賦權(quán)法（也稱為專家賦權(quán)法）來確定，即通過一定方法綜合各位專家對各指標給出的權(quán)重進行的賦權(quán)。經(jīng)統(tǒng)計，各影響因子的權(quán)重調(diào)整范圍及初始值分配如表3所列。

表3 各級影響因子權(quán)重分配

（1）影響因子

研究表明降雨對山體滑坡的誘發(fā)作用，不僅取決于當(dāng)日降雨量，還和近期降水量、河道水流等情況密切相關(guān)。系統(tǒng)利用部署的電子雨量計實時測量降水量r，在河道中安裝液位傳感器，測量數(shù)據(jù)為h。近期滑坡等地質(zhì)災(zāi)害有效降水量Re是指近期各日降雨量（M 天內(nèi)）與其影響系數(shù)乘積之和，而有效估計降水量R為有效降水量Re、近期（次日）預(yù)計降水量Rf和各自影響系數(shù)乘積之和，具體計算公式為：

其中i表示雨期距今天數(shù)，i＝0表示當(dāng)天，i＝1表示前一天，Ri為某天降水量（當(dāng)天降水量可以分時統(tǒng)計）；αi為該天的降水影響系數(shù)，考慮到持續(xù)型降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的滯后性，隨著計算雨量日期的前移，系數(shù)αi逐漸減??；β1和β2分別為有效降水量、近期預(yù)計降水量的影響因子。結(jié)合近期發(fā)生泥石流時的平均警戒有效降水量Rav、河壩的警戒水位高度H，參照公式（3）聯(lián)合估計有效降雨所產(chǎn)生的不穩(wěn)定分值f。

其中，參數(shù)λ1、λ2、K1、K2均為可調(diào)整參數(shù)，K1、K2初始值為1。

（2）地質(zhì)巖性

根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)測繪圖，并結(jié)合實地考察，對各個監(jiān)測點的地質(zhì)巖性進行量化，初步劃分為4 個等級，即V1松散巖組、V2粘軟巖、V3中硬巖組、V4堅硬巖組［1］。

（3）到水系距離

滑坡等地質(zhì)災(zāi)害與到周邊水系（如湖泊、池塘、水庫、較大河流等）的有效距離有著比較緊密關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計，距水系的有效距離越近，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的頻率越高。系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測區(qū)域地質(zhì)地圖等資料，計算監(jiān)測點距周邊水系的有效距離。

（4）高 程

可以利用監(jiān)測區(qū)域的GIS地圖，對前段監(jiān)測區(qū)域的高度進行統(tǒng)計。根據(jù)高程對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害影響的程度和實際情況，初步將高程劃分為3個等級，即500 m 以下、500～1000m、1000m 以上。

（5）地貌起伏度

地貌起伏度反映地表起伏變化，常指某一確定面積（監(jiān)測區(qū)域）內(nèi)最高點和最低點海拔高度之差?？梢岳肎IS等技術(shù)建立數(shù)字高程模型，提取地貌起伏度、坡度和坡向等地形參數(shù)。將監(jiān)測區(qū)域地貌分為：H1平坦起伏（0～50m）、H2小起伏（50～100m）、H3中起伏（100～300 m）、H4山地起伏（300～600 m）、H5 高山起伏（600～1500m）等。由于極高起伏地區(qū)的人類活動稀少，不在統(tǒng)計范圍內(nèi)。

此外，要在易發(fā)斷層觸發(fā)帶安裝裂縫器以測量裂縫的情況，全面感知潛在誘發(fā)因子。由于裂縫和地質(zhì)附著力等地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)，此部分要結(jié)合實際情況而定。

3.2 多維權(quán)重組合模型

在組合型數(shù)據(jù)模型中，需要在一定范圍內(nèi)調(diào)整一階因子權(quán)值，使其和為1。任取二級因子網(wǎng)格單元k，其所屬的一級因子的權(quán)值為wi，針對實際測量情況，在一級因子確定的情況下，量化其二級因子，確定歸于或者相近于哪一具體子集，從而確定二級權(quán)值，即確定j值。例如，在一級影響因子地質(zhì)巖性的范圍內(nèi)，經(jīng)過查閱GIS等勘測資料和實地考察等方式，確定最接近于二級子集v1、v2、v3、v4中的哪一種，從而選擇合適的二級權(quán)值。對于組合了各二級因子的網(wǎng)格單元k，定義其不穩(wěn)定分值Si＝wi·，然后根據(jù)各級不穩(wěn)定分值確定滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性指數(shù)（LandsLide Susceptibility Index，LSI）。

LSI是評估監(jiān)測區(qū)域的最敏感性指標，值越大，發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的概率越大，當(dāng)其超過某具體閥值，就會提前預(yù)警。

3.3 數(shù)據(jù)分析

按照上述公式（1）～（4），計算各個監(jiān)測點的LSI，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性指數(shù)將檢測區(qū)域劃分為極輕微、輕微、中等、較嚴重、嚴重、極嚴重6級，并用不同顏色進行標記，然后采用等間距、均值-標準差等方法，實時（間隔固定時間，如半小時繪制一次）繪制整個監(jiān)測區(qū)域的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害危險系數(shù)預(yù)警圖，從而實現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報的精細化管理。

在數(shù)據(jù)建模方面，采用了自調(diào)整的動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用歷史數(shù)據(jù)或者實施過程中逐步獲取的數(shù)據(jù)，對模型的自身結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)規(guī)則進行了動態(tài)優(yōu)化，調(diào)整各級權(quán)重，使模型達到最優(yōu)，從而使得系統(tǒng)具有更強的適應(yīng)性和準確性。

結(jié) 語

本文在原有模型的基礎(chǔ)上進行改進，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)實時感知監(jiān)測區(qū)域的多種指標，運用多因素動態(tài)聯(lián)合建模，采用定量分析法，對降雨型滑坡等地質(zhì)災(zāi)害進行相對準確預(yù)報。系統(tǒng)根據(jù)每個監(jiān)測點的LSI，利用相關(guān)方法繪制整個監(jiān)測區(qū)域的危險系數(shù)預(yù)警圖。對于超過閾值的，立即報警，有效預(yù)防和避免了地質(zhì)災(zāi)害，保護人民生命財產(chǎn)安全。

系統(tǒng)具有高集成度、高精度、全天候自動化實時監(jiān)測與自動預(yù)警的能力，同時還具有監(jiān)測范圍大、部署靈活的特點。在指導(dǎo)降雨型滑坡的防災(zāi)與減災(zāi)方面具有較強的實用價值。

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