崩塌災(zāi)害智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警的終端前置模式及其應(yīng)用

熊清遠(yuǎn)，楊 寧，鄭 勇，周 勇

(1.四川遠(yuǎn)德安防檢測(cè)設(shè)備有限公司，四川 自貢 643000；2.重慶市地理信息中心，重慶 401121；3.四川省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，四川 成都 610000；4.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610000)

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)作用發(fā)揮的好壞或效能的優(yōu)劣，取決于其“大腦”——系統(tǒng)“終端”對(duì)“前端”采集并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)回的各類(lèi)地災(zāi)異常信息的綜合處理能力的可靠性和預(yù)報(bào)預(yù)警的時(shí)效性[1-2]。傳統(tǒng)工作模式的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)終端受到通訊網(wǎng)絡(luò)異常的影響時(shí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)終端的分析處理響應(yīng)滯后、預(yù)警指令發(fā)送延遲或中斷，使整個(gè)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的作用和效能降低或喪失。因此，創(chuàng)建智能化終端“前置”于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)增強(qiáng)系統(tǒng)分析判斷可靠性和預(yù)報(bào)預(yù)警時(shí)效性的工作新模式，是提高地質(zhì)災(zāi)害智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)效能的有效途徑。

2017年9月1日上午8時(shí)40分，四川省自貢市榮縣雙古鎮(zhèn)五桐村發(fā)生一起中型地質(zhì)災(zāi)害，崩塌和滑坡體積達(dá)4×104m3，造成房屋垮塌83間，電線(xiàn)桿損壞20余根。由于該處地災(zāi)隱患點(diǎn)上安裝的智能化終端——“ 崩塌(滑坡)智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”在地災(zāi)發(fā)生前及時(shí)監(jiān)測(cè)到其前兆異常的發(fā)生時(shí)間、變化進(jìn)程及變化狀況，多次發(fā)出預(yù)報(bào)預(yù)警，使崩塌滑坡危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)涉及的群眾46戶(hù)180人成功避險(xiǎn)，無(wú)一例人員傷亡情況發(fā)生。成為崩塌災(zāi)害智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警終端前置的一個(gè)成功案例。

1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作模式

1.1 傳統(tǒng)工作模式

傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的工作模式見(jiàn)圖1?！扒岸恕眰鞲衅髫?fù)責(zé)采集地災(zāi)異常信息數(shù)據(jù)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)控制“終端”進(jìn)行分析處理、存儲(chǔ)、發(fā)送報(bào)警指令等。傳統(tǒng)工作模式的不足是：當(dāng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)“前端”與“終端”所依賴(lài)的通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不暢或中斷時(shí)，該系統(tǒng)的功能和作用的發(fā)揮就將受到影響甚至有失去效能的可能。

圖1 傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工作模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working mode of traditional geological disaster monitoring and warning system

1.2 終端前置的工作新模式

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工作新模式就是提高系統(tǒng)終端智能化水平并將智能終端“前置”(圖2)?，F(xiàn)場(chǎng)前置的集數(shù)據(jù)分析、處置、預(yù)警等功能于一體的智能化終端，可始終保障系統(tǒng)對(duì)地災(zāi)前兆異常的分析判斷可靠和預(yù)警及時(shí)有效。即通訊網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)系統(tǒng)工作正常(包括按要求將采集、處理的各類(lèi)數(shù)據(jù)信息發(fā)往遠(yuǎn)程的控制中心存儲(chǔ)備份)，通訊網(wǎng)絡(luò)異常甚至“斷網(wǎng)”時(shí)，除發(fā)往遠(yuǎn)程控制中心存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸功能受到影響外(網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后可自行恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ))，系統(tǒng)的分析處置、預(yù)報(bào)預(yù)警等功能均不受影響，依然能正常工作。

圖2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)智能化終端“前置”工作模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working mode of the “front” intelligent terminal of monitoring early warning system

2 應(yīng)用案例

2.1 監(jiān)測(cè)方案技術(shù)

榮縣雙古鎮(zhèn)五桐村崩塌隱患點(diǎn)有一個(gè)砂巖組成的70°～90°臨空面的崩塌體，在基巖山坡面上已發(fā)現(xiàn)許多垂直和水平方向的裂縫，寬度10～50 mm，高差70～80 m。估算該崩塌體的體積1.0×105m3以上。監(jiān)測(cè)技術(shù)方案設(shè)計(jì)與施工布置是：在既定的危巖體(裂隙)上部較穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)1套智能監(jiān)測(cè)預(yù)警終端(采用太陽(yáng)能供電)、3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和1個(gè)雨量監(jiān)測(cè)站。在危巖體(裂隙)下端，分別布設(shè)3個(gè)位移傳感器采集危巖體裂隙位移變化信息。位移傳感器通過(guò)3條地下暗埋測(cè)線(xiàn)與智能監(jiān)測(cè)預(yù)警終端相連。該監(jiān)測(cè)點(diǎn)坡下村民家中安放1個(gè)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)報(bào)警終端(留言報(bào)警喇叭)，山頂邊緣處增加一套無(wú)線(xiàn)中繼和一套GPRS增強(qiáng)天線(xiàn)，保障報(bào)警信息及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效傳遞。工程布置見(jiàn)圖3。

圖3 榮縣地災(zāi)點(diǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工程布置示意圖Fig.3 The schematic diagram of the engineering layout of the monitoring and early warning system for the disaster area of Rongxian County

2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備

本次采用的“滑坡(崩塌)智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”是具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集數(shù)據(jù)采集、控制、傳輸、預(yù)警(聲光警笛、短信、電話(huà))于一體的專(zhuān)利產(chǎn)品。該系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)的每秒實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、多預(yù)警閾值設(shè)置[3]、斷網(wǎng)也能監(jiān)測(cè)預(yù)警等功能，提高了預(yù)警的可靠性和時(shí)效性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障不能實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，監(jiān)測(cè)預(yù)警主機(jī)自動(dòng)將數(shù)據(jù)存貯在本機(jī)內(nèi)(最大可存貯69 632條記錄)，并發(fā)出網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的預(yù)警短信，待網(wǎng)絡(luò)正常后再將數(shù)據(jù)上傳到控制中心。

本次監(jiān)測(cè)預(yù)警參數(shù)設(shè)置：

①上網(wǎng)參數(shù)：

采用域名映射方式

采樣間隔：100 ms；

數(shù)據(jù)上傳時(shí)間間隔：7 200 s。

②預(yù)警閾值：

累計(jì)位移：200 mm；(0～600 mm范圍可調(diào))

變化速率：5 mm/min。(1～200 mm/ h可調(diào))

③報(bào)警方式：

現(xiàn)場(chǎng)喇叭：“危險(xiǎn)！請(qǐng)避讓……危險(xiǎn)！請(qǐng)避讓……”；

報(bào)警時(shí)長(zhǎng)：20 s，反復(fù)播放；

短信報(bào)警：累計(jì)位移或變化速率超過(guò)閾值時(shí)發(fā)送報(bào)警短信；

平臺(tái)報(bào)警：超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)顯示報(bào)警圖標(biāo)，并自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)上傳時(shí)間。

2.3 監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程

2.3.1預(yù)警之前

2016年8月完成該地災(zāi)隱患點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝。至2017年1月19日，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)一切正常未發(fā)生明顯位移變化。1月20日開(kāi)始，2號(hào)點(diǎn)傳感器監(jiān)測(cè)到有5 mm位移產(chǎn)生，因未超“位移”和“速率”預(yù)警閾值，屬正常安全狀態(tài)(圖4)。

圖4 數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖(1月6日～25日)Fig.4 Data graph (6～25 January)

2.3.2第一次預(yù)警

從2017年2月3日開(kāi)始，1～3號(hào)測(cè)線(xiàn)(點(diǎn))傳感器均監(jiān)測(cè)到較明顯的位移變化，至2月14日最大位移量已達(dá)18 mm。2月9日15點(diǎn)07分，當(dāng)3號(hào)點(diǎn)傳感器監(jiān)測(cè)到位移“變化速率”(從0 mm/min到9 mm/min)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值后，監(jiān)測(cè)終端及時(shí)發(fā)出了第一次預(yù)警。報(bào)警喇叭現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)發(fā)出了“危險(xiǎn)！請(qǐng)避讓。危險(xiǎn)！請(qǐng)避讓。…”的警示聲音，預(yù)警短信也同時(shí)分發(fā)到事前預(yù)設(shè)的相關(guān)管理人員手機(jī)中(圖5)。

自貢市國(guó)土局、榮縣國(guó)土局、雙古鎮(zhèn)等政府有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)接警后高度重視，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)勘察發(fā)現(xiàn)的塌陷、裂縫明顯加大加深，遇雨水沖刷很容易引發(fā)大規(guī)模山體垮塌地質(zhì)災(zāi)害且后果嚴(yán)重等實(shí)際情況，2月11日現(xiàn)場(chǎng)辦公決定直接處于危巖坡下的12戶(hù)人家共36人立即搬遷避險(xiǎn)。

圖5 數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖(2月3日～14日)Fig.5 Data graph (3～14 February)

2.3.3第二次預(yù)警

2017年7月16日19時(shí)38分，2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到突然變化的“異常速率”，其值超過(guò)了5 mm/ min的報(bào)警閾值，監(jiān)測(cè)終端啟動(dòng)了第2次預(yù)警。“危險(xiǎn)！請(qǐng)避讓…”的報(bào)警聲音在五桐村上空響起。至此次預(yù)警，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累位移計(jì)量均比前期增大，其中1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移累計(jì)達(dá)到78 mm；2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到192 mm；3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到85 mm(圖6)。

為便于監(jiān)測(cè)預(yù)警管理，根據(jù)監(jiān)測(cè)記錄和崩塌體裂縫變形實(shí)際，技術(shù)人員通過(guò)分析崩塌體變形情況，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)可能的發(fā)展趨勢(shì)作了預(yù)判后，將3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)位移預(yù)警閾值分別調(diào)整為300 mm、400 mm、300 mm，變化率預(yù)警閾值調(diào)整為21 mm/ min。

圖6 速率超限報(bào)警短信(7月16日)Fig.6 Velocity variation rate transfinite alarm message (16 July)

2.3.4第三次預(yù)警

隨著各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移累積量加速增大。8月21日9∶13～9∶21又有幾次位移累計(jì)量上限報(bào)警和速率報(bào)警情況發(fā)生。其中：1號(hào)點(diǎn)9∶14上限報(bào)警310；9∶16變化速率報(bào)警316。2號(hào)點(diǎn)9∶13上限報(bào)警402；9∶16變化速率報(bào)警424?，F(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音喇叭發(fā)出“危險(xiǎn)！請(qǐng)避讓……”的報(bào)警聲(圖7)。

圖7 位移累計(jì)超限與速率超限報(bào)警短信(8月21日)Fig.7 Displacement accumulative overlimit and velocity variation rate transfinite alarm message (21 August)

2.3.5第四次預(yù)警

2017年9月1日智能監(jiān)測(cè)終端第四次啟動(dòng)預(yù)警程序。

凌晨1時(shí)48分，監(jiān)測(cè)終端探測(cè)到3號(hào)點(diǎn)位移突變量超過(guò)閾值后立即啟動(dòng)當(dāng)天的第1次報(bào)警，“危險(xiǎn)！請(qǐng)避讓……”的報(bào)警聲音打破五桐村寂靜的夜晚。

2時(shí)43分，監(jiān)測(cè)預(yù)警終端又探測(cè)到1號(hào)崩塌監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移突變超閾值后，當(dāng)天的警報(bào)聲再次響起。

6時(shí)45分，監(jiān)測(cè)預(yù)警終端發(fā)現(xiàn)2號(hào)崩塌監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移突變量超閾值，啟動(dòng)了當(dāng)天的第3次報(bào)警。

2017年9月1日上午7時(shí)30分左右，崩塌體開(kāi)始出現(xiàn)零星的滾石，8時(shí)40開(kāi)始出現(xiàn)山崩，超過(guò)4×104m3的山體突然崩塌，大大小小的滾石散落在約26.7 hm2的地里，并引起山體滑坡(圖8)。

3 結(jié)語(yǔ)

四川省自貢市榮縣雙古鎮(zhèn)五桐村發(fā)生的“9·1”中型地質(zhì)災(zāi)害未造成人員傷亡，得益于崩塌災(zāi)害智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警終端前置的成功運(yùn)用。這個(gè)案例給我們的啟示是：

(1)政府支持是基礎(chǔ)。自貢市政府、市、縣國(guó)土資源部門(mén)高度重視地質(zhì)災(zāi)害的防治，注重運(yùn)用高科技、智能化手段實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警。并敢于加大對(duì)科學(xué)監(jiān)測(cè)方法技術(shù)的支持力度，投入專(zhuān)項(xiàng)資金在全市第一批地災(zāi)危險(xiǎn)形勢(shì)相對(duì)嚴(yán)峻的18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝了“滑坡(崩塌)智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”(榮縣雙古鎮(zhèn)五桐村地災(zāi)隱患點(diǎn)是其中之一)。

(2)監(jiān)測(cè)預(yù)警智能化終端“前置”是保障。“9·1”地災(zāi)點(diǎn)遠(yuǎn)離城區(qū)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施較差，雖然現(xiàn)場(chǎng)增加了一個(gè)天線(xiàn)放大器，仍然沒(méi)能完全解決GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線(xiàn)差的問(wèn)題。事后對(duì)監(jiān)測(cè)記錄的綜合分析也發(fā)現(xiàn)許多測(cè)量數(shù)據(jù)未能實(shí)時(shí)傳回控制中心，個(gè)別報(bào)警短信也有延遲的現(xiàn)象發(fā)生(最長(zhǎng)的達(dá)5 min)。是前置的智能化終端確保了地災(zāi)預(yù)報(bào)預(yù)警的及時(shí)有效。

(3)預(yù)警判斷形式多樣化是創(chuàng)新。地災(zāi)發(fā)生前的征兆往往有不同的表現(xiàn)，單一的以“位移量”作預(yù)警判斷標(biāo)準(zhǔn)的方式，在位移異常加快、加大但又未超過(guò)“預(yù)設(shè)”的預(yù)警閾值時(shí)，漏報(bào)險(xiǎn)情的情況就可能發(fā)生。在“9·1”地災(zāi)的整個(gè)監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程中，有“累計(jì)位移”超閾值報(bào)警，但更多的是系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)的“變化速率”判斷方式的報(bào)警。形式多樣的預(yù)警判斷方式的組合運(yùn)用，使得地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警判斷更精準(zhǔn)和更可靠。

圖8 監(jiān)測(cè)記錄和報(bào)警短信(9月1日)Fig.8 Monitoring records and alarm messages (1 September)

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳祥軍，王景春.地質(zhì)災(zāi)害防治[M].北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

CHEN Xiangjun, WANG Jingchun. Geological hazard control[M].Beijing: China Construction Industry Press，2012.

[2] 劉傳正.重大地質(zhì)災(zāi)害防治理論與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社，2009.

LIU Chuanzheng.Theory and practice of prevention and control of major geological disasters[M].Beijing: Science Press，2009.

[3] 李聰，朱杰兵，王斌，等.滑坡不同變形階段演化規(guī)律與變形速率預(yù)警判據(jù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，7(10):43-46.

LI Cong，ZHU Jiebing， WANG Bin, et al. Study on evolution law and early warning criterion of deformation rate in different deformation stages of landslide[J].Journal of Rock Mechanics and Engineering，2016，7(10):43-46.