基于物聯(lián)網(wǎng)公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)研究

韓建超 張亮 任凱珍 胡福根

摘? 要：依據(jù)北京山區(qū)公路沿線的地質(zhì)災(zāi)害特征，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的北京地區(qū)公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的框架，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、崩塌監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)及信息服務(wù)與共享子系統(tǒng)組成，采用C/S模式和B/S模式的雙模式運行。根據(jù)多年北京突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查情況，選取密云區(qū)硫辛路崩塌多發(fā)路段進(jìn)行研究與應(yīng)用，監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)位移變形、傾斜度、落石報警、降雨量等野外數(shù)據(jù)采集，室內(nèi)數(shù)據(jù)管理分析、監(jiān)測預(yù)警、信息服務(wù)與共享等功能。根據(jù)硫辛路崩塌災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查資料與國內(nèi)典型崩塌監(jiān)測預(yù)警經(jīng)驗確定研究區(qū)單因子判據(jù)及綜合判據(jù)，包括臨界雨量、裂縫變形量、裂縫變形速率、傾斜度變化量以及崩塌發(fā)育過程中的宏觀異?，F(xiàn)象，為北京市地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)決策，提供一定的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 北京;高邊坡;崩塌;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

Research on Geological Hazard Monitoring System of Highway Slope

based on Internet of? Things

HAN Jianchao， ZHAN Liang， REN Kaizhen， HU Fugen

（Geological Institute of Beijing， Beijing 100120）

Abstract： Based on the analysis of the characteristics of geological hazard along Beijing highway， this paper puts forward the framework of geological disaster monitoring system for high slope along Beijing highway based on Internet of things technology， which is composed of data acquisition subsystem， data management subsystem， collapse monitoring and early warning subsystem and information service and sharing subsystem. The system is operated in hybrid mode of C/S mode and B/S mode. According to the emergency investigation of sudden geological disasters in Beijing for many years， the Liuxin Road in Miyun is selected to conduct the demonstration research and application. The monitoring system can realize the functions of displacement and deformation， inclination， rockfall alarm， rainfall and other field data collection， indoor data management and analysis， monitoring and early warning， information service and sharing. According to the emergency investigation data of Liuxin Road collapse disaster and the experience of typical collapse monitoring and warning in China， the single factor criterion and comprehensive criterion of the demonstration area are determined， including critical rainfall， fracture deformation amount， fracture deformation rate， gradient variation and macroscopic abnormal phenomena in the process of collapse development. It provides certain technical support for disaster prevention and reduction decision-making of geological disaster in Beijing.

Keywords： Beijing; High slope; Collapse; Internet of things technology; Geological hazard monitoring

0 前言

北京地處兩條山脈交匯處，地形、地質(zhì)條件和構(gòu)造相對復(fù)雜，降水時空分布不均，人類工程活動頻繁，故北京的地質(zhì)環(huán)境相對較脆弱，地質(zhì)災(zāi)害種類多，群發(fā)性強（趙忠海，2009）。公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害包含多種類型，如滑坡、泥石流、崩塌等（何傳琦，2019），其中，崩塌是北京山區(qū)最常見的一種地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)北京市規(guī)劃與自然資源委官方公布數(shù)據(jù)，截至2019年6月，共有2609處崩塌隱患，占地質(zhì)災(zāi)害隱患的51.8%，主要威脅道路和居民點，其中大于20m的高邊坡約占46%（北京市地質(zhì)研究所，2014）。高邊坡地質(zhì)災(zāi)害其危害性更大、治理費用更高，高邊坡監(jiān)測系統(tǒng)研究刻不容緩。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是遵照一定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)并利用傳感器及通訊等技術(shù)，將物品與互聯(lián)網(wǎng)相連，可進(jìn)行信息交換，具有感知、傳遞及處理數(shù)據(jù)功能的一種網(wǎng)絡(luò)（黃健，2015）?；谖锫?lián)網(wǎng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)包括室外現(xiàn)場布設(shè)的傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通訊模塊，室內(nèi)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布系統(tǒng)軟件等（周平根，2012）。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中得到了廣泛的應(yīng)用與研究。

本次研究以北京山區(qū)公路高邊坡廣泛分布的崩塌災(zāi)害為例，應(yīng)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通訊技術(shù)實時、動態(tài)的獲取和傳輸監(jiān)測信息，利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)挖掘監(jiān)測對象的變化規(guī)律，對大量的多源實時數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)對災(zāi)害體的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)布監(jiān)測預(yù)警信息，建立一套完整的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，對北京突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供決策支持，為北京建設(shè)世界城市地質(zhì)安全領(lǐng)域工作打下堅實的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是以計算機硬件與網(wǎng)絡(luò)通信平臺為依托，以數(shù)據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、信息化機構(gòu)以及實時采集數(shù)據(jù)為保障，以數(shù)據(jù)管理、配置管理、服務(wù)引擎為支撐構(gòu)建的分析評價、預(yù)警與輔助決策、綜合分析系統(tǒng)。

監(jiān)測系統(tǒng)采用雙模式運行，C/S模式和B/S模式。C/S模式作為系統(tǒng)的主要開發(fā)與應(yīng)用模式，用戶使用系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)訪問各項授權(quán)功能，B/S模式作為Web服務(wù)開發(fā)與應(yīng)用模式。

系統(tǒng)建設(shè)的總體框架分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)庫層、軟件支撐層、業(yè)務(wù)組件層、系統(tǒng)應(yīng)用層（圖1）。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的各類功能與應(yīng)用均以公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)庫為核心，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、崩塌監(jiān)測預(yù)警、信息服務(wù)與共享等功能（圖2）。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要用來采集和接收野外實時監(jiān)測設(shè)備返回各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以文件形式或數(shù)據(jù)庫實體形式保存到數(shù)據(jù)庫中，并在各相關(guān)部門之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，為后續(xù)的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與智能預(yù)警、信息發(fā)布、信息共享與集成等打開豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)（圖3）。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是保證公路高邊坡地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時效性、完整性的管理平臺，它是目標(biāo)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正確、及時的預(yù)警、預(yù)測分析的重要保障手段之一。管理員通過圖形用戶界面調(diào)用后臺的各種數(shù)據(jù)管理組件，通過數(shù)據(jù)庫訪問引擎與后臺數(shù)據(jù)庫或原始文件進(jìn)行交互，能夠完成各類監(jiān)測信息和其他輔助信息的增加、更新、導(dǎo)出等功能，并且可以完成災(zāi)害預(yù)測分析業(yè)務(wù)相關(guān)的其他屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)的管理工作，并可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化、系統(tǒng)化的檢查與糾正（圖4）。

崩塌監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)依據(jù)高邊坡地質(zhì)監(jiān)測及智能預(yù)警需求，結(jié)合地質(zhì)背景及野外監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，建立精確的地質(zhì)災(zāi)害智能預(yù)警模型，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報、風(fēng)險性決策分析等，并可以將這些信息自動發(fā)送給相關(guān)管理部門（圖5、圖6）。

信息服務(wù)與共享子系統(tǒng)可以自動生成各類監(jiān)測分析結(jié)果、預(yù)警預(yù)報、風(fēng)險分析等各類信息，并可以自動或半自動地向公眾發(fā)布多種信息，為出行選擇、人身安全保證等提供重要信息，發(fā)揮重要的參考價值。

3 崩塌預(yù)警初探

根據(jù)崩塌災(zāi)害孕育特征，重點關(guān)注崩塌發(fā)生的時空范圍內(nèi)的各類臨界特征，如崩塌發(fā)展過程中自身所表現(xiàn)出的位移變化，外在的降雨強度、人工擾動等環(huán)境因素變化;目前，廣泛采用的預(yù)警判據(jù)分為單因子判據(jù)和綜合判據(jù)，單因子判據(jù)是僅考慮一種變量臨界變化，如臨界雨量、最大位移量等，綜合判據(jù)則考慮多變量臨界變化，如雨量、裂縫位移變化和崩塌災(zāi)害發(fā)生前表現(xiàn)出的宏觀前兆進(jìn)行綜合判斷等（劉造保，2010）。

選取監(jiān)測路段在歷史上發(fā)生過二次崩塌，其中密云琉辛路監(jiān)測路段于2005年8月15日1時38分發(fā)生崩塌災(zāi)害，崩塌處巖石邊坡距離公路路面高約50m，崩落的巖石堵塞道路，沖垮路基，崩塌堆積體形成長約100m，寬約60m，高約25m的巖堆，總方量約10000余立方米，其中最大落石約15×8×8m3。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)生崩塌的巖體陡坡近垂直，巖石垂直解理裂隙發(fā)育，巖性為片麻狀花崗巖，屬火山侵入巖（圖7）。

結(jié)合監(jiān)測路段災(zāi)害發(fā)育特征，選取降雨量、裂縫變形量、裂縫變化速率、危巖體傾斜度變化量4種指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。并依據(jù)自然資源部和中國氣象局制定的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分級，考慮邊坡體的穩(wěn)定狀況、可能危害程度與損失大小、時間的緊迫性及及其相關(guān)影響因素，將崩塌災(zāi)害預(yù)警按可能發(fā)生的概率大小排序分為注意、警示、警戒、警報4級，把這4級分別以藍(lán)色、黃色、橙色、紅色予以標(biāo)識。

降雨強度預(yù)警閥值的確定參考國內(nèi)外典型崩塌發(fā)生時的降雨閥值，結(jié)合研究區(qū)實際發(fā)生崩塌災(zāi)害時的降雨量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，擬定崩塌的降雨量預(yù)警指標(biāo)，為崩塌在汛期的預(yù)警工作提供一定依據(jù)（表1）。

因在安裝監(jiān)測設(shè)備后，監(jiān)測點未出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，降雨量、裂縫變形量、裂縫變化速率、危巖體傾斜度變化量的閥值確定，參考國內(nèi)典型崩塌監(jiān)測項目經(jīng)驗以及研究區(qū)的實際情況（金海元，2011;劉明鑫，2014），對各預(yù)警指標(biāo)設(shè)置不同的預(yù)警閾值，但適用于本區(qū)域的預(yù)警閥值仍需進(jìn)一步的試驗研究完善，為北京市的崩塌預(yù)警提供更加有效的技術(shù)支持。

綜合判據(jù)，除考慮上述定量指標(biāo)外，還應(yīng)結(jié)合群測群防，根據(jù)崩塌變形過程中出現(xiàn)的異常表現(xiàn)做出宏觀上的判斷。如局部裂縫出現(xiàn)延長、加寬并產(chǎn)生新的裂縫或局部出現(xiàn)小塊石崩落都有可能是新的崩塌事故發(fā)生的前兆，應(yīng)及時做好預(yù)警預(yù)防工作。

4 結(jié)論

本次研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，并根據(jù)多年北京突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查選取硫辛路崩塌多發(fā)路段為研究區(qū)，利用多種傳感器實時獲取崩塌特征指標(biāo)，運用多因素動態(tài)聯(lián)合建模，確定現(xiàn)階段崩塌地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警模型，設(shè)立閥值，對于超過閥值的，立即預(yù)警，有效躲避災(zāi)害。

基于物聯(lián)網(wǎng)公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)研究為北京市建立全面的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺奠定了堅實的基礎(chǔ)，為北京市汛期防汛減災(zāi)及開展相關(guān)領(lǐng)域研究具有重要的參考意義。

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