山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

陳羽玲 韓祖麗

摘要：我國是一個(gè)山體滑坡頻發(fā)的國家，經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民的生活因此遭受了嚴(yán)重的影響。本文主要基于滑坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)和巖石破裂理論，深入研究滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、利用機(jī)理，按照“指標(biāo)智能監(jiān)測、信號(hào)自主傳輸、險(xiǎn)情自動(dòng)預(yù)警”的設(shè)計(jì)理念，通過滑坡監(jiān)測預(yù)警設(shè)備的集成創(chuàng)新，研究一款由滑坡探測器、數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)站、監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)三部分構(gòu)成的滑坡智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，解決目前滑坡監(jiān)測預(yù)警設(shè)備集成度和智能化程度低、功耗大等難題，為抵御滑坡災(zāi)害提供一種新的監(jiān)測手段。

關(guān)鍵詞：滑坡;智能監(jiān)測;預(yù)警系統(tǒng)

一、研究背景

（一）我國地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)

我國疆域遼闊，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，且地質(zhì)災(zāi)害具有分布廣、類型多、頻度高、強(qiáng)度大等特點(diǎn)， 地震、崩塌、滑坡及泥石流等已經(jīng)成為對(duì)我國危害最大的地質(zhì)災(zāi)害，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來了重大威脅。根據(jù)2006年—2015年的全國地質(zhì)災(zāi)害公報(bào)，我國平均每年發(fā)生滑坡與泥石流地質(zhì)災(zāi)害2萬余起、傷亡1千余人、受災(zāi)人口90多萬，直接經(jīng)濟(jì)損失10億元以上。

（二）防災(zāi)減災(zāi)是國計(jì)民生

黨的十九大報(bào)告中明確提出要“加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治”。2018年10月，習(xí)近平總書記主持召開中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第三次會(huì)議，專門研究提高我國自然災(zāi)害防治能力問題，提出加強(qiáng)自然災(zāi)害防治關(guān)系國計(jì)民生，建立高效科學(xué)的自然災(zāi)害防治體系，提高全社會(huì)自然災(zāi)害防治能力。2011年國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治工作的決定》，指出地質(zhì)災(zāi)害的防治要加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警，完善監(jiān)測預(yù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)預(yù)警信息發(fā)布手段建設(shè)?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，將構(gòu)建重大地質(zhì)災(zāi)害保障體系作為重點(diǎn)領(lǐng)域。2003年國務(wù)院發(fā)布《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》，使地質(zhì)災(zāi)害防治有法可依。這些都為我們做好地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供了依據(jù)，指明了工作方向。

（三）當(dāng)前我國山體滑坡監(jiān)測技術(shù)需進(jìn)一步改進(jìn)

我國近年來大力推動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害的專業(yè)監(jiān)測預(yù)警工作，大量的地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測示范點(diǎn)得以建立，為防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮其監(jiān)測預(yù)警作用。目前，國內(nèi)外在山體滑坡監(jiān)測方面上主要監(jiān)測手段包括有：宏觀地質(zhì)監(jiān)測法、設(shè)站觀測法、全球定位系統(tǒng)法、遙感方法、鉆孔測斜儀法，以及新興的光電傳感監(jiān)測技術(shù)。雖然說這些方法、技術(shù)和儀器現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，但是都存在各種問題，有些測量精度不夠、有些需要人定期到現(xiàn)場進(jìn)行，使得滑坡監(jiān)測缺乏實(shí)時(shí)性。在很多情況下，不穩(wěn)定邊坡處于邊遠(yuǎn)地區(qū)，而暴雨、地震等誘發(fā)的滑坡也使得人員很難到達(dá)，尤其是在滑坡的臨發(fā)階段，人員到現(xiàn)場監(jiān)測可能存在危險(xiǎn)。同時(shí)，由于我國地質(zhì)災(zāi)害眾多，受制于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的欠缺，地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測在實(shí)施過程中也存在一些問題，如監(jiān)測設(shè)備不夠智能、監(jiān)測方案不夠科學(xué)、預(yù)警模型無法滿足需求等，使專業(yè)監(jiān)測預(yù)警的作用沒有完全發(fā)揮出來。2006～2015年10年間，我國成功預(yù)報(bào)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生累計(jì)僅9812次，成功預(yù)測率僅3.76%。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，為了提高滑坡預(yù)警的準(zhǔn)確性、時(shí)效性和降低監(jiān)測設(shè)備成本，國內(nèi)學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)滑坡監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行了深入的研究，并公布了很多具有實(shí)用性的專利和研究成果。

王念秦等[1]公開了一種坡體點(diǎn)位移運(yùn)動(dòng)方位監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法，該監(jiān)測儀包括方位監(jiān)測儀和數(shù)據(jù)處理模塊，方位監(jiān)測模塊包括殼體電子線路板、微控制器、第一無線通信模塊、三軸陀螺儀、三軸磁場傳感器和溫度傳感器;方位監(jiān)測模塊設(shè)置第一無線通信模塊，數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)置第二無線通信模塊，方位監(jiān)測模塊監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過第一無線通信模塊和第二無線通信模塊無線發(fā)送至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，便于方位監(jiān)測儀的安裝。實(shí)現(xiàn)坡體監(jiān)測點(diǎn)的方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測，操作簡單，監(jiān)測精度高。

張曉華[2]公開了一種山洪地質(zhì)災(zāi)害綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)包括預(yù)警平臺(tái)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括智能網(wǎng)關(guān)和多個(gè)監(jiān)測樁，監(jiān)測樁包括洪水監(jiān)測樁和振動(dòng)監(jiān)測樁，洪水監(jiān)測樁用于對(duì)洪水水位報(bào)警等級(jí)和樁體自身的傾斜角度進(jìn)行監(jiān)測，振動(dòng)監(jiān)測樁用于對(duì)樁體自身受沖擊導(dǎo)致的加速度和傾斜角度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測樁還具有現(xiàn)場告警功能，所述監(jiān)測樁的數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送到預(yù)警平臺(tái);通過RS485通信模塊采集現(xiàn)地雨量計(jì)的降雨量數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)地降雨量的監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整輪詢的時(shí)間;預(yù)警平臺(tái)將監(jiān)測數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)在GIS信息地圖中展示，同時(shí)還以Web形式對(duì)大眾進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警展示。

張飆、周叔一等[3]公開了一種實(shí)用的滑坡預(yù)警裝置，包括一個(gè)主控單元和多個(gè)滑坡傳感器。主控單元由無線接收模塊、微處理器、短息模塊、存儲(chǔ)模塊、聲光報(bào)警器、狀態(tài)指示模塊和接收天線構(gòu)成?；聜鞲衅饔蓹C(jī)械式雙軸傾角檢測模塊，無線發(fā)射模塊，天線和電池構(gòu)成。多個(gè)滑坡傳感器垂直于水平面埋入可能出現(xiàn)滑坡的現(xiàn)場的不同位置，各滑坡傳感器可設(shè)置不同的傾角閾值，且平時(shí)處于斷電狀態(tài)。主控單元安裝在滑坡點(diǎn)附近的人員家中或企事業(yè)單位內(nèi)或其它能夠不間斷供電的地方。機(jī)械式雙軸傾角檢測模塊兼做電源開關(guān)，平時(shí)不耗電，只有滑坡跡象出現(xiàn)時(shí)傾角閾值達(dá)到才觸發(fā)供電。采用長壽命堿性干電池供電，未出現(xiàn)滑坡時(shí)，滑坡傳感器可保證五年不用換電池;每個(gè)滑坡傳感器中的機(jī)械式雙軸傾角檢測模塊可以預(yù)設(shè)不同的傾角檢測閾值，在滑坡的蠕動(dòng)變形階段、急劇變形階段和滑動(dòng)階段都能發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

L. Zan 等[4]研制的“超前預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)”，能夠自動(dòng)監(jiān)測滑坡體內(nèi)的震動(dòng)噪音、孔隙水壓力、地表位移、降雨量等參數(shù)，并自動(dòng)激發(fā)警報(bào)程序發(fā)出滑坡災(zāi)害預(yù)警。

B. A. Reevea 等[5]利用In-SAR 技術(shù)，對(duì)露天礦巖石邊坡進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測目的是為了對(duì)經(jīng)常發(fā)生崩塌災(zāi)害的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，以此來判斷邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

R. Ohbayashi 等[6]提出應(yīng)用“感知節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”對(duì)滑坡體變形進(jìn)行監(jiān)測，該系統(tǒng)具有自我恢復(fù)、自動(dòng)控制和高效數(shù)據(jù)傳輸功能，避免自然災(zāi)害對(duì)傳感裝置的破壞。

三、我國滑坡監(jiān)測領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

在滑坡監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者的研究成果集中在滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理模型、數(shù)據(jù)處理軟件單一學(xué)科為主。研究中發(fā)現(xiàn)我國現(xiàn)行主流滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在以下方面有提升空間：

（一）滑坡監(jiān)測參數(shù)

滑坡監(jiān)測參數(shù)通?？蓜澐譃槲孱?。一是物理參數(shù)，實(shí)踐中將聲發(fā)射數(shù)和射氣量變化兩個(gè)指標(biāo)作為滑坡預(yù)報(bào)物理指標(biāo)。二是變形參數(shù)，各種試驗(yàn)證明，位移是一個(gè)容易測量和獲得的特征變量，它能夠反映巖土體的變形破壞特征。三是機(jī)理參數(shù)，滑坡機(jī)理預(yù)測參數(shù)指的是表示滑坡地質(zhì)災(zāi)害變形作用機(jī)理的參數(shù)。四是誘發(fā)參數(shù)，滑坡預(yù)報(bào)的誘發(fā)參數(shù)指的是誘發(fā)滑坡活動(dòng)的參數(shù)。降雨量、人工幵挖坡腳、地表水和地下水作用是其常用指標(biāo)。這些參數(shù)不是滑坡變形的本質(zhì)參數(shù)，但卻是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素。在宏觀上講，降雨量也可作為中長期預(yù)報(bào)的參數(shù)。五是間接參數(shù)，滑坡間接預(yù)報(bào)參數(shù)是指難以準(zhǔn)確量化的滑坡監(jiān)測指標(biāo)，通過特殊的理論分析，用定量的指標(biāo)表示分散且模糊不清的信息。

（二）供電問題

采用拉線方式給野外滑坡監(jiān)測設(shè)備供電的方式，施工難度大，長距離輸電會(huì)造成電壓不穩(wěn)定，受限較多;當(dāng)前許多監(jiān)測設(shè)備已升級(jí)采用光伏發(fā)電的供電方案，即通過立桿支架連接太陽能板，再配合大容量蓄電池組成供電模塊，確保設(shè)備長期監(jiān)測的用電需求，但在實(shí)際監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備零部件多、體積較大，增加了偏遠(yuǎn)山區(qū)運(yùn)輸?shù)碾y度，也使后期維護(hù)工作量大大增加。使監(jiān)測設(shè)備的供電模塊輕量化，功耗低，不依靠外部供電就能保證正常工作是未來研究的熱點(diǎn)。

（三）監(jiān)測頻率問題

目前主流的監(jiān)測設(shè)備為了節(jié)省設(shè)備功耗，無法實(shí)現(xiàn)不間斷監(jiān)測，以GNSS接收機(jī)為例，通常是0.5～2小時(shí)監(jiān)測一次，監(jiān)測頻率依靠人工設(shè)置，這將造成突發(fā)型滑坡和崩塌無法獲取有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，產(chǎn)生漏報(bào)預(yù)警信息的嚴(yán)重后果。

（四）數(shù)據(jù)傳輸問題

目前數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸主要包括有線和無線兩種方式。有線方式通常受滑坡監(jiān)測區(qū)域環(huán)境復(fù)雜、線路架設(shè)和電源供給難等限制， 使得有線系統(tǒng)部署起來非常困難，系統(tǒng)維護(hù)十分不便。無線方式對(duì)于遠(yuǎn)程無線傳輸，廣泛采用的是基于移動(dòng)通信技術(shù)的傳輸方式，包括 GPRS、CDMA 及 4G 網(wǎng)絡(luò)等;對(duì)于其他無線方式如北斗（BDS）GPS、GIS的數(shù)據(jù)采集終端， 成本高，衛(wèi)星數(shù)較少、分布不均衡，面向民用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用領(lǐng)域還存在一定的局限性。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷更新，我國行政村4G覆蓋率已經(jīng)超過98%，能夠滿足用戶對(duì)更大容量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)母咝耘c可靠性要求，也是本研發(fā)系統(tǒng)采用的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式。

四、山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

基于滑坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)和巖石破裂理論，深入研究滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、利用機(jī)理，按照“指標(biāo)智能監(jiān)測、信號(hào)自主傳輸、險(xiǎn)情自動(dòng)預(yù)警”的設(shè)計(jì)理念，通過滑坡監(jiān)測預(yù)警設(shè)備的集成創(chuàng)新，研制一款由滑坡探測器、數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)站、監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)三部分構(gòu)成的滑坡智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，解決目前滑坡監(jiān)測預(yù)警設(shè)備集成度和智能化程度低、功耗大等難題，為抵御滑坡災(zāi)害提供一種新的監(jiān)測手段。

（一）山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）滑坡探測器設(shè)計(jì)：根據(jù)“滑坡發(fā)生前，巖石的微小變形均會(huì)導(dǎo)致地磁感強(qiáng)度、磁偏角、磁傾角變化”的機(jī)理，通過監(jiān)測地磁變化作為預(yù)警滑坡發(fā)生的核心指標(biāo)?；绿綔y器采用工業(yè)塑料外殼，呈圓柱體，截面直徑8～10cm，高0.6～0.8m，內(nèi)部集成震動(dòng)傳感器、地磁場傳感器、傾角傳感器、加速度傳感、數(shù)據(jù)處理器、供電模塊、干電池、433MHz無線電通信模塊、定時(shí)開關(guān)控制器等元器件。

（2）數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)站設(shè)計(jì)，具備接收多個(gè)滑坡探測器信號(hào)、滑坡點(diǎn)判斷、報(bào)警器報(bào)警、險(xiǎn)情廣播、向監(jiān)控中心監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)等功能。翻斗式雨量計(jì)用于監(jiān)測降雨臨界值和土壤含水，作為判斷滑坡的輔助參數(shù)。

（3）監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具備接收數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)站數(shù)據(jù)、滑坡監(jiān)測模型動(dòng)態(tài)曲線、自動(dòng)呼叫險(xiǎn)情負(fù)責(zé)人、動(dòng)態(tài)顯示各滑坡探測器狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、警報(bào)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)收發(fā)接口管理、自動(dòng)生成報(bào)表、系統(tǒng)維護(hù)管理等功能。

（二）山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的創(chuàng)新性

（1）系統(tǒng)架構(gòu)及滑坡監(jiān)測工作方式

本項(xiàng)目對(duì)滑坡監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及滑坡監(jiān)測工作方式方面進(jìn)行了改革創(chuàng)新，特別是自主研發(fā)的滑坡探測器、數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)站、監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)三者集成度高，銜接性強(qiáng)、依次遞進(jìn);預(yù)警信息發(fā)布準(zhǔn)確、迅速;便于批量生產(chǎn)和推廣。

（2）滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器集成

根據(jù)“滑坡發(fā)生前，巖石的微小變形均會(huì)導(dǎo)致地磁感強(qiáng)度、磁偏角、磁傾角變化”等研究成果，提出在滑坡探測器內(nèi)集成傳感器作為數(shù)據(jù)采集器，以地磁場為核心監(jiān)測指標(biāo)，通過監(jiān)測地磁變化等作為預(yù)判滑坡的監(jiān)測工作方式;突破當(dāng)前市場主流滑坡監(jiān)測器采用GNSS接收機(jī)作為數(shù)據(jù)采集器，依托衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)變化為監(jiān)測指標(biāo)，僅在較大滑坡發(fā)生時(shí)才警報(bào)的工作方式。

（3）滑坡探測器供電方式

滑坡探測器采用分級(jí)觸發(fā)式供電，通過供電模塊創(chuàng)新，使滑坡探測器僅需電池供電，解決困擾監(jiān)測行業(yè)多年的供電問題。

（4）信號(hào)傳輸方式

數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)站設(shè)計(jì)，具備接收多個(gè)滑坡探測器信號(hào)、滑坡點(diǎn)判斷、報(bào)警器報(bào)警、險(xiǎn)情廣播、向監(jiān)控中心監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)等功能。工作原理：無線電接收模塊接收滑坡探測器信號(hào)→數(shù)據(jù)處理模塊判定滑坡發(fā)生點(diǎn)的位置和預(yù)警級(jí)別→觸發(fā)安裝在數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站上的報(bào)警器或廣播，播報(bào)預(yù)警信息（若未達(dá)到相應(yīng)預(yù)警級(jí)別則不警報(bào)，直接將信號(hào)傳遞至下一級(jí)）→4G移動(dòng)通信模塊將滑坡探測器代碼和磁偏角、傾斜角、加速度參數(shù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng);若為滑坡探測器的每日自檢信號(hào)，數(shù)據(jù)處理模塊直接通過4G通信模塊將自檢信號(hào)發(fā)送給監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)。翻斗式雨量計(jì)用于監(jiān)測降雨臨界值和土壤含水，作為判斷滑坡的輔助參數(shù)。安裝方法：安裝在滑坡監(jiān)測點(diǎn)附近的居民區(qū)或邊坡的高位，通過地腳螺絲與地面固定牢。

通過無線電信號(hào)傳輸模塊和4G通信模塊的組合，保證信號(hào)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)傳輸，解決了GNSS接收機(jī)采用GPS傳輸模塊因信號(hào)不穩(wěn)定導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲、中斷等問題。與市面上同類產(chǎn)品相比，成本更低、監(jiān)測范圍更廣，受氣候條件影響小。

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