基于無線傳感網(wǎng)的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)

賈普仁 羅 剛 蘭 宇

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院通信工程學(xué)院，重慶 401331）

1 前言

近3年來，全國地質(zhì)災(zāi)害平均每年5423起，其中滑坡事故占比50%以上，給人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的隱患，因此,在進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)時(shí)需要更多的考慮邊坡的地質(zhì)條件對(duì)其穩(wěn)定性的影響及其變化趨勢。

2 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

邊坡監(jiān)測系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中端數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等三大部分組成，綜合運(yùn)用了傳感器與檢測、通信、計(jì)算機(jī)、巖土工程學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，集監(jiān)測、控制、通信功能于一體，通過一系列相關(guān)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡巖土體內(nèi)部位移、結(jié)構(gòu)傾斜、土壤濕度、雨量、孔隙水壓力及環(huán)境變化等數(shù)據(jù)的連續(xù)自動(dòng)化監(jiān)測。

邊坡監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)具備探測、匯集、傳輸、處理、發(fā)布、查詢功能的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)，通過工程技術(shù)與信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，對(duì)滑坡這一客觀事件進(jìn)行定量描述和各類監(jiān)測指標(biāo)的抽象化，對(duì)邊坡進(jìn)行科學(xué)化、可視化管理，為相關(guān)管理部門和公眾做出各種應(yīng)急對(duì)策、采取有效的行動(dòng)提供可靠的依據(jù)。

設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)前，充分挖掘出網(wǎng)絡(luò)的通信需求，有助于構(gòu)建高效，高質(zhì)量，且存活壽命長的通信系統(tǒng)。

2.1 實(shí)時(shí)性需求

邊坡監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的無人監(jiān)測，主要監(jiān)測邊坡滑坡現(xiàn)象，具體的監(jiān)測參數(shù)是巖體的位移。建立坡體結(jié)構(gòu)主要考慮三個(gè)方面的問題，即邊坡所在巖體的淺表層改造特征，自然營力對(duì)坡體淺層的作用程度和影響范圍，坡體地質(zhì)力學(xué)模型涉及的范圍。而要充分考慮這三個(gè)方面帶來的影響，需要首先進(jìn)行研究區(qū)的工程地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)勘查資料的分析。收集研究區(qū)的氣象，水文，地震，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)信息。其次還需要分析邊坡巖體的結(jié)構(gòu)特征，分析坡體淺表層改造形跡和自然營力形跡，分析坡體中的地應(yīng)力，地下水等因素的作用及影響規(guī)律。

因此，建立邊坡模型進(jìn)行滑坡監(jiān)測需要考慮較多方面，且要根據(jù)邊坡實(shí)際情況進(jìn)行特定分析，分析過程復(fù)雜且容易出錯(cuò)。這就要求邊坡監(jiān)測系統(tǒng)能夠輔助解決模型預(yù)測不準(zhǔn)的問題。也就是說一旦真實(shí)位移和預(yù)測位移的偏差超過一定范圍，邊坡監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時(shí)上傳真實(shí)位移數(shù)據(jù)，供地質(zhì)專家研究分析，改進(jìn)邊坡滑坡模型?？紤]邊坡在滑坡后期時(shí)，位移迅速，一旦預(yù)測的滑坡模型預(yù)測不準(zhǔn)，可能造成嚴(yán)重?fù)p失，因此要求邊坡監(jiān)測系統(tǒng)在預(yù)警后期，要能盡快的把危險(xiǎn)信息傳遞給相關(guān)人員進(jìn)行報(bào)警。

2.2 壽命需求

邊坡監(jiān)測系統(tǒng)除了擔(dān)負(fù)起邊坡滑坡監(jiān)測的任務(wù)，還需要定期上傳邊坡氣象，水文，邊坡表層位移，邊坡深層位移，溫度等相關(guān)參數(shù)，供地質(zhì)學(xué)家分析研究?？紤]到一年四季情況不同，一個(gè)分析周期最短時(shí)間為一年，即在一年內(nèi)的數(shù)據(jù)要能無丟失的上傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，因此邊坡監(jiān)測系統(tǒng)壽命要求一年以上。

2.3 可靠性需求

邊坡監(jiān)測系統(tǒng)要求整個(gè)系統(tǒng)有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，其上傳的數(shù)據(jù)要為真實(shí)數(shù)據(jù)。在邊坡監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)因?yàn)檫吰禄聦?dǎo)致?lián)p壞的前提下，其他節(jié)點(diǎn)仍然能夠正常工作并上傳數(shù)據(jù)。在邊坡監(jiān)測路段加入新增監(jiān)測節(jié)點(diǎn)后，原來的節(jié)點(diǎn)不受影響，不需要人為重新調(diào)整原來節(jié)點(diǎn)以配合新增節(jié)點(diǎn)加入系統(tǒng)，新增節(jié)點(diǎn)和原節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)正常 工作。

2.4 覆蓋面積需求

邊坡監(jiān)測系統(tǒng)要求所設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積要能達(dá)到實(shí)際邊坡監(jiān)測范圍的需求。

3 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測傳感器組成，主要功能是對(duì)位移、結(jié)構(gòu)傾斜、土壤濕度、雨量、孔隙水壓力等參數(shù)進(jìn)行感知和探測。其主要構(gòu)成設(shè)備是各型傳感器以及與傳感器相連的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。

3.2 中端數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

中端數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳的功能，由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和基站共同組成。

中端數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)面臨的問題主要是如何及時(shí)無誤的把監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)傳送給基站，由于實(shí)際現(xiàn)場受制于能源，無線發(fā)送功率，以及節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾等阻礙因素。有必要設(shè)定一個(gè)通信的規(guī)則，以此來約束各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的無線通信行為，使得整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信指標(biāo)滿足邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的需求。

3.3 后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由后臺(tái)服務(wù)器組成。其主要功能是將前端傳回到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息通過數(shù)學(xué)方法和相關(guān)程序處理和分析，研究邊坡運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，對(duì)發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警。其主要組成是邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和巖土工程學(xué)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用深度位移傳感器和結(jié)構(gòu)物傾斜狀態(tài)監(jiān)測傳感器對(duì)邊坡進(jìn)行精確位移計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)預(yù)警、遠(yuǎn)程調(diào)整監(jiān)測設(shè)備參數(shù)等功能，通過自組網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。通過對(duì)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)分析和地質(zhì)情況綜合研判，有針對(duì)性提出監(jiān)測點(diǎn)位是否出現(xiàn)滑坡異常，并進(jìn)行預(yù)警報(bào)告，有效地減少了因地質(zhì)災(zāi)害等問題帶來的人民生命財(cái)產(chǎn)損失。