鄭汴新區(qū)地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測系統(tǒng)方案改進探討

張鴻祥，劉平利，劉家橘，王傳先

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院 河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)科學研究所，河南 鄭州 450001）

隨著我國城鎮(zhèn)化率的不斷提高，城鎮(zhèn)的建設(shè)區(qū)域在不停的快速擴張，地面高大建筑物如雨后春筍般的增加。老城區(qū)年久失修的地下防空洞、新規(guī)劃建設(shè)的地鐵等地下工程的開展，使得城鎮(zhèn)地面沉降、地裂縫、地面塌陷等災(zāi)害形勢日趨嚴重[1]，從而制約了當?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展和城鎮(zhèn)安全，對城鎮(zhèn)化的基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)以及人民生命和財產(chǎn)安全構(gòu)成了巨大威脅。

河南省鄭汴新區(qū)位于黃河流域平原區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測的特點為：監(jiān)測區(qū)域面積大，形成地質(zhì)災(zāi)害的因素多，不同地區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的方式和頻率也不相同[2]。原方案采用的監(jiān)測方式為間斷式定期觀測，即利用GPS靜態(tài)測量原理對監(jiān)測點進行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，再利用隨機軟件標準化形成觀測數(shù)據(jù)文件和廣播星歷文件[3]?；€解算時，數(shù)據(jù)解算軟件采用美國麻省理工學院的GAMIT/GLOBK軟件，該軟件可進行標石中心位置的自行歸算。原方案不能實現(xiàn)連續(xù)不間斷的觀測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)存在偶然性影響，隨著現(xiàn)代地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，更先進的監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測手段層出不窮，為了提高鄭汴新區(qū)地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測的有效性和可靠性，本文提出了改進方案。

改進方案采用基于嵌入式ARM9-Linux系統(tǒng)的SM系列雙頻接收機作為專業(yè)變形監(jiān)測主機。該接收機針對變形監(jiān)測系統(tǒng)的工程特點，集數(shù)據(jù)采集存儲、數(shù)據(jù)通信傳輸、智能供電和防雷功能于一體，具有精度高、可自動連續(xù)觀測、穩(wěn)定可靠等性能，能很好地實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)運行。

1 改進方案的設(shè)計要求

1.1 硬件設(shè)計要求

根據(jù)鄭汴新區(qū)本次地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的要求，綜合考慮以前所建工程綜合利用和改進方案的可行性，需對原有的監(jiān)測設(shè)備進行更新和添加，因此對硬件設(shè)備的技術(shù)先進性、易用性、兼容性和可擴展性具有較高要求，除了原來的GNSS地表位移監(jiān)測設(shè)備，至少應(yīng)添加GN系列固定式測斜儀等深部位移監(jiān)測設(shè)備、地下水監(jiān)測儀器VWP系列滲壓計、采用基于分時復(fù)用技術(shù)的鋰電池組與PERC太陽能電池聯(lián)合供電方式[4-5]的電源設(shè)備、系統(tǒng)實時傳輸設(shè)備、計算處理服務(wù)器設(shè)備和預(yù)報預(yù)警設(shè)備等。

1.2 軟件設(shè)計要求

改進方案對地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測軟件的要求為：①能實時動態(tài)地對地表位移監(jiān)測設(shè)備、深部位移監(jiān)測設(shè)備、固定測斜儀、地下水監(jiān)測儀器等傳感器采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)信息接收、數(shù)據(jù)實時計算解析等處理，由于地質(zhì)災(zāi)害實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及時處理能力的強弱是能否成功預(yù)報預(yù)警的關(guān)鍵，因此要求各種傳感器采集的數(shù)據(jù)可形成單獨的處理文件，并形成歷程曲線圖、三維坐標圖、模擬圖、直方圖等相應(yīng)成果；②數(shù)據(jù)以數(shù)字或相應(yīng)曲線、圖表等格式實時調(diào)閱顯示，軟件操作界面清晰直觀，各界面能自由切換，可方便調(diào)取查閱存儲的歷史數(shù)據(jù)，能根據(jù)級別對登陸系統(tǒng)的每個用戶進行權(quán)限管理，并將登陸后的操作寫入系統(tǒng)日志；③考慮到以后系統(tǒng)的擴展和升級，方便軟件系統(tǒng)功能的添加、修改、維護等，還需具有很好的開放性和兼容性，支持Access、Oracle、MongoDB等多種數(shù)據(jù)庫的兼容?？蛻舳瞬捎肅/S架構(gòu)模式[6]，可分散和降低系統(tǒng)自身的承載壓力，從而使客戶端的響應(yīng)速度變得非常快捷。

2 系統(tǒng)改進方案設(shè)計

為了實現(xiàn)實時監(jiān)測區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害變形特征、速率和規(guī)律等，及時為政府和決策部門提供規(guī)劃依據(jù)，本文將改進方案設(shè)計為4個部分，即前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與管理子系統(tǒng)（監(jiān)控計算中心）以及終端預(yù)報預(yù)警子系統(tǒng)。

前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊通過各種前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集原始數(shù)據(jù)而構(gòu)成，是整個系統(tǒng)最前端的子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的各種數(shù)據(jù)信息經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)理模塊進行存儲處理，轉(zhuǎn)換成標準的數(shù)字信號實時輸出。改進方案基于嵌入式系統(tǒng)Linux與ARM9主控處理器設(shè)計，為了保證同一時刻的數(shù)據(jù)能向同一個方向傳輸，本文采用UART與RS485構(gòu)成半雙工總線，保持了與RS485電氣標準數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦訹7]。在監(jiān)測節(jié)點處設(shè)計了3種采集設(shè)備，分別為地面位移監(jiān)測設(shè)備、深部位移監(jiān)測設(shè)備和地下水監(jiān)測設(shè)備，可實時監(jiān)測地面三維坐標位移量、位移方向和位移速率，監(jiān)測結(jié)構(gòu)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的擾度變形情況，并通過對監(jiān)測點位的地下水位、土壤含水量等的實時監(jiān)測來分析監(jiān)測體可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率。

數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)負責實現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（各監(jiān)控節(jié)點）、數(shù)據(jù)分析與管理子系統(tǒng)和終端預(yù)報預(yù)警子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，主要通過相應(yīng)的通信模塊（RS485/Zigbee）傳送數(shù)據(jù)。各前端傳感器采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紸RM9主處理器，同時可通過RS485模式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎惚O(jiān)控中心[8]。該數(shù)據(jù)傳輸方式不僅簡單易行，而且具有遠距離傳送、較強的抗干擾能力和降低功耗等特點。

數(shù)據(jù)分析與管理子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和管理中心，負責對各監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)進行接收匯總、計算整理、閾值對比、存儲和發(fā)布命令等。該子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)計算分析模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、安全預(yù)警和命令發(fā)布模塊等?；谏鲜龉δ苣K的平臺服務(wù)器通過對各項變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算與分析，建立預(yù)警模型、閾值標準、以動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的運行機制[9]，實現(xiàn)變形監(jiān)測節(jié)點的實時監(jiān)測。

終端預(yù)報預(yù)警子系統(tǒng)為客戶端的監(jiān)視系統(tǒng)控制服務(wù)?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)分析的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型負責處理比對各種數(shù)據(jù)，當某個或多個監(jiān)測節(jié)點出現(xiàn)超限數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)將出現(xiàn)明顯的報警提示和信息，方便監(jiān)控人員迅速做出反應(yīng)。報警形式可包括聲光多媒體畫面和手機短信等多種方式。

3 系統(tǒng)工作原理

地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理為：首先通過在監(jiān)測節(jié)點安裝的地表位移GNSS接收機（SM02型雙頻監(jiān)測主機）、深部位移監(jiān)測設(shè)備（GN系列固定式測斜儀）、地下水監(jiān)測儀器（VWP系列滲壓計）等前端設(shè)備采集原始數(shù)據(jù)和參數(shù)；然后經(jīng)數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)把相應(yīng)時刻的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C平臺進行計算處理、存儲等；當出現(xiàn)超限數(shù)據(jù)時，終端預(yù)報預(yù)警子系統(tǒng)將通過多種形式報告監(jiān)測預(yù)警情況。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)方案改進前后分析

改進方案涉及的鄭汴新區(qū)位于鄭州市中州大道以東、開封市金明大道以西、鄭州航空港以北、黃河沿岸以南區(qū)域，由鄭州新區(qū)和汴西新區(qū)兩個部分構(gòu)成，涵蓋中牟縣域大部地區(qū)，沉降監(jiān)測范圍約為2 000 km2。工作區(qū)屬于黃河下游沖積平原，地形總趨勢為西高東低，由西北向東南緩傾斜。鄭汴新區(qū)地面絕大部分的面積為黃泛區(qū)，地表主要是黃河泛濫而堆積的物質(zhì)，土質(zhì)為黃河沖積沙質(zhì)壤土，表層則沙土化。

鄭汴新區(qū)發(fā)生地面大范圍沉降的主要原因可能是地下流體的開發(fā)，即抽取地下水。抽水沉降是由于過量抽汲地下水引起水位下降，在欠固結(jié)或半固結(jié)土層分布區(qū)，土層固結(jié)壓密而造成的大面積地面下沉現(xiàn)象。鄭汴新區(qū)小范圍的地質(zhì)災(zāi)害形變現(xiàn)象則主要由近年來各種礦山開采、城市人防工程和地鐵隧道建設(shè)等引起，這些存在于地面下的工程設(shè)施在今后較長時期還將存續(xù)下去或?qū)U大建設(shè)力度（如城市地鐵等）。

改進前的地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測系統(tǒng)方案采用單一的GPS靜態(tài)定位方式對監(jiān)測區(qū)某些特征點位進行了5次沉降變形觀測，并對觀測結(jié)果進行了有效分析。結(jié)果表明，導(dǎo)致地面沉降的主要因素為地下水、地面荷載、局部地區(qū)受施工影響等；但項目持續(xù)的時間較短（有效定期觀測時間為18個月），必須有長期不間斷的觀測，才能精確地監(jiān)測沉降與否以及沉降速率、沉降區(qū)域等。

改進后的地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測系統(tǒng)方案，在充分運用現(xiàn)代先進的計算機微處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害信息的實時處理分析、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲與查詢以及監(jiān)測系統(tǒng)自動報警等功能。相較于改進前，系統(tǒng)方案的實時性、智能性、可靠性均得到了提高。地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測系統(tǒng)方案改進前后對比如表1所示。

表1 地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測系統(tǒng)方案改進前后對比表

5 結(jié) 語

根據(jù)鄭汴新區(qū)前期地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測的工作成果和作業(yè)方式，為了提高監(jiān)測系統(tǒng)的各項性能，本文設(shè)計了地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測系統(tǒng)的改進方案。首先將以前的定期監(jiān)測改進為現(xiàn)在的實時連續(xù)監(jiān)測，以提高監(jiān)測系統(tǒng)的智能性以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性、準確性和及時性；其次將原來單一的GPS地面位移監(jiān)測設(shè)備改進為GNSS地面位移監(jiān)測設(shè)備、GN系列深部位移監(jiān)測測斜儀和VWP系列地下水監(jiān)測滲壓計等多種設(shè)備，這樣就能綜合比對多方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而提高監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)預(yù)報的實時性、智能性和可靠性等。