基于NB-IoT和InSAR融合的城市地下空間雙尺度智慧監(jiān)測系統(tǒng)研究

趙巍平，張曉彬，沈 鋒，溫 欣

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北 唐山 063299；2.河北銘嘉工程設計有限公司，河北 唐山 063000）

近幾十年來，我國經(jīng)濟進入快速發(fā)展階段，不僅一線城市（北京、上海、廣州等）的地下空間開發(fā)建設在迅猛發(fā)展，大部分二三線城市（西安、石家莊、唐山等）甚至縣級城市的地下空間開發(fā)建設也進入快速發(fā)展階段。城市地下空間可能發(fā)生的災害主要包括火災、水災、空氣污染、恐怖事件、戰(zhàn)爭、地基塌方以及地震等自然災害和人為災害，還包括因之引起的次生災害。結合城市地下空間相對封閉等自身特點，其一旦發(fā)生災害，對本地區(qū)造成的損失將無法比擬[1-2]。隨著自然、社會條件的變化，災害越來越多地以綜合形式出現(xiàn)，一災多果或多災一果的現(xiàn)象日益增多。目前缺乏基于多災種的智慧預警系統(tǒng)，因此針對于城市地下空間的多災種智慧監(jiān)測系統(tǒng)的研究已迫在眉睫[3-6]，本文通過將NBIoT和InSAR技術融合，來構建城市地下空間多災種的雙尺度智慧監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)包括城市地下空間內部監(jiān)測和城市地下空間地表沉降監(jiān)測兩部分融合的雙尺度智慧監(jiān)測。其中城市地下空間內部智慧監(jiān)測系統(tǒng)由采用物聯(lián)網(wǎng)“云-管-端”的一體化標準構架思路，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、展示、分析、決策的全流程災害預警方案需求，系統(tǒng)的總體架構如圖1所示。城市地下空間地表沉降智慧監(jiān)測系統(tǒng)利用合成孔徑雷達干涉測量小基線集（SBAS-InSAR）技術結合Sentinel-1A雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)對要監(jiān)測區(qū)域進行大時空維度上的地表空間位置危險變化的精確探測，理論精度可達到毫米級。

圖1 “云-管-端” 一體化標準構架

兩種監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和分析，真正實現(xiàn)城市地下空間在時間和空間上的雙尺度智慧監(jiān)測，為下一步城市地下空間多災種綜合評價模型研究提供科學、有效的數(shù)據(jù)支撐。

2 系統(tǒng)硬件設計及技術原理

2.1 城市地下空間內部智慧監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

內部智慧監(jiān)測系統(tǒng)的采集層是對城市地下空間內部的CO濃度、有害煙霧濃度、溫濕度和液位進行實時監(jiān)測，完成城市地下空間內部相關信息采集；通信層是采集層采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊上傳到NB-IoT基站，再傳至服務器；應用層是對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲和處理。

城市地下空間內部智慧監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計在整個系統(tǒng)中至關重要，其設計優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的準確性和高效性[7-10]。監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要由中國移動公司CM32M101A微控制器為主控制模塊、N10SG系列 NB-IoT開發(fā)模塊以及各類傳感器。主控制模塊和通訊模塊的數(shù)據(jù)傳輸方式為USART串行通信方式。數(shù)據(jù)采集層由5V電源輸出，經(jīng)過LDO降壓成3.3V為主控MCU芯片供電，也為WiFi通信模塊、5G通信模塊、GNSS定位模塊、蜂鳴器報警模塊、溫濕度采集模塊供電，同時5V為其他傳感器供電：CO傳感器、有害煙霧傳感器、液位傳感器，主控MCU通過串口與WiFi模塊通信，通過I2C協(xié)議與溫度傳感器通信，使用GPIO控制蜂鳴器發(fā)聲，使用ADC功能采集CO傳感器、有害煙霧傳感器、液位傳感器的數(shù)據(jù)。

2.1.1 主控制模塊

為了滿足系統(tǒng)功能需求并方便數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)選用中國移動公司CM32M101A微控制器作為本系統(tǒng)的主控制模塊。CM32M101A的最高工作頻率為64MHz，核心處理器采用的是ARM Cortex -M4F 32位的內核，程序存儲容量為128Kb閃存和 24Kb×8的 RAM，具有 Canbus，I2C，7816，段氏頻，SPI，UART，USB多種連接能力，該微控制器工作溫度-40~105℃。

本系統(tǒng)以CM32M101A為主控制模塊的城市地下空間內部智慧監(jiān)測終端可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸兩項主要功能。

1）數(shù)據(jù)采集。當系統(tǒng)啟動后，主程序將I2C，ADC，串口，IO等進行初始化，使用PA5、PA6、PB通道采集CO、有害煙霧、液位等傳感器的ADC值，同時讀取溫濕度傳感器值。溫濕度傳感器、CO傳感器和有害煙霧傳感器用來監(jiān)測城市地下空間是否發(fā)生火災；投入式液位傳感器通過城市地下空間內的液位是否超標來監(jiān)測是否發(fā)生水災。

2）數(shù)據(jù)傳輸。CM32M101A主控制模塊將各傳感器采集的ADC值轉換為電壓值，通過電壓值計算三個傳感器對應的濃度和液位高度值，同時讀取溫濕度傳感器值，通過WiFi發(fā)送到N10SG系列 NB-IoT開發(fā)模塊，NB-IoT模塊接收到主控制模塊的指令后進行初始化配置，連接災害檢測路由器AP熱點成功后，連接OneNET平臺端服務，將CO濃度、有害煙霧濃度、溫濕度和液位傳到云端平臺。

2.1.2 NB-IoT 通信模塊

本系統(tǒng)采用最新一代5G蜂窩通信物聯(lián)網(wǎng)技術NB-IoT，這是一種專為萬物互聯(lián)打造的蜂窩網(wǎng)絡連接技術，使用是N10SG系列 NB-IoT開發(fā)模塊，N10SG 是 一 款 高 性 能、 低 功 耗 的 NB/GNSS無 線 通 信 模 組， 采 用 LCC 封 裝， 尺 寸 僅 為18.0mm×16.0mm×2.4mm，滿足《中國移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通用模組技術規(guī)范》。包括1個USIM、2個UART、1個 RESET、2個 SPI、2個 PWM、1個ADC、5個GPIO、2個天線和2個I2C。滿足各種應用開發(fā)的需求，具有尺寸小、低功耗、衛(wèi)星定位、超高靈敏度，封裝設計兼容中移物聯(lián)M5311系列模組，內嵌網(wǎng)絡服務協(xié)議站等優(yōu)勢，因此NB-IoT通信模塊選用N10SG，如圖2所示。

圖2 N10SG系列 NB-IoT開發(fā)模塊

2.1.3 采集層傳感器

系統(tǒng)的采集層傳感器使用了CO、有毒氣體、溫濕度、液位等開發(fā)模塊，實現(xiàn)對城市地下空間CO、有毒煙霧、溫度、濕度、液位等信號采集。它們內置NB-IoT網(wǎng)絡，功耗低、信號穩(wěn)定、防水防塵的IP65外殼可保證傳感器在惡劣的環(huán)境下長時間穩(wěn)定運行。采集端開發(fā)板如圖3所示。

圖3 采集端開發(fā)板

2.2 SBAS- InSAR技術原理

Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar即小基線合成孔徑雷達干涉測量技術是由D-InSAR技術優(yōu)化后演化而來，有效的避免失相干、大氣等干擾因素，采用相干系數(shù)法識別測量目標的高相干點，從而得到大范圍的地表形變。下面簡述SBAS- InSAR技術原理[11]：

在t0、t1…tN的同一地區(qū)獲取N+1幅影像，根據(jù)干涉條件，得到M干涉對，需滿足

假設ta、tb（ta＜tb）兩個時刻獲得的SAR圖像干涉得到第i幅干涉圖，干涉圖中像元y處的相位表示為

式中，λ為雷達中心波長，d(tb，y)和d(ta，y)分別為相對于初始時刻t0的雷達視線向方向累計變形量，當t0時，d(t0，y)=0； (tb，y)和 (ta，y)分別為d(tb，y)和d(ta，y)引起的地形形變相位。

式中，A為M×N的系數(shù)矩陣，主影像對應的系數(shù)為+1，輔影像對應的系數(shù)為-1，其余系數(shù)為0；為某像元在對應時刻的相位向量；? 為按時間順序排序后的某一幅影像對應相位。

在這個小基線子集中，若M＞N，此時A為N階矩陣；若M=N，此時有固定解；若M＜N，此時解不唯一，根據(jù)最小二乘法可得解：

未解決無窮解的問題，采用奇異值分解法（SVD）求得差分干涉相位

式中，D為M×N的矩陣，v為對應的速度，C為M×1的系數(shù)矩陣，?h為高程誤差。

由于地形相位、大氣相位和噪音相位與形變相位在空間域和時間域上的表現(xiàn)不同，通過采用適當?shù)臑V波方法就能求得非線性形變相位，進而確定時間序列對應的地表形變。

3 系統(tǒng)軟件設計

城市地下空間智慧監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計包括城市地下空間數(shù)據(jù)層軟件設計、智慧監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計、人機交互軟件設計和SBAS- InSAR地面沉降。

3.1 數(shù)據(jù)層軟件設計

城市地下空間數(shù)據(jù)層軟件設計，默認使用WiFi通訊，也可擴展使用5G通訊。當系統(tǒng)啟動后，主程序將I2C，ADC，串口，IO等進行初始化，使用PA5、PA6、PB通道采集CO、有害煙霧、液位等傳感器的ADC值，將采集到的3個ADC值轉換為電壓值，通過電壓值計算三個傳感器對應的濃度和液位高度值，檢查濃度值和液位高度是否超限，如超限蜂鳴器報警，同時讀取溫濕度傳感器值，WiFi模塊供電，進行WiFi初始化配置，連接災害檢測路由器AP熱點，路由器連接成功后，連接OneNET平臺端服務，將CO濃度、有限煙霧濃度、溫濕度和液位傳到云端平臺，斷開WiFi連接，WiFi斷電，休眠5min，然后從第二步重新開始。

3.2 智慧監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

智慧監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNET提供的定制化開發(fā)服務。云端方案實現(xiàn)CO、有毒氣體、溫度、濕度、液位、地理位置等數(shù)據(jù)間隔5min實時更新展示、超限報警、歷史數(shù)據(jù)保存功能（默認更新保存最新的200條數(shù)據(jù)）。

3.3 人機交互軟件設計

本系統(tǒng)采用的云端定制化服務平臺可以同時在多臺電腦和移動手機端顯示，不受地點和臺數(shù)限制，可以實現(xiàn)隨時隨地都能查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.4 SBAS- InSAR地面沉降

處理Sentinel-1A雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選取被測地點，監(jiān)測面積自定義，處理時段自定義，選取的雷達影像為意大利COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)，COSMO-SkyMed是由意大利航天局和意大利國防部共同研發(fā)的由4顆雷達衛(wèi)星組成，全部在軌運行。

設置段基線時空閾值，經(jīng)干涉計算，去除地形相位、濾波和相位解纏，再設定適當閾值選取高相干點，利用奇異值分解方法求解范圍內的形變速率，利用時間基線計算得到點的時序沉降量[12]。通過對選取數(shù)據(jù)進行分析，得到城市地下空間地表沉降監(jiān)測監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)采集終端性能測試及分析

經(jīng)過多次長時間現(xiàn)場測試運行，證明本系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并達到了預期效果。在系統(tǒng)中顯示相關監(jiān)測信息，包括系統(tǒng)名稱、支持基金項目、各傳感器名稱和位置，以及CO、有毒氣體、溫濕度、液位等采集信息。各采集信息均設定預警閾值，當超過閾值后會顯示預警信息。

5 結論

1）通過將CM32M101A芯片和NB-IoT無線通訊模塊融合，實現(xiàn)城市地下空間內部CO、有毒氣體、溫濕度、液位等相關信息實時監(jiān)測，將動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時無線傳輸處理，真正實現(xiàn)城市地下空間內部智慧監(jiān)測系統(tǒng)。

2）利用SBAS-InSAR技術對選取Sentinel-1A雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)城市地下空間外部表沉降監(jiān)測監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3）將兩種監(jiān)測系統(tǒng)融合，真正實現(xiàn)城市地下空間在時間和空間上的雙尺度智慧監(jiān)測，實現(xiàn)城市地下空間多災種大數(shù)據(jù)的采集工作，進而為實現(xiàn)城市地下空間多災種綜合評價模型研究提供科學、有效的數(shù)據(jù)支撐，為智慧城市的發(fā)展起到積極推動作用。