滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率的自適應動態(tài)調(diào)整方法及應用

于 超,亓 星,曹汝亮

(1.江西省地質(zhì)局 第二地質(zhì)大隊, 江西 九江 332000;2.四川輕化工大學 土木工程學院, 四川 自貢 643000)

監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集一直是各類監(jiān)測設(shè)備的集采方式,以地質(zhì)災害自動化監(jiān)測設(shè)備為例,常見的滑坡、崩塌等地質(zhì)災害常用變形監(jiān)測、傾斜監(jiān)測等手段進行有效監(jiān)測和預警,而這一過程中,對于變形、傾斜等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取也是成功預警地質(zhì)災害的關(guān)鍵,如近年來成功應急搶險的白格滑坡[1],貴州興義龍井村滑坡[2],都依靠了有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

為了及時有效地預警地質(zhì)災害,自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集頻率需要足夠高,但一味地提高監(jiān)測頻率,會導致實際監(jiān)測應用中出現(xiàn)問題,主要表現(xiàn)出以下兩方面:監(jiān)測設(shè)備本身的存儲空間有限,高頻率的監(jiān)測數(shù)據(jù)會使設(shè)備產(chǎn)生大量的多余數(shù)據(jù),對于自身的存儲存在較大壓力,而在地質(zhì)災害基本穩(wěn)定期間并不需要過高的頻率,大部分數(shù)據(jù)在地質(zhì)災害發(fā)生前都屬于冗余數(shù)據(jù),因此僅需要在地質(zhì)災害臨近發(fā)生各個監(jiān)測因素產(chǎn)生明顯變化時的高頻監(jiān)測數(shù)據(jù);監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)一般通過發(fā)送模塊發(fā)送到遠程服務器中存儲,數(shù)據(jù)發(fā)送是整個監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取中最耗電的過程,持續(xù)高頻的數(shù)據(jù)發(fā)送對于服務期存儲本身就存在很大壓力,同時監(jiān)測設(shè)備一般布設(shè)在偏遠的地質(zhì)災害體上,難以接入市電,需要通過太陽能等現(xiàn)場供電方式對監(jiān)測設(shè)備進行連續(xù)供電,對于較高耗電過程的設(shè)備發(fā)送,會嚴重消耗本地電量,特別是在連續(xù)陰雨天,極易造成設(shè)備本身供電不足而斷開。近年來,出現(xiàn)了可以智能進行高頻率采集的變形監(jiān)測設(shè)備并得到了有效應用[3],可在滑坡地質(zhì)災害監(jiān)測過程中及時獲取精細的數(shù)據(jù),但這種通過變形反饋驅(qū)動采集的方式很難適用于其他場合,且應用過程中需要設(shè)備自身多個比較器和轉(zhuǎn)換器的工作判別,機制較為復雜,在進行其他因素監(jiān)測時需要對每種監(jiān)測參數(shù)進行適配,普適性較弱。由此,根據(jù)近年來地質(zhì)災害監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展,提出了更加簡單有效的自動化監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率的自適應動態(tài)調(diào)整方法。

1 自動化監(jiān)測設(shè)備的基本特點

常見的自動化監(jiān)測設(shè)備主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集和存儲發(fā)送裝置、設(shè)備供電裝置及外設(shè)幾大部分組成[4-5],其中數(shù)據(jù)采集存儲和發(fā)送裝置通過對傳感器的數(shù)據(jù)讀取實現(xiàn)采集,并存儲讀取到的數(shù)據(jù)和發(fā)送到指定服務器實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。這一過程也是整個監(jiān)測設(shè)備的主要耗電過程,其中數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)送是最為耗電的,占了整個設(shè)備功耗約60%. 由此,當監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測頻率提高時,隨著存儲頻率和數(shù)據(jù)發(fā)送頻率的同步提高,會導致設(shè)備耗電量的大幅度提高,同時帶來設(shè)備供電壓力和存儲需求的增大。但實際應用中并不需要監(jiān)測設(shè)備隨時都處于高頻率監(jiān)測狀態(tài),以滑坡災害自動化監(jiān)測設(shè)備為例,滑坡變形最關(guān)鍵的監(jiān)測階段為加速變形階段,此時滑坡變形逐漸加快并最終失穩(wěn)破壞,需要監(jiān)測設(shè)備的頻率盡量提高以獲取完整的變形數(shù)據(jù)方便后續(xù)預警和應急處置,而在滑坡緩慢變形或無明顯變形的基本穩(wěn)定階段,由于滑坡變形量小,此時監(jiān)測主要是獲取滑坡長期發(fā)展趨勢,不需要頻率過高以防止占用大量存儲和增加功耗。

2 監(jiān)測頻率的動態(tài)調(diào)整方法及應用

為了平衡穩(wěn)定階段的定期監(jiān)測和加速變形階段的高頻監(jiān)測需求,監(jiān)測頻率的動態(tài)調(diào)節(jié)方法應運而生?，F(xiàn)有部分解決方法是基于環(huán)境驅(qū)動變頻的被動變頻監(jiān)測,其原理是變形發(fā)生以后進行多組判別,然后決定是否采集該數(shù)據(jù)。該方法雖然可以判別變頻有無問題,但其屬于被動變頻判別,當設(shè)備產(chǎn)生故障掉線時,無法通過主動采集數(shù)據(jù)的方式及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障,可能存在設(shè)備維護的不及時。

由此,可以采用更合理的主動監(jiān)測頻率自適應動態(tài)調(diào)整方法,具體思路為:自動化監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集裝置平常按照固定頻率采集傳感器數(shù)據(jù),同時每秒不斷比較最新數(shù)據(jù)與之前固定采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異,當最新讀取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)和最近一次固定頻率采集的數(shù)據(jù)差異值達到設(shè)定的閾值S時,則記錄最新的這組數(shù)據(jù),反之如果讀取到的數(shù)據(jù)小于閾值S則不記錄該組數(shù)據(jù)。以此類推,在監(jiān)測過程中不斷比較最新讀取的監(jiān)測數(shù)據(jù)與新記錄的數(shù)據(jù)之間的差值是否大于設(shè)定的閾值S,最終實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自適應動態(tài)調(diào)整。

以地質(zhì)災害自動化監(jiān)測領(lǐng)域為例,該方法可用到各種常見監(jiān)測設(shè)備中。如對于滑坡變形具有明顯裂縫的區(qū)域采用裂縫計進行監(jiān)測時,常規(guī)的裂縫計監(jiān)測精度一般在±1 mm以內(nèi),當監(jiān)測到最新的兩組裂縫變形數(shù)據(jù)的變化量超過1 mm時,說明滑坡裂縫產(chǎn)生了變形,由此,可設(shè)置閾值S為1 mm,此時裂縫計以高頻狀態(tài)每秒1次的頻率監(jiān)測裂縫實際讀數(shù)值和最新存儲的裂縫值之差。當監(jiān)測得到的實際數(shù)值和最新存儲值之差小于閾值S時,不記錄高頻數(shù)據(jù),只按照常規(guī)每小時1次或其他固定低頻率存儲裂縫數(shù)據(jù),而當裂縫變化速率增大,使監(jiān)測到的實際數(shù)值與最新的存儲值之差達到或超過閾值S時,則存儲最新的裂縫監(jiān)測值,而后繼續(xù)按照該判別方法比較裂縫計的實際監(jiān)測值和最新的存儲值之差,以此類推,最終實現(xiàn)隨著裂縫變形速率的變化及時有效存儲完整裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)的過程,確保加速變形階段數(shù)據(jù)完整獲得的同時,大幅度減少冗余數(shù)據(jù)的存儲。

同樣的方法在常見的滑坡變形GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)中也可以得到有效應用。由于GNSS監(jiān)測站設(shè)備的精度為±5 mm,其確保較高精度時的最大監(jiān)測頻率約為每5分鐘1次,在監(jiān)測過程中,當監(jiān)測到的實時變形量和最新存儲值之差超過5 mm時,說明滑坡產(chǎn)生了新的變形,因此可以設(shè)置閾值S為5 mm,采用同樣的方式對滑坡變形GNSS進行動態(tài)變頻監(jiān)測。即可以采用每5分鐘1次的動態(tài)監(jiān)測對比方式,比較實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和最新存儲數(shù)據(jù)之差,當監(jiān)測的實際數(shù)值和最新存儲值之差小于閾值S時,不記錄高頻數(shù)據(jù),只按照常規(guī)每小時1次或其他固定低頻率存儲GNSS變形數(shù)據(jù),而當滑坡產(chǎn)生明顯變形導致變形量增大時,監(jiān)測到的實際數(shù)值與最新的存儲值之差達到或超過閾值S,此時存儲最新的變形監(jiān)測值,以此類推,最終實現(xiàn)隨著滑坡變形量的變化及時有效存儲完整變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的過程,實現(xiàn)了確保加速變形階段數(shù)據(jù)完整獲得的同時,大幅度減少冗余數(shù)據(jù)的存儲。

通過滑坡變形監(jiān)測頻率的自適應動態(tài)調(diào)整,可以獲取到完整的滑坡變形數(shù)據(jù),而對于地質(zhì)災害監(jiān)測應用中的其他類型監(jiān)測數(shù)據(jù),如含水率、泥位、流速等,也可以采用相同原理的自適應動態(tài)變頻監(jiān)測方法進行,最終在確保監(jiān)測參數(shù)產(chǎn)生變化時及時記錄完整過程數(shù)據(jù)的前提下實現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)的大量過濾。由于該方法在監(jiān)測設(shè)備的運行中,僅增加了數(shù)據(jù)采集裝置的讀取頻率,避免了最耗電的數(shù)據(jù)高頻存儲和發(fā)送過程,對于整個設(shè)備的耗電功耗增加較小,因此具有較好的可操作性和應用效果,最終可以實現(xiàn)更為平滑有效的數(shù)據(jù)監(jiān)測獲取。

3 結(jié) 論

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率的自適應動態(tài)調(diào)整可以有效解決現(xiàn)有各類監(jiān)測設(shè)備在滑坡監(jiān)測過程中高頻導致的數(shù)據(jù)冗余、低頻漏掉關(guān)鍵數(shù)據(jù)等難題,為包括地質(zhì)災害監(jiān)測在內(nèi)的各類自動化監(jiān)測提供更好的方法。