鐵路地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)多數(shù)據(jù)融合接口設計探討

【摘要】國內(nèi)外學者對地質(zhì)災害監(jiān)測預警的技術方法體系進行了深入的研究，取得了大量的研究成果。但是針對鐵路沿線的地質(zhì)災害監(jiān)測預警的研究還存在著監(jiān)測與預警響應不及時、不準確的問題，以包神鐵路沿線的地質(zhì)災害為對象，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，將監(jiān)測的多源異構數(shù)據(jù)進行融合分析，從而達到更為理想的數(shù)據(jù)曲線，提高預警的準確率，將地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)接入監(jiān)測平臺，開發(fā)“鐵路沿線地質(zhì)災害自動化監(jiān)測預警平臺”。

【關鍵詞】鐵路； 地質(zhì)災害； 監(jiān)測預警

【中圖分類號】P694【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-08-10

［作者簡介］何虎（1974—），男，本科，工程師，主要從事鐵路工作。

0 引言

我國地域遼闊，山區(qū)鐵路地質(zhì)環(huán)境復雜多樣，從而造成了崩塌、滑坡及泥石流等地質(zhì)災害頻發(fā)，尤其是在強降雨多發(fā)的時節(jié)和地區(qū)，屢屢釀成重大的鐵路交通事故，對我國鐵路造成了巨大的財產(chǎn)損失，同時對人民的生命安全構成了嚴重的威脅。面對隱蔽性強、分布范圍廣且趨于動態(tài)變化的地質(zhì)災害隱患，常規(guī)調(diào)查手段很難提早發(fā)現(xiàn)和防范潛在風險［1］。隨著計算機技術及通訊技術的發(fā)展，不同監(jiān)測手段應用于地質(zhì)災害監(jiān)測中［2-4］。這些技術手段的應用大大促進了鐵路沿線地質(zhì)災害監(jiān)測預警工作的發(fā)展。

鐵路地質(zhì)災害監(jiān)測工作中，由于沿線地災點數(shù)量多，為得到比較全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通常使用了各種監(jiān)測儀器，但隨著大量監(jiān)測儀器的使用，又因為儀表設備的開發(fā)者們所使用的軟件技術不同、技術手段差異大，其監(jiān)測數(shù)據(jù)通常分散存儲在各個分類數(shù)據(jù)庫中［5-6］，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)格式往往也是大相庭徑的，這也就導致會出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常波動、缺失、漂移和不合理偏差的現(xiàn)象，而且隨著時間的增長，平臺在運行期的數(shù)據(jù)量隨著監(jiān)測對象與監(jiān)測設備的增加將呈現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)增長，如實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、監(jiān)測對象相關資料數(shù)據(jù)等，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理架構將無法滿足實時監(jiān)測系統(tǒng)日益增長的數(shù)據(jù)壓力，使用中將出現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢時間變長、系統(tǒng)響應遲鈍、監(jiān)測數(shù)據(jù)計算實時性變差甚至出現(xiàn)因為數(shù)據(jù)處理不及時而造成的數(shù)據(jù)丟棄情況。這些問題都將直接影響到監(jiān)測預警系統(tǒng)的運行效率以及準確性。

本文通過近年在鐵路地質(zhì)災害監(jiān)測方面研究的經(jīng)驗累積上，結合國內(nèi)外先進的地質(zhì)災害監(jiān)測預警技術，針對包神鐵路沿線地災點數(shù)量多、自動化監(jiān)測設備多種多樣的情況，對監(jiān)測到的多源異構數(shù)據(jù)進行融合分析，結合地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)和集成平臺，開發(fā)了“鐵路沿線地質(zhì)災害自動化監(jiān)測預警平臺”，通過平臺就可以靈活地修改配置文件和參數(shù)，以實現(xiàn)對鐵路沿線地質(zhì)災害隱患點及工程結構的信息化管理，并提高監(jiān)測預警的準確性和及時性。

1 地質(zhì)災害無線自動監(jiān)測

1.1 鐵路沿線災害點基本信息獲取

包神鐵路路線長，穿越區(qū)域廣，沿線的地質(zhì)災害多，為保證災害監(jiān)測預警的準確性，首先需要了解地質(zhì)災害的基本種類和空間分布等特征，確定災害監(jiān)測方案和預警基本信息，針對不同災害類型和災害分布，進行災害基本信息輸入，滿足鐵路監(jiān)測基本需求。如響沙灣隧道南口使用北斗、振動位移、視頻、雨量計和Mems傳感器等技術進行監(jiān)控。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸技術

構建地質(zhì)災害自動監(jiān)測網(wǎng)絡需要將監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行遠程實時傳輸，這也是構建該網(wǎng)絡的關鍵技術之一，國內(nèi)外主要使用的傳輸技術有GSM/GPRS、CDMA、TD-CDMA、WCDMA、衛(wèi)星通訊、公網(wǎng)、專線等［7］。

1.3 自動化監(jiān)測流程

在現(xiàn)場安裝監(jiān)測儀器，如GNSS形變監(jiān)測、MEMS智能變形監(jiān)測、雨量監(jiān)測、視頻監(jiān)控等設備獲取地表位移、雨量、圖像等數(shù)據(jù)，再通過無線數(shù)據(jù)遠程實時傳輸，結合自主研發(fā)的自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，完成對地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸和集成最后分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得到災害預警等級劃分，最終實現(xiàn)提前預警［8-9］。并可以在系統(tǒng)中對監(jiān)測儀器的采集頻率、采集時間進行動態(tài)的設置，使得整個監(jiān)測系統(tǒng)完全自主運行，無需人為干預。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)特征及異常值識別處理

2.1 鐵路地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)特征

鐵路地質(zhì)災害監(jiān)測類型有形變和位變（位移）監(jiān)測、力變監(jiān)測、水變監(jiān)測、聲變監(jiān)測、溫變監(jiān)測等，包神鐵路沿線地災點數(shù)量多，自動化監(jiān)測設備多種多樣，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)就會擁有以下獨特的特征。

2.1.1 數(shù)據(jù)多源異構

多源異構是地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)的一個顯著特征，這是因為監(jiān)測儀器在數(shù)據(jù)采集和存儲等方式各有不同，主要包括多廠商、多物聯(lián)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)接入和存儲標準不統(tǒng)一，監(jiān)測設備因個體質(zhì)量差異或各種內(nèi)外因素影響等原因，存在監(jiān)測數(shù)據(jù)異常波動、缺失、漂移和不合理誤差等現(xiàn)象。

2.1.2 采集頻率高、數(shù)據(jù)量大

地質(zhì)災害監(jiān)測儀器和設備需要24 h不間斷地采集數(shù)據(jù)，并通過無線數(shù)據(jù)遠程實時傳輸回監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器，隨著時間的推移，平臺在運行期的數(shù)據(jù)量隨著監(jiān)測對象與監(jiān)測設備的增加將呈現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)增長，如實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、監(jiān)測對象相關資料數(shù)據(jù)等，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理架構將無法滿足實時監(jiān)測系統(tǒng)日益增長的數(shù)據(jù)壓力，使用中將出現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢時間變長、系統(tǒng)響應遲鈍、監(jiān)測數(shù)據(jù)計算實時性變差甚至出現(xiàn)因為數(shù)據(jù)處理不及時而造成的數(shù)據(jù)丟棄情況。這就需要監(jiān)測數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)能夠具有長時間保持穩(wěn)定、高效地運行以及能夠?qū)崟r地處理儀器和設備獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力。

2.2 異常數(shù)據(jù)的識別及處理

實時傳送到監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)由于受到各種人為的因素或非人為的原因影響，往往會導致監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生類如突變、丟失等異常情況，也因此無法精確反映鐵路沿線的實際狀況，從而造成了預警不準確甚至錯誤的報警，所以在對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合分析之前就必須先對數(shù)據(jù)做好異常分析和數(shù)據(jù)處理，因此本文中采用了拉依達準則，提取因監(jiān)測體系被破壞、人為操作誤差或者碰動儀器也會引起監(jiān)測序列中產(chǎn)生較大異常值，結合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，確定其并非由于災害點本身變形引發(fā)，對于數(shù)據(jù)樣本中的異常偏離點，在預處理中往往會采取剔除處理。

對于監(jiān)測數(shù)據(jù)序列x1，x2，…，xn，描述該序列數(shù)據(jù)的變化特征為式（1）。

dj=2xj－（xj+1+xj－1） （j=2，3，…，N-1）（1）

由N個監(jiān)測數(shù)據(jù)可得到N-2個dj。由dj值計算序列數(shù)據(jù)變化統(tǒng)計均值d-和均方差σ為式（2）、式（3）。

d-=∑N-1j=2djN-2（2）

σd=∑N-1j=2（dj-d-）2N-3（3）

根據(jù)dj偏差的絕對值與均方差的比值見式（4）。

qj=dj-σd（4）

基于拉依達準則，當qjgt;3時，則認為xj是粗差，應舍去（圖1）。

3 監(jiān)測預警系統(tǒng)多數(shù)據(jù)融合接口設計

3.1 多源異構數(shù)據(jù)融合分析

包神鐵路沿線災害點數(shù)量多，為了全面、優(yōu)質(zhì)地獲取沿線的監(jiān)測指標以此來提高預警的效率和可靠性，通常會選擇使用不同檢測項目中具備較高水平的監(jiān)測儀器和設備，而這些儀器和設備通常來自不同的生產(chǎn)廠家，如GNSS位移監(jiān)測和雨量監(jiān)測儀器可能來自不同的廠家，所以多物聯(lián)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)接入和存儲標準不統(tǒng)一，因此數(shù)據(jù)通常分散在不同的數(shù)據(jù)庫，且數(shù)據(jù)結構也大相庭徑［10-11］。為了實現(xiàn)對包神鐵路沿線地質(zhì)災害的自動化監(jiān)測預警，需要對多源異構數(shù)據(jù)進行集中存儲管理與融合分析，利用大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)值分析技術進行評估。

數(shù)據(jù)接入可提供包括MQTT、HTTP等不同的技術協(xié)議支持，其中HTTP常用于通過軟件平臺對接，MQTT適用于設備直接推送數(shù)據(jù)，不同的廠家可以選擇不同對接方式；監(jiān)測數(shù)據(jù)由于廠家與類型多樣，是數(shù)據(jù)融合與分析重點的接入內(nèi)容。

數(shù)據(jù)存儲調(diào)度底層平臺基于HDFS、Elasticsearch、Postgresql、Redis等多種類型數(shù)及檢索引擎如圖2所示，綜合搭配應用，構建數(shù)據(jù)支撐平臺的基礎存儲能力。各組件的分布式部署、橫向擴展能力則對長期運營下平臺穩(wěn)定運行，負載能力穩(wěn)步增長提供有力保障。

3.2 預警建模、預警分析及等級劃分

預警模型的開發(fā)與部署將采用微服務架構方式，以Java、Matlab等作為開發(fā)及測試語言工具，對不同的預警算法進行實現(xiàn)與封裝，開發(fā)出應用于不同災害類型的核心預警計算模型，并以微服務方式管理與運行預警計算服務。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)相結合進行決策分析，通過建立數(shù)據(jù)融合處理的預警模型，計算現(xiàn)有情況下的工程現(xiàn)場危險信息，并與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，智能判別是否已危及監(jiān)測對象的安全，并可根據(jù)判別信息控制啟動視頻監(jiān)控。通過設置各監(jiān)測參數(shù)不同的報警閾值，對不同災害預警等級進行劃分。

將模型進行分類構建并通過微服務方式管理，可使得預警模型本身具有更好的擴展性、維護性、兼容性，同時，利用微服務可采用分布式方式運行及管理，可提升核心預警模型的數(shù)據(jù)接入能力，在面向大量監(jiān)測點數(shù)據(jù)接入的預警需求，仍能實現(xiàn)極好的實時處理性能（圖3）。

預警模型的開發(fā)構建的核心是預警計算服務，針對崩塌（危巖）、滑坡、泥石流及其他地質(zhì)災害，將雨量預警、變形預警、綜合預警、閾值預警等相關的核心算法進行封裝，開發(fā)出對應的預警計算服務，不同類型災害的監(jiān)測數(shù)據(jù)接入后立即調(diào)用對應的預警模型進行實時計算，計算得到的預警系數(shù)對應紅、橙、黃、藍四色預警進行發(fā)布。

3.3 災害實時監(jiān)測預警方法

數(shù)據(jù)支撐平臺在接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過對數(shù)據(jù)預處理、閾值計算、模型計算、數(shù)據(jù)存儲、預警結果輸出、模型自優(yōu)化等環(huán)節(jié)后完成一次數(shù)據(jù)處理過程，關鍵流程設計見圖4。

預警過程包含了同步、異步兩種不同的計算規(guī)則，同步計算保障了預警的實時性，模型自由化、預警去重、預警推送等環(huán)節(jié)采用異步方式，關鍵的技術結構見圖5。

3.4 二三維一體化WebGIS技術

平臺采用WebGIS技術，對地理數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)三維可視化展示。WebGIS（網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)）是指工作在Web上的GIS，是傳統(tǒng)的GIS在網(wǎng)絡上的延伸和發(fā)展，具有傳統(tǒng)GIS的特點，可以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索、查詢、制圖輸出、編輯等GIS基本功能，同時也是Internet上地理信息發(fā)布、共享和交流協(xié)作的基礎。根據(jù)WebGIS的可視化三維特性，項目采用二、三維一體化技術，實現(xiàn)地質(zhì)災害隱患區(qū)域與工程結構體的三維展示，實現(xiàn)人員數(shù)據(jù)、專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)、隱患點數(shù)據(jù)的可視化管理。

Web架構的便捷特性，研發(fā)GIS三維可視化平臺，即在任何地點，都可通過任何瀏覽器實現(xiàn)對平臺地理信息數(shù)據(jù)的訪問和操作。本平臺通過數(shù)據(jù)化、圖像化、文字化的方式實現(xiàn)地質(zhì)災害信息的綜合性描述。通過對地質(zhì)災害相關數(shù)據(jù)的矢量化和柵格化，實現(xiàn)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型進行相應圖層的疊加展示，如人員圖層、設備圖層、隱患點圖層等。并可在遠端服務器利用各種模型分析方法進行數(shù)據(jù)分析，Web端提供模型計算參數(shù)，服務端進行即時計算分析，并將計算結果以文本或者影像等格式返回Web端。

4 結論

本文針對包神鐵路沿線地質(zhì)災害，結合地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)和集成平臺，開發(fā)了“鐵路沿線地質(zhì)災害自動化監(jiān)測預警平臺”，通過平臺就可以靈活地修改配置文件和參數(shù)，以實現(xiàn)對鐵路沿線地質(zhì)災害隱患點及工程結構的信息化管理，并基于監(jiān)測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，通過專業(yè)化預警模型對監(jiān)測對象安全狀態(tài)進行區(qū)域及單點的災害預警實時評估，通過構建二/三維一體化平臺，利用WebGL技術直觀展示監(jiān)測對象的地理信息與當前災害風險狀態(tài)，為鐵路沿線的科學防災提供決策支持。

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