Web+SMS技術在公路邊坡地質災害監測中的應用研究

楊德龍，王洪輝，張兆義，范磊磊，鐘佳迅，黃 凡

（1.貴州省公路工程集團有限公司 貴州 貴陽 550000；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

我國是一個崩塌、滑坡、泥石流等地質災害發生十分頻繁和災害損失極為嚴重的國家[1]。而地質邊坡體常常因失穩而發生滑坡或崩塌，并可進一步造成地質災害，其已同地震和火山相并列成為全球3大地質災害之一，在全世界每年因邊坡變形失穩造成了巨大的經濟損失和社會影響。據初步統計，全球由于自然災害所造成的經濟損失每年約為400億美元，若考慮人類誘發的邊坡失穩破壞，其經濟損失將會成倍增長。1963年的意大利瓦伊昂（Vaiont）水庫近壩地段滑坡致使世界上最高的雙曲拱壩失效，有2.4×104～3.6×104萬m3的巖石滑到托克山水庫中，幾乎填滿了整個水庫，滑坡造成的涌浪高達200多米并且越過大壩，造成1 900多人死亡。1991年12月14日，新西蘭Mount Cook發生的一次巨大的山體崩滑是在沒有明顯的觸發因素情況下發生的（Sassa，1995）。滑坡體高度1 500 m，總體積1.4×104萬m3的滑坡體墜入1 000 m以下的Tasmam Gracier冰川湖[2]。隨著我國基礎建設的不斷發展，高速公路的建設，經常不可避免的需要開挖巖土體，形成大量與人類工程活動有關的工程邊坡。而山區高速公路這種線狀工程穿越的地貌單元多，遇到的地質條件復雜，邊坡治理在工程建設中占有很大的比重。目前我國對公路開挖邊坡滑坡災害主要采用傳統的人工巡回測試、記錄資料處理。這種派人員值班守衛的方式，不僅耗費大量的人力資源和資金，而且災害發生點大多地形險要，人員現場工作缺乏人身安全保障，同時效率也很低下[3]。因此，急需對其預防監測手段進行研究，建立適用的滑坡地質災害監測預警系統。本文介紹了一種基于GSM網絡以短信的方式傳輸監測數據，并將監測數據發布成Web服務平臺，實現了在任何有Internet的地方都可遠程監測滑坡體狀態的功能，并結合具體的工程給出了應用實例。

1 系統組成

如圖1所示，系統主要由現場監測、網絡傳輸、監控中心和Web發布四部分組成。現場監測設備（帶移動通信裝置）安裝在遠端的監控點上，監測點的裂縫位移、地下水位、深部位移、土壤含水率等數據被采集后通過移動GSM網絡以短消息的方式傳回到監控中心，監控中心再解析短消息并處理后，將數據信息存儲到數據庫中。監控中心通過分析數據實現遠端監測點實時監測，同時對危險信息給予報警（如邊坡體有無失穩跡象等），從而有效地減少或消除災害的發生。系統通過瀏覽器/服務器（B/S）模式構建了遠程Web數據服務發布平臺，有利于通過Internet監測邊坡狀態。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Schematic of the overall structure of the system

2 系統設計

2.1 監測數據的采集

邊坡災害監測數據的獲取主要是通過遍布在公路邊坡監測區域的相關自動化監測儀器采集相關的監測數據。本系統監測數據主要包括：

1）裂縫位移監測，將帶位移傳感器設備的一端固定在滑坡體上，另一端固定在非滑坡體上，通過相對位移獲得監測點位移值[4]。

2）地下水位監測，采用帶水位傳感器的設備對地下水位進行監測。

3）深部位移監測，采用帶角度傳感器設備的測斜管預埋在滑坡體的鉆孔內，當滑坡體發生位移時，測斜管也隨之發生傾斜變化，從而得到測斜管每段的水平位移增量。

4）土壤含水率監測，采用帶濕度傳感器的設備對土壤中的濕度進行監測。

2.2 監測數據的傳輸

監測數據的傳輸主要通過GSM引擎模塊之間通信完成數據傳輸。GSM引擎模塊提供的AT命令接口符合GSM07.5和GSM07.7規范，當GSM引擎模塊收到網絡發來的短消息時，通過向串口發送接收消息指令來獲得數據信息。短消息（Shot Message）業務是GSM系統提供給用戶的一種數字業務，通過無線控制信道進行傳輸，經短消息服務中心完成存儲和收發功能。數據監測終端設備和數據監測中心可通過GSM引擎模塊以短消息方式發送各種命令進行數據通信[5]。常用的AT命令如表1所示。

表1 常用的AT命令Tab.1 Common AT commands

2.3 數據監測中心

數據監控中心主要完成對監測數據的接收、處理和轉發，以及系統報警等功能，其主要功能模塊如圖2所示[6]。

圖2 數據監控中心功能模塊示意圖Fig.2 Schematic of data monitoring center function module

1）通信協議設計

由監測現場發往數據監測中心的數據包含監測點位置數據、監測設備類型、監測設備運行狀態參數、監測設備采集數據等，其格式如表2所示：

表2 通信協議Tab.2 Communication protocol

Head：表示數據包的開始；

Type：表示監測現場的設備類型（00：裂縫位移監測；01：地下水位監測；02：深部位移監測；03：土壤含水率監測；04：孔隙水壓力監測）；

Location：表示監測點的經緯度坐標；

State：表示當前監測設備運行狀態（00：正常；01：欠壓；02：通信模塊損害）；

Data：表示監測設備采集的數據；

Verify：表示除Head以外字節數據的8位CRC校驗。

2）數據庫設計

數據庫設計包含概念設計和邏輯設計兩方面，概念模型采用ER實體聯系法設計，邏輯設計將概念模型進行關系轉化，關系轉化遵循準則[7]：①各事務處理系統各模塊的完整和獨立。②相關事務模塊之間的信息聯系和統一。③消除數據冗余和不合適的數據依賴。

3）收發服務程序設計

在設計收發服務程序時，首先對串口進行初始化設置，并檢查系統是否與GSM模塊連接正常，然后開啟接收線程時刻接收新的短消息[8]。若接收到數據，則進入數據處理模塊，再將數據存入數據庫中。若接收的數據有危險信息（如滑坡體有滑坡跡象；現場輻射劑量超標等）則給予報警，同時向預設置電話撥打電話或向手機轉發消息，使得相關人員在第一時間內得知消息，以便采取措施。若監控中心想了解設備某些參數或控制某些設備，可向GSM模塊發送指令來完成。其接收工作流程如圖3所示。

圖3 接收工作流程Fig.3 Flow chart of receive

4）圖形顯示

將接收到的數據，通過曲線圖方式實時動態地顯示出來，以便更直觀地了解被監測滑坡體的狀態。

5）報警功能

系統通過向預設置的電話撥打電話或向手機轉發消息、聲音報警等方式，使得人們及時掌握災害情況[9]，以便采取措施將災害減少到最低程度。

6）欠壓管理

監測現場決大多數在野外，設備的供電系統基本上采用電池的方式，電池的消耗可能經不起設備的長期監測使用，在欠壓狀況下通知監控中心及時換電池，以便更好地監測。

2.4 Web發布平臺

在傳統的監測系統中，對監測數據的瀏覽只能在監控中心才能看到，本系統采用Web技術，通過瀏覽器/服務器（B/S）模式構建遠程Web數據服務發布平臺，實現通過Web瀏覽器在任何能上Internet的地方都能遠程監測滑坡體的狀態，從而有效地提高了滑坡災害預警的快速性、高效性和直觀性。

3 結束語

本系統成功應用于貴州省畢節至威寧高速公路第4～6合同段人工開挖邊坡地質災害監測現場，對該區域的監測手段為裂縫位移監測方式，共5個監測點，每個監測點每2個小時向監控中心發一次數據，經過1個多月的監測，該邊坡較穩定。

本系統結合Web和SMS技術實現了遠程實時公路邊坡地質災害監測與報警，并通過瀏覽器/服務器模式構建了遠程Web數據服務發布平臺，便于決策部門和專家在異地隨時觀看地質災害現場的動態監測結果。和傳統的人工現場監測相比，本系統具有快速性、高效性和直觀性等優點。通過實際工程的應用取得了良好的效果。

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