基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

重慶旅游職業(yè)學(xué)院 李方書

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

重慶旅游職業(yè)學(xué)院 李方書

山體滑坡是一種發(fā)生率較高的常見地質(zhì)災(zāi)害類型之一，是指在重力作用下山體斜坡上的某一部分巖土沿著一定的軟弱結(jié)構(gòu)帶或者結(jié)構(gòu)面發(fā)生的整體向斜坡下方移動的現(xiàn)象，使得發(fā)生區(qū)域的地理環(huán)境發(fā)生了很大的改變，給發(fā)生地人民生命財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的后果，對于社會的穩(wěn)定發(fā)展與人們的正常生活產(chǎn)生了極大的危害，因此必須要加強(qiáng)對山體滑坡的預(yù)警監(jiān)測，這是預(yù)防與減輕山體滑坡災(zāi)害程度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷興起與迅猛發(fā)展，使得其在社會建設(shè)中的多個領(lǐng)域與行業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，其中，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用在山體滑坡的監(jiān)測預(yù)警中能夠進(jìn)一步增強(qiáng)山體滑坡的監(jiān)測預(yù)警效果。本文主要就是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行分析。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；山體滑坡；監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

山體滑坡是在山區(qū)中常常發(fā)生的一種地質(zhì)災(zāi)害，不僅破壞了工程設(shè)施，導(dǎo)致生產(chǎn)無法得到順利進(jìn)行，更嚴(yán)重的是其威脅到人們的生命安全，在造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時還會引發(fā)人員傷亡問題，產(chǎn)生了極大的社會危害[1]。目前用在山體滑坡監(jiān)測預(yù)警中的手段與方法較多，大致可以分為無線方式與有線方式兩種。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的信息獲取與處理技術(shù)，具有無限多跳路由、自組網(wǎng)與多路徑傳輸數(shù)據(jù)等功能，有效解決了過去有線監(jiān)測方式無法在復(fù)雜地理?xiàng)l件中進(jìn)行線路架設(shè)等問題，使得山體滑坡的預(yù)警監(jiān)測工作實(shí)施起來更加高效。本文就是關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的分析。

一、山體滑坡無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

（一）山體滑坡無線傳感器監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的功能要求

易發(fā)生山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害的地區(qū)一般都有著比較復(fù)雜的地理環(huán)境，具有干擾嚴(yán)重、危險性大、機(jī)械化程度高、數(shù)據(jù)采集量大、對傳輸?shù)目煽啃耘c安全性要求高等特點(diǎn)。

同時，由于山體滑坡是一種突發(fā)性的事件，具有很多不確定因素，因此其對預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)有著更高的要求，主要包括以下幾點(diǎn)：

1、數(shù)據(jù)采集。無線傳感器監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需要對其所監(jiān)測區(qū)域中山體滑坡的相關(guān)信息進(jìn)行自動化采集，同時還要將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信號[2]。

2、節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)。對于節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)提出的要求主要就是指要節(jié)點(diǎn)自己能夠組建一個網(wǎng)絡(luò)，將所發(fā)現(xiàn)的路由進(jìn)行建立，然后再選擇一個最佳的路徑來對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。當(dāng)原有節(jié)點(diǎn)失去功效或者有新的節(jié)點(diǎn)加入其中的時候，要求其所組建的網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行自動化的維護(hù)，同時實(shí)時更新路由，確保能夠及時應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所出現(xiàn)的變化，最大程度地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)性與可靠性[3]。

3、數(shù)據(jù)傳輸。對于山體滑坡無線傳感器監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)來說，節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)是其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾A(chǔ)，通過已經(jīng)建好的無線路由來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多跳傳輸與遠(yuǎn)距離傳輸。通過選擇一個最佳傳輸路徑，可以大大減少在傳輸數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)的跳數(shù)傳輸與延遲傳輸?shù)惹闆r，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性。最后，為了起到減少數(shù)據(jù)傳輸與節(jié)約能量的目的，還要根據(jù)實(shí)際情況自動合理地調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

4、數(shù)據(jù)的管理。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)的存儲、分析與處理，可以以圖形或表格等形式將數(shù)據(jù)展示出來，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提供實(shí)時數(shù)據(jù)、顯示歷史數(shù)據(jù)與滑坡報警的功能。

（二）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)山體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分是大量傳感節(jié)點(diǎn)，各個節(jié)點(diǎn)又由數(shù)據(jù)采集板、應(yīng)力計傳感器、無線射頻芯片與電源組成，將一個應(yīng)力計放置在易發(fā)生山體滑坡問題的山體表面上，這樣也就能夠監(jiān)測出巖土壓力出現(xiàn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)[4]。

在對山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測的時候，一般有兩種方式，分別是中心監(jiān)測與分布式監(jiān)測。其中，中心監(jiān)測首先是通過節(jié)點(diǎn)將原有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給簇頭，在簇頭接收到數(shù)據(jù)后，通過多跳路簇頭可以將所接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，之后便由基站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析處理工作，最后再對山體滑坡進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警監(jiān)測。其次，分布式監(jiān)測首先是通過對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)的簡單處理，獲得一個相應(yīng)的決策值，之后再將其發(fā)送給簇頭，在簇頭接收到從節(jié)點(diǎn)發(fā)送出來的信息之后，便又將信息向基站轉(zhuǎn)發(fā)，最后通過基站的分析計算得出總的決策值，進(jìn)而為山體滑坡的預(yù)警監(jiān)測提供相關(guān)數(shù)據(jù)信息[5]。

二、山體滑坡的應(yīng)力監(jiān)測

重力作用是引起山體滑坡的主要作用，因此對于山體滑坡監(jiān)測相關(guān)人員來說，其要將監(jiān)測的重點(diǎn)放在山體滑坡內(nèi)部的應(yīng)力分布變化與分布情況上，通過對應(yīng)力的有效分析實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地預(yù)警監(jiān)測山體滑坡。在進(jìn)行山體滑坡應(yīng)力變化的測量實(shí)驗(yàn)時，可以選擇一個圓柱形巖土體作為樣本，在該巖土體表層安裝一個應(yīng)力計傳感器，再從外部給巖土體施加壓力，借助應(yīng)力值也就可以大致測量出巖土體內(nèi)部發(fā)生的應(yīng)力變化，然后再放大應(yīng)力值信號，將其變化輸出不一樣的電壓值，最后便可將其作為數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行輸入，再相連射頻芯片與該采集板，這樣就構(gòu)成了一個完整的傳感器節(jié)點(diǎn)。通過反復(fù)操作多個樣本，也就可以模擬出實(shí)際滑坡監(jiān)測的具體環(huán)境，從而也就可以為現(xiàn)實(shí)中的山體滑坡預(yù)測提供一定的幫助，當(dāng)應(yīng)力值超過臨界值的時候便會產(chǎn)生山體滑坡[6]。

三、分布式山體滑坡監(jiān)測預(yù)警

以重慶市黔江區(qū)舟白鎮(zhèn)公路沿線山坡仿真實(shí)驗(yàn)為例來分析分布式山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)性能，其中漏報率與誤報率是與滑坡預(yù)測結(jié)果有重要聯(lián)系的兩個指標(biāo)，要想保證預(yù)測山體滑坡的準(zhǔn)確性，就必須要保證漏報率與誤報率處于最小值。此次實(shí)驗(yàn)還將信噪比引入其中，一般來說，信噪比越大，則在信號中混在的噪聲就越小。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)中，信噪比的值一般在5-10dB范圍內(nèi)，在不同信噪比下，分別對中心監(jiān)測與分布式監(jiān)測進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比中心監(jiān)測，分布式監(jiān)測的漏報率更低。這也就表明分布式監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有更優(yōu)的性能，也就可以大力使用分布式監(jiān)測方法來預(yù)測山體滑坡。

四、結(jié)語

綜上可知，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)成的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，不僅能夠?qū)ι襟w滑坡進(jìn)行自動監(jiān)測以及快速部署，同時其所需的成本投入不大，具有非常良好的綜合性能。并且與中心監(jiān)測方法相比較而言，分布式監(jiān)測方法具有更加顯著的作用，通過對易發(fā)生滑坡山體的有效預(yù)警監(jiān)測，在很大程度上防止了因山體滑坡造成的重大損失與災(zāi)難，因此在今后，須更加深入地研究與利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

[1]丁學(xué)文,扈桂讓,楊瑞生,張保明,程建明,宋乃軍,宋志英,李素華.山西昔陽縣高業(yè)底村東山體滑坡、沉陷宏觀異常調(diào)查[J].山西地震,2016,01:9-12.

[2]陳仲超.淺談地質(zhì)災(zāi)害治理與景觀融合設(shè)計——以廣東肇慶市藍(lán)塘中石化加油站東側(cè)山體滑坡治理設(shè)計為例[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2016,01:95-101.

[3]陳蓓青,田雪冬,曹浩,賈進(jìn)科,張煜.基于三維GIS的丹江口水庫地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].長江科學(xué)院院報,2016,07: 51-54+67.

[4]方權(quán),石毅,侯金華,孟浪,鄭莎,程波,譚清林.三峽地區(qū)輸電線路監(jiān)測與應(yīng)急處置預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,03:73-80.

[5]張?jiān)曝S,金素月,安懷德,耿忠霖,金曉丹,權(quán)赫春.基于GIS的長白山地區(qū)山體滑坡易發(fā)程度分析[J].延邊大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,04:285-288.

[6]錢樹根,錢俊鋒.DTM分析在削坡減載工程量計算中的應(yīng)用研究——以浙江富陽地區(qū)村民屋后山體滑坡應(yīng)急排險工程為例[J].科技通報,2012,03:28-31.