基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/任飛 張辛波 左慶鄰 吳必造

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)取得巨大成績的同時(shí)，環(huán)境污染和人為破壞導(dǎo)致林木覆蓋率也越來越低，就導(dǎo)致各種地質(zhì)災(zāi)害問題頻發(fā)。近年來由于自然和人為因素導(dǎo)致的山洪、山體滑坡、山體坍塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害破壞性極強(qiáng)，嚴(yán)重威脅了人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)是防治山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的一項(xiàng)重要的措施。在地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)域內(nèi)布置地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)對(duì)表面位移、降雨量、地下水位以及山體裂縫等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，

并通過大數(shù)據(jù)分析和閾值判斷分析決策后通過地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)預(yù)警信息。及時(shí)將災(zāi)害通報(bào)給相關(guān)責(zé)任人，可以達(dá)到對(duì)各種地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行提前預(yù)警，方便預(yù)警區(qū)域人員做好防御預(yù)案和提前轉(zhuǎn)移，可以避免不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

文中首先介紹了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并將系統(tǒng)從下到上分為地質(zhì)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)接入以及存儲(chǔ)平臺(tái)模塊以及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)三個(gè)模塊。然后詳細(xì)介紹了地質(zhì)監(jiān)測模塊，詳細(xì)介紹了需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)以及用到的終端設(shè)備，包括表面位移數(shù)據(jù)監(jiān)測、內(nèi)部位移數(shù)據(jù)監(jiān)測、地下水位數(shù)據(jù)監(jiān)測以及雨量數(shù)據(jù)監(jiān)測等監(jiān)測設(shè)備；接著介紹了數(shù)據(jù)接入以及存儲(chǔ)平臺(tái)即OneNET平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)提供的定位為PaaS(Platform-as-a-Service 平臺(tái)即服務(wù))的服務(wù)平臺(tái)，利用OneNET平臺(tái)接入層平臺(tái)的做地質(zhì)監(jiān)測模塊和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)的中繼；最后分模塊詳細(xì)介紹了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)，平臺(tái)的主要功能是對(duì)傳感集采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析然后提供短信發(fā)布、告警、告警情況的統(tǒng)計(jì)分析以及對(duì)管理員提供系統(tǒng)管理及用戶管理等功能。

圖1：地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)功能模塊劃分

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)從下到上分為地質(zhì)檢測模塊、數(shù)據(jù)接入和存儲(chǔ)平臺(tái)以及綜合監(jiān)測平臺(tái)三個(gè)模塊組成，如圖1所示。

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)主要工作流程如圖1所示，首先通過地質(zhì)監(jiān)測模塊的傳感器和攝像頭等終端設(shè)備采集各項(xiàng)地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過2G/4G/NB-IoT(Narrow Band Internet of Things窄帶物聯(lián)網(wǎng))等方式與中移物聯(lián)網(wǎng)的OneNET平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并將數(shù)據(jù)暫存在OneNET平臺(tái)上。OneNET平臺(tái)定時(shí)向地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)數(shù)據(jù)庫推送數(shù)據(jù)，或地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)主動(dòng)下發(fā)命令要求OneNET平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)的方式向平臺(tái)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)數(shù)據(jù)庫發(fā)送數(shù)據(jù)。地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)會(huì)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析手段、閾值判斷等方法，實(shí)現(xiàn)包括地災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)、告警信息發(fā)布、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及接入、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)管理等功能。

3 地質(zhì)檢測數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的第一階段，監(jiān)測終端主要包括：傳感器系統(tǒng)、高精度天線以及輔助系統(tǒng)幾個(gè)部分，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過2G/4G/NB-IoT等通信方式，通過無線電波傳輸至OneNET平臺(tái)。

傳感器系統(tǒng)需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)如下：

（1）表面位移數(shù)據(jù)監(jiān)測，表面位移監(jiān)測依據(jù)滑坡體或邊坡具體情況，可布設(shè)GNSS觀測墩，實(shí)時(shí)差分解算出各監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)，監(jiān)測變形情況；

（2）內(nèi)部位移數(shù)據(jù)監(jiān)測，滑坡體或邊坡的內(nèi)部變形觀測，依據(jù)其具體情況可采用垂直坡面鉆孔安裝多點(diǎn)位移計(jì)或鉆孔安裝垂直測斜管配固定測斜儀；

（3）地下水位數(shù)據(jù)監(jiān)測，邊坡或滑坡體處于高地下水區(qū)域，地下水的變化往往對(duì)災(zāi)害點(diǎn)加速惡化起很大作用，因此建議在這樣的地方增設(shè)地下水觀測項(xiàng)目，布設(shè)一個(gè)測點(diǎn)，采用鉆孔安裝一支滲壓計(jì)來實(shí)現(xiàn)地下水監(jiān)測；

（4）雨量數(shù)據(jù)監(jiān)測，滑坡體或邊坡的環(huán)境量監(jiān)測一般多采用降雨量作為環(huán)境的主要技術(shù)要求，可根據(jù)地形條件和周圍環(huán)境的情況在合適的地方布置一個(gè)雨量監(jiān)測測點(diǎn)；

（5）應(yīng)力數(shù)據(jù)監(jiān)測，滑坡體或邊坡發(fā)生位移形變，一般采用錨索應(yīng)力計(jì)監(jiān)測應(yīng)力變化；

（6）裂縫數(shù)據(jù)監(jiān)測，滑坡體或邊坡裂縫監(jiān)測依據(jù)裂縫大小，選擇適當(dāng)量程范圍的裂縫計(jì)；

（7）視頻監(jiān)控，滑坡體或邊坡視頻監(jiān)控，可以及時(shí)了解現(xiàn)場情況，為決策者提供及時(shí)應(yīng)急提供依據(jù)。

4 數(shù)據(jù)接入和存儲(chǔ)平臺(tái)

OneNET是中移物聯(lián)網(wǎng)提供的定位為PaaS(Platform-as-a-Service 平臺(tái)即服務(wù))服務(wù)，平臺(tái)為上層物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和終端物理設(shè)備間搭建一個(gè)高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺(tái)服務(wù)平臺(tái)：為物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備適配了多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和常見傳輸物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，為各類硬件終端設(shè)備提供了快速接入的方案和設(shè)備管理服務(wù)；在面向企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面，為軟件開發(fā)者提供豐富的API和數(shù)據(jù)分發(fā)能力以滿足各類行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需求，OneNET平臺(tái)讓物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)不用將工作的重心放在設(shè)備接入層設(shè)備的環(huán)境搭建上，而是更加專注于自身物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)，達(dá)到縮短物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的形成周期，可以降低企業(yè)研發(fā)、運(yùn)營和運(yùn)維成本。

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中地質(zhì)監(jiān)測模塊的終端采集設(shè)備和OneNET平臺(tái)通信協(xié)議是遵照ISO 標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC PRF 20922)下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議MQTT(Message Queuing Telemetry Transport消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議)；終端采集設(shè)備和OneNET平臺(tái)通信方式采用2G/4G/NB-IoT。OneNET平臺(tái)收到數(shù)據(jù)后與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互方式有兩種：第一種是OneNET平臺(tái)定時(shí)的將數(shù)據(jù)推送數(shù)據(jù)到地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)的主數(shù)據(jù)庫，然后再進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析以及閾值判斷確定是否進(jìn)行告警；第二種是綜合監(jiān)測平臺(tái)主動(dòng)從OneNET平臺(tái)讀取去數(shù)據(jù)，讀取指定平臺(tái)指定的數(shù)據(jù)。

5 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)

預(yù)警平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害范圍內(nèi)的預(yù)警信息發(fā)布功能，主要包括短信發(fā)布、通信管理、預(yù)警信息統(tǒng)計(jì)分析、平臺(tái)系統(tǒng)管理等功能。通過將地質(zhì)監(jiān)測模塊采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過大數(shù)據(jù)和閾值分析后得到的報(bào)警信息進(jìn)行發(fā)布，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)短信告警功能。

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)主要包括四個(gè)軟件功能模塊如圖2所示：短信發(fā)布模塊、通信管理模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊和通信管理模塊。下面分別對(duì)四個(gè)軟件模塊的功能進(jìn)行分析。

5.1 短信發(fā)布模塊

短信發(fā)布模塊的主要功能是對(duì)預(yù)警短信的收發(fā)和查詢，主要包括信息發(fā)布、上報(bào)短信查詢以及下發(fā)短信查詢。信息發(fā)布：提供信息快速發(fā)布、信息群發(fā)等信息發(fā)送功能。上報(bào)短信查詢：在信息接收對(duì)象收到下發(fā)信息時(shí)，信息接收對(duì)象可選擇直接回復(fù)短信，系統(tǒng)可根據(jù)反饋的短信自動(dòng)識(shí)別接收對(duì)象是否及時(shí)收到下發(fā)的信息，若沒有收到可通過其他手段進(jìn)行信息通知。

下發(fā)短信查詢：根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的單位行政區(qū)劃分類如圖3所示，可分別查詢不同分類下的信息發(fā)送情況，包括發(fā)送批次、發(fā)送人、發(fā)送時(shí)間、發(fā)送信息量、是否回執(zhí)、信息內(nèi)容、發(fā)送成功率等信息。

5.2 通信管理模塊

通信管理模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)通信相關(guān)資料的管理以及導(dǎo)入導(dǎo)出操作。單位通訊管理：提供市級(jí)、區(qū)級(jí)、街道辦等各級(jí)行政單位的管理功能，包含行政單位的增加、修改、刪除。聯(lián)系人管理：提供以行政單位為根的個(gè)人聯(lián)系信息管理功能，包含可對(duì)聯(lián)系人進(jìn)行增加、查詢、修改、刪除。通訊了導(dǎo)入導(dǎo)出：提供以Excel方式對(duì)通訊錄進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出的功能，實(shí)現(xiàn)快捷對(duì)通訊錄的管理和內(nèi)容輸出。

5.3 統(tǒng)計(jì)分析模塊

統(tǒng)計(jì)分析模塊是實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警信息的分類統(tǒng)計(jì)和分析。信息分類統(tǒng)計(jì)：以行政單位為分類統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，可分別查詢不同單位在某時(shí)間段內(nèi)發(fā)送信息的類型，包含：公告信息、藍(lán)色預(yù)警、橙色預(yù)警、黃色預(yù)警、紅色預(yù)警等。信息回復(fù)統(tǒng)計(jì)：可查詢每個(gè)信息接收人員需要回執(zhí)的信息數(shù)量、已回執(zhí)的信息數(shù)量、回執(zhí)成功率、個(gè)人姓名、隸屬單位等。信息費(fèi)用統(tǒng)計(jì)：根據(jù)行政單位為基礎(chǔ)，可分別查詢不同單位在某一時(shí)間段內(nèi)發(fā)送的信息數(shù)量以及產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用情況。信息數(shù)量統(tǒng)計(jì)：可以按照不同的時(shí)間段、行政區(qū)劃等統(tǒng)計(jì)信息發(fā)布的數(shù)量情況。

5.4 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊是實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理和軟件平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)置。權(quán)限配置：可對(duì)單個(gè)用戶的權(quán)限實(shí)現(xiàn)單獨(dú)管理和賦權(quán)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)：可將地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的基本數(shù)據(jù)導(dǎo)入地災(zāi)數(shù)據(jù)庫以對(duì)地災(zāi)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和更新。

菜單配置頁面如圖4所示：包括對(duì)預(yù)警信息發(fā)布子系統(tǒng)的各項(xiàng)功能頁面進(jìn)行管理，可實(shí)現(xiàn)功能頁面的隱藏/顯示，頁面的順序調(diào)整等。角色配置：可對(duì)預(yù)警信息發(fā)布子系統(tǒng)的使用用戶進(jìn)行管理，可實(shí)現(xiàn)用戶類型的增加、刪除、修改、查詢，以及各類用戶權(quán)限的配置。

地質(zhì)預(yù)警平臺(tái)采用短信報(bào)警，通過將告警區(qū)覆蓋域內(nèi)相關(guān)責(zé)任人和群眾通信信息導(dǎo)入系統(tǒng)，可以在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)告警功能。實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)到面，快速及時(shí)的通知受災(zāi)群眾或發(fā)布預(yù)警信息，將極大的提升地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)和預(yù)警能力，大幅提升防災(zāi)預(yù)警水平，是實(shí)現(xiàn)行業(yè)資源整合，提升防災(zāi)預(yù)警能力的新思路。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，并將系統(tǒng)從下到上分為地質(zhì)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)接入以及存儲(chǔ)平臺(tái)模塊以及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)三個(gè)模塊，并在文中對(duì)三個(gè)模塊進(jìn)行了分析。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要特點(diǎn)有：引入了OneNET平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入層，縮短了本系統(tǒng)的形成周期，引入了短信報(bào)警功能，能根據(jù)大數(shù)據(jù)分析以及閾值判斷等方法生成報(bào)警信息，并可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的告警級(jí)別，若分析結(jié)果達(dá)到告警級(jí)別會(huì)自動(dòng)短信通知到通信錄中設(shè)定的相關(guān)責(zé)任人以及受災(zāi)群眾。將極大的提升地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)和預(yù)警能力，大幅提升防災(zāi)預(yù)警水平，是實(shí)現(xiàn)行業(yè)資源整合，提升防災(zāi)預(yù)警能力的新思路。具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。