基于“感、傳、智、用”全業務鏈的智能地質災害監測預警系統的工程應用

文|范曉雷 李懷忠 雒永剛 孫國慧 楊世忠 王岳軍

1.中國衛通集團股份有限公司 2.湖南北斗微芯數據科技有限公司3.北斗微芯院士專家工作站 4.中山大學

一、引言

我國幅員遼闊，地質結構復雜多樣，地質災害隱患點數量巨大。目前，全國已經勘察確認的地質災害隱患點288525處，共威脅1891萬人和4431億元財產的安全。據自然資源部發布的《2018年全國地質災害災情及2019年地質災害趨勢預測》，2018年全國共發生地質災害2966起，造成105人死亡、7人失蹤、73人受傷，直接經濟損失14.7億元。2018年全國共成功預報地質災害496起，避免人員傷亡23560人，避免直接經濟損失9.6億元。從發布的數據分析，目前我國地質災害成功預報率僅有16.72%。成功預報地質災害能夠明顯降低人員傷亡和生命財產損失，因此建立一套能夠對地質災害進行監測預警的“感、傳、智、用”全業務鏈的智能地質災害監測預警系統是非常迫切和必要的。

二、地質災害監測預警面臨的挑戰

1. 通信盲區及傳統通信癱瘓狀態下的數據傳輸

地質災害作為一種自然現象有其發育過程，地質災害監測的意義就是通過科技手段實時動態掌握隱患點上地質災害的孕育及發育狀態，掌握地質災害隱患點雨量、位移、土壤含水量等關鍵致災因子的數據及其變化，能夠及時對地質災害風險進行預判和預警，為地質災害防治提供響應時間和空間，降低災害帶來的人員傷亡和經濟損失，因此地質災害監測預警對實時通信的需求非常明確。目前地質災害監測的通信手段為傳統的蜂窩網絡，當地質災害發生時，地質災害隱患點周邊的通信基站也會面臨破壞，很容易導致通信中斷和癱瘓。另外，還有大部分地質災害隱患點處于蜂窩網絡信號欠佳或者通信盲區，鑒于北斗短報文的通信能力和傳輸頻次尚不能滿足地質災害實時監測的要求，導致這些區域地質災害監測陷入瓶頸。由此可見，地質災害監測數據的不間斷傳輸是傳統地質災害監測預警面臨的重大挑戰。

2. 海量時序監測數據的智能災變風險挖掘

地質災害孕育狀態主要通過前端物聯感知體系獲取，包含如位移、土壤含水量、雨量等諸多關鍵致災因子的參數，這些監測數據有非常明顯的海量性、時序性、連續性；同時監測的傳感器大多來源于不同廠家，采用的數據格式標準也有所不同，存在多源、異構、跨平臺的特性，這些問題也造成地質災害監測數據的應用和管理難題，而地質災害監測預警主要目的就是從海量的時序監測數據中快速識別出災變的風險，為地質災害預警及應急響應提供寶貴的時間和空間，這是地質災害監測預警領域面臨的挑戰。

三、“感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統技術方案

1. “感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統業務模型

“感、傳、智、用”全業務鏈地質災害監測預警系統是通過北斗GNSS、雨量計等物聯感知設備采集位移、氣象、環境等地質災害誘發因素的可監測信息，利用以寬帶衛星通信為主的多回路雙備份通信機制和基于多學科交叉的智能災變監測預警評估模型，為用戶提供地質災害事前監測預警、事中實時監測、事后輔助救援與應急服務的平臺。系統采用“一個云平臺，三項核心技術”的技術支撐體系，“一個云平臺”即面向用戶的智能北斗高精度地質災害實時監測預警云平臺；“三項核心技術”分別指：北斗的高精度定位技術可實現對地質災害隱患點進行精準定位和位移監測；多回路雙備份通信技術可以對地質災害隱患點的監測信息進行全天候不間斷回傳；去中心化開發技術是平臺的軟件開發采用的區塊鏈技術，能夠保障平臺的可擴展性和個性定制的需求（圖1）。

圖 1 “感、傳、智、用”全業務鏈地質災害監測預警系統業務模型示意圖

2. “感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統架構

鑒于上述問題和挑戰，“感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統采用五層架構進行設計，如圖2所示，分別是地質災害隱患點實時動態感知層、多回路雙備份通信層、數據匯集與數據處理層、并行業務計算層和面向用戶的應用層，為了確保系統穩定良好的運行，系統采用自學習方式進行自檢及維護，具體如下：

（1）地質災害實時動態感知層

地質災害實時動態感知層是面向地質災害隱患點建設的全維度地質災害誘發因素物聯感知網絡，通過設備和儀器監測誘發地質災害的可以量化的所有信息，為地質災害監測、風險評估及地質災害預警提供數據支撐。

（2）多回路雙備份通信層

系統建立了多回路雙備份的通信機制，利用寬帶衛星數據集中器實現了Ka高通量寬帶衛星、北斗短報文、蜂窩數據網絡、NB-IoT/LoRa的疊加式網絡通信體系，采用自適應的網絡接入管理模式，確保監測數據傳輸不間斷。

（3）數據匯集與數據處理層

數據匯集與數據處理層是實現對地質災害監測全維度監測數據的接入、處理、管理和使用。對前端接入的多源、異構、跨平臺的數據進行處理，這些海量數據具有多維度多屬性的特點，處理過程具有連續性、高并發、多任務協同特征及實時性，為保障數據的規范和可用性，系統引入高吞吐數據處理技術，實現數據的匯集、清洗、標準化、存儲及時空異構數據深度融合等功能。

（4）并行業務計算層

依據地質災害的監測、預警和信息發布的業務流程，為滿足極端天氣或者汛期時監測數據采集和業務計算頻率提升的要求，系統建立了數據并行化處理方法和業務并行計算模型，實現大規模并發信息處理、業務計算、實時動態穩定性評價、智能風險評估計算等功能，滿足極端天氣和汛期監測預警需求。

（5）面向用戶的應用層

面向用戶的應用層主要用于業務應用、應急指揮、信息訂閱發布、治理方案輸出、協同作業支持等，屬于“感、傳、智、用”全業務鏈地質災害監測預警系統與用戶的主要接口管理層，能夠解決用戶信息請求和用戶信息獲取的問題，此層通過匯集各種業務需求、展示后端結果完成系統呈現。

（6）系統自檢與維護

“感、傳、智、用”全業務鏈地質災害監測預警系統設置系統自檢及維護功能，具有平臺安全控制和系統自檢機制，保障系統運行。

3. 人工智能地質災害風險評估及災變預警模型

系統采用“一個隱患點一個預警模型”的風險評估及災變預警策略，其中人工智能地質災害風險評估及災變預警模型是北斗微芯院士專家工作站結合具體地質災害監測工程和規范開發。該模型是依據地質災害隱患點的實時監測數據來對其進行安全風險評估和災變預警，主要通過基于大尺度時序監測數據的人工智能手段和專用災變模型，對地質災害隱患點的風險和災變進行定量、定性分析，并建立如表 1所示風險評估矩陣，系統采用模糊理論、模糊評估、灰色理論、灰色關聯分析、層次分析法，貝葉斯理論模型等方法對地質災害隱患點進行風險評估。

同時為方便用戶對災變的應急響應，依據智能地質災害預警評估模型和應急消防管理法的相關要求，系統設置了四級預警發布體系，如表 2所示，分別是紅色預警、橙色預警、黃色預警、藍色預警。

為了能夠提升災變預警模型的精準度，系統為模型設置了反饋修正功能，依據監測數據業務計算結果和現場勘察結論動態修正預警模型。

4. 系統關鍵技術

（1）基于中星十六號的多回路不間斷通信技術

為了保證智能地質災害監測預警能夠全天候實時在線運行，在本技術方案采用多回路不間斷通信鏈路設計，由中國衛通集團股份有限公司（簡稱中國衛通）與北斗微芯數據科技有限公司（簡稱北斗微芯）聯合研發了寬帶衛星數據集中器，解決了隱患點數據集中、通信盲區及傳統通信易癱瘓場景通信備份等難題。寬帶衛星數據集中器融合了基于Ka高通量寬帶衛星通信、蜂窩數據網絡、北斗短報文及NB-IoT/LoRa等通信技術，采用自適應網絡接入模式，自主判斷和選擇通信鏈路，當蜂窩網絡出現中斷或者癱瘓的情況時，設備可以自主切換至寬帶衛星通信鏈路進行數據傳輸，確保地質災害監測數據的不間斷回傳。

（2）基于北斗衛星的高精度位置解算技術

高精度地表形變及位移是災變的重要指標，獲取地質災害隱患點高精度位置變化是能夠提供精確預警信息的核心關鍵技術。

系統提供了基于北斗衛星的高精度位置解算技術，該解算技術是使用RTK（載波相位差分）技術對地質災害隱患點的地表位移進行高精度監測，如圖3所示，通過基準參考站和位移監測站同時進行觀測，北斗GNSS基準站與位移監測站同時接收北斗衛星定位信號，北斗GNSS基準站模塊通過內部芯片計算得到差分數據并通過物聯網通信模塊（LoRa）將差分數據傳輸至位移監測站，位移監測站接收到差分數據后，由北斗GNSS定位芯片進行實時解算的形變數據，精度可以達毫米級。

圖 3 基于北斗衛星的高精度位置解算及多回路通信工程應用示意圖

（3）高并發災變預警并行業務計算技術

為了滿足地質災害監測預警業務的實時動態響應，系統引入高并發并行業務計算解決方案，采用無共享體系結構和多指令流單數據流編程模型，業務計算由調度節點和任務節點集群完成，圖4為高并發災變預警并行業務計算流程示意圖。

（4）智能多物理場災變評估技術

圖 4 高并發災變預警并行業務計算流程示意圖

為了提升地質災害監測預警的精度，系統采用了如圖5所示的多物理場耦合計算的模式來提升地質災害監測預警的可靠性，多物理場耦合主要立足工程地質條件以及環境與地質條件之間的相互作用，挖掘應力場、滲流場、溫度場等多物理場作用下產生的應變場，通過應變場的獲取時序檢測數據的變化，為智能地質災害風險評估矩陣提供參數輸入，并針對不同隱患點配置災變預警模型，用以精準掌握地質災害隱患點地質災害發育狀態。

圖 5 智能多物理場災變耦合計算示意圖

四、“感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警的工程應用

1. 寧鄉市地質災害情況及工程建設背景

2017年7月，湖南省寧鄉市境內發生重大地質災害，西部9個鄉鎮出現山體滑坡，東部區域出現洪水漫堤，受災人口81.5萬，全倒或部分倒塌房屋14000余間，毀損堤壩900多處，13個鄉鎮停電，7個鄉鎮通訊中斷，因災死亡、意外落水、失聯人員40余人，地質災害給當地人民群眾生命財產造成了巨大的損失。湖南省寧鄉市地處湘東偏北的洞庭湖南緣地區，地形地貌復雜，西部山區屬于風化花崗巖地區，遇到強降雨極容易發生山體滑坡、泥石流等地質災害，東部地區屬于洞庭湖尾閭地區，地勢低洼，河流匯集，是地質災害多發易發地區，寧鄉市目前共有在冊地質災害隱患點400余處，地質災害總體呈現出點多面廣、威脅巨大的特點。

在“感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警工程建設前，寧鄉市的地質災害主要依靠群測群防的人工模式，地質災害防治能力亟待提升，如何建立不間斷的地質災害信息傳輸鏈路和如何通過海量的地質災害監測數據有效挖掘應用于指導地質災害防治業務的預警信息也成為了寧鄉市地質災害防治部門的難題。立足寧鄉市地質災害防治的具體情況和實際需求，中國衛通、北斗微芯及北斗微芯院士專家工作站三方聯合，針對寧鄉市地質災害防治的具體需求，開發并承建了“感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統。

2. “感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警的實施

“感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統采用如圖6所示的系統部署方案，地質災害物聯感知體系部署在地質災害隱患點上，智能北斗高精度地質災害實時監測預警云平臺部署于地質災害應急指揮中心。

圖 6 全業務鏈智能地質災害監測預警系統整體部署示意圖

首先是地質災害隱患點的物聯感知體系的部署。地質災害隱患點物聯感知體系的建設，依據相關監測規范、地形地貌特征和具體地勘數據進行建設和部署，如圖7所示，物聯感知體系的部署主要包含方格形、三角形和任意形三種部署方式，不同的地質災害隱患點建設方案不同，建設過程需進行現場勘查，并針對每個監測點單獨編制建設方案。

圖 7 地質災害隱患點監測站部署示意圖

其次是地質災害應急指揮中心的部署。智能北斗高精度地質災害實時監測預警云平臺部署于應急指揮中心，用于接收地質災害隱患點的監測數據，通過地質災害監測預警評估模型和風險評估矩陣為用戶輸出地質災害災變風險及等級預警，最終通過應急指揮中心發布和管理地質災害防治工作。

3. “感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警工程應用效果

由中國衛通和北斗微芯聯合建設的“感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統示范工程，目前已經成功在湖南省寧鄉市90個地質災害隱患點上進行工程應用（圖8），該系統自上線以來多次為當地提供精準的地質災害預警信息，取得了顯著的效果。

圖8 “感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統寧鄉項目

（1）系統災變預警效果顯著

以寧鄉市橫市鎮界頭村（東經112.17527°，北緯28.237605°）的地質災害隱患點為例，2019年3月初，系統通過北斗/GNSS監測到隱患點有蠕滑現象，累積位移逐漸增大，經人工智能地質災害風險評估及災變模型分析以及現場復查情況，發布該隱患點區域內的地質災害黃色警報。

經現場勘察，如圖9和圖10所示，01號隱患點位于擋墻下方，斜坡為殘坡積土和棄填土，出現的裂縫位于擋墻下側測點附近，現場發現該處擋墻下方位移加速屬局部滑動前兆，土體滑動后可能牽引擋墻變形開裂，存在安全隱患，需臨時疏散群眾。

圖 9 橫市鎮界頭村金礦組01號滑坡監測點布置示意圖

圖 10 橫市鎮界頭村金礦組01號隱患點監測站及位移變化趨勢

現場勘察，如圖11和圖12所示，02號滑坡體為軟質巖石，蠕動變形，據宏觀跡象和數據判斷，滑坡體呈北偏東方向滑移，處于勻速變形階段，有加速趨勢，滑坡前緣出現裂縫，呈牽引式趨勢，災變風險加大。

圖 11 橫市鎮界頭村金礦組02號滑坡監測點布置示意圖

圖 12 橫市鎮界頭村金礦組02號監測站及位移變化趨勢

（2）融合式技術創新降本增效

系統的建設采用跨界融合的模式，綜合應用北斗導航衛星、中星十六號衛星和遙感衛星等，在工程實踐過程創新諸多應用。如寬帶衛星數據集中器的應用，大幅降低了傳統監測模式的中間設備，在提升地質災害監測預警效果的同時有效降低了地質災害監測的成本，低成本高可靠的普適性推廣效果明顯。

經過工程實際應用證明，建立全業務鏈的智能地質災害監測預警體系可以為科學技術部門和專業管理部門提供有效的支撐手段，也能夠促進管理部門地質災害防治能力的提升。

五、總結與展望

“感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統是典型的北斗導航衛星、中星十六號通信衛星等航天科技的工程應用，能夠為地質災害等安全監測提供更為先進的技術手段；同時“感、傳、智、用”全業務鏈智能地質災害監測預警系統也是地質科學、信息科學、工程科學等跨學科專業融合的工程應用，能夠為地質災害監測預警及應急響應提供更加科學的決策依據；通過工程實踐證明，航天技術能夠給地質災害等領域帶來低成本、高可靠的系統性行業解決方案，普適性強，具有極大的推廣價值。