滑坡監(jiān)測預警系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

韓祖麗

摘要：本文分析我國現(xiàn)行滑坡監(jiān)測預警系統(tǒng)存在的不足，結合實踐經(jīng)驗，基于滑坡監(jiān)測預警技術和巖石破裂理論，提出一款由滑坡探測器、數(shù)據(jù)采集中轉站、監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)三部分構成的滑坡智能監(jiān)測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有集成度高，預警信息發(fā)布準確、迅速等特點，為滑坡預警監(jiān)測提供一種新的監(jiān)測手段。

關鍵詞：滑坡;監(jiān)測;預警系統(tǒng);研究

1、前言

滑坡、崩塌、泥石流、地震是我國危害最大的地質災害。近年來我國大力推動地質災害的專業(yè)監(jiān)測預警工作，建立了大量地質災害專業(yè)監(jiān)測示范點，為防災減災發(fā)揮了引領示范作用。但地質災害專業(yè)監(jiān)測在實施過程中也存在一些問題，如監(jiān)測設備不智能、監(jiān)測方案不科學、預警模型無法滿足需求等，使專業(yè)監(jiān)測預警未充分發(fā)揮作用。

2、提出問題

通過實踐研究，本文從滑坡監(jiān)測參數(shù)、供電問題、監(jiān)測采集頻率、信號傳輸、滑坡預警模型、設備自檢等六方面分析研究我國現(xiàn)行主流滑坡監(jiān)測預警系統(tǒng)存在的缺陷，并提出改進建議。

2.1 滑坡監(jiān)測參數(shù)

滑坡監(jiān)測參數(shù)通常可劃分為五類：物理參數(shù)、變形參數(shù)、機理參數(shù)、誘發(fā)參數(shù)和間接參數(shù)。1.物理參數(shù)，實踐中將聲發(fā)射數(shù)和射氣量變化兩個指標作為滑坡預報物理指標。2.變形參數(shù)，各種試驗證明，位移是一個容易測量和獲得的特征變量，它能夠反映巖土體的變形破壞特征。3.機理參數(shù)，滑坡機理預測參數(shù)指的是表示滑坡地質災害變形作用機理的參數(shù)。4.誘發(fā)參數(shù)，滑坡預報的誘發(fā)參數(shù)指的是誘發(fā)滑坡活動的參數(shù)。降雨量、人工幵挖坡腳、地表水和地下水作用是其常用指標。這些參數(shù)不是滑坡變形的本質參數(shù)，但卻是導致滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素。在宏觀上講，降雨量也可作為中長期預報的參數(shù)。5.間接參數(shù)，滑坡間接預報參數(shù)是指難以準確量化的滑坡監(jiān)測指標，通過特殊的理論分析，用定量的指標表示分散且模糊不清的信息。

目前我國滑坡地表監(jiān)測參數(shù)以位移、加速度指標為主，通過監(jiān)測點布置GNSS接收或位移傳感器、加速度傳感器實施監(jiān)測，但無法無法監(jiān)測深部巖體變形，對于突發(fā)滑坡也無法預警。然而確定滑坡監(jiān)測參數(shù)，要考慮滑坡的變形破壞特征與監(jiān)測技術的可行性，堅持多參數(shù)綜合分析、整體監(jiān)測與動態(tài)預測的原則。國內學者有采用多種探測器采集監(jiān)測點多參數(shù)的報道，但現(xiàn)場組網(wǎng)、安裝、信號傳輸難度大;因而集成監(jiān)測傳感器、處理器、供電和遠程通信于一體化的智能監(jiān)測設備，大大降低監(jiān)測設備被篡改和破壞的風險，是未來的研究熱點之一。

2.2 供電問題

采用拉線方式給野外滑坡監(jiān)測設備供電的方式，施工難度大，長距離輸電會造成電壓不穩(wěn)定，受限較多;當前許多監(jiān)測設備已升級采用光伏發(fā)電的供電方案，即通過立桿支架連接太陽能板，再配合大容量蓄電池組成供電模塊，確保設備長期監(jiān)測的用電需求，但在實際監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，設備零部件多、體積較大，增加了偏遠山區(qū)運輸?shù)碾y度，也使后期維護工作量大大增加。使監(jiān)測設備的供電模塊輕量化，功耗低，不依靠外部供電就能保證正常工作是未來研究的熱點。

2.3 監(jiān)測頻率

目前主流的監(jiān)測設備為了節(jié)省設備功耗，無法實現(xiàn)不間斷監(jiān)測，以GNSS接收機為例，通常是0.5～2小時監(jiān)測一次，監(jiān)測頻率依靠人工設置，這將造成突發(fā)型滑坡和崩塌無法獲取有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，產(chǎn)生漏報預警信息的嚴重后果。

貴州龍井村滑坡布設的常規(guī) GPS 監(jiān)測站，在 2019 年 2 月 17 日凌晨滑坡發(fā)生前，常規(guī) GPS 獲取的累計位移剛開始加速時，滑坡已經(jīng)發(fā)生。同樣在 2017年發(fā)生在甘肅黑方臺的黨川4#突發(fā)型黃土滑坡也出現(xiàn)了常規(guī) GPS 未獲取滑坡加速變形階段的數(shù)據(jù)，導致漏報預警信息的問題[1]。由此可見，具備不間斷監(jiān)測或智能調節(jié)監(jiān)測頻率的設備是獲取隱患點有效監(jiān)測數(shù)據(jù)的重要條件，但在變頻觸發(fā)響應時間，監(jiān)測頻率變化幅度等具體技術上還有很大的發(fā)展空間。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

滑坡監(jiān)測預警即是針對信息的采集、傳輸、處理與發(fā)布過程，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與可靠性至關重要。目前數(shù)據(jù)遠程傳輸主要包括有線和無線兩種方式。

2.4.1有線方式

通常受滑坡監(jiān)測區(qū)域環(huán)境復雜、線路架設和電源供給難等限制， 使得有線系統(tǒng)部署起來非常困難，系統(tǒng)維護十分不便;并且監(jiān)測節(jié)點傳感器是通過導線串聯(lián)起來的，當某個傳感器節(jié)點發(fā)生故障時， 會影響其他節(jié)點正常工作， 不能及時的為預警提供充分的數(shù)據(jù)支持， 從而影響系統(tǒng)的可靠性。

2.4.2無線方式

對于遠程無線傳輸，廣泛采用的是基于移動通信技術的傳輸方式，包括 GPRS、CDMA 及 4G 網(wǎng)絡等;對于其他無線方式如北斗（BDS）GPS、GIS的數(shù)據(jù)采集終端， 成本高，衛(wèi)星數(shù)較少、分布不均衡，面向民用領域的數(shù)據(jù)傳輸應用領域還存在一定的局限性;合成孔徑雷達干涉測量（ InSAR）， 雖然具有全天候、連續(xù)獲取信息和高空間分辨率的特點， 但該方法對干涉相位圖像質量要求高， 需要高分辨率的衛(wèi)星遙感圖像， 這些決定了它不適合大范圍推廣與應用。無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）的傳感器節(jié)點計算能力和數(shù)據(jù)存儲空間都比其它的終端差，若節(jié)點停止工作，網(wǎng)絡拓撲結構也會因此發(fā)生變化，數(shù)據(jù)采集的有效性會受到影響。

隨著現(xiàn)代通信技術的不斷更新，我國行政村4G覆蓋率已經(jīng)超過98%，同時5G發(fā)展迅速，能夠滿足用戶對更大容量數(shù)據(jù)遠程無線傳輸?shù)母咝耘c可靠性要求。

2.5 滑坡預警模型

基于智能監(jiān)測設備和科學合理的監(jiān)測方案，可以準確獲取監(jiān)測點的監(jiān)測參數(shù)（ 如位移、加速度、降雨量等） ，而最關鍵的問題還是根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析所建立的滑坡預警模型，建立對滑坡災害的內部量變演化至外部質變的長期監(jiān)控，做到在地質內部變形滑動發(fā)生之前及時發(fā)現(xiàn)并進行預警防治。

目前滑坡監(jiān)測預警技術一般采用閾值模型進行簡單的判斷，以變形、雨量等因素達到某一閾值后進行對應等級的預警。以泥石流為例，降雨是誘發(fā)泥石流的關鍵要素，近年來基于過程化的泥石流臨界雨量模型是總結分析前期降雨量、降雨持續(xù)時間、累計總降雨量等關鍵降雨特征參數(shù)[2]而建立起來的，并且在汶川地震三大片區(qū)多次成功預警[3]。貴州龍井村滑坡成功預警，很大程度上得益于建立了過程化的變形切線角預警模型[4]。

但現(xiàn)有的預警模型并未考慮多源數(shù)據(jù)融合問題，即針對某一災害點雖然布設了多個監(jiān)測設備，但監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析預警都是單一設備各自發(fā)布，而滑坡的發(fā)生需要綜合考慮各個監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)信息，確保準確判斷滑坡點的發(fā)展趨勢和危險性，同時閾值的確定也不盡合理。

貴州龍井村在滑坡隱患點布設了6臺位移監(jiān)測設備，其中，4#位移計布設在一塊不穩(wěn)定的巖石上，在2019年2月11日凌晨，由于滑坡變形使該巖石沿張開的裂縫下墜，導致該位移計的監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生了明顯激增，并觸發(fā)了過程化的紅色預警，但實質上整個坡體仍然相對穩(wěn)定，其余監(jiān)測設備也并未發(fā)出報警，在這一過程中單一設備的報警并不代表滑坡即將失穩(wěn)破壞;而滑坡真正發(fā)生的 2019 年 2 月 17 日凌晨，剩余 5 臺自動位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)一致出現(xiàn)加速狀態(tài)并幾乎同時發(fā)出了預警信息，從整體上反映出滑坡全面失穩(wěn)的過程[6]。由此說明，過程化預警模型中多源數(shù)據(jù)協(xié)同的預警技術方法也是今后需要進一步發(fā)展的方向。

2.6 設備自檢

滑坡監(jiān)測設備的狀態(tài)檢查、故障判斷、數(shù)據(jù)發(fā)送完整性檢查大多還依靠人工，對于安裝在偏遠山區(qū)的監(jiān)測設備來說，設備的智能化自我管理和自我檢測顯得尤為重要，這方面還需要進一步的發(fā)展。

針對滑坡監(jiān)測預警系統(tǒng)的上述缺陷，筆者通過前期的研究，在滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測工作方法，智能化監(jiān)測設備的傳感器集成、供電、數(shù)據(jù)傳輸、滑坡預警模型建立等方面取得了一定成果。

3、解決方案

筆者基于滑坡監(jiān)測預警技術和巖石破裂理論，結合滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、利用機理，按照“指標智能監(jiān)測、信號自主傳輸、險情自動預警”的設計理念，通過滑坡監(jiān)測預警設備的集成創(chuàng)新，研制一款由滑坡探測器、數(shù)據(jù)采集中轉站、監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)三部分構成的滑坡智能監(jiān)測預警系統(tǒng)（原理圖如圖1）。

3.1關鍵技術

3.1.1滑坡探測器設計

根據(jù)“滑坡發(fā)生前，巖石的微小變形均會導致地磁感強度、磁偏角、磁傾角變化”的機理，通過監(jiān)測地磁變化作為預警滑坡發(fā)生的核心指標。滑坡探測器采用工業(yè)塑料外殼，呈圓柱體，截面直徑8～10cm，高0.6～0.8m，內部集成震動傳感器、地磁場傳感器、傾角傳感器、加速度傳感、數(shù)據(jù)處理器、供電模塊、干電池、433MHz無線電通信模塊、定時開關控制器等元器件。其工作原理：震動傳感器探測到微震動→供電模塊觸發(fā)電池向地磁場傳感器、傾角傳感器、加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理器、無線電通信模塊供電→探測磁偏角、傾斜角、加速度的變量→數(shù)據(jù)處理器根據(jù)預設算法計算磁偏角、傾斜角、加速度參數(shù)，若達到閾值，將磁偏角、傾斜角、加速度參數(shù)和滑坡探測器代碼（代碼預存儲在數(shù)據(jù)處理器中）→433MHz無線電通信模塊→數(shù)據(jù)采集中轉站;若監(jiān)測點的磁偏角、傾斜角、加速度無異常，在每天某一指定時刻，定時開關控制器激活數(shù)據(jù)處理器，通過無線電通信模塊向數(shù)據(jù)采集中轉站發(fā)送自檢信號。安裝方法：在滑坡監(jiān)測點，將該探測器豎直進入巖土層約30cm（無需安裝混凝土底座）、夯實、校正。

3.1.2數(shù)據(jù)采集中轉站設計

數(shù)據(jù)采集中轉站具備接收多個滑坡探測器信號、滑坡點判斷、報警器報警、險情廣播、向監(jiān)控中心監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信號等功能。采用薄壁金屬外殼，呈長方體，內部為空腔，截面尺寸約為35×35cm，高約1.2～1.4m，集成無線電接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、光伏發(fā)電系統(tǒng)（太陽能電池板功率20W、蓄電池60AH）、供電模塊、翻斗式雨量計（承雨口徑：200mm）、報警器、4G通信模塊等。工作原理：無線電接收模塊接收滑坡探測器信號→數(shù)據(jù)處理模塊判定滑坡發(fā)生點的位置和預警級別→觸發(fā)安裝在數(shù)據(jù)中轉站上的報警器或廣播，播報預警信息（若未達到相應預警級別則不警報，直接將信號傳遞至下一級）→4G移動通信模塊將滑坡探測器代碼和磁偏角、傾斜角、加速度參數(shù)通過移動網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng);若為滑坡探測器的每日自檢信號，數(shù)據(jù)處理模塊直接通過4G通信模塊將自檢信號發(fā)送給監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)。翻斗式雨量計用于監(jiān)測降雨臨界值和土壤含水，作為判斷滑坡的輔助參數(shù)。安裝方法：安裝在滑坡監(jiān)測點附近的居民區(qū)或邊坡的高位，通過地腳螺絲與地面固定牢。

3.1.3監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)設計

監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)具備接收數(shù)據(jù)采集中轉站數(shù)據(jù)、滑坡監(jiān)測模型動態(tài)曲線、自動呼叫險情負責人、動態(tài)顯示各滑坡探測器狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲管理、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、警報數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)收發(fā)接口管理、自動生成報表、系統(tǒng)維護管理等功能。

圖1 滑坡智能監(jiān)測預警系統(tǒng)原理圖

3.2技術分析

3.2.1系統(tǒng)架構及滑坡監(jiān)測工作方式創(chuàng)新

筆者對滑坡監(jiān)測系統(tǒng)架構及滑坡監(jiān)測工作方式方面進行了改革創(chuàng)新，特別是滑坡探測器、數(shù)據(jù)采集中轉站、監(jiān)控中心監(jiān)測系統(tǒng)三者集成度高，銜接性強、依次遞進;預警信息發(fā)布準確、迅速;便于批量生產(chǎn)和推廣。

3.2.2滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器集成創(chuàng)新

在滑坡探測器內集成傳感器作為數(shù)據(jù)采集器，以地磁場為核心監(jiān)測指標，通過監(jiān)測地磁變化等作為預判滑坡的監(jiān)測工作方式;突破當前市場主流滑坡監(jiān)測器采用GNSS接收機作為數(shù)據(jù)采集器，依托衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以監(jiān)測點坐標變化為監(jiān)測指標，僅在較大滑坡發(fā)生時才警報的工作方式。滑坡探測器最小傾斜監(jiān)測精度達0.1°，達到國內領先水平，能夠對滑坡進行預警，最大化保障人民生命財產(chǎn)安全。

3.2.3滑坡探測器供電方式創(chuàng)新

滑坡探測器采用分級觸發(fā)式供電，通過供電模塊創(chuàng)新，使滑坡探測器僅需電池供電，解決困擾監(jiān)測行業(yè)多年的供電問題。

3.2.4信號傳輸方式創(chuàng)新

通過無線電信號傳輸模塊和4G通信模塊的組合，保證信號實時、精準傳輸，解決了GNSS接收機采用GPS傳輸模塊因信號不穩(wěn)定導致數(shù)據(jù)傳輸延遲、中斷等問題。與市面上同類產(chǎn)品相比，成本更低、監(jiān)測范圍更廣，受氣候條件影響小。

結論

綜上所述，本文提出的滑坡智能監(jiān)測預警系統(tǒng)是滑坡、崩塌、泥石流等地質災害監(jiān)測的智能化產(chǎn)品，能根據(jù)巖土層的微小地質變化，結合多參數(shù)算法和滑坡預警模型，對山體、邊坡進行全天候的數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析，使地災防治人員對地質災害作出高效應對，為抵御滑坡災害提供一種新的監(jiān)測手段。

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基金項目：2020年崇左市科技立項項目（新型滑坡智能監(jiān)測預警系統(tǒng)研發(fā)）