基于北斗系統的地質災害監測系統建設

張同偉 李凌瑛

基于北斗系統的地質災害監測系統建設

張同偉 李凌瑛

（云南電網公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400）

為降低地質災害對供電線路的影響，需要對山體滑坡進行連續觀測，獲取地質情況變動的動態信息。傳統監測方法在耗費大量人力和物力的同時難以保證可靠性。為實現在線監測地質變動情況，本文提出了一種基于北斗高精度定位系統的地質災害監測方法。通過北斗高精定位技術和無線通信技術，實現地質情況的在線監測，支撐電力設備運維人員及時準確實施災害預防及救援措施，為地質災害預警系統建設提供了借鑒。

北斗系統；地質災害；在線監測；山體滑坡

0 引言

迪慶州位于云南西北部的滇、藏、川三省區的交界地帶，總面積達23 870km2。迪慶州是一個地域面積遼闊，且山體滑坡、覆冰、泥石流等自然災害多發的地區。

2017年6月29日，迪慶州德欽縣升平鎮發生泥石流災害，淤泥達200m3。2018年8月2日，迪慶州境內國道G215線香格里拉尼西—維西塔城段，吉仁河橋頭香格里拉岸附近發生山體滑坡災害，滑坡土方量約6km3，路面阻斷長度達60m。坐落在這些地區的電網設備經常遭受地形沉降災害，導致電網設備嚴重受損。

目前，迪慶供電局輸電線路長達2 160km，其中241.26km處于覆冰區，140km處于重覆冰段。為提高迪慶電網泥石流、山體滑坡災害的防治能力，減少災害導致的人員傷亡和電網資產損失，急需科學有效的預防機制。在災害發生前，及時準確地實施預防及救援措施，使災害造成的電網損失降到最低，對確保電網安全運行有著重大的意義。

文獻[1]結合北斗導航系統與無線傳感網絡測量技術對泥石流監測系統進行了設計，能夠實現基于BP神經網絡構建的預警模塊的災害評估。文獻[2]對地質災害數據的收集與分析系統的關鍵技術進行了研究，設計了采集終端、數據傳輸與處理分析系統。文獻[3]設計了搭載高精度北斗接收機的邊坡監視系統。文獻[4]提出了邊坡在線監測系統自適應的多代理分層嵌套實現方法，提高了在線監測網絡的可靠性。文獻[5]以漢十高速某填方高邊坡為例，通過實時監測數據分析監測點累積位移和位移速率，判斷邊坡的穩定性。

山體滑坡監測需要一種可以進行連續觀測的手段以獲得地質現象及環境的動態信息。若采用傳統人員巡視的方法監測，則將耗費大量人力物力，而且實施可靠程度難以保證。

隨著可視化技術的發展，視頻或者圖像獲取其形態、紋理等影響特征，能宏觀、真實地顯示地貌特征，而圖像識別法受地表覆蓋物影響較大，圖像識別的方法難以準確監測地質災害初期的地表形變量變化[6]。

針對這一情況，基于我國北斗衛星導航系統，結合自主研發的高精度北斗監測設備，開發出一套低成本、高精度的地面位移、沉落和偏移實時監測系統。基于現代傳感器技術和無線通信技術，實現對地質災害的實時監測，支撐供電公司設備運維人員及時準確地實施災害預防及救援措施，提高電網災害防治能力，減少災害導致的人員傷亡和電網資產損失，保障電網安全運行。

本文以迪慶州基于北斗系統的地質災害監測系統建設為著手點，分析了系統目標、建設方案、技術路線、部署方式和運行情況，為地質災害預警系統的開發與實施提供了借鑒。

1 北斗高精度定位技術

通過北斗系統可以提升輸電系統在線監測水平。文獻[7]利用北斗系統對時功能來改進電流差動保護對時功能。文獻[8]基于北斗系統對時功能設計了特高壓直流電流互感器現場校準裝置，為輸電系統的控制、保護和測量提供保障。文獻[9]對北斗定位系統在輸電線路地質災害預警中的應用展開研究，對北斗定位系統的業務應用進行了梳理與分析。文獻[10]對北斗定位性能進行分析評估，表明其定位性能能夠滿足地質災害的預警需求。文獻[11]提出了利用北斗定位系統進行毫米級定位的方法，表明北斗系統可以實現水平1mm、高程2mm以內的定位精度。

北斗高精度毫米級后處理平臺主要涉及數據源包括基站觀測數據、監測點觀測數據以及星歷、精密星歷。基于業務數據的安全性以及資源專有性的考慮，單獨搭建專有服務系統，將參與解算的參考站觀測數據以及星歷和精密星歷數據解算引擎部署到局內機房，包括解算任務的調度、解算引擎、監控、管理等都在客戶的專有服務系統上完成。

北斗高精度毫米級后處理依托云南地區國家北斗地基增強系統的北斗衛星定位地基增強站，通過云端一體化監測終端及后處理的高精定位差分算法，以開放應用程序編程接口（open application programming interface, Open API）方式提供毫米級位置計算服務，實現高精度監測。基于北斗高精度的防災減災監測系統，可實現對滑坡、沉降、泥石流等地質災害的監測，自動、連續地監測因地表沉降、地質災害、洪水等引起的電網鐵塔位移和傾斜變化。

北斗高精定位技術可以實現定位點高精度二維傾角信息的數據采集。通過對定位點傾角信息進行連續觀測，可以對定位點的滑坡、沉降狀況進行判斷。

2 系統建設

2.1 建設目標

地質災害監測系統建設目標如下：

1）構建基于北斗系統的防災減災平臺。以輕量可視化的地理信息系統（geographic information system, GIS）技術平臺為基礎，構建基于北斗衛星系統的集災害數據采集、數據傳輸、數據處理及預警、數據展現于一體的防災減災平臺。

2）實現災害的實時監測。在迪慶供電局范圍內選取重點管控的變電站、線路、桿塔，分別完成監測點的安裝部署，實現地表位移、傾斜、深部位移、水雨震情、視頻圖像等信息的實時在線監測及預警；提供防災減災的輔助決策。基于災害監測數據、電網基礎信息、位置信息等，開展地質災害的統計、分析、預測等應用，提供災害的關聯分析報告，支撐迪慶供電局防災減災的輔助決策。

2.2 功能劃分

1）地質災害監測數據采集與存儲。通過安裝的地質災害監測終端進行監測點周邊的位移、沉降、水雨情、視頻圖像等信息實時監測、采集與傳輸，及時獲取地質災害數據，并進行數據的存儲處理，支撐分析應用。

2）地質災害預警。在GIS地圖上展現迪慶供電局范圍內安裝的災害監測終端位置，實時展示地質災害監測數據，對超過位移、沉降閾值的終端及監測終端周邊受影響的變電站、線路、桿塔進行分析預警。

3）地質災害歷史回溯。選擇時間范圍，依次查看地質災害監測對應的災害影響變電站、線路、桿塔信息，展現地質災害監測的變化趨勢。

4）地質災害預測。通過歷史地質災害監測數據的分析挖掘，找出監測數據的變化規律，進行災害的預測分析，提供防災減災決策依據。

5）地質災害統計分析。按年、月、日統計地質災害監測點周邊受影響的桿塔和線路信息，支持統計報表的查詢和導出應用。

2.3 技術路線

基于北斗系統的地質災害監測系統總體架構主要由數據層、服務層及展現應用層組成，如圖1所示。

圖1 總體架構

圖1中，數據層從資產、GIS、監測終端等獲取數據，包括變電站、線路、桿塔臺賬數據以及地質災害監測數據等。

服務層由數據服務、圖形引擎、報表服務、計算服務等構成。

展現層包括實時預警、災害回溯、災害預測和綜合分析。

基于北斗系統的地質災害監測系統技術架構主要由數據層、服務層、網絡層、展現層4層構成，如圖2所示。

圖2 系統技術架構

3 部署與運行情況

3.1 系統部署

根據迪慶供電局電網設備分布，針對滑坡高風險點，部署監測點，實時獲取監測數據，實現了災害的實時預警和分析，支撐供電局運維人員開展電網設備的防災減災工作，使災害造成的電網損失降到最低，以確保電網安全運行。

基于北斗系統的地質災害監測系統網絡結構包括外網、內網隔離區（demilitarized zone, DMZ）以及內網安全Ⅲ區。網絡傳輸系統部署示意圖如圖3所示。

硬件平臺資源需求：

1）應用服務器。128G內存及以上，1T存儲及以上，統一應用云南電網公司云電智云平臺軟硬件資源，統一數據存儲，統一應用構建。

圖3 網絡傳輸系統部署示意圖

2）GIS服務器。128G內存及以上，2T存儲及以上。

3）數據庫服務器。128G內存及以上，2T存儲及以上。

4）地質災害監測終端。具備位移、沉降的實時監測及數據傳輸。

3.2 監測點選點安裝

對臨近公路的四處輸電線路易發地質災害區段進行了監測設備的安裝施工，共安裝監測設備4套，監測易發地質災害區段4處。各監測點情況如下：

1）S237省道146km處監測點。此處位于瀾滄江左岸，受瀾滄江水流侵蝕，岸邊區域出現大規模地基下沉現象，公路路面塌陷嚴重，嚴重影響過往車輛安全，給周邊輸電線路造成重大安全隱患。

2）G353寧福線3 790km+500km處監測點。此處位于瀾滄江右岸，上邊坡山體經常性發生泥石流災害，嚴重影響道路交通安全，也為輸電線路安全運行帶來了不穩定因素。

3）214國道2 036km處。此處緊鄰懸崖，下邊坡由于地質不穩定等因素，經常發生滑坡塌方現象，現場路面還出現大面積下沉。

4）214國道2 193km處。此處緊鄰山坡谷口，夏季受雨水沖刷，易出現滾石和泥石流現象，嚴重時可能造成交通受阻、電力線路運行中斷等。

3.3 典型監測數據分析

自2019年12月1日起，陸續安裝各隱患點監測設備，各監測點監測數據實時發送至地質災害預警平臺。平臺對各個監測點傾斜數據進行實時監測。當發生自然災害，致使監測點出現傾斜、沉降、滑坡等現象時，系統自動預警并記錄。

監測點的安裝方式如圖4所示。整體結構由鋼制構架固定于邊坡平臺處。北斗天線位于鋼制構架頂端，其通過與北斗導航定位衛星數據交互來實現定位功能。鋼制構架兩側安裝太陽能電池板，為監測終端提供能源供應。控制箱內配備有儲能電池和無線通信模塊。儲能與太陽能電池板的間歇式出力配合，為監測終端提供持續能源供應。無線通信模塊將監測終端得到的數據上傳至北斗監測平臺。

圖4 監測點的安裝方式

圖5為監測點地理信息顯示界面。系統將監測點地理信息映射到地圖中，方便運維人員掌控監測點地理位置信息。

圖5 監測點地理信息顯示界面

圖6所示為237國道146km處監測點2019年12月的氣象數據。目前監測的氣象數據包括風速和降雨量信息。在查詢周期內，風速不超過4m/s，未出現降雨，故雨量趨勢曲線圖無任何信息。氣象監測信息為地質災害預警提供了輔助判據。

圖6 237國道146km處監測點2019年12月氣象數據

圖7所示為237國道146km處監測點2019年12月的測量數據。測量數據為兩個相互垂直方向的傾斜率信息。受晝夜溫差影響，監測元件測量存在溫度漂移，傾斜率數據呈現周期性變化，尤其在線路垂向方向上變化尤為顯著。對4個監測點數據進行分析，傾斜率變化數據不超過3‰。數據波動變化幅值較小，速率較慢，不影響地質災害情況的準確判別。

圖7 237國道146km處監測點2019年12月測量數據

4 結論

通過在地質災害多發地帶安裝具有北斗高精定位功能的監測終端，實現了監測點的傾斜量測量，為地質災害的實時監測與預警提供了有效技術手段。

通過構建數據傳輸網絡與數據分析平臺，可以對分散監測點測量數據進行實時獲取，集中監測，實現了監測點地理信息、歷史數據的綜合展示，為地質災害的綜合分析和判斷提供了有效手段。

迪慶州的地質災害系統建設為輸電線路地質災害監測提供了實時、準確的山體位移信息，提高了設備運維的自動化水平。在降低運維人員工作強度的同時，提高了監測的連續性與準確性，具有一定的推廣應用價值。

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Construction of geological disaster monitoring system based on Beidou system

ZHANG Tongwei LI Lingying

(Diqing Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Corporation, Diqing, Yunnan 674400)

In order to reduce the influence of geological disasters on power supply lines, it is necessary to continuously observe the landslides and obtain the dynamic information of geological changes. Traditional monitoring method consumes a lot of manpower and material resources, but it is difficult to ensure the reliability. In order to realize on-line monitoring of geological changes, a geological disaster monitoring method based on high-precision Beidou Positioning System is proposed. Through the Beidou high-precision positioning technology and wireless communication technology, the online monitoring of the geological conditions is realized. It will support the operation and maintenance personnel of power equipment implement disaster prevention and rescue measures timely and accurately. It provides a reference for the construction of geological disaster early warning system.

Beidou system; geological disaster; online monitoring; landslide

2020-06-04

2020-07-03

張同偉（1983—），男，云南省迪慶州人，本科，助理工程師，主要從事電網自動化、調度自動化專業管理工作。