鄭汴新區地質災害變形監測系統方案改進探討

張鴻祥，劉平利，劉家橘，王傳先

（1.河南省地質調查院 河南省城市地質工程技術研究中心，河南 鄭州 450001；2.河南省地質科學研究所，河南 鄭州 450001）

隨著我國城鎮化率的不斷提高，城鎮的建設區域在不停的快速擴張，地面高大建筑物如雨后春筍般的增加。老城區年久失修的地下防空洞、新規劃建設的地鐵等地下工程的開展，使得城鎮地面沉降、地裂縫、地面塌陷等災害形勢日趨嚴重[1]，從而制約了當地的可持續發展和城鎮安全，對城鎮化的基礎工程設施建設以及人民生命和財產安全構成了巨大威脅。

河南省鄭汴新區位于黃河流域平原區，地質災害變形監測的特點為：監測區域面積大，形成地質災害的因素多，不同地區發生地質災害的方式和頻率也不相同[2]。原方案采用的監測方式為間斷式定期觀測，即利用GPS靜態測量原理對監測點進行靜態數據采集，再利用隨機軟件標準化形成觀測數據文件和廣播星歷文件[3]。基線解算時，數據解算軟件采用美國麻省理工學院的GAMIT/GLOBK軟件，該軟件可進行標石中心位置的自行歸算。原方案不能實現連續不間斷的觀測，對監測數據存在偶然性影響，隨著現代地質災害變形監測技術的快速發展，更先進的監測設備和監測手段層出不窮，為了提高鄭汴新區地質災害變形監測的有效性和可靠性，本文提出了改進方案。

改進方案采用基于嵌入式ARM9-Linux系統的SM系列雙頻接收機作為專業變形監測主機。該接收機針對變形監測系統的工程特點，集數據采集存儲、數據通信傳輸、智能供電和防雷功能于一體，具有精度高、可自動連續觀測、穩定可靠等性能，能很好地實現地質災害變形監測系統的連續運行。

1 改進方案的設計要求

1.1 硬件設計要求

根據鄭汴新區本次地質災害監測的要求，綜合考慮以前所建工程綜合利用和改進方案的可行性，需對原有的監測設備進行更新和添加，因此對硬件設備的技術先進性、易用性、兼容性和可擴展性具有較高要求，除了原來的GNSS地表位移監測設備，至少應添加GN系列固定式測斜儀等深部位移監測設備、地下水監測儀器VWP系列滲壓計、采用基于分時復用技術的鋰電池組與PERC太陽能電池聯合供電方式[4-5]的電源設備、系統實時傳輸設備、計算處理服務器設備和預報預警設備等。

1.2 軟件設計要求

改進方案對地質災害變形監測軟件的要求為：①能實時動態地對地表位移監測設備、深部位移監測設備、固定測斜儀、地下水監測儀器等傳感器采集的數據進行數據信息接收、數據實時計算解析等處理，由于地質災害實時監測數據及時處理能力的強弱是能否成功預報預警的關鍵，因此要求各種傳感器采集的數據可形成單獨的處理文件，并形成歷程曲線圖、三維坐標圖、模擬圖、直方圖等相應成果；②數據以數字或相應曲線、圖表等格式實時調閱顯示，軟件操作界面清晰直觀，各界面能自由切換，可方便調取查閱存儲的歷史數據，能根據級別對登陸系統的每個用戶進行權限管理，并將登陸后的操作寫入系統日志；③考慮到以后系統的擴展和升級，方便軟件系統功能的添加、修改、維護等，還需具有很好的開放性和兼容性，支持Access、Oracle、MongoDB等多種數據庫的兼容?？蛻舳瞬捎肅/S架構模式[6]，可分散和降低系統自身的承載壓力，從而使客戶端的響應速度變得非?？旖?。

2 系統改進方案設計

為了實現實時監測區域的地質災害變形特征、速率和規律等，及時為政府和決策部門提供規劃依據，本文將改進方案設計為4個部分，即前端數據采集子系統、數據信息傳輸子系統、數據分析與管理子系統（監控計算中心）以及終端預報預警子系統。

前端數據采集子系統由數據采集模塊通過各種前端數據采集設備采集原始數據而構成，是整個系統最前端的子系統。數據采集設備采集的各種數據信息經過數據調理模塊進行存儲處理，轉換成標準的數字信號實時輸出。改進方案基于嵌入式系統Linux與ARM9主控處理器設計，為了保證同一時刻的數據能向同一個方向傳輸，本文采用UART與RS485構成半雙工總線，保持了與RS485電氣標準數據傳輸的一致性[7]。在監測節點處設計了3種采集設備，分別為地面位移監測設備、深部位移監測設備和地下水監測設備，可實時監測地面三維坐標位移量、位移方向和位移速率，監測結構體內部結構的擾度變形情況，并通過對監測點位的地下水位、土壤含水量等的實時監測來分析監測體可能發生地質災害的概率。

數據信息傳輸子系統負責實現前端數據采集子系統（各監控節點）、數據分析與管理子系統和終端預報預警子系統之間的數據傳輸，主要通過相應的通信模塊（RS485/Zigbee）傳送數據。各前端傳感器采集的數據通過Zigbee網絡傳輸到ARM9主處理器，同時可通過RS485模式將數據傳輸到計算監控中心[8]。該數據傳輸方式不僅簡單易行，而且具有遠距離傳送、較強的抗干擾能力和降低功耗等特點。

數據分析與管理子系統是整個系統的數據處理和管理中心，負責對各監控節點的數據進行接收匯總、計算整理、閾值對比、存儲和發布命令等。該子系統主要包括數據接收模塊、數據計算分析模塊、數據管理模塊、數據查詢模塊、數據輸出模塊、安全預警和命令發布模塊等?；谏鲜龉δ苣K的平臺服務器通過對各項變形監測數據的計算與分析，建立預警模型、閾值標準、以動態監測數據為基礎的運行機制[9]，實現變形監測節點的實時監測。

終端預報預警子系統為客戶端的監視系統控制服務?；诒O測數據分析的地質災害預警模型負責處理比對各種數據，當某個或多個監測節點出現超限數據時，系統將出現明顯的報警提示和信息，方便監控人員迅速做出反應。報警形式可包括聲光多媒體畫面和手機短信等多種方式。

3 系統工作原理

地質災害變形監測系統的工作原理為：首先通過在監測節點安裝的地表位移GNSS接收機（SM02型雙頻監測主機）、深部位移監測設備（GN系列固定式測斜儀）、地下水監測儀器（VWP系列滲壓計）等前端設備采集原始數據和參數；然后經數據信息傳輸子系統把相應時刻的數據傳輸到主控計算機平臺進行計算處理、存儲等；當出現超限數據時，終端預報預警子系統將通過多種形式報告監測預警情況。系統總體構架如圖1所示。

圖1 地質災害連續監測系統結構圖

4 系統方案改進前后分析

改進方案涉及的鄭汴新區位于鄭州市中州大道以東、開封市金明大道以西、鄭州航空港以北、黃河沿岸以南區域，由鄭州新區和汴西新區兩個部分構成，涵蓋中牟縣域大部地區，沉降監測范圍約為2 000 km2。工作區屬于黃河下游沖積平原，地形總趨勢為西高東低，由西北向東南緩傾斜。鄭汴新區地面絕大部分的面積為黃泛區，地表主要是黃河泛濫而堆積的物質，土質為黃河沖積沙質壤土，表層則沙土化。

鄭汴新區發生地面大范圍沉降的主要原因可能是地下流體的開發，即抽取地下水。抽水沉降是由于過量抽汲地下水引起水位下降，在欠固結或半固結土層分布區，土層固結壓密而造成的大面積地面下沉現象。鄭汴新區小范圍的地質災害形變現象則主要由近年來各種礦山開采、城市人防工程和地鐵隧道建設等引起，這些存在于地面下的工程設施在今后較長時期還將存續下去或將擴大建設力度（如城市地鐵等）。

改進前的地質災害變形監測系統方案采用單一的GPS靜態定位方式對監測區某些特征點位進行了5次沉降變形觀測，并對觀測結果進行了有效分析。結果表明，導致地面沉降的主要因素為地下水、地面荷載、局部地區受施工影響等；但項目持續的時間較短（有效定期觀測時間為18個月），必須有長期不間斷的觀測，才能精確地監測沉降與否以及沉降速率、沉降區域等。

改進后的地質災害變形監測系統方案，在充分運用現代先進的計算機微處理技術、網絡環境下的傳輸技術的基礎上，實現了地質災害信息的實時處理分析、動態監測數據的存儲與查詢以及監測系統自動報警等功能。相較于改進前，系統方案的實時性、智能性、可靠性均得到了提高。地質災害變形監測系統方案改進前后對比如表1所示。

表1 地質災害變形監測系統方案改進前后對比表

5 結 語

根據鄭汴新區前期地質災害變形監測的工作成果和作業方式，為了提高監測系統的各項性能，本文設計了地質災害變形監測系統的改進方案。首先將以前的定期監測改進為現在的實時連續監測，以提高監測系統的智能性以及監測數據的可靠性、準確性和及時性；其次將原來單一的GPS地面位移監測設備改進為GNSS地面位移監測設備、GN系列深部位移監測測斜儀和VWP系列地下水監測滲壓計等多種設備，這樣就能綜合比對多方面的監測數據，從而提高監測預警系統預報的實時性、智能性和可靠性等。