基于傳感器的邊坡災害監測系統研究

葉子坤

摘 要：為了減少邊坡災害的發生，本研究基于分布式傳感器開發出一個邊坡災害監測系統。傳感器節點具有無線通信和傾斜檢測的功能。每個傳感器節點可以與其他節點進行通信，并將修正后的數據發送到基站，該基站可在緊急情況下向管理員發送警報消息。本研究開發的邊坡災害監測系統已安裝在甘肅某鐵路沿線的一個邊坡上，并進行了為期8個月的性能評估試驗。通過現場試驗研究發現，所開發的傳感器網絡系統能夠有效地檢測出邊坡災害。但在該系統啟動階段，系統中節點的幾何布置可能會導致需要較長的時間來建立穩定的網絡連接。因此，如何快速布置邊坡災害監測系統中傳感器仍須進一步研究。

關鍵詞：監測系統;分布式傳感器;滑坡;邊坡災害;傳感器網絡

中圖分類號：U416.14 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）9-0024-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.004

Research on Slope Disaster Monitoring System Based on Sensor

YE Zikun

（Beijing Xinghuai Construction Engineering Co.， Ltd.， Huairou District， Beijing 101400，China）

Abstract：In order to reduce the occurrence of slope disasters，a slope disaster monitoring system based on distributed sensors is developed in this study.The sensor node has wireless communication and tilt detection functions.Each sensor node can communicate with other nodes and send the corrected data to the base station，which can send alarm messages to the administrator in case of emergency.The developed in this study slope disaster monitoring system has been installed on a slope along a railway in Gansu province，and the performance evaluation test has been carried out for 8 months.The field test shows that the sensor network system can detect slope disaster effectively.However，during the system startup phase，the geometry of the nodes in the system may lead to a longer time to establish a stable network connection.Therefore，the sensor layout in slope disaster monitoring system still needs further research.

Keywords：monitoring system;distributed sensor;landslide;slope disaster;sensor network

0 引言

暴雨和地震等自然災害對基礎設施會造成嚴重的破壞，如公路和鐵路沿線的邊坡災害[1]。已運營幾十年的設施健康監測系統亟須進行更新，以適應當前的自然條件[2]。因此，有必要開發出一種可應用于大規模人造建筑的監測系統，用于檢測建筑結構是否變形，避免建筑結構出現嚴重損壞。

公路及鐵路邊坡是交通應急救援的重要路線，加強對公路及鐵路邊坡突發災害的監控顯得尤為重要[3]。為了維護安全可靠的道路網絡，每個結構的健康狀況都必須進行監測，并且在緊急情況下對特定的斜坡進行實時監測[4]。這樣可以避免結構遭到嚴重損壞，縮短高速公路的關閉時間[5]。但在實際情況中，考慮預算的原因，只有少數斜坡才安裝有傳感監控設備，其他斜坡則由技術人員按計劃進行檢查[6]。目前，如何有效地確定斜坡上設置的傳感器的最佳位置是檢測斜坡變形的另一個難題。這就需要開發一種成本相對較低、可應用于大型結構的先進傳感技術。

本研究設計開發了一個分布式無線傳感器網絡系統，可應用于高速公路及鐵路沿線的大型邊坡檢測，并可在早期檢測中檢測出因暴雨或地震引起的變形。該監測系統主要由傳感器和通信網絡組成。其中，傳感器節點包括一個采用間歇模式的無線通信設備（可顯著有效降低能耗）和一個加速度傳感器（用作傾角計，采用MEMS技術）。具有網狀網絡功能的低成本傳感器節點可以輕松且密集地設置在斜坡上。密集分布的傳感器模塊在提高邊坡災害檢測的準確性的同時，也降低了監測的總成本。傳感器節點通過無線通信相互連接，并自動組織通信網絡，每個傳感器節點的監測數據可通過網絡發送到基站。如果發現任何邊坡區域變形，基站將向總部發送警告信號，并通知管理員。本研究所開發的無線傳感器網絡由14個節點組成，并在甘肅省某鐵路的斜坡上運行了8個月，驗證了該系統的有效性。

1 邊坡災害檢測系統設計

根據通信距離的遠近，可將無線傳感器網絡分為幾個類別，如WAN（廣域網）、MAN（城域網）、LAN（本地網）和PAN（個人網）等。本研究使用的是PAN無線網狀網絡。傳感器節點可相互通信，與接入點沒有任何關系。即使某些傳感器節點無法正常運行，其余節點仍可通過自動改變通信路徑來實現相互通信。網狀網絡構建完成后，在斜坡上須建立一些新的傳感器節點，這些傳感器節點可自動連接到網絡，并建立新的網狀網絡。

圖1為本研究開發的邊坡災害檢測系統。每個傳感器節點可與另一個傳感器節點進行通信，并將數據發送到基站。管理辦公室對邊坡數據進行監控，如果斜坡發生變形，警報信號和詳細數據將通過基站傳輸到管理辦公室。

本研究開發的邊坡災害檢測傳感器網絡系統需要保證在緊急情況下盡可能快地向道路管理員發送警報信息，并盡可能精確地檢測出邊坡變形。道路管理員通過警報信息來決定后續采取的行動，以防止造成嚴重損壞。因此，本系統對變形數據進行采樣的頻率為1 min/次。暴雨導致地表破壞從而造成邊坡破壞，是在降雨開始后的幾個小時內，坡度發生厘米級到米級的變形而產生的。為了檢測到這種變形，傳感器需要區分一到十幾度的角度變化，且啟動系統所需的時間應盡可能短。

本研究開發的傳感器節點包括一個通信模塊、一個用作傾斜傳感器的加速度傳感器，以及一個連接加速度傳感器和通信模塊的接口板。圖2為本研究開發的傳感器節點的示意圖。傳感器節點具有防塵和防水功能。

本研究所開發的分布式傳感器網絡在戶外應用時，如何降低能耗是一個重要問題。所開發的傳感器節點均由兩個C型電池進行驅動，除緊急情況外，均采用間歇運行模式，這樣可以降低所需的能源消耗量，并可進行長期監測。

2 傳感器節點的性能評估

為了對本研究所開發傳感器節點性能有一個綜合評價，需要進行試驗評估。對傳感器節點的無線通信能力進行檢查，并分析了傾斜傳感器和加速度傳感器的精度。

2.1 無線通信

2.1.1 通信距離。通過現場測量試驗對通信設備的性能進行評估。分貝值可用作評估無線電場的強度，分貝值通常被稱為RSSI（單位：dBm），RSSI也可表示接收信號的功率。RSSI受地面起伏和障礙物（通常為金屬物體）的影響。本研究的初步試驗表明，只有分貝值超過-85 dBm才能建立穩定的無線通信。因此，-85 dBm被稱為評估通信質量的閾值。

2.1.2 網狀網絡。傳感器節點以16 m的間隔安裝在斜坡上。每隔10 s要確認傳感器節點之間的通信環境。盡管這些傳感器節點之間的通信距離僅為16 m，但部分傳感器之間的分貝值卻低于閾值，這是因為該研究中選定的邊坡可能存在擋土墻等障礙物。分貝值可能會受到通信距離、障礙物和天氣條件的影響。因此，為了構建一個穩定的網絡，必須要確保每個傳感器節點中有兩個或多個通信路由方式。

2.2 MEMS傳感器的精度

本研究使用加速度傳感器作為傾角計，并安裝一個低通濾波器來抑制高頻噪聲。

2.2.1 線性度。將研制的傳感器節點安裝在角度測量裝置上，測量加速度傳感器與實際角度的輸出電壓。圖3顯示了傾角和傳感器輸出電壓之間的關系（試驗是在29 °C的恒溫環境下進行）。當使用重力加速度檢測角度時，角度和輸出值之間的關系呈正弦曲線。然而，研究表明，角度在30°以下時，角度和輸出值之間的關系可以用一條直線來近似表示。這意味著，通過使用圖3中的回歸線，可以準確地檢測出高達30°的角度變化。

2.2.2 敏感性。本研究使用截止頻率為1 Hz的二階低通濾波器來抑制高頻噪聲。圖4顯示了實際傾角值達到15°、20°、30°和60°所需時間。測量間隔時間約為1.5 s/次。圖4表明，輸出值需要5～7 s才能達到實際值。然而，由于使用了手動角度測量裝置，實際值需要3～5 s才能達到規定的角度。因此，輸出值大約在2 s內達到實際值。需要將測量持續時間至少設置為2 s。

3 邊坡災害監測系統現場試驗

現場試驗地點的鐵路邊坡段水平長度為100 m，邊坡高度為40 m。該通信系統由自組織和多跳網絡構建，包括中繼節點在內的傳感器節點，通過其自組織和多跳功能進行相互通信。中繼節點和傳感器節點具有完全相同的無線通信功能，二者的區別在于中繼節點不包括加速度計。

兩個位置相鄰的傳感器節點之間的距離小于20 m。基站包括從傳感器節點收集數據的接收器和可與管理辦公室通信的無線WAN。來自每個傳感器節點的數據采樣率可通過遠程操作進行調整。通過設置適當的警告值，基站可以向指定的電腦和手機發送警報消息。

每個傳感器節點在站點上建立網狀網絡所需的時間如圖5所示。圖5中的黑點顯示了基站和每個節點之間的通信記錄。來自傳感器節點13的通信在10月7日14：14被確認為第一次通信。對圖5進行分析可以看出，節點1、7、8、9、10和11的通信會發生間歇性中斷。最后，在第二天12：00左右，確認所有傳感器節點的通信。這一試驗結果表明，所有傳感器節點確認網狀網絡需要的時間大約為24 h。每個傳感器節點應通過作為中繼節點的兩個或多個傳感器或中繼節點進行數據傳輸。每個傳感器節點搜索通信成本最合理的傳感器和中繼節點，從而建立起網狀通信網絡。

根據現場的位置和天氣條件，無線通信環境偶爾會發生變化。與有線通信相比，這是無線通信系統的缺點。為了解決這個問題，建立起一個穩定的通信環境，在該試驗早期階段，對傳感器節點的軟件程序進行如下改進。當無線通信因某些通信故障而中斷時，執行軟件上的重置功能。因此，一旦整個網絡建立，網絡在4個月內不會中斷。圖6展示了傳感器節點1對電池供電電壓的時間變化歷程。在每個電池維護期內，雖然建立通信網絡需要很長時間（需要將近24 h），但該系統可在4個月內進行持續監控。

傳輸時間和接收時間存在的時間延遲是通過定期發送警報電子郵件來衡量的。圖7顯示了從基站接收警報電子郵件所需的時間。可以看出，在所有電子郵件中，有51%的電子郵件在2 min內收到，71%的電子郵件在3 min內收到。然而，也有一些電子郵件是在7 min后收到。為了盡量減少斜坡災害造成的損失，應確保盡快收到警報電子郵件。盡管無線廣域網是一種合理的通信設備，但鐵路管理人員可能需要通過高速光纖網絡來確保緊急情況下的安全警報。

4 結語

本研究在由通信設備和加速度計組成的分布式傳感器節點的基礎上，開發出一種邊坡災害監測系統。經過8個月的現場測試，評估了該系統的有效性。開發的傳感器節點具有能夠精確地檢測出斜坡的小變形。系統生成的警報信息從基站到達管理辦公室大約需要2 min。同時，通過使用網狀網絡可以構建穩定的網絡，從而減少障礙物對通信造成的影響。建立穩定的網狀通信網絡需要相對較長的時間，這仍需進一步研究每個傳感器節點的有效幾何對準，從而縮短啟動系統所需的時間。另外，可結合太陽能電池板增加電池使用壽命，實現更穩定的網狀網絡通信以及提高傾斜檢測精度。

參考文獻：

[1] 金亞兵，楊傲.基于Kalman濾波模型的邊坡災害自動化監測預警平臺[J].工程勘察，2021（8）：55-60.

[2] 楊璽，李月明，麥榮煥，等.江門地區降雨引發輸變電設備集中區域邊坡災害及防治[J].電子世界，2019（7）：26-27，30.

[3] 劉洋洋.山區丘陵公路邊坡災害風險評估模型研究與探討[J].甘肅科技，2020（21）：49-52.

[4] 郭金光.道路臨近建筑物邊坡災害防治技術[J].建筑技術開發，2021（6）：107-108.

[5] 金亞兵，楊傲，李錫銀.深圳平山垃圾填埋場邊坡災害自動化監測預警系統開發及應用[J].工程勘察，2020（10）：5-10.

[6] 李永兵，賈欣然.邊坡災害監測預警物聯網系統及工程應用[J].城市建設理論研究（電子版），2019（3）：181.