楊德龍，王洪輝，張兆義，范磊磊，鐘佳迅，黃 凡

（1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司 貴州 貴陽(yáng) 550000；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

我國(guó)是一個(gè)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生十分頻繁和災(zāi)害損失極為嚴(yán)重的國(guó)家[1]。而地質(zhì)邊坡體常常因失穩(wěn)而發(fā)生滑坡或崩塌，并可進(jìn)一步造成地質(zhì)災(zāi)害，其已同地震和火山相并列成為全球3大地質(zhì)災(zāi)害之一，在全世界每年因邊坡變形失穩(wěn)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，全球由于自然災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失每年約為400億美元，若考慮人類誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)破壞，其經(jīng)濟(jì)損失將會(huì)成倍增長(zhǎng)。1963年的意大利瓦伊昂（Vaiont）水庫(kù)近壩地段滑坡致使世界上最高的雙曲拱壩失效，有2.4×104～3.6×104萬(wàn)m3的巖石滑到托克山水庫(kù)中，幾乎填滿了整個(gè)水庫(kù)，滑坡造成的涌浪高達(dá)200多米并且越過(guò)大壩，造成1 900多人死亡。1991年12月14日，新西蘭Mount Cook發(fā)生的一次巨大的山體崩滑是在沒(méi)有明顯的觸發(fā)因素情況下發(fā)生的（Sassa，1995）。滑坡體高度1 500 m，總體積1.4×104萬(wàn)m3的滑坡體墜入1 000 m以下的Tasmam Gracier冰川湖[2]。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，高速公路的建設(shè)，經(jīng)常不可避免的需要開(kāi)挖巖土體，形成大量與人類工程活動(dòng)有關(guān)的工程邊坡。而山區(qū)高速公路這種線狀工程穿越的地貌單元多，遇到的地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡治理在工程建設(shè)中占有很大的比重。目前我國(guó)對(duì)公路開(kāi)挖邊坡滑坡災(zāi)害主要采用傳統(tǒng)的人工巡回測(cè)試、記錄資料處理。這種派人員值班守衛(wèi)的方式，不僅耗費(fèi)大量的人力資源和資金，而且災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)大多地形險(xiǎn)要，人員現(xiàn)場(chǎng)工作缺乏人身安全保障，同時(shí)效率也很低下[3]。因此，急需對(duì)其預(yù)防監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行研究，建立適用的滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。本文介紹了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的方式傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布成Web服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在任何有Internet的地方都可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)滑坡體狀態(tài)的功能，并結(jié)合具體的工程給出了應(yīng)用實(shí)例。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、監(jiān)控中心和Web發(fā)布四部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備（帶移動(dòng)通信裝置）安裝在遠(yuǎn)端的監(jiān)控點(diǎn)上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的裂縫位移、地下水位、深部位移、土壤含水率等數(shù)據(jù)被采集后通過(guò)移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息的方式傳回到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心再解析短消息并處理后，將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。監(jiān)控中心通過(guò)分析數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)危險(xiǎn)信息給予報(bào)警（如邊坡體有無(wú)失穩(wěn)跡象等），從而有效地減少或消除災(zāi)害的發(fā)生。系統(tǒng)通過(guò)瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式構(gòu)建了遠(yuǎn)程Web數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布平臺(tái)，有利于通過(guò)Internet監(jiān)測(cè)邊坡?tīng)顟B(tài)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic of the overall structure of the system

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集

邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取主要是通過(guò)遍布在公路邊坡監(jiān)測(cè)區(qū)域的相關(guān)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器采集相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括：

1）裂縫位移監(jiān)測(cè)，將帶位移傳感器設(shè)備的一端固定在滑坡體上，另一端固定在非滑坡體上，通過(guò)相對(duì)位移獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值[4]。

2）地下水位監(jiān)測(cè)，采用帶水位傳感器的設(shè)備對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3）深部位移監(jiān)測(cè)，采用帶角度傳感器設(shè)備的測(cè)斜管預(yù)埋在滑坡體的鉆孔內(nèi)，當(dāng)滑坡體發(fā)生位移時(shí)，測(cè)斜管也隨之發(fā)生傾斜變化，從而得到測(cè)斜管每段的水平位移增量。

4）土壤含水率監(jiān)測(cè)，采用帶濕度傳感器的設(shè)備對(duì)土壤中的濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸主要通過(guò)GSM引擎模塊之間通信完成數(shù)據(jù)傳輸。GSM引擎模塊提供的AT命令接口符合GSM07.5和GSM07.7規(guī)范，當(dāng)GSM引擎模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的短消息時(shí)，通過(guò)向串口發(fā)送接收消息指令來(lái)獲得數(shù)據(jù)信息。短消息（Shot Message）業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)提供給用戶的一種數(shù)字業(yè)務(wù)，通過(guò)無(wú)線控制信道進(jìn)行傳輸，經(jīng)短消息服務(wù)中心完成存儲(chǔ)和收發(fā)功能。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心可通過(guò)GSM引擎模塊以短消息方式發(fā)送各種命令進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5]。常用的AT命令如表1所示。

表1 常用的AT命令Tab.1 Common AT commands

2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主要完成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)，以及系統(tǒng)報(bào)警等功能，其主要功能模塊如圖2所示[6]。

圖2 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心功能模塊示意圖Fig.2 Schematic of data monitoring center function module

1）通信協(xié)議設(shè)計(jì)

由監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)往數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備類型、監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)等，其格式如表2所示：

表2 通信協(xié)議Tab.2 Communication protocol

Head：表示數(shù)據(jù)包的開(kāi)始；

Type：表示監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備類型（00：裂縫位移監(jiān)測(cè)；01：地下水位監(jiān)測(cè)；02：深部位移監(jiān)測(cè)；03：土壤含水率監(jiān)測(cè)；04：孔隙水壓力監(jiān)測(cè)）；

Location：表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)；

State：表示當(dāng)前監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（00：正常；01：欠壓；02：通信模塊損害）；

Data：表示監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)；

Verify：表示除Head以外字節(jié)數(shù)據(jù)的8位CRC校驗(yàn)。

2）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)包含概念設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)兩方面，概念模型采用ER實(shí)體聯(lián)系法設(shè)計(jì)，邏輯設(shè)計(jì)將概念模型進(jìn)行關(guān)系轉(zhuǎn)化，關(guān)系轉(zhuǎn)化遵循準(zhǔn)則[7]：①各事務(wù)處理系統(tǒng)各模塊的完整和獨(dú)立。②相關(guān)事務(wù)模塊之間的信息聯(lián)系和統(tǒng)一。③消除數(shù)據(jù)冗余和不合適的數(shù)據(jù)依賴。

3）收發(fā)服務(wù)程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)收發(fā)服務(wù)程序時(shí)，首先對(duì)串口進(jìn)行初始化設(shè)置，并檢查系統(tǒng)是否與GSM模塊連接正常，然后開(kāi)啟接收線程時(shí)刻接收新的短消息[8]。若接收到數(shù)據(jù)，則進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊，再將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。若接收的數(shù)據(jù)有危險(xiǎn)信息（如滑坡體有滑坡跡象；現(xiàn)場(chǎng)輻射劑量超標(biāo)等）則給予報(bào)警，同時(shí)向預(yù)設(shè)置電話撥打電話或向手機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)消息，使得相關(guān)人員在第一時(shí)間內(nèi)得知消息，以便采取措施。若監(jiān)控中心想了解設(shè)備某些參數(shù)或控制某些設(shè)備，可向GSM模塊發(fā)送指令來(lái)完成。其接收工作流程如圖3所示。

圖3 接收工作流程Fig.3 Flow chart of receive

4）圖形顯示

將接收到的數(shù)據(jù)，通過(guò)曲線圖方式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)，以便更直觀地了解被監(jiān)測(cè)滑坡體的狀態(tài)。

5）報(bào)警功能

系統(tǒng)通過(guò)向預(yù)設(shè)置的電話撥打電話或向手機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)消息、聲音報(bào)警等方式，使得人們及時(shí)掌握災(zāi)害情況[9]，以便采取措施將災(zāi)害減少到最低程度。

6）欠壓管理

監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)決大多數(shù)在野外，設(shè)備的供電系統(tǒng)基本上采用電池的方式，電池的消耗可能經(jīng)不起設(shè)備的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)使用，在欠壓狀況下通知監(jiān)控中心及時(shí)換電池，以便更好地監(jiān)測(cè)。

2.4 Web發(fā)布平臺(tái)

在傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的瀏覽只能在監(jiān)控中心才能看到，本系統(tǒng)采用Web技術(shù)，通過(guò)瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式構(gòu)建遠(yuǎn)程Web數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)Web瀏覽器在任何能上Internet的地方都能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)滑坡體的狀態(tài)，從而有效地提高了滑坡災(zāi)害預(yù)警的快速性、高效性和直觀性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)成功應(yīng)用于貴州省畢節(jié)至威寧高速公路第4～6合同段人工開(kāi)挖邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)該區(qū)域的監(jiān)測(cè)手段為裂縫位移監(jiān)測(cè)方式，共5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每2個(gè)小時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)1個(gè)多月的監(jiān)測(cè)，該邊坡較穩(wěn)定。

本系統(tǒng)結(jié)合Web和SMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與報(bào)警，并通過(guò)瀏覽器/服務(wù)器模式構(gòu)建了遠(yuǎn)程Web數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布平臺(tái)，便于決策部門和專家在異地隨時(shí)觀看地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。和傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相比，本系統(tǒng)具有快速性、高效性和直觀性等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際工程的應(yīng)用取得了良好的效果。

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