趙棟

摘要：山體滑坡是國(guó)內(nèi)山區(qū)常見、多發(fā)的一種地質(zhì)災(zāi)害，其帶來的后果十分嚴(yán)重，對(duì)山體滑坡進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)十分關(guān)鍵。隨著逐漸興起并快速發(fā)展的無限傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。本文對(duì)山體滑坡無線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述，分析了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式山體滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)；分布式；山體滑坡；預(yù)警監(jiān)測(cè)

一、 山體滑坡無線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在山區(qū)，山體滑坡經(jīng)常發(fā)生，造成了嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)易發(fā)生滑坡的山體進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)具有重要意義

（一）山體滑坡無線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求

需要監(jiān)測(cè)的山體易滑坡地區(qū)具有環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)性大、干擾嚴(yán)重、數(shù)據(jù)采集量大、機(jī)械化程度高以及對(duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性要求高的特點(diǎn)，同時(shí)山體滑坡屬于突發(fā)性的事件。根據(jù)山體滑坡的上述特點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有一定的要求：

第一，數(shù)據(jù)采集。無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)所監(jiān)測(cè)的山體滑坡區(qū)域監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行自動(dòng)采集，并能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號(hào)。

第二，節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)。就是節(jié)點(diǎn)能夠自己組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并能夠?qū)l(fā)現(xiàn)的路由進(jìn)行建立，最后選擇最優(yōu)傳輸路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)加入或原有節(jié)點(diǎn)失效的情況發(fā)生時(shí)，其組建的網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行自動(dòng)維護(hù)，并對(duì)路由進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生的變化能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)，為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴峁┍ＷC。

第三，數(shù)據(jù)傳輸。以節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過利用已經(jīng)建立好的無線路由，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、多跳傳輸；通過選擇最優(yōu)的路徑，能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的延遲傳輸、跳數(shù)傳輸情況的發(fā)生，促進(jìn)了其傳輸實(shí)時(shí)性的提高；為了節(jié)約能量，減少數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，將其傳輸?shù)乃俣冗M(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

第四，數(shù)據(jù)的管理。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，從而有利于數(shù)據(jù)以表格、圖形的形式提供實(shí)時(shí)的顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢以及滑坡報(bào)警等功能的實(shí)現(xiàn)。

（二）監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式山體滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成為大量傳感節(jié)點(diǎn)，且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)又包括了應(yīng)力計(jì)傳感器、數(shù)據(jù)采集板、電源與無限射頻芯片。通過在容易發(fā)生滑坡的山體表面放置一個(gè)應(yīng)力計(jì)，這樣巖土壓力出現(xiàn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)就可以監(jiān)測(cè)出來。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，可以通過設(shè)計(jì)多個(gè)基站來保證系統(tǒng)的魯棒性較高，這樣就避免了一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)毀壞影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，基站是通過控制中心與GPRS二者實(shí)現(xiàn)直接通信，它是特殊的節(jié)點(diǎn)。其作用就是根據(jù)一定的監(jiān)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)山體滑坡進(jìn)行預(yù)警的功能，基站與普通的傳感器節(jié)點(diǎn)不同，它的計(jì)算能力更高、存儲(chǔ)資源更多。

有兩種方式進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)即第一，中心監(jiān)測(cè)。中心監(jiān)測(cè)是通過節(jié)點(diǎn)首先將原有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)給簇頭，當(dāng)簇頭接到各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，簇頭就會(huì)通過多跳路將數(shù)據(jù)由協(xié)議發(fā)送給基站，這些數(shù)據(jù)就由基站進(jìn)行分析處理，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)山體滑坡的預(yù)警；第二，分布式監(jiān)測(cè)。分布式監(jiān)測(cè)是通過節(jié)點(diǎn)先簡(jiǎn)單處理監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，從而獲得一個(gè)決策值，將該值發(fā)給簇頭，當(dāng)簇頭接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息之后，再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給基站，基站經(jīng)過計(jì)算，得出總的決策值，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)山體滑坡的預(yù)警。

二、 滑坡的應(yīng)力監(jiān)測(cè)

滑坡即受到重力作用，由巖土體構(gòu)成的斜坡下部的軟弱面上發(fā)生了剪切作用而產(chǎn)生了整體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。所以相關(guān)監(jiān)測(cè)人員應(yīng)該長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)滑坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布情況與應(yīng)力分布變化，并進(jìn)行有效分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)山體滑坡的預(yù)警監(jiān)測(cè)。在進(jìn)行應(yīng)力變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，可以選擇一個(gè)樣本即圓柱形巖土體，將應(yīng)力計(jì)傳感器安裝在該巖土體的表層，通過給巖土體施加外部壓力，通過應(yīng)力計(jì)能夠測(cè)量出其內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生的變化，通過應(yīng)力計(jì)信號(hào)放大將此種變化輸出不一樣的電壓值。并將其作為數(shù)據(jù)采集板的輸入，同時(shí)將該采集板與射頻芯片相連，就構(gòu)成了完整的一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。通過對(duì)多個(gè)樣本的反復(fù)操作，能夠模擬出實(shí)際監(jiān)測(cè)的環(huán)境，并運(yùn)用線性回歸理論進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)最后測(cè)到的應(yīng)力數(shù)據(jù)估計(jì)出臨界值，對(duì)山體滑坡預(yù)測(cè)提供幫助，當(dāng)應(yīng)力值大于臨界值時(shí)，山體滑坡就會(huì)產(chǎn)生。

三、 分布式山體滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)

以某仿真實(shí)驗(yàn)為例，為了對(duì)分布式山體滑坡的整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，用誤報(bào)率與漏報(bào)率這兩個(gè)與滑坡預(yù)測(cè)有關(guān)聯(lián)的重要指標(biāo)進(jìn)行說明，漏報(bào)率即山體發(fā)生滑坡事件之前，通過監(jiān)測(cè)算法對(duì)滑坡不發(fā)生的概率進(jìn)行預(yù)測(cè)，而誤報(bào)率即山體沒有發(fā)生滑坡的情況下，對(duì)滑坡發(fā)生的概率進(jìn)行預(yù)測(cè)，如果想要實(shí)現(xiàn)山體滑坡預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，漏報(bào)率和誤報(bào)率就應(yīng)該達(dá)到最小數(shù)值，而且從一定程度上看，漏報(bào)率比誤報(bào)率更為關(guān)鍵。在該實(shí)驗(yàn)中，還引進(jìn)了信噪比（SUR），它指的是系統(tǒng)中噪聲、信號(hào)二者的比例，這里特指高斯白噪聲和采集信號(hào)之間的比例。正常來看，如果信噪比越大，那么混在信號(hào)中的噪聲則越小。在無線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，信噪比一般為5dB～10dB之間，比較小。通過在不同信噪比下，對(duì)分布式監(jiān)測(cè)與中心監(jiān)測(cè)分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)?？梢园l(fā)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)的漏報(bào)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中心監(jiān)測(cè)的漏報(bào)率。

通過對(duì)分布式監(jiān)測(cè)算法進(jìn)行的分析，與中心監(jiān)測(cè)算法相比，分布式的監(jiān)測(cè)法性能更優(yōu)，所以可以運(yùn)用分布式監(jiān)測(cè)法對(duì)山體滑坡進(jìn)行預(yù)測(cè)。

結(jié)束語

綜上所述，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式山體滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)山體滑坡的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、快速部署，同時(shí)該技術(shù)不需要大量的成本投入，所以無線傳感器技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。而其分布式監(jiān)測(cè)的方法相對(duì)于中心監(jiān)測(cè)的方法，性能更優(yōu)。通過對(duì)易發(fā)生滑坡的山體進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)，同時(shí)有效分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，避免發(fā)生山體滑坡而引發(fā)的重大災(zāi)難、損失，因此該系統(tǒng)具有重要的實(shí)用意義與價(jià)值。（作者單位：核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

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