吳 悅，任 濤，王 璇

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定071051）

對(duì)于泥石流災(zāi)害的監(jiān)測(cè)[1]在我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工程中占有非常重要的地位，因?yàn)榻陙磉@類災(zāi)害爆發(fā)頻率高、造成危害大，給國(guó)家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)帶來重大的損失，例如2010年甘南舟曲的特大泥石流災(zāi)害、2012年甘肅岷縣特大冰雹山洪泥石流災(zāi)害；在泥石流災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，對(duì)于泥石流物源區(qū)的監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的，可以為早期預(yù)警提供較長(zhǎng)的時(shí)間，但是物源區(qū)通常位于深山部位，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋，這樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就無法實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，給早期預(yù)警工作造成了很大的困擾。北斗系統(tǒng)是國(guó)家大力發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)[2]，除了定位、授時(shí)等功能外，還可以發(fā)送短報(bào)文，目前在全國(guó)范圍內(nèi)可以保證在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間的無障礙雙向通信。

本文將北斗終端的通信功能與泥石流監(jiān)測(cè)儀器相結(jié)合，采用實(shí)時(shí)采集與發(fā)送數(shù)據(jù)的方法以滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的需要。文中以泥石流災(zāi)害為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集雨量、泥水位、地聲等數(shù)據(jù)，通過北斗短報(bào)文發(fā)送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為泥石流早期預(yù)警工作創(chuàng)造了有利條件[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由傳感器、采集傳輸儀和監(jiān)控中心軟件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器主要采集雨量、地聲、泥水位三類變量；采集傳輸儀分為2個(gè)部分，由數(shù)據(jù)采集板和北斗終端組成；監(jiān)控中心服務(wù)器控制軟件采用C/S模式設(shè)計(jì)，用于顯示、存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和下發(fā)控制命令，主要實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同類型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息的采集與存儲(chǔ)等重要功能。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall frame of the system

1.1 數(shù)據(jù)采集板

由16位超低功耗PIC嵌入式處理器PIC24F16 KA102、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256、電源控制模塊等核心模塊組成，數(shù)據(jù)采集板原理如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集板框圖Fig.2 Overall frame of the data acquisition board

PIC24F16KA102屬于Microchip的超低功耗16位單片機(jī)系列產(chǎn)品線，具有豐富的外設(shè)功能部件和增強(qiáng)的計(jì)算性能，此外還具有一系列能在工作時(shí)顯著降低功耗的功能，主要包含動(dòng)態(tài)時(shí)鐘切換、打盹模式工作、基于指令的節(jié)能模式等，屬于超低功耗器件，工作電壓范圍為1.8 V～3.6 V。ADS1256是一種24位Δ-ΣADC，為TI工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，內(nèi)部集成有輸入多路復(fù)用器、輸入緩沖器、可編程增益放大器。

儀器系統(tǒng)選取直流12 V做為主電源，電源控制部分采用分區(qū)供電的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，功能模塊工作時(shí)被供給電源，在其它時(shí)間徹底切斷電源以最大限度降低功耗[4]，整個(gè)系統(tǒng)受程序控制[5]，目前分為CPU電源、AD電源、5 V傳感器電源、12 V傳感器電源。CPU電源通過降壓模塊LTC3631由12 V降壓為3.3 V，最大輸出電流100 mA；AD電源通過低壓差線性穩(wěn)壓器LP3878由12 V降壓為5 V，最大輸出電流800 mA；5 V傳感器電源通過降壓開關(guān)穩(wěn)壓器LM2596S由12 V降壓為5 V，最大輸出3 A電流；12 V傳感器電源通過繼電器G6E-134P，直接從主電源獲?。贿@2個(gè)傳感器電源由處理器控制打開或關(guān)閉，為一些功耗較大的傳感器定時(shí)供電。

RS485是很多種智能傳感器的標(biāo)準(zhǔn)接口[6]，儀器上預(yù)留了一路這類接口，可以通過串聯(lián)的方式進(jìn)行擴(kuò)充。RS232接口用于連接北斗終端。為了進(jìn)一步降低噪聲，增加抗干擾性，電路板設(shè)計(jì)為四層板，電源層和地層放置在板子中間，把模擬器件和數(shù)字器件分別放置在底層和頂層。

1.2 北斗終端

北斗終端由北斗衛(wèi)星UM330模塊和電源、RS232電平轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成，北斗衛(wèi)星模塊UM330是基于多系統(tǒng)多頻率高性能SoC芯片（NebulasTM），采用單芯片接收機(jī)方案，同時(shí)支持BD1基帶以及BD2/GPS基帶和射頻，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更低的功耗，支持短報(bào)文收發(fā)。

1.3 采集傳輸儀工作模式

采集傳輸儀通常工作于低功耗模式，外部12 V電源通過LTC3631轉(zhuǎn)換為3.3 V為PIC24供電，儀器時(shí)鐘通常處于低頻率模式下，整機(jī)功耗控制在0.024 W以下，外部中斷與時(shí)鐘維持運(yùn)行，當(dāng)有外部事件發(fā)生或定時(shí)時(shí)間到，PIC24進(jìn)行時(shí)鐘切換，把時(shí)鐘由內(nèi)部31 kHz轉(zhuǎn)換為外部7 MHz，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，通過GPIO口導(dǎo)通繼電器為AD轉(zhuǎn)換器、通訊終端、外部有源傳感器、RS485模塊提供12 V和5 V電源，通過ADS1256采集8路電壓、電流類型數(shù)據(jù)，通過RS485采集智能儀器的數(shù)據(jù)，雨量數(shù)據(jù)通過外部中斷實(shí)時(shí)獲取。數(shù)據(jù)采集完畢后通過串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ嵔K端，得到通訊終端發(fā)送成功的回復(fù)后，關(guān)斷繼電器，切換工作時(shí)鐘，自身重新進(jìn)入低頻率模式，等待下一次；如果數(shù)據(jù)發(fā)送有錯(cuò)誤且多處重發(fā)依然無效，則把數(shù)據(jù)暫存，進(jìn)入低頻率模式，在下一個(gè)定時(shí)時(shí)間與新的采集數(shù)據(jù)一起發(fā)送。

1.4 監(jiān)控中心軟件

監(jiān)控中心軟件由C#+SQLServer組合開發(fā)完成，其中程序采用C#高級(jí)編程語(yǔ)言開發(fā)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則采用SQLServer實(shí)現(xiàn)，由于SQLServer是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，允許并發(fā)的操作數(shù)據(jù)，這樣也為預(yù)警信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)使用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，軟件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件組成結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the Sofiware composition

整個(gè)系統(tǒng)的工作機(jī)制主要由三個(gè)響應(yīng)過程組成：客戶端軟件通過配置與服務(wù)器軟件通信，再由服務(wù)器軟件響應(yīng)客戶端事件請(qǐng)求；服務(wù)器軟件通過TCP Socket/SMS監(jiān)控終端數(shù)據(jù)上傳并解析[7]，并能夠?qū)崿F(xiàn)控制命令的下發(fā)；服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)終端數(shù)據(jù)的緩存，同時(shí)通過數(shù)據(jù)接口與SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和交互等，達(dá)到采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的目的。

通過在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存終端ID與其相對(duì)應(yīng)的協(xié)議類型的映射，在接收到采集終端的上行數(shù)據(jù)后首先解析出終端ID，再根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系判斷終端所使用協(xié)議類型，最后分派給相對(duì)應(yīng)的解析模塊處理。發(fā)送模塊工作原理相仿，先根據(jù)協(xié)議指定格式把要發(fā)送的命令數(shù)據(jù)前加上終端ID和協(xié)議類型的標(biāo)識(shí)，然后發(fā)送給收發(fā)器完成發(fā)送任務(wù)。

2 泥石流災(zāi)害監(jiān)測(cè)指標(biāo)

依據(jù)“崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測(cè)規(guī)范”和“六類地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)”要求，泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要選取了雨量、泥水位、地聲做為主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容的技術(shù)指標(biāo)，這3種參數(shù)主要代表了泥石流監(jiān)測(cè)中的形成條件 （雨量代表了氣象水文條件）監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)特征（泥水位代表了動(dòng)態(tài)要素、地聲振幅代表了動(dòng)力要素）監(jiān)測(cè)[8]。通過觀察以上類型的數(shù)據(jù)，可以比較完整地勾勒出災(zāi)害體的當(dāng)前形態(tài)，如果對(duì)長(zhǎng)期積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的比較與分析，再結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)調(diào)查情況，可以初步推斷出監(jiān)測(cè)預(yù)警的臨界值，可以極大推動(dòng)泥石流早期預(yù)警工作。

3 應(yīng)用情況

基于北斗短報(bào)文的泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)目前已經(jīng)在“重要地質(zhì)災(zāi)害隱患監(jiān)測(cè)示范（遼寧）”、“北京房山地災(zāi)監(jiān)測(cè)”等國(guó)家重大地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工程中得到大量應(yīng)用，尤其在四川雅安地區(qū)發(fā)生的“4.20”廬山震后次生災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)急工作中發(fā)揮了重要的作用。

根據(jù)國(guó)土資源部“4.20”雅安地震指揮部的統(tǒng)一部署，對(duì)災(zāi)區(qū)寶興縣冷木溝和教場(chǎng)溝泥石流進(jìn)行了應(yīng)急監(jiān)測(cè)，部署了6套泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了高海拔峽谷區(qū)無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)情況下的泥石流地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.4 Site layout

2013年5月23日16點(diǎn)10分，寶興縣城遭遇局地強(qiáng)降雨襲擊，17點(diǎn)05分，監(jiān)控到洪峰越過原來的一號(hào)大壩沖向道路，且有瞬時(shí)加強(qiáng)的趨勢(shì)；17點(diǎn)25分，從降雨與泥水位變化曲線見圖5上分析，暴雨累計(jì)降雨量已達(dá)到63.5 mm，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z2發(fā)出了報(bào)警信號(hào)，說明泥水位上升1 m后達(dá)到預(yù)定預(yù)警值，主溝上游形成的洪峰已經(jīng)到達(dá)中游，有發(fā)生泥石流災(zāi)害的跡象，寶興縣防災(zāi)減災(zāi)指揮部及時(shí)組織溝內(nèi)開展應(yīng)急搶險(xiǎn)的四川省地礦局909隊(duì)150余名施工人員和60臺(tái)套大型機(jī)械設(shè)備以及可能受威脅的500余名群眾果斷撤離，避免了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

圖5 降雨與泥水位變化曲線Fig.5 Relationship between rain and mud level

4 結(jié)語(yǔ)

基于北斗短報(bào)文的泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，依據(jù)國(guó)家頒布的泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選取了具有代表性的技術(shù)指標(biāo)做為監(jiān)測(cè)參數(shù)，通過北斗終端，以短報(bào)文的形式把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶蠓降谋O(jiān)控中心，為泥石流監(jiān)測(cè)早期預(yù)警工作奠定了基礎(chǔ)，在國(guó)家重大地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工程和應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮了作用；使用北斗傳輸數(shù)據(jù)，相應(yīng)的拓展了北斗系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，為北斗系統(tǒng)健康生態(tài)鏈的發(fā)展增加了重要的一環(huán)。

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