王 魯 琦

(華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045)

談基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

王 魯 琦

(華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045)

從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點出發(fā)，對滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)及選用原則進(jìn)行了論述，并對攀枝花機場基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建成的裂縫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備及工作原理進(jìn)行了研究，驗證了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)適用于滑坡監(jiān)測預(yù)警的可行性。

物聯(lián)網(wǎng)，山體滑坡，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

0 引言

滑坡是山區(qū)、丘陵地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，危害巨大，對人們的生命和財產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。我國地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，建立適用范圍廣、合理且有效的山體滑坡監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)對于我國具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義和社會意義[1]。

為了及時獲取滑坡的臨災(zāi)信息，有效避免人員傷亡以及財產(chǎn)損失，我國采取了多種有效的措施，例如建立群測群防體系、開展邊坡施工段的汛期巡查、排查危險邊坡的隱患點、對危險邊坡的隱患點實行監(jiān)測等措施[2]。但很多措施仍沿用人工方式實施，存在數(shù)據(jù)收集不及時，信息覆蓋面不足等缺點，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，利用先進(jìn)的技術(shù)手段能夠比較快速有效地獲取滑坡的環(huán)境參數(shù)，為邊坡失穩(wěn)的進(jìn)一步研究和預(yù)報提供詳實的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過后期數(shù)據(jù)的處理以及分析，建立可行的山體滑坡預(yù)警系統(tǒng)，能夠及時地發(fā)出預(yù)警信息，從而減小滑坡所帶來的危害。

1 物聯(lián)網(wǎng)的特點

物聯(lián)網(wǎng)是一種可實現(xiàn)識別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理的智能網(wǎng)絡(luò)。它可以將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，在傳感器等設(shè)備上傳數(shù)據(jù)、建立數(shù)據(jù)庫后，構(gòu)建出以互聯(lián)網(wǎng)為載體所延伸出來的具化網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的三個特征——互聯(lián)網(wǎng)特征、識別與通信特征和智能化特征，使得物聯(lián)網(wǎng)具有廣泛的適用性和可操作性。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)包括現(xiàn)場布設(shè)的分布式傳感器、傳感器數(shù)據(jù)采集處理器、匯聚傳感器數(shù)據(jù)的通訊網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布系統(tǒng)軟件。根據(jù)監(jiān)測范圍的不同，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)又被劃分為區(qū)域監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和單體監(jiān)測系統(tǒng)兩種。

該監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比，具有以下幾點優(yōu)勢：

1)實時性傳輸數(shù)據(jù)。

傳感器的數(shù)據(jù)采集能夠在現(xiàn)場實時進(jìn)行，可排除采集數(shù)據(jù)過程中由于人為因素所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真的情況，為數(shù)據(jù)的客觀性提供了保障。

2)可大范圍布設(shè)。

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中所采用的傳感器相對傳統(tǒng)監(jiān)測手段中的采集設(shè)備具有很大的價格優(yōu)勢，因而可以進(jìn)行大范圍的布設(shè)，在實現(xiàn)監(jiān)測范圍廣和數(shù)據(jù)信息采集充足的同時，能夠?qū)⒔?jīng)費控制在合理的范圍內(nèi)。

3)監(jiān)測自動化。

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計初衷在于，通過自動化的控制系統(tǒng)來完成需消耗大量人力勞動所完成的工作。因而，在該系統(tǒng)中，自動化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部署完成之后，即可在制定的程序設(shè)計下運行，不僅能夠減少在維護(hù)系統(tǒng)方面的資金投入，還能夠使得整個系統(tǒng)長期處于高效率運作的狀態(tài)。

4)全天候監(jiān)測。

監(jiān)測自動化的實現(xiàn)，使得在整個系統(tǒng)部署結(jié)束后，能夠穩(wěn)定且有效的全天候運行，且對于環(huán)境和氣候條件沒有很高的要求，因而可收集到更為全面的數(shù)據(jù)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為基礎(chǔ)，擴展延伸所架構(gòu)的山體滑坡的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，總體上分為以下4個層次：

1)傳感層。

針對可影響山體滑坡的重要環(huán)境及物理力學(xué)參數(shù)，通過相應(yīng)的傳感器及監(jiān)控等設(shè)備的全天候監(jiān)測，采集滑坡產(chǎn)生過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)；

2)傳輸層。

運用3G網(wǎng)絡(luò)、短信等無線網(wǎng)絡(luò)及有線的傳輸通道，將傳感層所獲得的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳；

3)數(shù)據(jù)層。

與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)最大的區(qū)別在于——物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中所具備的數(shù)據(jù)層，該層能夠?qū)鞲衅魃蟼鞯默F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲后處理，并進(jìn)行深層次的挖掘、計算分析和分享，是整個山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分；

4)應(yīng)用層。

對于數(shù)據(jù)層所得出的山體滑坡的監(jiān)測預(yù)警結(jié)果進(jìn)行實際應(yīng)用，該層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與用戶之間的交互基礎(chǔ)，即由監(jiān)測數(shù)據(jù)到智能化應(yīng)用的終端[3]。

3 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備選取原則

針對危險邊坡地區(qū)周邊自然環(huán)境較為惡劣、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱及交通不便利的具體工程特點，滑坡監(jiān)測儀器設(shè)備在滿足監(jiān)測精度要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)滿足以下幾個方面的需要:

1)適應(yīng)環(huán)境條件，具備較強的抗腐蝕能力，受高溫、凍融、風(fēng)、水、雷電、振動等作用影響?。?/p>

2)保持儀器和傳輸線路的長期穩(wěn)定性與可靠性，故障少，便于維護(hù)和更換；

3)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集自動化和實時監(jiān)測；

4)自檢、自校功能強，確保長期穩(wěn)定。

在設(shè)定自動監(jiān)測方案之后，針對不同的監(jiān)測內(nèi)容，需進(jìn)行市場中不同監(jiān)測設(shè)備的研究和比選。

1)表面變形監(jiān)測：可選用GPS、全站儀。

2)深部變形監(jiān)測：可選用測斜儀。

3)地表裂縫監(jiān)測：可選用裂縫儀。

4)孔隙水壓力監(jiān)測：可選用孔隙水壓力計。

5)降雨量監(jiān)測：可選用雨量計。

6)數(shù)據(jù)采集及存儲：可選用數(shù)據(jù)采集儀。

此外，現(xiàn)場還需設(shè)置視頻監(jiān)測設(shè)備。

依據(jù)具體滑坡監(jiān)測的實際需求，可對國內(nèi)外不同品牌的滑坡物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行廣泛的調(diào)研與詢價。由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器的生產(chǎn)廠家以及滑坡體監(jiān)測設(shè)備型號眾多，因此從質(zhì)量及實效性上考慮，可主要對國內(nèi)外知名品牌的滑坡監(jiān)測設(shè)備公司及其主要型號設(shè)備進(jìn)行調(diào)查。通過調(diào)研、詢價，初步確定使用簡便、精度高、穩(wěn)定性好、靈敏度和自動化程度高，價格適中、能夠滿足滑坡(變形)體監(jiān)測系統(tǒng)需要的自動化監(jiān)測儀器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對于滑坡深部變形等監(jiān)測內(nèi)容，考慮到數(shù)據(jù)采集儀的兼容性以及在相同系統(tǒng)誤差情況下各儀器數(shù)據(jù)的同步性和統(tǒng)一性問題，數(shù)據(jù)采集儀與其所連接的各儀器建議選用同一個品牌的監(jiān)測設(shè)備。

4 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用實例

四川省攀枝花市機場于2009年10月3日東側(cè)出現(xiàn)滑坡，為了避免次生災(zāi)害的產(chǎn)生，給接下來的施工和整治帶來進(jìn)一步的損失，針對該滑坡設(shè)置了監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)。通過對邊坡的穩(wěn)定性的實時監(jiān)測，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)建立了警報機制，在達(dá)到危險臨界點時及時釋放危險預(yù)警信號，從而為現(xiàn)場施工人員及施工設(shè)備的轉(zhuǎn)移爭取充足的時間。該監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)成功預(yù)測了2009年12月7日下午兩點的中等規(guī)模的滑坡。

該滑坡的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：

1)傳感器部分，主要監(jiān)測降雨、位移及側(cè)向位移，進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集；

2)傳輸部分，通過GSM/GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；

3)數(shù)據(jù)管理部分，將數(shù)據(jù)傳輸至PC端、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和研究。

降雨是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素。收集滑坡區(qū)降雨量資料可以對滑坡的成因和規(guī)律進(jìn)行分析和總結(jié)，并對滑體的變形破壞進(jìn)行及時預(yù)測預(yù)報。

測斜儀主要的作用在于，通過測量測斜管軸線與鉛垂線之間夾角的變化量，來監(jiān)測巖石、土等側(cè)向位移。測斜儀可確定天然和人工邊(滑)坡滑動剪切面的位置和位移方向。

滑坡裂縫的產(chǎn)生和擴展直接破壞巖土體結(jié)構(gòu)的完整性，引起滑坡內(nèi)部應(yīng)力的急劇變化，導(dǎo)致滑坡的破壞失穩(wěn)。裂縫計可用來測量滑坡體表面裂縫開度或裂縫兩側(cè)間的相對移動，監(jiān)測滑坡裂縫的動態(tài)變化情況。

數(shù)據(jù)采集儀是連接各監(jiān)測傳感器和數(shù)據(jù)處理中心的一個關(guān)鍵部分。數(shù)據(jù)采集儀自動地從測量儀器中獲取測量數(shù)據(jù)，將各監(jiān)測傳感器的模擬信息進(jìn)行數(shù)字化，并進(jìn)行記錄、分析和計算，最后通過有線或者無線方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及處理，將測量結(jié)果進(jìn)行實時顯示，并形成相應(yīng)的各類數(shù)據(jù)和圖表。

由監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析可知，由于2009年8月30日的地震，導(dǎo)致攀枝花機場軟弱地質(zhì)條件惡化，引起大規(guī)模的蠕變滑移和平移滑移，使得10月3日的攀枝花機場再次出現(xiàn)滑坡。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，10月3日的滑坡導(dǎo)致邊坡后緣產(chǎn)生大量變形，前緣和中部變形幅度減弱，而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)也實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測邊坡裂縫的目標(biāo)，能夠在滑坡產(chǎn)生之前發(fā)出報警信號，避免了人身傷亡和財產(chǎn)損失[4]。從應(yīng)用效果來看，物聯(lián)網(wǎng)是一種理想的滑坡應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)，能夠在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮積極的作用，在價格上也具有很大的優(yōu)勢，便于安裝，能耗較低，易于維護(hù)，并且在地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警中具有廣泛的適用性[5]。

5 結(jié)論與展望

近年來，我國發(fā)生了許多重大地質(zhì)災(zāi)害，在地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)建立滑坡泥石流實時監(jiān)測系統(tǒng)刻不容緩。實踐證明，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)能夠快速感知滑坡前兆信息，為人員及財產(chǎn)的轉(zhuǎn)移爭取到充足的時間。此外，由于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠大范圍布設(shè)、全天候監(jiān)測邊坡的重要參數(shù)，也為滑坡的進(jìn)一步研究和防治提供了詳實的數(shù)據(jù)支持。因而，我國應(yīng)當(dāng)加強對于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題的研究，進(jìn)一步推動基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在山體滑坡防治領(lǐng)域的應(yīng)用，爭取早日在全國重點地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域建立滑坡泥石流實時監(jiān)測系統(tǒng)。

[1] 曹詩詠.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2009.

[2] 劉漢東.邊坡失穩(wěn)時預(yù)報理論與方法[M].鄭州：黃河水利出版社，1996.

[3] 周平根，李 昂，張艷玲，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2013(4)：46.

[4] WANG Hong-hui,TUO Xian-guo,ZHANG Gui-yu,et al. Panzhihua Airport Landslide(Oct.3rd 2009) and an Emergency Monitoring and Warning System Based on the Internet of Things[J].Science Press and Institute of Mountain Hazards and Environment,CAS and Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2013(3)：9.

[5] 周平根.地災(zāi)監(jiān)測預(yù)警傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].南方國土資源，2011(10):23.

Disussion on landslide monitoring and early warning stystem based on Internet of Things technology

Wang Luqi

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

The landslide monitoring system’s architecture and the selection principle are discussed based on the characteristics of Internet of Things technology. The emergency monitoring and warning system in Panzhihua airport was built based on the Internet of Things technology. The research of the system provided the proof that the Internet of Things(IoT) is suitable for the monitoring and warning of landslide.

Internet of Things(IoT)， landslide， monitoring and warning system

2015-01-28

王魯琦(1993- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)10-0050-03

P642.22

A