代煒佳 ，王洪輝 ，張 濤

（1.中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，綿陽 621000；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)國家重點實驗室，成都 610059）

地質(zhì)災(zāi)害是一種由自然因素或人為活動引發(fā)的危害人民生命和財產(chǎn)安全的山體滑坡、崩塌、泥石流等有關(guān)的災(zāi)害[1]。我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，具有災(zāi)害種類繁多、分布廣泛、活動頻繁、危害嚴(yán)重等特點，而其中滑坡災(zāi)害占災(zāi)害總數(shù)的51%。

現(xiàn)有的滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，一般基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸。GSM通信模塊的發(fā)射功率有限，需要經(jīng)地面信號塔（信號基站）中繼，才能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線數(shù)據(jù)傳輸。然而，在地震、泥石流、暴雨等極端環(huán)境下，不僅會發(fā)生GSM信號中斷、時間延遲加大、數(shù)據(jù)丟失等情況，還可能由于地面信號塔通信中繼中斷，進(jìn)而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的長時間傳輸中斷，由此降低了系統(tǒng)對“防災(zāi)減災(zāi)”工作的支持效果。

中國北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高可靠的數(shù)據(jù)通信功能，幾乎不受地質(zhì)條件及環(huán)境限制。將基于北斗短報文通信技術(shù)替代現(xiàn)有基于GSM模塊的數(shù)據(jù)傳輸方式，很大程度上提高系統(tǒng)的實時監(jiān)測性能，在災(zāi)害孕育的過程中，實時傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)，為“防災(zāi)減災(zāi)”工作提供決策支持。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成

滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由野外監(jiān)測點和室內(nèi)監(jiān)測站組成。

野外監(jiān)測點，選取經(jīng)過研究論證的高危滑坡隱患滑坡體，在適當(dāng)位置安放監(jiān)測滑坡位移、傾斜度、降雨量參數(shù)的傳感器，形成一個小型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點。每一個監(jiān)測點傳感器采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)微型單片控制器MCU（micro controller unit）SOC-C8051F530控制GSM通信模塊以短信形式發(fā)送出去，經(jīng)信號中繼站通信中繼后，發(fā)送至室內(nèi)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)接收主機。

室內(nèi)監(jiān)測站是由數(shù)據(jù)接收主機及監(jiān)控主機組成，數(shù)據(jù)接收主機會接收來自野外采集點發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)串口轉(zhuǎn)送至安裝地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警軟件的PC機，并在屏幕上呈現(xiàn)出近期相關(guān)參數(shù)的詳細(xì)監(jiān)測界面?，F(xiàn)有系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of the existing system

其具體的工作流程如下：

（1）野外監(jiān)測點的傳感器以固定時間間隔或事件觸發(fā)的方式，采集滑坡的實時參數(shù)；

（2）野外監(jiān)測點的MCU控制GSM通信模塊，將數(shù)據(jù)以短信編碼的方式發(fā)送至室內(nèi)監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)接收主機；

（3）數(shù)據(jù)接收主機將野外采集節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)串口送監(jiān)控主機；

（4）監(jiān)控主機提取出數(shù)據(jù)中包含的時間、監(jiān)控地點及監(jiān)測量等參數(shù)，直觀呈現(xiàn)在監(jiān)測軟件的界面上。

1.2 不足與分析

GSM通信模塊選用上海移遠(yuǎn)電子的M72-D，該模塊是采用SMD封裝的GSM/GPRS雙頻模塊，支持900/1800 MHz的短信、數(shù)據(jù)傳輸，尺寸小，功耗低，已成熟應(yīng)用于無線POS機、無線抄表等領(lǐng)域[2]。但是，該模塊發(fā)射功率較?。ㄔ贕SM900頻段下，僅2 W），在10 km以上遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時，必須通過通訊基站對其進(jìn)行通信中繼；通信基站完成前向接收、功率增強、后向發(fā)射等功能后[3]，才能使得數(shù)據(jù)在逐級傳輸?shù)倪^程中不丟失?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方式的原理如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方式原理Fig.2 Schematic diagram of the existing data transmission method

參照圖2，數(shù)據(jù)逐級傳輸?shù)倪^程中，所經(jīng)過的通訊基站數(shù)量與傳輸距離成正比關(guān)系。在傳輸過程中，數(shù)據(jù)傳輸中斷或不穩(wěn)定的情況有如下幾種可能：

（1）數(shù)據(jù)傳輸距離較大時，數(shù)據(jù)由野外監(jiān)測點的發(fā)射端到達(dá)室內(nèi)監(jiān)測站的接收端，需經(jīng)過若干級通訊中繼，這個過程會產(chǎn)生較大的時間延遲，較大程度上影響了數(shù)據(jù)的實時性；

（2）若某個區(qū)域內(nèi)的天氣狀況惡劣（如狂風(fēng)、雨雪天氣等），則該區(qū)域內(nèi)通信基站的信號穩(wěn)定性將下降，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸矊⒋蠓陆?，?shù)據(jù)丟失幾率增大；

（3）監(jiān)測滑坡體位于偏僻山區(qū)，若發(fā)生地震、泥石流、暴雨等災(zāi)害，相關(guān)部門會在第一時間切斷主要公共設(shè)施供電，區(qū)域內(nèi)通信基站將全部停止工作，基于此方式的數(shù)據(jù)傳輸將全部中斷。

1.3 實例分析

2013年8月17日，綿陽某地爆發(fā)泥石流災(zāi)害，位于該地區(qū)所有野外監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸全部中斷，中斷時間近72 h，室內(nèi)監(jiān)測站無法獲取滑坡體的現(xiàn)場實時情況，不僅降低了監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實效性，而且也在一定程度上影響了當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門對“防災(zāi)減災(zāi)”工作的部署實施。

事后調(diào)查得知，該地區(qū)唯一的35 kV主干輸電線路遭到了邊坡垮塌破壞，所有電力供應(yīng)中斷，移動通訊基站斷電停止工作，監(jiān)測區(qū)域成為了信息孤島，導(dǎo)致GSM數(shù)據(jù)傳輸無法完成通信中繼，野外監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)無法傳輸。

故此，提出采用北斗衛(wèi)星通信替代GSM通信，克服通信基站受當(dāng)?shù)仉娏?yīng)制約的困難，以提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的時效性，特別是對于西南山區(qū)地災(zāi)監(jiān)測尤為重要。

2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對比

2.1 幾種遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對比

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)作為滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，很大程度依賴于現(xiàn)代通信技術(shù)，如GPRS/CDMA、GSM 短信、Internet、衛(wèi)星通信等。

GPRS/CDMA、GSM短信通信相對簡單，易于架設(shè)，傳輸速率也基本滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的需要，但對通信基站依賴性強，在基站通信繁忙或者網(wǎng)絡(luò)信號差的地區(qū)，容易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸延時，甚至數(shù)據(jù)丟失；而且，在某些偏遠(yuǎn)地區(qū)（如山區(qū)與城市郊區(qū)）存在通信盲區(qū)，不利于建立覆蓋全國范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害實時監(jiān)測系統(tǒng)[4]。Internet傳輸速率快，但其傳輸方式為有線，不易架設(shè)，且保密性不高。衛(wèi)星通信最大的優(yōu)點在于幾乎不存在通信盲區(qū)，具有極高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，適合其他通信手段無法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測[5]；但是由于其通信容量小，運行費用比較高，不適合大數(shù)據(jù)量的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。表1對目前幾種常用的通信技術(shù)的性能與特點進(jìn)行了比較。

2.2 基于衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是繼美國全球定位系統(tǒng)GPS（global positioning system）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）導(dǎo)航系統(tǒng)之后，世界三大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一[6]。這三大衛(wèi)星系統(tǒng)都具備定位導(dǎo)航功能，而只有北斗系統(tǒng)具有短報文通信功能。

表1 幾種通信方式性能與特點比較Tab.1 Performance comparing of the several communication methods

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的短報文通信功能，采用點對點雙向數(shù)據(jù)傳輸，主要方式是數(shù)據(jù)報告，傳輸形式為數(shù)據(jù)包，單次最大發(fā)送量為100 kB[7]。北斗通信終端通過安裝IC卡方式，以卡號ID對卡號ID，實現(xiàn)兩臺終端之間的短報文數(shù)據(jù)傳輸，而IC卡的類型決定了單次發(fā)送報文的長度和發(fā)送頻率。在北斗民用領(lǐng)域，發(fā)放的IC卡通信頻率通常為每分鐘一次，單次通信的報文長度不超過78.5 kB，即北斗通信的帶寬為每分鐘傳輸78.5 kB[8]。

3 基于北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化

3.1 數(shù)據(jù)傳輸方式優(yōu)化

數(shù)據(jù)傳輸方式優(yōu)化的關(guān)鍵在于野外監(jiān)測點采集的數(shù)據(jù)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，不需要任何通信中繼，直接通過北斗發(fā)射終端采用算法加密后上傳空間衛(wèi)星；在地面控制中心的協(xié)調(diào)下，將空間衛(wèi)星的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至室內(nèi)監(jiān)測站的北斗接收終端；接收終端會校驗接收到數(shù)據(jù)的合法性，并解碼提取出其中包含的時間、監(jiān)控地點及監(jiān)測量等參數(shù)，并經(jīng)RS232串口送至監(jiān)控主機；監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示界面上直觀呈現(xiàn)出滑坡體位移量、傾斜度、雨量等實時監(jiān)測情況。優(yōu)化方案總體框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸方式優(yōu)化總體框圖Fig.3 Block diagram of the optimized data transmission method

要實現(xiàn)基于北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，需要完成如下的數(shù)據(jù)傳輸流程：

（1）地面控制中心實時掌控衛(wèi)星及用戶工作情況；

（2）用戶終端主動發(fā)射信號進(jìn)行通信申請，衛(wèi)星接收到后將其轉(zhuǎn)發(fā)到地面控制中心；

（3）地面控制中心收到用戶信號后，解讀出用戶申請的服務(wù)內(nèi)容，再將相關(guān)信息或通信內(nèi)容發(fā)送到衛(wèi)星；

（4）衛(wèi)星在收到控制中心發(fā)來的通信內(nèi)容后，轉(zhuǎn)發(fā)給用戶或收件人，實現(xiàn)通信服務(wù)。

3.2 北斗通信終端

北斗通信終端采用成都新橙智聯(lián)科技的民用北斗/GPS一體式發(fā)送/接收用戶機，具有北斗短報文數(shù)據(jù)傳輸功能，并具備良好的野外環(huán)境適應(yīng)能力。

北斗通信發(fā)送端與野外監(jiān)測點連接，MCU完成與終端的握手、數(shù)據(jù)加密、校驗碼生成、發(fā)送校驗等功能后，將數(shù)據(jù)上傳至終端緩存，終端將數(shù)據(jù)發(fā)送至北斗軌道衛(wèi)星；地面控制中心會在接收到衛(wèi)星發(fā)送的通信申請后，解讀終端申請的服務(wù)內(nèi)容，并將響應(yīng)發(fā)送至衛(wèi)星；衛(wèi)星在接到響應(yīng)后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至指定接收終端。終端由鉛酸蓄電池提供12 V電源，出于低功耗考慮而處于睡眠模式下，會在接受操作后立即喚醒，并在15 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

北斗通信接收終端與室內(nèi)監(jiān)測站連接，在接收到北斗衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對校驗碼進(jìn)行真?zhèn)涡ｒ?。若為真，表示其符合北斗通信協(xié)議，則提取出其中包含的時間、監(jiān)控地點及監(jiān)測量等參數(shù)，經(jīng)RS232串口送監(jiān)控主機處理；若為偽，則棄置不用。終端12 V直流電源由恒孚電源公司AC-DC模塊AC220S12DC-20W提供，處于待機模式下（一直開機）。北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的原理示意圖如圖4所示。

圖4 北斗衛(wèi)星通信技術(shù)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the Beidou communication system

3.3 通信編碼協(xié)議

野外監(jiān)測點要將信息通過北斗發(fā)送終端發(fā)送到北斗接收終端，必須將數(shù)據(jù)編碼成北斗短報文格式，再送北斗終端發(fā)送。北斗通信編碼協(xié)議基本格式：通信命令，報文總長，發(fā)方ID，報文類型、收方ID，報文正文長度，應(yīng)答位，報文正文，校驗碼。

例如：發(fā)方ID為424412的北斗終端機，向收方ID為424411的終端，發(fā)送數(shù)據(jù)‘123’。該操作的通信編碼協(xié)議如表2所示（表中均采用16進(jìn)制，省略 0x）。

表2 北斗通信編碼協(xié)議Tab.2 Beidou communication coding protocol

4 優(yōu)化后系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 野外監(jiān)測點

野外監(jiān)測點由傳感器電路、信號調(diào)理電路、主控SOC-C8051F530、北斗通信發(fā)射終端、太陽能充電電路、蓄電池電源管理電路。具體框圖如圖5所示。

圖5 野外監(jiān)測點結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block of the on-site monitoring nodes

4.2 室內(nèi)監(jiān)測站

基于北斗通信的數(shù)據(jù)傳輸方式，北斗接收終端能獨立完成數(shù)據(jù)的校驗、解碼、信息提取、傳送等功能，將野外監(jiān)測點發(fā)射終端發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)RS232串口，送PC監(jiān)控主機處理，故此取消了先前提到的數(shù)據(jù)接收主機。監(jiān)測預(yù)警軟件集成了數(shù)據(jù)分析、歸類整理、存儲等功能，并在屏幕上呈現(xiàn)出近期相關(guān)參數(shù)的詳細(xì)監(jiān)測界面。

5 示范應(yīng)用

優(yōu)化后的系統(tǒng)應(yīng)用于“貴州省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與決策支持平臺”項目，監(jiān)測點位于貴州省畢節(jié)市赫章縣野馬川鎮(zhèn)K93巖質(zhì)高邊坡 （經(jīng)度104.7724，緯度27.1476，高程 1641 m），至威寧高速公路第 4～6合同段人工開挖邊坡，地表裂縫位移監(jiān)測儀（量程1000 mm）、地表傾斜度傳感器（量程±90°）安裝于邊坡開挖形成的危巖體，雨量監(jiān)測儀（量程7 mm/min）位于第8級支護(hù)平臺，在巖體平面安裝，采用12 V/60 Ah的膠體鉛酸蓄電池作為電源。

經(jīng)過近2年的監(jiān)測應(yīng)用，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分辨率達(dá)到位移 2 mm、傾斜角 0.025°、雨量 0.1 mm，北斗數(shù)據(jù)傳輸無時間延遲、無丟包，極端氣候條件下也能可靠傳輸，系統(tǒng)總體工作正常穩(wěn)定。系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖6所示。

圖6 北斗采集系統(tǒng)布置圖Fig.6 Photo of the Beidou acquisition system

6 結(jié)語

本文提出了基于北斗通信技術(shù)的滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案，解決了GSM通信在極端環(huán)境下可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)中斷問題，一定程度上提高了監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)“減災(zāi)防災(zāi)”功能的可靠性。同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)精度高、實時有效，能為災(zāi)害應(yīng)急、科學(xué)研究提供決策支持。

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