尚東方,劉敦龍,韓 雪,王瑞璽

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456; 2.成都信息工程大學(xué)軟件工程學(xué)院，四川 成都 610225;3.軟件自動(dòng)生成與智能服務(wù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

0 引 言

泥石流是山區(qū)常見的自然災(zāi)害，具有極大的危害性[1]，泥石流防災(zāi)減災(zāi)已迫在眉睫。然而，泥石流成因特別復(fù)雜，而且泥石流溝的數(shù)量多，危害面廣，治理成本很高，目前還無法進(jìn)行大規(guī)模的全面治理[2]。泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警作為一項(xiàng)重要的非工程減災(zāi)措施，是泥石流防災(zāi)減災(zāi)的有效途徑之一[3]。次聲監(jiān)測(cè)是一種以泥石流物理特性為研究主線的監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有很大潛力[4]，近年來一直為學(xué)術(shù)界和工程界所關(guān)注。

次聲波因頻率低，具有穿透力強(qiáng)，受大氣和水粘滯作用衰減小等特點(diǎn)，能在空氣中遠(yuǎn)距離傳輸[5-10]。因此，可以對(duì)次聲波源進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，分析次聲與災(zāi)害事件的關(guān)聯(lián)性，提高災(zāi)害防御能力[11-12]。隨著次聲研究日益成熟，次聲監(jiān)測(cè)技術(shù)開始應(yīng)用于火山噴發(fā)、雪崩、地震、核爆炸與大氣環(huán)境等領(lǐng)域，取得了一系列較好的研究成果[13-19]。近年來，泥石流次聲監(jiān)測(cè)預(yù)警得到廣泛認(rèn)同，學(xué)者們都在積極地進(jìn)行大量研究與探索。Zhang等人[20]研制了泥石流次聲報(bào)警器，并在云南東川蔣家溝進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，可在泥石流到達(dá)危害對(duì)象前10 min～30 min發(fā)出警報(bào)。Chou等人[21-22]對(duì)蔣家溝泥石流和臺(tái)灣火炎山泥石流次聲信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)和分析，指出稀性泥石流的主頻范圍(5 Hz～15 Hz)較粘性泥石流(5 Hz～10 Hz)寬，并認(rèn)為實(shí)際應(yīng)用中需考慮風(fēng)、雨等環(huán)境噪聲的干擾。Hüb等人[23]在蔣家溝進(jìn)行了泥石流次聲觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，指出泥石流次聲峰值介于8 Hz～12 Hz，聲壓通常低于4 Pa。章書成等人[24]綜合利用泥石流次聲報(bào)警器、遙測(cè)智能雨量計(jì)、超聲泥位計(jì)和圖像傳輸設(shè)備，研制了泥石流早期預(yù)警系統(tǒng)，使得預(yù)警準(zhǔn)確率和時(shí)間提前量得到一定改觀。李朝安等人[25]研發(fā)了泥石流次聲監(jiān)測(cè)儀，對(duì)鐵道沿線的泥石流溝進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過上述研究成果，可以看出泥石流次聲的主頻較寬，與很多環(huán)境干擾噪聲(如風(fēng)、人類活動(dòng)等)的主頻都有混疊，因此，僅通過監(jiān)測(cè)設(shè)備上的單片機(jī)進(jìn)行濾波等相關(guān)處理，無法排除環(huán)境噪聲的干擾，導(dǎo)致誤報(bào)率較高。

針對(duì)這一問題，Liu等人[26-27]從信號(hào)的頻譜特征、持續(xù)時(shí)間與波形特征等方面著手，分析出了可用于區(qū)分泥石流次聲與環(huán)境干擾次聲的關(guān)鍵特征參數(shù)，提出了一種新型的泥石流次聲信號(hào)識(shí)別方法，解決了誤報(bào)頻發(fā)的問題，大幅提高了預(yù)警準(zhǔn)確率。本文基于提出的泥石流次聲信號(hào)識(shí)別方法，采用單片機(jī)與上位機(jī)相結(jié)合的方式，借助C#與Matlab混合編程、Oracle數(shù)據(jù)庫與GIS二次開發(fā)等多種技術(shù)聯(lián)合的手段，突破單一技術(shù)的局限性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于次聲監(jiān)測(cè)的泥石流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用到云南東川蔣家溝進(jìn)行了長期的泥石流監(jiān)測(cè)效果驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明：系統(tǒng)可排除環(huán)境噪聲的干擾，預(yù)警準(zhǔn)確率較高，運(yùn)行穩(wěn)定且響應(yīng)及時(shí)，可很好地滿足泥石流防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)的需求。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

1.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警的原理

泥石流在形成和運(yùn)動(dòng)過程中因巖石層發(fā)生斷裂、擠壓以及龍頭與溝床和溝道兩側(cè)坡體撞擊與摩擦而產(chǎn)生次聲波[6-7]。泥石流次聲波在頻譜、振幅、波形以及持續(xù)時(shí)間等方面均具有獨(dú)特的特征，其聲發(fā)射源是球面波，無方向性。次聲波在常溫空氣中的傳播速度(約344 m/s)是泥石流運(yùn)動(dòng)速度(5 m/s～20 m/s)的數(shù)十倍，具有穿透力強(qiáng)，受大氣和水粘滯作用衰減小，可在空氣中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。此外，由于泥石流溝道較長，泥石流從溝道上游爆發(fā)并運(yùn)動(dòng)至下游居民區(qū)所需的時(shí)間通常較長[8,10]。因此，通過對(duì)泥石流次聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)，可提前一定時(shí)間量獲得泥石流爆發(fā)信息從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警。然而，自然界中的很多現(xiàn)象或事件都會(huì)產(chǎn)生次聲波信號(hào)，會(huì)對(duì)泥石流次聲監(jiān)測(cè)產(chǎn)生較大的影響，致使誤報(bào)頻發(fā)。因此，在泥石流次聲監(jiān)測(cè)過程中，需要對(duì)這些環(huán)境干擾噪聲進(jìn)行排除，從而實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的泥石流次聲判識(shí)。

針對(duì)這一問題，本文基于現(xiàn)有的泥石流次聲研究成果，并結(jié)合大量實(shí)測(cè)信號(hào)(圖1)，總結(jié)出可用于區(qū)分泥石流次聲與山區(qū)常見環(huán)境干擾次聲(如風(fēng)、雷電、爆破以及汽車和飛機(jī)的引擎)的關(guān)鍵特征[11](詳情見表1)，根據(jù)泥石流次聲和這些環(huán)境干擾次聲的特征差異，設(shè)計(jì)出一種泥石流次聲信號(hào)識(shí)別方法來排除環(huán)境噪聲的干擾，為泥石流次聲現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警提供可靠的依據(jù)。此外，考慮到風(fēng)是山區(qū)中的普遍現(xiàn)象，是影響泥石流次聲監(jiān)測(cè)預(yù)警的最大干擾源，為了能夠較為徹底地排除風(fēng)噪的影響，還需要選擇合適的位置安裝部署監(jiān)測(cè)設(shè)備并使用導(dǎo)管陣或防風(fēng)罩降低風(fēng)的干擾。

(a) 原始信號(hào)時(shí)序圖

(b) 原始信號(hào)時(shí)頻圖

(c) 原始信號(hào)頻譜圖

(d) 低通濾波后的信號(hào)頻譜圖圖1 實(shí)測(cè)泥石流產(chǎn)生的聲音信號(hào)

表1 泥石流次聲與環(huán)境干擾次聲的相關(guān)特征

次聲信號(hào)源中心頻率/Hz能量集中區(qū)域/Hz最大聲壓/Pa持續(xù)時(shí)間短時(shí)過零率泥石流10～155～20次聲與可聞聲頻段均<5很長,至少16 min0.20～0.32雷電5～70.6～12.3次聲段約32,可聞聲段約70較短,通常小于30 s0.07～0.12爆炸0.5～120.01～16.7次聲段約45,可聞聲段約60較短,通常小于10 s<0.06引擎6～110.1～16.8次聲段約2,可聞聲段約4較短,通常小于30 s0.14～0.24風(fēng)3～50.01～9.1次聲段很大,可聞聲段<15時(shí)間很長,持續(xù)存在<0.09

1.2 信號(hào)識(shí)別的方法

本文采用單片機(jī)與上位機(jī)相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于次聲監(jiān)測(cè)的泥石流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)，利用單片機(jī)進(jìn)行泥石流次聲信號(hào)的采集與傳輸，通過上位機(jī)對(duì)泥石流次聲信號(hào)進(jìn)行接收、解析、存儲(chǔ)和識(shí)別。根據(jù)該監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的工作方式，每10 s便可從數(shù)據(jù)庫中獲得1000個(gè)采樣點(diǎn)，可將這些采樣點(diǎn)作為一段輸入信號(hào)進(jìn)行識(shí)別以確認(rèn)其中是否含有泥石流次聲信號(hào)。本文根據(jù)上述的關(guān)鍵特征參數(shù)，制定了一套泥石流次聲信號(hào)識(shí)別流程，大幅降低了環(huán)境噪聲干擾而引起的誤報(bào)。系統(tǒng)的識(shí)別流程如圖2所示。

利用一階矩與二階矩譜估計(jì)法計(jì)算能量譜密度矩陣的中心頻率和譜線寬度，利用中心頻率±1/2×譜線寬度來表征其能量集中區(qū)域。1)若能量下限值≥5 Hz，95%以上的采樣點(diǎn)聲壓值均小于5 Pa，且短時(shí)過零率在0.2以上，則認(rèn)為該段信號(hào)為泥石流次聲信號(hào)；2)若能量上限值<9.5 Hz，則認(rèn)為是非泥石流次聲信號(hào)；3)若能量上限值介于9.5 Hz～17 Hz之間，且能量下限值<0.5 Hz，則認(rèn)為是非泥石流次聲信號(hào)；4)若能量上限值介于9.5 Hz～17 Hz之間，能量下限值≥0.5 Hz，且可聞聲頻段最大聲壓值≥15 Pa，則認(rèn)為是非泥石流次聲信號(hào)；否則，按照相同流程處理與分析接下來的2段輸入信號(hào)；5)若此3段信號(hào)的中心頻率和能量下限值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，則認(rèn)為這3段輸入信號(hào)為泥石流次聲信號(hào)；6)若能量上限值>17 Hz，且短時(shí)過零率≥0.095，則按照相同流程處理與分析接下來的1段輸入信號(hào)；7)若這2段信號(hào)均滿足條件1、條件5或條件6中的一個(gè)，則認(rèn)為這2段輸入信號(hào)為泥石流次聲信號(hào)；否則，視為非泥石流次聲信號(hào)。

圖2 泥石流次聲信號(hào)識(shí)別流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于SOA服務(wù)架構(gòu)，采用C/S開發(fā)模式與多層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)——基于次聲監(jiān)測(cè)的泥石流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)平臺(tái)由泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)和泥石流次聲信號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)3大部分組成。其中，泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)與泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)統(tǒng)稱為泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)平臺(tái)的總體工作流程如圖3所示。

圖3 基于次聲監(jiān)測(cè)泥石流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)的總體流程

泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)作為終端設(shè)備，部署在野外泥石流易發(fā)區(qū)域，實(shí)時(shí)采集周圍環(huán)境中的聲音信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將其通過數(shù)據(jù)傳輸裝置遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)控中心的服務(wù)器端。泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)運(yùn)行在服務(wù)器端，利用多線程并發(fā)執(zhí)行的方式，實(shí)時(shí)接收遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器的采樣數(shù)據(jù)，并依次進(jìn)行解析、處理與入庫存儲(chǔ)等操作以供客戶端相關(guān)系統(tǒng)獲取和分析等操作。泥石流次聲信號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)運(yùn)行在客戶端，實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)庫中取出當(dāng)前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述的信號(hào)識(shí)別方法來分析判斷該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中是否含有泥石流次聲信號(hào)成分。若含有泥石流次聲信號(hào)，則發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息；否則，繼續(xù)獲取下一段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)

2.2.1 泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是基于高性能信號(hào)采集電路板(如STM32處理器、高位數(shù)雙極性AD轉(zhuǎn)換器與時(shí)鐘芯片等，工作電壓為5 V)、次聲傳感器、GPS授時(shí)模塊、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(DTU)以及供電設(shè)備(太陽能板、12 V鉛酸蓄電池、電壓轉(zhuǎn)換器和太陽能控制器)等5大模塊設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。次聲傳感器采用中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研制的新型傳感器(IDS2016)，頻響范圍為2 Hz～200 Hz，靈敏度為50 mV/Pa；DTU內(nèi)部配置了100 kB的大容量緩存機(jī)制，防止因無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)擁塞而發(fā)生丟失；GPS芯片采用SIRF三代芯片，對(duì)時(shí)鐘芯片進(jìn)行校準(zhǔn)；鉛酸蓄電池、電壓轉(zhuǎn)換器和太陽能控制器通過地埋箱放置于地下，為整套監(jiān)測(cè)設(shè)備提供電源；電壓轉(zhuǎn)換器將一部分輸出電壓轉(zhuǎn)換為5 V，確保信號(hào)采集電路板可正常工作。

泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行高頻采樣，采樣頻率為100 Hz，時(shí)鐘芯片每10 s發(fā)送一次時(shí)間戳信息(時(shí)鐘的當(dāng)前時(shí)間，精確到毫秒級(jí))。GPS授時(shí)模塊每2 h為信號(hào)采集電路板的時(shí)鐘芯片進(jìn)行授時(shí)校準(zhǔn)，使時(shí)鐘時(shí)間始終與衛(wèi)星時(shí)間同步，確保監(jiān)測(cè)設(shè)備具有精準(zhǔn)的時(shí)間信息。信號(hào)采集電路板將采樣數(shù)據(jù)通過RS232串口線傳輸給DTU，DTU通過無線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的服務(wù)器端。此外，系統(tǒng)內(nèi)部還實(shí)現(xiàn)了看門狗復(fù)位和遠(yuǎn)程復(fù)位2種復(fù)位方式，可防止信號(hào)采集電路板因突發(fā)故障而出現(xiàn)錯(cuò)誤采樣?？撮T狗復(fù)位是發(fā)現(xiàn)采樣程序出現(xiàn)死循環(huán)時(shí)而自動(dòng)復(fù)位；系統(tǒng)遠(yuǎn)程復(fù)位是通過服務(wù)器端的泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)遠(yuǎn)程發(fā)送復(fù)位命令來復(fù)位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采樣程序。泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的工作流程

2.2.2 泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)

圖5 泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)工作界面

泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)運(yùn)行在服務(wù)器端，通過虛擬串口(COM端口)實(shí)時(shí)接收與處理遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是專門針對(duì)部署在野外的泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)而設(shè)計(jì)與開發(fā)的(圖5)。系統(tǒng)具有啟動(dòng)與關(guān)閉監(jiān)測(cè)、發(fā)送復(fù)位與停止命令、開始與停止寫卡等功能。啟動(dòng)與關(guān)閉監(jiān)測(cè)功能用于實(shí)現(xiàn)泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)開始接收與停止接收遠(yuǎn)程傳輸過來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；發(fā)送復(fù)位與停止命令功能用于實(shí)現(xiàn)泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)復(fù)位采樣程序和停止采樣；開始與停止寫卡功能用于實(shí)現(xiàn)泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是否將采樣數(shù)據(jù)寫到TF存儲(chǔ)卡上。該系統(tǒng)的功能模塊主要是基于1個(gè)高容量隊(duì)列與5個(gè)線程并發(fā)處理的方式來實(shí)現(xiàn)，可防止服務(wù)器因數(shù)據(jù)處理不及時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)擁塞而出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與當(dāng)前狀態(tài)信息的顯示與入庫等功能。

高容量隊(duì)列作為一個(gè)數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)，可暫存?zhèn)鬏斶^來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。高容量隊(duì)列和多線程的工作方式如圖6所示，線程1實(shí)時(shí)接收的原始采樣數(shù)據(jù)送入該隊(duì)列；線程2從隊(duì)列頭部實(shí)時(shí)取出原始采樣數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解析(GPS授時(shí)標(biāo)識(shí)、時(shí)鐘時(shí)間標(biāo)識(shí)、看門狗復(fù)位標(biāo)識(shí)、系統(tǒng)遠(yuǎn)程復(fù)位標(biāo)識(shí))、拼接與整合(拼接十六進(jìn)制的高8位與低8位，并轉(zhuǎn)成十進(jìn)制)，以及數(shù)據(jù)分類存入數(shù)據(jù)庫(解析到時(shí)鐘時(shí)間標(biāo)識(shí)時(shí)，采樣數(shù)據(jù)與時(shí)間信息存庫；解析到復(fù)位標(biāo)識(shí)時(shí)，復(fù)位信息存庫)；線程3完成GPS芯片授時(shí)時(shí)間、電路板時(shí)鐘時(shí)間以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示等；線程4完成復(fù)位時(shí)間和復(fù)位類型(看門狗復(fù)位、遠(yuǎn)程系統(tǒng)復(fù)位)的顯示；線程5每隔2 min檢查一次數(shù)據(jù)庫是否有新數(shù)據(jù)存入，若沒有新數(shù)據(jù)存入，則自動(dòng)發(fā)送郵件與信息通知相關(guān)技術(shù)人員。

圖6 泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)工作流程

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表的內(nèi)容

IDGPS授時(shí)時(shí)間服務(wù)器時(shí)間時(shí)鐘時(shí)間采樣數(shù)據(jù)采樣個(gè)數(shù)12014-08-0420:00:062014-08-0420:00:01-329;-249;…100022014-08-0420:00:012014-08-0420:00:172014-08-0420:00:11-426;-646;…100032014-08-0420:00:262014-08-0420:00:21202;-69;…100042014-08-0420:00:362014-08-0420:00:31673;793;…1000??????

泥石流次聲信號(hào)處理子系統(tǒng)解析到時(shí)間戳標(biāo)識(shí)時(shí)便實(shí)施一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)入庫。數(shù)據(jù)庫中每條記錄均包含GPS授時(shí)時(shí)間、服務(wù)器時(shí)間、時(shí)鐘時(shí)間、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(1000個(gè)采樣數(shù)據(jù))等字段信息，每條記錄之間相隔10 s。其中，采樣數(shù)據(jù)字段使用Clob類型，其余字段均使用Varchar2類型。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表的詳細(xì)信息見表2。

2.2.3 泥石流次聲信號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)

鑒于Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，且提供了很多現(xiàn)成的數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)供直接調(diào)用，因此，本文采用Matlab對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理與特征分析。然而，Matlab無法訪問數(shù)據(jù)庫，而C#可與數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)合。為此，基于上述提出的泥石流次聲信號(hào)識(shí)別方法，采取混合編程的思想，利用C#、Matlab、ArcGIS Engine和Oracle數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式開發(fā)了泥石流次聲信號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)(圖7)。該系統(tǒng)利用Matlab實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)的濾波降噪、特征分析與提取以及監(jiān)測(cè)信號(hào)識(shí)別等操作流程，并將其編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(*.dll)文件供C#調(diào)用；C#負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從Oracle數(shù)據(jù)庫中取出并傳遞給Matlab供其處理與分析，Matlab負(fù)責(zé)將分析結(jié)果傳遞給C#供其判斷是否發(fā)出報(bào)警信息。該系統(tǒng)運(yùn)行在客戶端，可實(shí)時(shí)訪問服務(wù)器上Oracle數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，每10 s便可獲取1000個(gè)采樣點(diǎn)。若這些采樣點(diǎn)的平均振幅大于設(shè)置的閾值振幅，系統(tǒng)就會(huì)對(duì)這段信號(hào)進(jìn)行判識(shí)以確定其中是否含有泥石流次聲信號(hào)。若該系統(tǒng)識(shí)別出這段監(jiān)測(cè)信號(hào)中無泥石流次聲信號(hào)，則繼續(xù)獲取下一段信號(hào)進(jìn)行識(shí)別；否則，發(fā)出泥石流警報(bào)并對(duì)泥石流當(dāng)前位置進(jìn)行定位，同時(shí)依舊對(duì)下一段信號(hào)進(jìn)行判識(shí)。該系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，便一直處于全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，無需人工介入，使用極其方便。此外，該系統(tǒng)的運(yùn)算效率很高，每段信號(hào)的判識(shí)過程耗時(shí)極其短暫(約200 ms)，可很好地滿足實(shí)時(shí)性需求。

圖7 基于次聲監(jiān)測(cè)的泥石流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)

3 系統(tǒng)應(yīng)用與分析

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署

圖8 泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備部署位置

云南東川蔣家溝流域頻發(fā)的泥石流事件以及建立的中國科學(xué)院東川泥石流觀測(cè)站，可為泥石流次聲監(jiān)測(cè)預(yù)警的應(yīng)用試驗(yàn)與結(jié)果驗(yàn)證提供非常便捷的條件。為此，將該泥石流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用到蔣家溝進(jìn)行泥石流次聲信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與識(shí)別，以驗(yàn)證該系統(tǒng)在實(shí)際泥石流監(jiān)測(cè)中的有效性。本文根據(jù)蔣家溝的地形條件與無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度，將泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝部署在門前溝與多照溝2條重要支溝交匯處的邊坡上，坐標(biāo)為N26°15′2.00″,E103°9′6.00″，以減少人類活動(dòng)與風(fēng)噪的影響，且能很好地監(jiān)測(cè)到泥石流發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的次聲信號(hào)。泥石流次聲監(jiān)測(cè)設(shè)備的部署位置如圖8所示。

3.2 預(yù)警結(jié)果分析

該系統(tǒng)在蔣家溝流域進(jìn)行了長達(dá)2年(2017—2018年)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在2017年觀測(cè)期間，該預(yù)警系統(tǒng)共判識(shí)出3次泥石流事件，分別是7月3日16:20:21—16:55:01(事件1)、7月7日18:25:21—18:55:31(事件2)以及21:50:51—23:58:31(事件3)。泥石流發(fā)生過后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，事件1和事件2均屬于稀性泥石流，事件3屬于粘性泥石流。同時(shí)，本文通過分析這3個(gè)事件所對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)事件1、事件2的監(jiān)測(cè)信號(hào)的能量下限值在5 Hz以上，峰值頻率在10 Hz以上，最大聲壓值在4 Pa以下，這些特征均符合稀性泥石流次聲信號(hào)的特征；而事件3的監(jiān)測(cè)信號(hào)呈現(xiàn)出了粘性泥石流次聲信號(hào)的相關(guān)特征。圖9是事件3過程中所監(jiān)測(cè)到的一段泥石流次聲信號(hào)。

(a) 原始信號(hào)時(shí)序圖

(b) 原始信號(hào)時(shí)頻圖

(c) 原始信號(hào)頻譜圖

(d) 低通濾波后的信號(hào)頻譜圖圖9 23:20-23:47時(shí)間段的泥石流次聲信號(hào)圖

在2018年觀測(cè)期間，蔣家溝內(nèi)沒有發(fā)生具有規(guī)模性的泥石流事件。該系統(tǒng)在這2年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程中，總共產(chǎn)生了18次誤報(bào)，即將環(huán)境干擾次聲誤判為泥石流次聲信號(hào)，誤報(bào)率很低且無一漏報(bào)?，F(xiàn)場(chǎng)泥石流次聲監(jiān)測(cè)與識(shí)別的應(yīng)用結(jié)果表明，該泥石流次聲實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)具有很高的判識(shí)準(zhǔn)確率與極高的應(yīng)用價(jià)值，可以很好地為泥石流防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)服務(wù)。

4 結(jié)束語

本文采用單片機(jī)與上位機(jī)聯(lián)合處理與分析監(jiān)測(cè)信號(hào)的方式，充分利用了上位機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析處理功能，突破了基于單片機(jī)集成處理的單一模式，很好地滿足了實(shí)時(shí)性需求；基于泥石流次聲信號(hào)和環(huán)境干擾次聲的特征差異這一原理，設(shè)計(jì)與開發(fā)了基于次聲監(jiān)測(cè)的泥石流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)泥石流次聲信號(hào)監(jiān)測(cè)與判識(shí)，很好地滿足了準(zhǔn)確性的要求。通過對(duì)蔣家溝泥石流長期的監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了該實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)的有效性。根據(jù)蔣家溝實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果，得到了如下結(jié)論：

1)該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適用性。只要具備了監(jiān)測(cè)位置附近環(huán)境干擾次聲的相關(guān)特征，設(shè)置合理的界定參數(shù)，就可以利用該系統(tǒng)進(jìn)行泥石流次聲監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

2)該系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確率較高。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了較好的監(jiān)測(cè)與預(yù)警性能，預(yù)警結(jié)果可以很好地為泥石流防災(zāi)減災(zāi)工作服務(wù)。

3)該系統(tǒng)的運(yùn)算效率較高。在泥石流次聲監(jiān)測(cè)設(shè)備接收到泥石流次聲信號(hào)之后的10 s～40 s內(nèi)便可作出識(shí)別，系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)。