張同偉 李凌瑛

基于北斗系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

張同偉 李凌瑛

（云南電網(wǎng)公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400）

為降低地質(zhì)災(zāi)害對供電線路的影響，需要對山體滑坡進(jìn)行連續(xù)觀測，獲取地質(zhì)情況變動(dòng)的動(dòng)態(tài)信息。傳統(tǒng)監(jiān)測方法在耗費(fèi)大量人力和物力的同時(shí)難以保證可靠性。為實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測地質(zhì)變動(dòng)情況，本文提出了一種基于北斗高精度定位系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法。通過北斗高精定位技術(shù)和無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)情況的在線監(jiān)測，支撐電力設(shè)備運(yùn)維人員及時(shí)準(zhǔn)確實(shí)施災(zāi)害預(yù)防及救援措施，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)提供了借鑒。

北斗系統(tǒng)；地質(zhì)災(zāi)害；在線監(jiān)測；山體滑坡

0 引言

迪慶州位于云南西北部的滇、藏、川三省區(qū)的交界地帶，總面積達(dá)23 870km2。迪慶州是一個(gè)地域面積遼闊，且山體滑坡、覆冰、泥石流等自然災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)。

2017年6月29日，迪慶州德欽縣升平鎮(zhèn)發(fā)生泥石流災(zāi)害，淤泥達(dá)200m3。2018年8月2日，迪慶州境內(nèi)國道G215線香格里拉尼西—維西塔城段，吉仁河橋頭香格里拉岸附近發(fā)生山體滑坡災(zāi)害，滑坡土方量約6km3，路面阻斷長度達(dá)60m。坐落在這些地區(qū)的電網(wǎng)設(shè)備經(jīng)常遭受地形沉降災(zāi)害，導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備嚴(yán)重受損。

目前，迪慶供電局輸電線路長達(dá)2 160km，其中241.26km處于覆冰區(qū)，140km處于重覆冰段。為提高迪慶電網(wǎng)泥石流、山體滑坡災(zāi)害的防治能力，減少災(zāi)害導(dǎo)致的人員傷亡和電網(wǎng)資產(chǎn)損失，急需科學(xué)有效的預(yù)防機(jī)制。在災(zāi)害發(fā)生前，及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)施預(yù)防及救援措施，使災(zāi)害造成的電網(wǎng)損失降到最低，對確保電網(wǎng)安全運(yùn)行有著重大的意義。

文獻(xiàn)[1]結(jié)合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)對泥石流監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的預(yù)警模塊的災(zāi)害評估。文獻(xiàn)[2]對地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的收集與分析系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了采集終端、數(shù)據(jù)傳輸與處理分析系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了搭載高精度北斗接收機(jī)的邊坡監(jiān)視系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]提出了邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)自適應(yīng)的多代理分層嵌套實(shí)現(xiàn)方法，提高了在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的可靠性。文獻(xiàn)[5]以漢十高速某填方高邊坡為例，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析監(jiān)測點(diǎn)累積位移和位移速率，判斷邊坡的穩(wěn)定性。

山體滑坡監(jiān)測需要一種可以進(jìn)行連續(xù)觀測的手段以獲得地質(zhì)現(xiàn)象及環(huán)境的動(dòng)態(tài)信息。若采用傳統(tǒng)人員巡視的方法監(jiān)測，則將耗費(fèi)大量人力物力，而且實(shí)施可靠程度難以保證。

隨著可視化技術(shù)的發(fā)展，視頻或者圖像獲取其形態(tài)、紋理等影響特征，能宏觀、真實(shí)地顯示地貌特征，而圖像識(shí)別法受地表覆蓋物影響較大，圖像識(shí)別的方法難以準(zhǔn)確監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害初期的地表形變量變化[6]。

針對這一情況，基于我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合自主研發(fā)的高精度北斗監(jiān)測設(shè)備，開發(fā)出一套低成本、高精度的地面位移、沉落和偏移實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)?；诂F(xiàn)代傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測，支撐供電公司設(shè)備運(yùn)維人員及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)施災(zāi)害預(yù)防及救援措施，提高電網(wǎng)災(zāi)害防治能力，減少災(zāi)害導(dǎo)致的人員傷亡和電網(wǎng)資產(chǎn)損失，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行。

本文以迪慶州基于北斗系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)為著手點(diǎn)，分析了系統(tǒng)目標(biāo)、建設(shè)方案、技術(shù)路線、部署方式和運(yùn)行情況，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)施提供了借鑒。

1 北斗高精度定位技術(shù)

通過北斗系統(tǒng)可以提升輸電系統(tǒng)在線監(jiān)測水平。文獻(xiàn)[7]利用北斗系統(tǒng)對時(shí)功能來改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)對時(shí)功能。文獻(xiàn)[8]基于北斗系統(tǒng)對時(shí)功能設(shè)計(jì)了特高壓直流電流互感器現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，為輸電系統(tǒng)的控制、保護(hù)和測量提供保障。文獻(xiàn)[9]對北斗定位系統(tǒng)在輸電線路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用展開研究，對北斗定位系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行了梳理與分析。文獻(xiàn)[10]對北斗定位性能進(jìn)行分析評估，表明其定位性能能夠滿足地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警需求。文獻(xiàn)[11]提出了利用北斗定位系統(tǒng)進(jìn)行毫米級定位的方法，表明北斗系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水平1mm、高程2mm以內(nèi)的定位精度。

北斗高精度毫米級后處理平臺(tái)主要涉及數(shù)據(jù)源包括基站觀測數(shù)據(jù)、監(jiān)測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)以及星歷、精密星歷。基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性以及資源專有性的考慮，單獨(dú)搭建專有服務(wù)系統(tǒng)，將參與解算的參考站觀測數(shù)據(jù)以及星歷和精密星歷數(shù)據(jù)解算引擎部署到局內(nèi)機(jī)房，包括解算任務(wù)的調(diào)度、解算引擎、監(jiān)控、管理等都在客戶的專有服務(wù)系統(tǒng)上完成。

北斗高精度毫米級后處理依托云南地區(qū)國家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的北斗衛(wèi)星定位地基增強(qiáng)站，通過云端一體化監(jiān)測終端及后處理的高精定位差分算法，以開放應(yīng)用程序編程接口（open application programming interface, Open API）方式提供毫米級位置計(jì)算服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測。基于北斗高精度的防災(zāi)減災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對滑坡、沉降、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測，自動(dòng)、連續(xù)地監(jiān)測因地表沉降、地質(zhì)災(zāi)害、洪水等引起的電網(wǎng)鐵塔位移和傾斜變化。

北斗高精定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)定位點(diǎn)高精度二維傾角信息的數(shù)據(jù)采集。通過對定位點(diǎn)傾角信息進(jìn)行連續(xù)觀測，可以對定位點(diǎn)的滑坡、沉降狀況進(jìn)行判斷。

2 系統(tǒng)建設(shè)

2.1 建設(shè)目標(biāo)

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)如下：

1）構(gòu)建基于北斗系統(tǒng)的防災(zāi)減災(zāi)平臺(tái)。以輕量可視化的地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的集災(zāi)害數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理及預(yù)警、數(shù)據(jù)展現(xiàn)于一體的防災(zāi)減災(zāi)平臺(tái)。

2）實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在迪慶供電局范圍內(nèi)選取重點(diǎn)管控的變電站、線路、桿塔，分別完成監(jiān)測點(diǎn)的安裝部署，實(shí)現(xiàn)地表位移、傾斜、深部位移、水雨震情、視頻圖像等信息的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及預(yù)警；提供防災(zāi)減災(zāi)的輔助決策。基于災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)、電網(wǎng)基礎(chǔ)信息、位置信息等，開展地質(zhì)災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)測等應(yīng)用，提供災(zāi)害的關(guān)聯(lián)分析報(bào)告，支撐迪慶供電局防災(zāi)減災(zāi)的輔助決策。

2.2 功能劃分

1）地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。通過安裝的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測終端進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)周邊的位移、沉降、水雨情、視頻圖像等信息實(shí)時(shí)監(jiān)測、采集與傳輸，及時(shí)獲取地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理，支撐分析應(yīng)用。

2）地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。在GIS地圖上展現(xiàn)迪慶供電局范圍內(nèi)安裝的災(zāi)害監(jiān)測終端位置，實(shí)時(shí)展示地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)，對超過位移、沉降閾值的終端及監(jiān)測終端周邊受影響的變電站、線路、桿塔進(jìn)行分析預(yù)警。

3）地質(zhì)災(zāi)害歷史回溯。選擇時(shí)間范圍，依次查看地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測對應(yīng)的災(zāi)害影響變電站、線路、桿塔信息，展現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的變化趨勢。

4）地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測。通過歷史地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析挖掘，找出監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，進(jìn)行災(zāi)害的預(yù)測分析，提供防災(zāi)減災(zāi)決策依據(jù)。

5）地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)分析。按年、月、日統(tǒng)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)周邊受影響的桿塔和線路信息，支持統(tǒng)計(jì)報(bào)表的查詢和導(dǎo)出應(yīng)用。

2.3 技術(shù)路線

基于北斗系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層及展現(xiàn)應(yīng)用層組成，如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

圖1中，數(shù)據(jù)層從資產(chǎn)、GIS、監(jiān)測終端等獲取數(shù)據(jù)，包括變電站、線路、桿塔臺(tái)賬數(shù)據(jù)以及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

服務(wù)層由數(shù)據(jù)服務(wù)、圖形引擎、報(bào)表服務(wù)、計(jì)算服務(wù)等構(gòu)成。

展現(xiàn)層包括實(shí)時(shí)預(yù)警、災(zāi)害回溯、災(zāi)害預(yù)測和綜合分析。

基于北斗系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、展現(xiàn)層4層構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3 部署與運(yùn)行情況

3.1 系統(tǒng)部署

根據(jù)迪慶供電局電網(wǎng)設(shè)備分布，針對滑坡高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，部署監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害的實(shí)時(shí)預(yù)警和分析，支撐供電局運(yùn)維人員開展電網(wǎng)設(shè)備的防災(zāi)減災(zāi)工作，使災(zāi)害造成的電網(wǎng)損失降到最低，以確保電網(wǎng)安全運(yùn)行。

基于北斗系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括外網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)隔離區(qū)（demilitarized zone, DMZ）以及內(nèi)網(wǎng)安全Ⅲ區(qū)。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)部署示意圖如圖3所示。

硬件平臺(tái)資源需求：

1）應(yīng)用服務(wù)器。128G內(nèi)存及以上，1T存儲(chǔ)及以上，統(tǒng)一應(yīng)用云南電網(wǎng)公司云電智云平臺(tái)軟硬件資源，統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，統(tǒng)一應(yīng)用構(gòu)建。

圖3 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)部署示意圖

2）GIS服務(wù)器。128G內(nèi)存及以上，2T存儲(chǔ)及以上。

3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。128G內(nèi)存及以上，2T存儲(chǔ)及以上。

4）地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測終端。具備位移、沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 監(jiān)測點(diǎn)選點(diǎn)安裝

對臨近公路的四處輸電線路易發(fā)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)段進(jìn)行了監(jiān)測設(shè)備的安裝施工，共安裝監(jiān)測設(shè)備4套，監(jiān)測易發(fā)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)段4處。各監(jiān)測點(diǎn)情況如下：

1）S237省道146km處監(jiān)測點(diǎn)。此處位于瀾滄江左岸，受瀾滄江水流侵蝕，岸邊區(qū)域出現(xiàn)大規(guī)模地基下沉現(xiàn)象，公路路面塌陷嚴(yán)重，嚴(yán)重影響過往車輛安全，給周邊輸電線路造成重大安全隱患。

2）G353寧福線3 790km+500km處監(jiān)測點(diǎn)。此處位于瀾滄江右岸，上邊坡山體經(jīng)常性發(fā)生泥石流災(zāi)害，嚴(yán)重影響道路交通安全，也為輸電線路安全運(yùn)行帶來了不穩(wěn)定因素。

3）214國道2 036km處。此處緊鄰懸崖，下邊坡由于地質(zhì)不穩(wěn)定等因素，經(jīng)常發(fā)生滑坡塌方現(xiàn)象，現(xiàn)場路面還出現(xiàn)大面積下沉。

4）214國道2 193km處。此處緊鄰山坡谷口，夏季受雨水沖刷，易出現(xiàn)滾石和泥石流現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能造成交通受阻、電力線路運(yùn)行中斷等。

3.3 典型監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

自2019年12月1日起，陸續(xù)安裝各隱患點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備，各監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)。平臺(tái)對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害，致使監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)傾斜、沉降、滑坡等現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警并記錄。

監(jiān)測點(diǎn)的安裝方式如圖4所示。整體結(jié)構(gòu)由鋼制構(gòu)架固定于邊坡平臺(tái)處。北斗天線位于鋼制構(gòu)架頂端，其通過與北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星數(shù)據(jù)交互來實(shí)現(xiàn)定位功能。鋼制構(gòu)架兩側(cè)安裝太陽能電池板，為監(jiān)測終端提供能源供應(yīng)?？刂葡鋬?nèi)配備有儲(chǔ)能電池和無線通信模塊。儲(chǔ)能與太陽能電池板的間歇式出力配合，為監(jiān)測終端提供持續(xù)能源供應(yīng)。無線通信模塊將監(jiān)測終端得到的數(shù)據(jù)上傳至北斗監(jiān)測平臺(tái)。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)的安裝方式

圖5為監(jiān)測點(diǎn)地理信息顯示界面。系統(tǒng)將監(jiān)測點(diǎn)地理信息映射到地圖中，方便運(yùn)維人員掌控監(jiān)測點(diǎn)地理位置信息。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)地理信息顯示界面

圖6所示為237國道146km處監(jiān)測點(diǎn)2019年12月的氣象數(shù)據(jù)。目前監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)速和降雨量信息。在查詢周期內(nèi)，風(fēng)速不超過4m/s，未出現(xiàn)降雨，故雨量趨勢曲線圖無任何信息。氣象監(jiān)測信息為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供了輔助判據(jù)。

圖6 237國道146km處監(jiān)測點(diǎn)2019年12月氣象數(shù)據(jù)

圖7所示為237國道146km處監(jiān)測點(diǎn)2019年12月的測量數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)為兩個(gè)相互垂直方向的傾斜率信息。受晝夜溫差影響，監(jiān)測元件測量存在溫度漂移，傾斜率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)周期性變化，尤其在線路垂向方向上變化尤為顯著。對4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，傾斜率變化數(shù)據(jù)不超過3‰。數(shù)據(jù)波動(dòng)變化幅值較小，速率較慢，不影響地質(zhì)災(zāi)害情況的準(zhǔn)確判別。

圖7 237國道146km處監(jiān)測點(diǎn)2019年12月測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過在地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地帶安裝具有北斗高精定位功能的監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測點(diǎn)的傾斜量測量，為地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警提供了有效技術(shù)手段。

通過構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，可以對分散監(jiān)測點(diǎn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，集中監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測點(diǎn)地理信息、歷史數(shù)據(jù)的綜合展示，為地質(zhì)災(zāi)害的綜合分析和判斷提供了有效手段。

迪慶州的地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)建設(shè)為輸電線路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的山體位移信息，提高了設(shè)備運(yùn)維的自動(dòng)化水平。在降低運(yùn)維人員工作強(qiáng)度的同時(shí)，提高了監(jiān)測的連續(xù)性與準(zhǔn)確性，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Construction of geological disaster monitoring system based on Beidou system

ZHANG Tongwei LI Lingying

(Diqing Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Corporation, Diqing, Yunnan 674400)

In order to reduce the influence of geological disasters on power supply lines, it is necessary to continuously observe the landslides and obtain the dynamic information of geological changes. Traditional monitoring method consumes a lot of manpower and material resources, but it is difficult to ensure the reliability. In order to realize on-line monitoring of geological changes, a geological disaster monitoring method based on high-precision Beidou Positioning System is proposed. Through the Beidou high-precision positioning technology and wireless communication technology, the online monitoring of the geological conditions is realized. It will support the operation and maintenance personnel of power equipment implement disaster prevention and rescue measures timely and accurately. It provides a reference for the construction of geological disaster early warning system.

Beidou system; geological disaster; online monitoring; landslide

2020-06-04

2020-07-03

張同偉（1983—），男，云南省迪慶州人，本科，助理工程師，主要從事電網(wǎng)自動(dòng)化、調(diào)度自動(dòng)化專業(yè)管理工作。