朱允偉，曹 巍，安平利，劉宏運(yùn)

（北京榮創(chuàng)巖土工程股份有限公司，北京 100000）

地質(zhì)災(zāi)害的形成主要受到人為因素和自然因素影響，由于人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞，改變了原有的地形、地貌以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)，打破了原有的地質(zhì)平衡從而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。此外地質(zhì)災(zāi)害還會(huì)收到降雨、刮風(fēng)等自然條件影響，具有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，絕大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與自然降雨有關(guān)，地質(zhì)災(zāi)害常發(fā)生于坡度較大、土質(zhì)較松軟的區(qū)域，自然降雨對(duì)地質(zhì)表面造成一定的沖刷力，在強(qiáng)降雨的沖刷下地勢(shì)較高的巖體和土壤向下運(yùn)動(dòng)，形成泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[1]。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較多的地區(qū)為礦山，一旦地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生沒(méi)有及時(shí)得到及時(shí)預(yù)測(cè)和控制，將會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡，因此對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警是非常有必要的。目前對(duì)于礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警所采取的手段和技術(shù)為監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)出符合礦山實(shí)際情況的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)未來(lái)礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是目前現(xiàn)有的系統(tǒng)在硬件方面和軟件方面設(shè)計(jì)不夠合理，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)警延遲，不能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警出礦山地質(zhì)災(zāi)害，為此提出基于LoRa技術(shù)的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。融合LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套新的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，為礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供有利的參考依據(jù)。

1 基于LoRa技術(shù)的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此次在原有系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上增加了預(yù)警器，根據(jù)基于LoRa技術(shù)的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，對(duì)預(yù)警器進(jìn)行了選型及設(shè)計(jì)，其具體設(shè)計(jì)如下。預(yù)警器的作用是當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到礦山可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起到礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提示作用，根據(jù)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警需求，此次選用上海KIJ公司生產(chǎn)的DSD66141WRA型號(hào)預(yù)警器，該預(yù)警器有紅黑、黃白、藍(lán)白三種接線，其中紅黑接線表示電源信號(hào)，黃白接線表示常開(kāi)信號(hào)，藍(lán)白接線表示常閉信號(hào)。

該預(yù)警器的工作溫度最高可以承受80℃，最低可以承受零下35℃，可以滿(mǎn)足礦山惡劣的氣候環(huán)境[2]。并且該預(yù)警器內(nèi)含266SDRFESD語(yǔ)音提示芯片，該芯片采用2.2V供電，可以利用內(nèi)置廣播實(shí)現(xiàn)多次數(shù)地質(zhì)災(zāi)害警示語(yǔ)音播放、點(diǎn)動(dòng)播放以及循環(huán)預(yù)警語(yǔ)音播放。當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到礦山可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，DSD66141WRA預(yù)警器將以最大音量進(jìn)行語(yǔ)音提示,提示內(nèi)容可以自定義設(shè)置，也可以采用設(shè)備內(nèi)存的語(yǔ)音提示。

根據(jù)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到的地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)大小發(fā)出不同的警示光，當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到礦山中可能發(fā)生大型地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，DSD66141WRA預(yù)警器將會(huì)發(fā)出紅色警示光；當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到礦山中可能發(fā)生中型地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，DSD66141WRA預(yù)警器將會(huì)發(fā)出黃色警示光；當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到礦山可能發(fā)生小型地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，DSD66141WRA預(yù)警器將會(huì)發(fā)出藍(lán)色警示光，根據(jù)發(fā)出不同的光提示礦山周?chē)用褚约暗V山工作人員地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)以及嚴(yán)重程度。結(jié)合此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際需求，設(shè)置DSD66141WRA預(yù)警器電阻值為84KΩ，采樣頻率為3.16KHz，語(yǔ)音播放時(shí)間為20s，將其安裝在礦山四周高欄處，容易被人觀看到的區(qū)域。

2 基于LoRa技術(shù)的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此次系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊式設(shè)計(jì)方式，根據(jù)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警需求，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)模塊、預(yù)警模塊、LoRa無(wú)線通訊模塊三大功能模塊，其具體設(shè)計(jì)如下。

在監(jiān)測(cè)模塊中設(shè)定了多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為一個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)自身定時(shí)接收到來(lái)自系統(tǒng)上位機(jī)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集命令，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的所有地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其中包括礦山水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、礦山巖土地質(zhì)數(shù)據(jù)以及礦山降雨數(shù)據(jù)信息等。各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)均為模擬量信號(hào)，每一個(gè)模擬量信號(hào)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換函數(shù)，利用對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)將采集到的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，并通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)AD數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行控制，自動(dòng)將AD數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。每一種地質(zhì)災(zāi)害在發(fā)生前都有一個(gè)變形的過(guò)程，其中最明顯的變形為礦山地質(zhì)變形，即礦山地質(zhì)發(fā)生位移、傾斜角度變化等[3]。預(yù)測(cè)模塊通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)采集到的地質(zhì)數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率，將數(shù)據(jù)庫(kù)中礦山地質(zhì)原始數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)礦山地質(zhì)變形進(jìn)行量化計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

公式（1）中，R表示礦山地質(zhì)變形量化值；k表示量化系數(shù)；e表示礦山原本地質(zhì)坐標(biāo)；e1表示目前礦山地質(zhì)坐標(biāo)；l表示礦山原本地質(zhì)傾斜角度；l1表示目前礦山地質(zhì)傾斜角度；n表示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)階段序號(hào)。利用上述公式對(duì)礦山地質(zhì)變形情況進(jìn)行量化，并在監(jiān)測(cè)模塊中設(shè)定了一個(gè)變形閾值，一旦礦山地質(zhì)變形量化值超出設(shè)定閾值，則表示礦山將會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

監(jiān)測(cè)模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給預(yù)警模塊，由預(yù)警模塊發(fā)出預(yù)警提示，其中包括礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)計(jì)發(fā)生位置、發(fā)生時(shí)間等，預(yù)警模塊接收到系統(tǒng)預(yù)警指令后將自動(dòng)控制預(yù)警裝置發(fā)出警報(bào)，提示周?chē)用窦皶r(shí)撤離。

系統(tǒng)各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以及模塊之間的通信主要依靠LoRa無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊設(shè)計(jì)采用了LoRa技術(shù)，利用LoRa技術(shù)接收到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。由于系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)頻帶寬度較小，這種類(lèi)型的數(shù)據(jù)不利于通信，因此在LoRa無(wú)線通訊模塊中利用LoRa技術(shù)的擴(kuò)頻調(diào)制功能對(duì)節(jié)點(diǎn)頻道進(jìn)行擴(kuò)頻，將發(fā)送信號(hào)調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送給LoRa無(wú)線通訊模塊中的擴(kuò)頻碼發(fā)生器，通過(guò)擴(kuò)頻碼發(fā)生器調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展開(kāi)信號(hào)的頻譜，最后再利用LoRa無(wú)線通訊模塊中的射頻器將信號(hào)發(fā)生出去，以此實(shí)現(xiàn)LoRa無(wú)線通訊模塊的通信功能。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某礦山為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該礦山面積為16943.26m2，礦山最大坡度為65.5°，雨季為每年的七月到九月，該礦山周?chē)用駭?shù)據(jù)較多，并且在雨季期間地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害有泥石流和山體滑坡，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)該礦山進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警。兩個(gè)系統(tǒng)在Windows2008操作系統(tǒng)，16G硬盤(pán)環(huán)境中進(jìn)行，根據(jù)該礦山實(shí)際情況，設(shè)定了150個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，安裝的監(jiān)測(cè)器數(shù)量為5個(gè)，并在礦山的周?chē)膫€(gè)角和中心地區(qū)安裝了預(yù)警器。實(shí)驗(yàn)中將檢測(cè)器的監(jiān)測(cè)周期設(shè)定為15s，監(jiān)測(cè)頻率設(shè)定為2.56Hz，利用兩級(jí)2.5V電池通過(guò)系統(tǒng)電源電路向各個(gè)監(jiān)測(cè)器和報(bào)警器提供供電電壓。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為3個(gè)月，對(duì)三個(gè)月內(nèi)礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，并對(duì)預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)期間礦山共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害8起，利用OJH軟件計(jì)算出兩種系統(tǒng)對(duì)該8次地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警延遲時(shí)間，對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表1 兩個(gè)系統(tǒng)預(yù)警延遲時(shí)間對(duì)比（s）

從上表中可以看出，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)預(yù)警延遲時(shí)間較小，基本可以控制在1s以?xún)?nèi)，能夠?qū)ΦV山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警；而傳統(tǒng)系統(tǒng)預(yù)警延遲時(shí)間較長(zhǎng)，最長(zhǎng)延遲時(shí)間為21.25s。

因此實(shí)驗(yàn)證明了，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)在預(yù)警及時(shí)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，更適用于礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在原有礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入了LoRa技術(shù)，對(duì)原有系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了完善與優(yōu)化，提出一套新的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。此次研究對(duì)提高礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)水平具有重要的意義，同時(shí)對(duì)解決礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警延時(shí)問(wèn)題具有重要作用。