徐根祺，曹 寧，任小文，孫 敏，鄭黎明，毛曼琳

（1.西安交通工程學(xué)院電氣工程學(xué)院，西安710300；2.西安交通工程學(xué)院土木工程學(xué)院，西安710300）

1 引言

西方國家從19世紀(jì)就已經(jīng)開展了對泥石流的系統(tǒng)研究工作。20世紀(jì)初葉由美國地質(zhì)專家貝克爾撰寫的《半干旱山區(qū)的地質(zhì)作用:泥石流》是人們對泥石流的最初印象[1]。20世紀(jì)中葉日本設(shè)立了防災(zāi)研究所，表明日本也是研究泥石流較早的國家，泥石流形成的條件公式便是由該國學(xué)者提出的[2]。1956年至1974年，前蘇聯(lián)通過對杜魯?shù)潞拥貐^(qū)泥石流的研究，出版了對泥石流的動(dòng)力學(xué)研究具有指導(dǎo)作用的《蘇聯(lián)泥石流及其防治措施》[3]。1983～1984年間，英國劍橋大學(xué)Innes教授、美國地質(zhì)調(diào)查局的Costa博士分別發(fā)表了：《泥石流》和《泥石流普通地貌學(xué)》[4]。1977～1988年，在美國進(jìn)行了第一次全球大范圍內(nèi)精確性的泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)。包括奧地利和瑞士在內(nèi)的西方國家較早使用紅、黃、綠色劃分泥石流危險(xiǎn)區(qū)[5]。本世紀(jì)以來，國內(nèi)外的研究工作更多地開始傾向于理論基礎(chǔ)和動(dòng)力學(xué)方向，同時(shí)開始了對泥石流預(yù)警技術(shù)的探索[6]。

我國對泥石流的研究起步于20世紀(jì)50年代。青藏高原、川滇山區(qū)以及中南和西北等地，被證明是我國泥石流較易發(fā)生的區(qū)域，對這些地區(qū)泥石流的定位觀測和防治工作也相繼展開[7]。1970年以后，泥石流的研究重心轉(zhuǎn)移到以定點(diǎn)觀測及防治工程相結(jié)合的模式[8]。2000以后，世界各國開始重視泥石流危害，大力創(chuàng)新研究方法，打破原有研究模式，提出許多新思路和新方法，使得泥石流研究更加多樣化全面化[9]。為分析實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、探究災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，以準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)展變化趨勢并下達(dá)可靠有效的防治決策，就需要在災(zāi)害常發(fā)地區(qū)收集有效信息。因此，收集災(zāi)害孕育階段的數(shù)據(jù)信息并建立泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)是防災(zāi)減災(zāi)工作任務(wù)的重中之重。

2 系統(tǒng)總體方案

對于當(dāng)前大多數(shù)研究方法而言，無論是泥石流災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)的數(shù)量，還是對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評判所采用的算法，都會(huì)影響最終的預(yù)測準(zhǔn)確性，也給災(zāi)害的及時(shí)預(yù)警和有效防治帶來了很大的困難[10]。

為解決目前研究中泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)量不足且數(shù)據(jù)獲取困難的問題，在此設(shè)計(jì)的用于泥石流災(zāi)害影響因子數(shù)據(jù)采集和災(zāi)害預(yù)警的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，需要收集更為全面的信息，包括：降雨量、土壤含水率、孔隙水壓力、地聲、次聲、斷線和流速；所用到的相應(yīng)傳感器包括：雨量傳感器、土壤含水率傳感器、孔隙水壓力傳感器、地聲傳感器、次聲傳感器、斷線傳感器和流速傳感器。傳感器先將采集到的數(shù)據(jù)以近距離無線通信方式向下一級(jí)傳輸；由現(xiàn)場預(yù)警單元接收傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；之后再經(jīng)遠(yuǎn)距離無線通信方式向遠(yuǎn)程監(jiān)控單元傳輸；最后由遠(yuǎn)程監(jiān)控單元進(jìn)行綜合評判并對災(zāi)害做出預(yù)警提示。

系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)方案由數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)場預(yù)警單元、通信單元、報(bào)警單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控單元和客戶端組成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)綜合運(yùn)用無線射頻、GPRS遠(yuǎn)距離無線傳輸和多傳感器融合等技術(shù)，以數(shù)據(jù)信息傳送無誤為前提，將可能爆發(fā)泥石流的山區(qū)的影響因子信息逐級(jí)傳送，現(xiàn)場預(yù)警單元和遠(yuǎn)程監(jiān)控單元分級(jí)對泥石流災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。

系統(tǒng)采用一體化的形式將所有傳感器各自的無線數(shù)據(jù)采集單元的通信接口集成在一起。由包括射頻單元、電源單元、RS232通信單元、脈沖通信單元、最小系統(tǒng)單元、RS485通信單元和AD通信單元在內(nèi)的多個(gè)模塊共同構(gòu)成無線數(shù)據(jù)采集單元。除了電源單元和最小系統(tǒng)單元外，現(xiàn)場預(yù)警單元的基本構(gòu)成部分還包括GPRS單元、人機(jī)交互單元、無線射頻單元和脈沖通信單元。由于MSP430F149芯片具有超低功耗、低電壓和低成本等優(yōu)點(diǎn)[11]，在設(shè)計(jì)中將其用于無線數(shù)據(jù)采集單元?，F(xiàn)場預(yù)警單元?jiǎng)t采用STM32F103作為微處理器[12]。泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)硬件框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容為泥石流災(zāi)害的各影響因子數(shù)據(jù)信息，包括降雨量、土壤含水率、孔隙水壓力、地聲、次聲、斷線和流速。系統(tǒng)在得電后，即對系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部初始化，之后AS32_TTL_100進(jìn)入到數(shù)據(jù)接收模式。隨后，系統(tǒng)將會(huì)查詢按鍵或觸摸屏有無操作，若有則開始運(yùn)行對應(yīng)的程序，再掃描有無召測指令；若沒有按鍵或觸摸屏操作，則直接查詢有無召測指令，若有則檢驗(yàn)召測任務(wù)類型，若無則依據(jù)已設(shè)置的次序開始各影響因子信息并比較閾值。若數(shù)據(jù)超出設(shè)置值，則AS32_TTL_100進(jìn)入到數(shù)據(jù)發(fā)送模式，同時(shí)下達(dá)報(bào)警命令，配置AS32_TTL_100數(shù)據(jù)包向報(bào)警單元下達(dá)命令和配置GPRS數(shù)據(jù)將收集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控單元；若收到的數(shù)據(jù)未超出設(shè)置值，則配置GPRS數(shù)據(jù)包將收集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控單元。系統(tǒng)完整的數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖

5 實(shí)例研究

將設(shè)計(jì)完成的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于陜西省山陽縣泥石流災(zāi)害多發(fā)區(qū)對泥石流災(zāi)害影響因子進(jìn)行收集，并從所采集的數(shù)據(jù)中選取2000組數(shù)據(jù)。將其中1800組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余200組數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證樣本，利用粒子群優(yōu)化徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]對預(yù)警準(zhǔn)確率進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，雖然預(yù)測出的泥石流發(fā)生概率的部分實(shí)驗(yàn)值與實(shí)際值有所差異，但是二者的預(yù)警等級(jí)幾乎一致。這表明所設(shè)計(jì)的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)對泥石流災(zāi)害影響因子進(jìn)行采集的有效性，在此基礎(chǔ)上，引入適當(dāng)?shù)乃惴ň涂梢詫δ嗍鳛?zāi)害發(fā)生的概率進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而對發(fā)生概率較大的災(zāi)害做出及時(shí)有效的預(yù)警。

表1 測試結(jié)果

6 結(jié)束語

在對泥石流地質(zhì)災(zāi)害研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，從總體方案以及硬件、軟件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行論證，設(shè)計(jì)出一套泥石流災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)集監(jiān)測、采集、分析、評價(jià)等功能為一體，既能夠?qū)δ嗍鳛?zāi)害影響因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，還能對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并根據(jù)分析結(jié)果自行對泥石流災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。實(shí)例表明將本系統(tǒng)用于泥石流災(zāi)害預(yù)警是可行的，為現(xiàn)階段的泥石流災(zāi)害研究提供了一種新的手段。