葉子坤

摘 要：為了減少邊坡災(zāi)害的發(fā)生，本研究基于分布式傳感器開發(fā)出一個邊坡災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器節(jié)點具有無線通信和傾斜檢測的功能。每個傳感器節(jié)點可以與其他節(jié)點進(jìn)行通信，并將修正后的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，該基站可在緊急情況下向管理員發(fā)送警報消息。本研究開發(fā)的邊坡災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)已安裝在甘肅某鐵路沿線的一個邊坡上，并進(jìn)行了為期8個月的性能評估試驗。通過現(xiàn)場試驗研究發(fā)現(xiàn)，所開發(fā)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠有效地檢測出邊坡災(zāi)害。但在該系統(tǒng)啟動階段，系統(tǒng)中節(jié)點的幾何布置可能會導(dǎo)致需要較長的時間來建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，如何快速布置邊坡災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器仍須進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測系統(tǒng);分布式傳感器;滑坡;邊坡災(zāi)害;傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：U416.14 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）9-0024-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.004

Research on Slope Disaster Monitoring System Based on Sensor

YE Zikun

（Beijing Xinghuai Construction Engineering Co.， Ltd.， Huairou District， Beijing 101400，China）

Abstract：In order to reduce the occurrence of slope disasters，a slope disaster monitoring system based on distributed sensors is developed in this study.The sensor node has wireless communication and tilt detection functions.Each sensor node can communicate with other nodes and send the corrected data to the base station，which can send alarm messages to the administrator in case of emergency.The developed in this study slope disaster monitoring system has been installed on a slope along a railway in Gansu province，and the performance evaluation test has been carried out for 8 months.The field test shows that the sensor network system can detect slope disaster effectively.However，during the system startup phase，the geometry of the nodes in the system may lead to a longer time to establish a stable network connection.Therefore，the sensor layout in slope disaster monitoring system still needs further research.

Keywords：monitoring system;distributed sensor;landslide;slope disaster;sensor network

0 引言

暴雨和地震等自然災(zāi)害對基礎(chǔ)設(shè)施會造成嚴(yán)重的破壞，如公路和鐵路沿線的邊坡災(zāi)害[1]。已運營幾十年的設(shè)施健康監(jiān)測系統(tǒng)亟須進(jìn)行更新，以適應(yīng)當(dāng)前的自然條件[2]。因此，有必要開發(fā)出一種可應(yīng)用于大規(guī)模人造建筑的監(jiān)測系統(tǒng)，用于檢測建筑結(jié)構(gòu)是否變形，避免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。

公路及鐵路邊坡是交通應(yīng)急救援的重要路線，加強(qiáng)對公路及鐵路邊坡突發(fā)災(zāi)害的監(jiān)控顯得尤為重要[3]。為了維護(hù)安全可靠的道路網(wǎng)絡(luò)，每個結(jié)構(gòu)的健康狀況都必須進(jìn)行監(jiān)測，并且在緊急情況下對特定的斜坡進(jìn)行實時監(jiān)測[4]。這樣可以避免結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重?fù)p壞，縮短高速公路的關(guān)閉時間[5]。但在實際情況中，考慮預(yù)算的原因，只有少數(shù)斜坡才安裝有傳感監(jiān)控設(shè)備，其他斜坡則由技術(shù)人員按計劃進(jìn)行檢查[6]。目前，如何有效地確定斜坡上設(shè)置的傳感器的最佳位置是檢測斜坡變形的另一個難題。這就需要開發(fā)一種成本相對較低、可應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)的先進(jìn)傳感技術(shù)。

本研究設(shè)計開發(fā)了一個分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可應(yīng)用于高速公路及鐵路沿線的大型邊坡檢測，并可在早期檢測中檢測出因暴雨或地震引起的變形。該監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)組成。其中，傳感器節(jié)點包括一個采用間歇模式的無線通信設(shè)備（可顯著有效降低能耗）和一個加速度傳感器（用作傾角計，采用MEMS技術(shù)）。具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能的低成本傳感器節(jié)點可以輕松且密集地設(shè)置在斜坡上。密集分布的傳感器模塊在提高邊坡災(zāi)害檢測的準(zhǔn)確性的同時，也降低了監(jiān)測的總成本。傳感器節(jié)點通過無線通信相互連接，并自動組織通信網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站。如果發(fā)現(xiàn)任何邊坡區(qū)域變形，基站將向總部發(fā)送警告信號，并通知管理員。本研究所開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由14個節(jié)點組成，并在甘肅省某鐵路的斜坡上運行了8個月，驗證了該系統(tǒng)的有效性。

1 邊坡災(zāi)害檢測系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)通信距離的遠(yuǎn)近，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為幾個類別，如WAN（廣域網(wǎng)）、MAN（城域網(wǎng)）、LAN（本地網(wǎng)）和PAN（個人網(wǎng)）等。本研究使用的是PAN無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點可相互通信，與接入點沒有任何關(guān)系。即使某些傳感器節(jié)點無法正常運行，其余節(jié)點仍可通過自動改變通信路徑來實現(xiàn)相互通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，在斜坡上須建立一些新的傳感器節(jié)點，這些傳感器節(jié)點可自動連接到網(wǎng)絡(luò)，并建立新的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

圖1為本研究開發(fā)的邊坡災(zāi)害檢測系統(tǒng)。每個傳感器節(jié)點可與另一個傳感器節(jié)點進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。管理辦公室對邊坡數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，如果斜坡發(fā)生變形，警報信號和詳細(xì)數(shù)據(jù)將通過基站傳輸?shù)焦芾磙k公室。

本研究開發(fā)的邊坡災(zāi)害檢測傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要保證在緊急情況下盡可能快地向道路管理員發(fā)送警報信息，并盡可能精確地檢測出邊坡變形。道路管理員通過警報信息來決定后續(xù)采取的行動，以防止造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此，本系統(tǒng)對變形數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的頻率為1 min/次。暴雨導(dǎo)致地表破壞從而造成邊坡破壞，是在降雨開始后的幾個小時內(nèi)，坡度發(fā)生厘米級到米級的變形而產(chǎn)生的。為了檢測到這種變形，傳感器需要區(qū)分一到十幾度的角度變化，且啟動系統(tǒng)所需的時間應(yīng)盡可能短。

本研究開發(fā)的傳感器節(jié)點包括一個通信模塊、一個用作傾斜傳感器的加速度傳感器，以及一個連接加速度傳感器和通信模塊的接口板。圖2為本研究開發(fā)的傳感器節(jié)點的示意圖。傳感器節(jié)點具有防塵和防水功能。

本研究所開發(fā)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)在戶外應(yīng)用時，如何降低能耗是一個重要問題。所開發(fā)的傳感器節(jié)點均由兩個C型電池進(jìn)行驅(qū)動，除緊急情況外，均采用間歇運行模式，這樣可以降低所需的能源消耗量，并可進(jìn)行長期監(jiān)測。

2 傳感器節(jié)點的性能評估

為了對本研究所開發(fā)傳感器節(jié)點性能有一個綜合評價，需要進(jìn)行試驗評估。對傳感器節(jié)點的無線通信能力進(jìn)行檢查，并分析了傾斜傳感器和加速度傳感器的精度。

2.1 無線通信

2.1.1 通信距離。通過現(xiàn)場測量試驗對通信設(shè)備的性能進(jìn)行評估。分貝值可用作評估無線電場的強(qiáng)度，分貝值通常被稱為RSSI（單位：dBm），RSSI也可表示接收信號的功率。RSSI受地面起伏和障礙物（通常為金屬物體）的影響。本研究的初步試驗表明，只有分貝值超過-85 dBm才能建立穩(wěn)定的無線通信。因此，-85 dBm被稱為評估通信質(zhì)量的閾值。

2.1.2 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點以16 m的間隔安裝在斜坡上。每隔10 s要確認(rèn)傳感器節(jié)點之間的通信環(huán)境。盡管這些傳感器節(jié)點之間的通信距離僅為16 m，但部分傳感器之間的分貝值卻低于閾值，這是因為該研究中選定的邊坡可能存在擋土墻等障礙物。分貝值可能會受到通信距離、障礙物和天氣條件的影響。因此，為了構(gòu)建一個穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，必須要確保每個傳感器節(jié)點中有兩個或多個通信路由方式。

2.2 MEMS傳感器的精度

本研究使用加速度傳感器作為傾角計，并安裝一個低通濾波器來抑制高頻噪聲。

2.2.1 線性度。將研制的傳感器節(jié)點安裝在角度測量裝置上，測量加速度傳感器與實際角度的輸出電壓。圖3顯示了傾角和傳感器輸出電壓之間的關(guān)系（試驗是在29 °C的恒溫環(huán)境下進(jìn)行）。當(dāng)使用重力加速度檢測角度時，角度和輸出值之間的關(guān)系呈正弦曲線。然而，研究表明，角度在30°以下時，角度和輸出值之間的關(guān)系可以用一條直線來近似表示。這意味著，通過使用圖3中的回歸線，可以準(zhǔn)確地檢測出高達(dá)30°的角度變化。

2.2.2 敏感性。本研究使用截止頻率為1 Hz的二階低通濾波器來抑制高頻噪聲。圖4顯示了實際傾角值達(dá)到15°、20°、30°和60°所需時間。測量間隔時間約為1.5 s/次。圖4表明，輸出值需要5～7 s才能達(dá)到實際值。然而，由于使用了手動角度測量裝置，實際值需要3～5 s才能達(dá)到規(guī)定的角度。因此，輸出值大約在2 s內(nèi)達(dá)到實際值。需要將測量持續(xù)時間至少設(shè)置為2 s。

3 邊坡災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗地點的鐵路邊坡段水平長度為100 m，邊坡高度為40 m。該通信系統(tǒng)由自組織和多跳網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，包括中繼節(jié)點在內(nèi)的傳感器節(jié)點，通過其自組織和多跳功能進(jìn)行相互通信。中繼節(jié)點和傳感器節(jié)點具有完全相同的無線通信功能，二者的區(qū)別在于中繼節(jié)點不包括加速度計。

兩個位置相鄰的傳感器節(jié)點之間的距離小于20 m。基站包括從傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的接收器和可與管理辦公室通信的無線WAN。來自每個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采樣率可通過遠(yuǎn)程操作進(jìn)行調(diào)整。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)木嬷担究梢韵蛑付ǖ碾娔X和手機(jī)發(fā)送警報消息。

每個傳感器節(jié)點在站點上建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)所需的時間如圖5所示。圖5中的黑點顯示了基站和每個節(jié)點之間的通信記錄。來自傳感器節(jié)點13的通信在10月7日14：14被確認(rèn)為第一次通信。對圖5進(jìn)行分析可以看出，節(jié)點1、7、8、9、10和11的通信會發(fā)生間歇性中斷。最后，在第二天12：00左右，確認(rèn)所有傳感器節(jié)點的通信。這一試驗結(jié)果表明，所有傳感器節(jié)點確認(rèn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)需要的時間大約為24 h。每個傳感器節(jié)點應(yīng)通過作為中繼節(jié)點的兩個或多個傳感器或中繼節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個傳感器節(jié)點搜索通信成本最合理的傳感器和中繼節(jié)點，從而建立起網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)現(xiàn)場的位置和天氣條件，無線通信環(huán)境偶爾會發(fā)生變化。與有線通信相比，這是無線通信系統(tǒng)的缺點。為了解決這個問題，建立起一個穩(wěn)定的通信環(huán)境，在該試驗早期階段，對傳感器節(jié)點的軟件程序進(jìn)行如下改進(jìn)。當(dāng)無線通信因某些通信故障而中斷時，執(zhí)行軟件上的重置功能。因此，一旦整個網(wǎng)絡(luò)建立，網(wǎng)絡(luò)在4個月內(nèi)不會中斷。圖6展示了傳感器節(jié)點1對電池供電電壓的時間變化歷程。在每個電池維護(hù)期內(nèi)，雖然建立通信網(wǎng)絡(luò)需要很長時間（需要將近24 h），但該系統(tǒng)可在4個月內(nèi)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。

傳輸時間和接收時間存在的時間延遲是通過定期發(fā)送警報電子郵件來衡量的。圖7顯示了從基站接收警報電子郵件所需的時間?？梢钥闯?，在所有電子郵件中，有51%的電子郵件在2 min內(nèi)收到，71%的電子郵件在3 min內(nèi)收到。然而，也有一些電子郵件是在7 min后收到。為了盡量減少斜坡災(zāi)害造成的損失，應(yīng)確保盡快收到警報電子郵件。盡管無線廣域網(wǎng)是一種合理的通信設(shè)備，但鐵路管理人員可能需要通過高速光纖網(wǎng)絡(luò)來確保緊急情況下的安全警報。

4 結(jié)語

本研究在由通信設(shè)備和加速度計組成的分布式傳感器節(jié)點的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種邊坡災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過8個月的現(xiàn)場測試，評估了該系統(tǒng)的有效性。開發(fā)的傳感器節(jié)點具有能夠精確地檢測出斜坡的小變形。系統(tǒng)生成的警報信息從基站到達(dá)管理辦公室大約需要2 min。同時，通過使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，從而減少障礙物對通信造成的影響。建立穩(wěn)定的網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)需要相對較長的時間，這仍需進(jìn)一步研究每個傳感器節(jié)點的有效幾何對準(zhǔn)，從而縮短啟動系統(tǒng)所需的時間。另外，可結(jié)合太陽能電池板增加電池使用壽命，實現(xiàn)更穩(wěn)定的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信以及提高傾斜檢測精度。

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