曾兆寧 李彥霄

（成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730）

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害涉及復(fù)雜的地質(zhì)條件、地理環(huán)境、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等因素，具有氣候時(shí)空差異大、隱匿性強(qiáng)、分布廣泛、危害性強(qiáng)、破壞性大等特點(diǎn)。由于自然事件和人類社會(huì)活動(dòng)的協(xié)同影響，尤其是近些年來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和城鎮(zhèn)的迅猛發(fā)展，具有高破壞性的地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，這對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的沖擊和損害，并直接危害到人類賴以生存的自然環(huán)境。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口密度迅速提高，每一次地質(zhì)災(zāi)害的爆發(fā)總會(huì)給受災(zāi)地區(qū)造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，建立一體化的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地區(qū)進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的地表位移監(jiān)測(cè)儀器，如經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、光電測(cè)距儀、全站儀、GPS監(jiān)測(cè)、攝影、紅外遙感和激光掃描[1]等，也逐漸得到了新的應(yīng)用。目前，通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是建立高效的地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。但現(xiàn)階段的邊坡監(jiān)測(cè)手段大部分還是人為監(jiān)測(cè)、觀察預(yù)測(cè)，小部分采用儀器監(jiān)測(cè)。人為監(jiān)測(cè)手段存在著很大的弊端，例如監(jiān)測(cè)誤差大、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少、監(jiān)測(cè)范圍覆蓋面小等問(wèn)題，故監(jiān)測(cè)方式由傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)向智能化監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變迫在眉睫。以各類儀器為主的監(jiān)測(cè)手段雖能很大程度上消除人為監(jiān)測(cè)所帶來(lái)的弊端，并且能基本做到準(zhǔn)確、及時(shí)，但也存在著應(yīng)用范圍不廣、數(shù)據(jù)傳輸速度慢等不足。本文介紹基于5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布置的GNSS設(shè)備和各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器，監(jiān)測(cè)地面三維位移、降雨、地面裂縫等重要指標(biāo)，運(yùn)用5G通信技術(shù)傳輸關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)行顯示。

1 邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1.1 邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀

從應(yīng)急管理部最新公布的全國(guó)滑坡日發(fā)生概率模擬圖來(lái)看，山體滑坡、邊坡失穩(wěn)等自然災(zāi)害在我國(guó)十分常見。邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警最早開始于20世紀(jì)70年代的露天礦山，主要采用人工實(shí)地勘測(cè)，由公共部門根據(jù)降雨標(biāo)準(zhǔn)發(fā)出，該標(biāo)準(zhǔn)假定發(fā)生邊坡災(zāi)害的可能性受降雨強(qiáng)度控制。因此，諸多地方都在實(shí)行基于降雨的預(yù)警，但也存在一個(gè)可能的缺點(diǎn)，降雨標(biāo)準(zhǔn)未考慮到當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、地形和人類活動(dòng)的影響，無(wú)法得到較為精確的數(shù)據(jù)，具有較大的局限性。邊坡災(zāi)害的發(fā)生是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，因此，有必要利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)和多學(xué)科協(xié)作來(lái)輔助研究，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而判斷是否發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

1.2 邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì)，邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了快速發(fā)展，監(jiān)測(cè)技術(shù)已由過(guò)去的人工皮尺監(jiān)測(cè)過(guò)渡到儀器監(jiān)測(cè)，并向自動(dòng)化、高精度的遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)展[2]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，監(jiān)測(cè)的范圍更大，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容由位移監(jiān)測(cè)拓寬到應(yīng)力應(yīng)變、動(dòng)力因素和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)。21世紀(jì)初，世界各國(guó)科研人員競(jìng)相研發(fā)了以光纖監(jiān)測(cè)為代表的邊坡變形監(jiān)測(cè)儀器，邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)又出現(xiàn)了日新月異的進(jìn)步，朝著自動(dòng)化、高精度化等方向發(fā)展[4]。隨著通信技術(shù)、北斗技術(shù)、遙感遙測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展[5]，監(jiān)測(cè)的效率和精度得到了很大的提升。目前，隨著人工智能的飛速發(fā)展，邊坡災(zāi)害預(yù)警技術(shù)定會(huì)向智能化邁進(jìn)。

2 傳統(tǒng)與智能化邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

2.1 傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性

傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)最大的局限在于監(jiān)測(cè)工作是由人工定期或不定期用傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。測(cè)量?jī)x器質(zhì)量大，測(cè)量工作單調(diào)繁冗，人工成本相對(duì)較高，且受天氣、現(xiàn)場(chǎng)條件[3]等諸多因素制約，人為因素影響誤差也較大。由于人工監(jiān)測(cè)不能持續(xù)地對(duì)邊坡進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)預(yù)警，因此時(shí)常發(fā)生預(yù)警滯后而導(dǎo)致的安全事故。傳統(tǒng)技術(shù)需要人工定期到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，工作量大，檢測(cè)的準(zhǔn)確性不夠，且無(wú)法在極端氣候條件下采集數(shù)據(jù)。在暴雨、地震等極端情況下，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)會(huì)嚴(yán)重威脅到監(jiān)測(cè)人員的生命安全。此外，傳感元件，如電阻應(yīng)變計(jì)式、電感式傳感器和鋼弦式傳感器等，普遍存在尺寸較大、抗干擾性及穩(wěn)定性較差和易發(fā)生零點(diǎn)漂移等不足，以至于無(wú)法得到較為精確的數(shù)據(jù)。

目前我國(guó)在邊坡監(jiān)測(cè)方面開始由過(guò)去的簡(jiǎn)易工具、人工為主開始走向監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、精密化，常用的主要監(jiān)測(cè)方式有人為監(jiān)測(cè)、儀器監(jiān)測(cè)等，但此類監(jiān)測(cè)方法存在較多的不足之處：

（1）工作量繁重，依靠人工野外記錄數(shù)據(jù)，存在安全隱患；

（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定滯后，無(wú)法獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

（3）易受外界因素影響，如環(huán)境，氣候等；

（4）監(jiān)測(cè)設(shè)備較為昂貴，容易損壞，設(shè)備供電不足，無(wú)法及時(shí)獲取數(shù)據(jù)；

（5）每個(gè)邊坡的坡度、形狀、土體類型等都是不同的，企圖用一個(gè)臨界值去預(yù)警該范圍內(nèi)的所有滑坡具有偶然性。

2.2 智能化邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

基于互聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，滿足工程動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)與信息化施工的要求，智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)將多個(gè)軟、硬件之間的信息傳輸與交互相結(jié)合，打造一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸為一體的平臺(tái)，避免了信息缺失、數(shù)據(jù)格式不兼容等問(wèn)題。大數(shù)據(jù)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能的加入提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格合理，監(jiān)測(cè)采集裝置便攜易安裝。智能化邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）及時(shí)性：24h無(wú)間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)5G反饋并發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

（2）精準(zhǔn)性：預(yù)警模型的預(yù)警對(duì)象是一個(gè)較大的區(qū)域范圍，靠檢測(cè)儀器精準(zhǔn)收集邊坡的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳到云平臺(tái)能準(zhǔn)確判斷預(yù)警等級(jí)，且對(duì)災(zāi)后分析有一定的幫助；

（3）安全性：利用設(shè)備云監(jiān)測(cè)，保障監(jiān)測(cè)人員人身安全，通過(guò)預(yù)警平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，避免受災(zāi)；

（4）穩(wěn)定性：利用傳統(tǒng)電網(wǎng)以及太陽(yáng)能供電，保證實(shí)時(shí)全自動(dòng)供電。在惡劣天氣，災(zāi)害易發(fā)生區(qū)域，依然能夠保持高效監(jiān)測(cè)的工作狀況，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)與智能化邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比見圖1所示。

圖1 邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比圖

3 智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)端設(shè)備首先通過(guò)智能傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后通過(guò)北斗報(bào)文通信技術(shù)或者4G/5G將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入，隨后在數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)、分析、可視化等處理，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形值、變形速率、變形過(guò)程、形變特征等，獲取到邊坡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)一步對(duì)邊坡穩(wěn)定性做出推斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)警。

3.1 滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本邊坡智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分主要包含：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)[6]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集：采用測(cè)縫儀、GNSS、測(cè)斜儀、鋼筋計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)、結(jié)合雨量計(jì)、降雨量監(jiān)測(cè)器、位移傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，可以對(duì)邊坡裂縫開合度、邊坡水平位移和垂直位移以及降雨量、含水率、巖土沉降等進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。

3.1.3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

通過(guò)光纖傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)；利用數(shù)據(jù)采集層采集到的數(shù)據(jù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)5G、4G與北斗集成設(shè)備，實(shí)現(xiàn)4、5代通信技術(shù)與北斗的雙通道通信。當(dāng)通信中斷時(shí)，可以使用北斗通信，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

3.1.4 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)層云平臺(tái)將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給云服務(wù)中心和云數(shù)據(jù)庫(kù)，用于獲取開發(fā)App的后臺(tái)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對(duì)采集到的信息進(jìn)行管理和分析，生成動(dòng)態(tài)預(yù)警分析數(shù)據(jù)，并可視化顯示預(yù)警結(jié)果，數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警提示信息。

3.1.5 數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)

邊坡穩(wěn)定狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)預(yù)警小程序、及時(shí)廣播、車載廣播、網(wǎng)頁(yè)、app、短信等方式發(fā)布。相關(guān)預(yù)警監(jiān)測(cè)人員可通過(guò)智能手機(jī)登錄網(wǎng)絡(luò)或獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，快速確定邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)一步增強(qiáng)預(yù)警的時(shí)效性。此預(yù)警系統(tǒng)的使用對(duì)保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義，通過(guò)數(shù)據(jù)的不斷收集，建立一套有效的邊坡預(yù)警模型，進(jìn)而訓(xùn)練出一套高準(zhǔn)確性的人工智能算法，從而提高預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)備用于完成數(shù)據(jù)的采集，是確保監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)穩(wěn)定、準(zhǔn)確運(yùn)行的基礎(chǔ)。如圖5所示，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由采集、供電、傳輸?shù)葐卧M成；采集單元?jiǎng)t包括位移計(jì)、測(cè)斜計(jì)、雨量計(jì)、滲壓計(jì)等智能傳感器；供電單元由太陽(yáng)能電池板、電壓轉(zhuǎn)換電路、外部供電線路、儲(chǔ)能電池組成，給整個(gè)設(shè)備供電；傳輸單元由串口電路和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊組成，能有效地將終端與云服務(wù)器相連。

3.3 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)作為地質(zhì)滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，可以完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)、分析、可視化等，由服務(wù)端軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)以及智能監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)三部分組成。管理員可以操作Web端軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化以及對(duì)智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行管理，同時(shí)監(jiān)測(cè)人員可以通過(guò)PC、Android、IOS端進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與管理。大數(shù)據(jù)中心主要用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，包含對(duì)數(shù)據(jù)的接收、保存、分析，并通過(guò)通訊端口將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端處理中心，經(jīng)過(guò)處理后存儲(chǔ)入庫(kù)，若達(dá)到預(yù)警閾值則向用戶端發(fā)送預(yù)警信息從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

3.4 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型建立

由于邊坡巖土體的不均質(zhì)性和各向異性，建立具有代表性和針對(duì)性的邊坡預(yù)警評(píng)價(jià)模型將對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)有著直接的關(guān)系，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及以BIM為核心理念的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和三維協(xié)同理念的出現(xiàn)[7]，給邊坡工程設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量提供了新的驅(qū)動(dòng)力。此預(yù)警系統(tǒng)建立了典型邊坡工程案例數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)不同邊坡的地質(zhì)特征，建立三維模型，將邊坡數(shù)據(jù)賦予3D模型，將模型傳入大數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行精細(xì)化分析，同時(shí)還提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑坡安全評(píng)價(jià)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，最后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模型評(píng)估邊坡安全性的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

邊坡智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的搭建，將為邊坡災(zāi)害防治提供技術(shù)支持，彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害自動(dòng)化預(yù)警，提升災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控預(yù)警能力和災(zāi)害防治水平，保證邊坡預(yù)警工作順利開展，保障偏遠(yuǎn)山區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。本文提出的這套結(jié)合北斗系統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，將大大提高邊坡災(zāi)情管理、監(jiān)測(cè)的效率，后續(xù)還可從以下方面進(jìn)行深入探究：

（1）在現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的充分加持下，邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)將向著更加智能化、系統(tǒng)化、自動(dòng)化、多元化的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)智慧邊坡預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡數(shù)據(jù)的精益化控制是未來(lái)的發(fā)展重心；

（2）隨著人工智能的發(fā)展，預(yù)警系統(tǒng)需要探究監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局模型，深入分析、挖掘數(shù)據(jù)的特異性，形成人工神經(jīng)元算法，可以為山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供安全保障并為我國(guó)防災(zāi)體系提供技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。