于 超,亓 星,曹汝亮

(1.江西省地質(zhì)局 第二地質(zhì)大隊(duì), 江西 九江 332000;2.四川輕化工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 自貢 643000)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集一直是各類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備的集采方式,以地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備為例,常見(jiàn)的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害常用變形監(jiān)測(cè)、傾斜監(jiān)測(cè)等手段進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和預(yù)警,而這一過(guò)程中,對(duì)于變形、傾斜等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取也是成功預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵,如近年來(lái)成功應(yīng)急搶險(xiǎn)的白格滑坡[1],貴州興義龍井村滑坡[2],都依靠了有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

為了及時(shí)有效地預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集頻率需要足夠高,但一味地提高監(jiān)測(cè)頻率,會(huì)導(dǎo)致實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)用中出現(xiàn)問(wèn)題,主要表現(xiàn)出以下兩方面:監(jiān)測(cè)設(shè)備本身的存儲(chǔ)空間有限,高頻率的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生大量的多余數(shù)據(jù),對(duì)于自身的存儲(chǔ)存在較大壓力,而在地質(zhì)災(zāi)害基本穩(wěn)定期間并不需要過(guò)高的頻率,大部分?jǐn)?shù)據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前都屬于冗余數(shù)據(jù),因此僅需要在地質(zhì)災(zāi)害臨近發(fā)生各個(gè)監(jiān)測(cè)因素產(chǎn)生明顯變化時(shí)的高頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)一般通過(guò)發(fā)送模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器中存儲(chǔ),數(shù)據(jù)發(fā)送是整個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取中最耗電的過(guò)程,持續(xù)高頻的數(shù)據(jù)發(fā)送對(duì)于服務(wù)期存儲(chǔ)本身就存在很大壓力,同時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備一般布設(shè)在偏遠(yuǎn)的地質(zhì)災(zāi)害體上,難以接入市電,需要通過(guò)太陽(yáng)能等現(xiàn)場(chǎng)供電方式對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)供電,對(duì)于較高耗電過(guò)程的設(shè)備發(fā)送,會(huì)嚴(yán)重消耗本地電量,特別是在連續(xù)陰雨天,極易造成設(shè)備本身供電不足而斷開(kāi)。近年來(lái),出現(xiàn)了可以智能進(jìn)行高頻率采集的變形監(jiān)測(cè)設(shè)備并得到了有效應(yīng)用[3],可在滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)過(guò)程中及時(shí)獲取精細(xì)的數(shù)據(jù),但這種通過(guò)變形反饋驅(qū)動(dòng)采集的方式很難適用于其他場(chǎng)合,且應(yīng)用過(guò)程中需要設(shè)備自身多個(gè)比較器和轉(zhuǎn)換器的工作判別,機(jī)制較為復(fù)雜,在進(jìn)行其他因素監(jiān)測(cè)時(shí)需要對(duì)每種監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行適配,普適性較弱。由此,根據(jù)近年來(lái)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展,提出了更加簡(jiǎn)單有效的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集頻率的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法。

1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的基本特點(diǎn)

常見(jiàn)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)發(fā)送裝置、設(shè)備供電裝置及外設(shè)幾大部分組成[4-5],其中數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和發(fā)送裝置通過(guò)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)讀取實(shí)現(xiàn)采集,并存儲(chǔ)讀取到的數(shù)據(jù)和發(fā)送到指定服務(wù)器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這一過(guò)程也是整個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要耗電過(guò)程,其中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和發(fā)送是最為耗電的,占了整個(gè)設(shè)備功耗約60%. 由此,當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)頻率提高時(shí),隨著存儲(chǔ)頻率和數(shù)據(jù)發(fā)送頻率的同步提高,會(huì)導(dǎo)致設(shè)備耗電量的大幅度提高,同時(shí)帶來(lái)設(shè)備供電壓力和存儲(chǔ)需求的增大。但實(shí)際應(yīng)用中并不需要監(jiān)測(cè)設(shè)備隨時(shí)都處于高頻率監(jiān)測(cè)狀態(tài),以滑坡災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備為例,滑坡變形最關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)階段為加速變形階段,此時(shí)滑坡變形逐漸加快并最終失穩(wěn)破壞,需要監(jiān)測(cè)設(shè)備的頻率盡量提高以獲取完整的變形數(shù)據(jù)方便后續(xù)預(yù)警和應(yīng)急處置,而在滑坡緩慢變形或無(wú)明顯變形的基本穩(wěn)定階段,由于滑坡變形量小,此時(shí)監(jiān)測(cè)主要是獲取滑坡長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì),不需要頻率過(guò)高以防止占用大量存儲(chǔ)和增加功耗。

2 監(jiān)測(cè)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法及應(yīng)用

為了平衡穩(wěn)定階段的定期監(jiān)測(cè)和加速變形階段的高頻監(jiān)測(cè)需求,監(jiān)測(cè)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)有部分解決方法是基于環(huán)境驅(qū)動(dòng)變頻的被動(dòng)變頻監(jiān)測(cè),其原理是變形發(fā)生以后進(jìn)行多組判別,然后決定是否采集該數(shù)據(jù)。該方法雖然可以判別變頻有無(wú)問(wèn)題,但其屬于被動(dòng)變頻判別,當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生故障掉線時(shí),無(wú)法通過(guò)主動(dòng)采集數(shù)據(jù)的方式及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障,可能存在設(shè)備維護(hù)的不及時(shí)。

由此,可以采用更合理的主動(dòng)監(jiān)測(cè)頻率自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法,具體思路為:自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集裝置平常按照固定頻率采集傳感器數(shù)據(jù),同時(shí)每秒不斷比較最新數(shù)據(jù)與之前固定采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差異,當(dāng)最新讀取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和最近一次固定頻率采集的數(shù)據(jù)差異值達(dá)到設(shè)定的閾值S時(shí),則記錄最新的這組數(shù)據(jù),反之如果讀取到的數(shù)據(jù)小于閾值S則不記錄該組數(shù)據(jù)。以此類(lèi)推,在監(jiān)測(cè)過(guò)程中不斷比較最新讀取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與新記錄的數(shù)據(jù)之間的差值是否大于設(shè)定的閾值S,最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

以地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?yàn)槔?該方法可用到各種常見(jiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備中。如對(duì)于滑坡變形具有明顯裂縫的區(qū)域采用裂縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),常規(guī)的裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)精度一般在±1 mm以內(nèi),當(dāng)監(jiān)測(cè)到最新的兩組裂縫變形數(shù)據(jù)的變化量超過(guò)1 mm時(shí),說(shuō)明滑坡裂縫產(chǎn)生了變形,由此,可設(shè)置閾值S為1 mm,此時(shí)裂縫計(jì)以高頻狀態(tài)每秒1次的頻率監(jiān)測(cè)裂縫實(shí)際讀數(shù)值和最新存儲(chǔ)的裂縫值之差。當(dāng)監(jiān)測(cè)得到的實(shí)際數(shù)值和最新存儲(chǔ)值之差小于閾值S時(shí),不記錄高頻數(shù)據(jù),只按照常規(guī)每小時(shí)1次或其他固定低頻率存儲(chǔ)裂縫數(shù)據(jù),而當(dāng)裂縫變化速率增大,使監(jiān)測(cè)到的實(shí)際數(shù)值與最新的存儲(chǔ)值之差達(dá)到或超過(guò)閾值S時(shí),則存儲(chǔ)最新的裂縫監(jiān)測(cè)值,而后繼續(xù)按照該判別方法比較裂縫計(jì)的實(shí)際監(jiān)測(cè)值和最新的存儲(chǔ)值之差,以此類(lèi)推,最終實(shí)現(xiàn)隨著裂縫變形速率的變化及時(shí)有效存儲(chǔ)完整裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)程,確保加速變形階段數(shù)據(jù)完整獲得的同時(shí),大幅度減少冗余數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

同樣的方法在常見(jiàn)的滑坡變形GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中也可以得到有效應(yīng)用。由于GNSS監(jiān)測(cè)站設(shè)備的精度為±5 mm,其確保較高精度時(shí)的最大監(jiān)測(cè)頻率約為每5分鐘1次,在監(jiān)測(cè)過(guò)程中,當(dāng)監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)變形量和最新存儲(chǔ)值之差超過(guò)5 mm時(shí),說(shuō)明滑坡產(chǎn)生了新的變形,因此可以設(shè)置閾值S為5 mm,采用同樣的方式對(duì)滑坡變形GNSS進(jìn)行動(dòng)態(tài)變頻監(jiān)測(cè)。即可以采用每5分鐘1次的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)比方式,比較實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和最新存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之差,當(dāng)監(jiān)測(cè)的實(shí)際數(shù)值和最新存儲(chǔ)值之差小于閾值S時(shí),不記錄高頻數(shù)據(jù),只按照常規(guī)每小時(shí)1次或其他固定低頻率存儲(chǔ)GNSS變形數(shù)據(jù),而當(dāng)滑坡產(chǎn)生明顯變形導(dǎo)致變形量增大時(shí),監(jiān)測(cè)到的實(shí)際數(shù)值與最新的存儲(chǔ)值之差達(dá)到或超過(guò)閾值S,此時(shí)存儲(chǔ)最新的變形監(jiān)測(cè)值,以此類(lèi)推,最終實(shí)現(xiàn)隨著滑坡變形量的變化及時(shí)有效存儲(chǔ)完整變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了確保加速變形階段數(shù)據(jù)完整獲得的同時(shí),大幅度減少冗余數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

通過(guò)滑坡變形監(jiān)測(cè)頻率的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整,可以獲取到完整的滑坡變形數(shù)據(jù),而對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的其他類(lèi)型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),如含水率、泥位、流速等,也可以采用相同原理的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)變頻監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行,最終在確保監(jiān)測(cè)參數(shù)產(chǎn)生變化時(shí)及時(shí)記錄完整過(guò)程數(shù)據(jù)的前提下實(shí)現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)的大量過(guò)濾。由于該方法在監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行中,僅增加了數(shù)據(jù)采集裝置的讀取頻率,避免了最耗電的數(shù)據(jù)高頻存儲(chǔ)和發(fā)送過(guò)程,對(duì)于整個(gè)設(shè)備的耗電功耗增加較小,因此具有較好的可操作性和應(yīng)用效果,最終可以實(shí)現(xiàn)更為平滑有效的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)獲取。

3 結(jié) 論

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集頻率的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整可以有效解決現(xiàn)有各類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備在滑坡監(jiān)測(cè)過(guò)程中高頻導(dǎo)致的數(shù)據(jù)冗余、低頻漏掉關(guān)鍵數(shù)據(jù)等難題,為包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)在內(nèi)的各類(lèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供更好的方法。