【摘要】國內(nèi)外學(xué)者對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的技術(shù)方法體系進行了深入的研究，取得了大量的研究成果。但是針對鐵路沿線的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的研究還存在著監(jiān)測與預(yù)警響應(yīng)不及時、不準確的問題，以包神鐵路沿線的地質(zhì)災(zāi)害為對象，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將監(jiān)測的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行融合分析，從而達到更為理想的數(shù)據(jù)曲線，提高預(yù)警的準確率，將地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)接入監(jiān)測平臺，開發(fā)“鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測預(yù)警平臺”。

【關(guān)鍵詞】鐵路； 地質(zhì)災(zāi)害； 監(jiān)測預(yù)警

【中圖分類號】P694【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-08-10

［作者簡介］何虎（1974—），男，本科，工程師，主要從事鐵路工作。

0 引言

我國地域遼闊，山區(qū)鐵路地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，從而造成了崩塌、滑坡及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其是在強降雨多發(fā)的時節(jié)和地區(qū)，屢屢釀成重大的鐵路交通事故，對我國鐵路造成了巨大的財產(chǎn)損失，同時對人民的生命安全構(gòu)成了嚴重的威脅。面對隱蔽性強、分布范圍廣且趨于動態(tài)變化的地質(zhì)災(zāi)害隱患，常規(guī)調(diào)查手段很難提早發(fā)現(xiàn)和防范潛在風(fēng)險［1］。隨著計算機技術(shù)及通訊技術(shù)的發(fā)展，不同監(jiān)測手段應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中［2-4］。這些技術(shù)手段的應(yīng)用大大促進了鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作的發(fā)展。

鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作中，由于沿線地災(zāi)點數(shù)量多，為得到比較全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通常使用了各種監(jiān)測儀器，但隨著大量監(jiān)測儀器的使用，又因為儀表設(shè)備的開發(fā)者們所使用的軟件技術(shù)不同、技術(shù)手段差異大，其監(jiān)測數(shù)據(jù)通常分散存儲在各個分類數(shù)據(jù)庫中［5-6］，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)格式往往也是大相庭徑的，這也就導(dǎo)致會出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常波動、缺失、漂移和不合理偏差的現(xiàn)象，而且隨著時間的增長，平臺在運行期的數(shù)據(jù)量隨著監(jiān)測對象與監(jiān)測設(shè)備的增加將呈現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)增長，如實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、監(jiān)測對象相關(guān)資料數(shù)據(jù)等，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理架構(gòu)將無法滿足實時監(jiān)測系統(tǒng)日益增長的數(shù)據(jù)壓力，使用中將出現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢時間變長、系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍、監(jiān)測數(shù)據(jù)計算實時性變差甚至出現(xiàn)因為數(shù)據(jù)處理不及時而造成的數(shù)據(jù)丟棄情況。這些問題都將直接影響到監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的運行效率以及準確性。

本文通過近年在鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面研究的經(jīng)驗累積上，結(jié)合國內(nèi)外先進的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，針對包神鐵路沿線地災(zāi)點數(shù)量多、自動化監(jiān)測設(shè)備多種多樣的情況，對監(jiān)測到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行融合分析，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和集成平臺，開發(fā)了“鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測預(yù)警平臺”，通過平臺就可以靈活地修改配置文件和參數(shù)，以實現(xiàn)對鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患點及工程結(jié)構(gòu)的信息化管理，并提高監(jiān)測預(yù)警的準確性和及時性。

1 地質(zhì)災(zāi)害無線自動監(jiān)測

1.1 鐵路沿線災(zāi)害點基本信息獲取

包神鐵路路線長，穿越區(qū)域廣，沿線的地質(zhì)災(zāi)害多，為保證災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的準確性，首先需要了解地質(zhì)災(zāi)害的基本種類和空間分布等特征，確定災(zāi)害監(jiān)測方案和預(yù)警基本信息，針對不同災(zāi)害類型和災(zāi)害分布，進行災(zāi)害基本信息輸入，滿足鐵路監(jiān)測基本需求。如響沙灣隧道南口使用北斗、振動位移、視頻、雨量計和Mems傳感器等技術(shù)進行監(jiān)控。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸技術(shù)

構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需要將監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行遠程實時傳輸，這也是構(gòu)建該網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)外主要使用的傳輸技術(shù)有GSM/GPRS、CDMA、TD-CDMA、WCDMA、衛(wèi)星通訊、公網(wǎng)、專線等［7］。

1.3 自動化監(jiān)測流程

在現(xiàn)場安裝監(jiān)測儀器，如GNSS形變監(jiān)測、MEMS智能變形監(jiān)測、雨量監(jiān)測、視頻監(jiān)控等設(shè)備獲取地表位移、雨量、圖像等數(shù)據(jù)，再通過無線數(shù)據(jù)遠程實時傳輸，結(jié)合自主研發(fā)的自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，完成對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸和集成最后分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得到災(zāi)害預(yù)警等級劃分，最終實現(xiàn)提前預(yù)警［8-9］。并可以在系統(tǒng)中對監(jiān)測儀器的采集頻率、采集時間進行動態(tài)的設(shè)置，使得整個監(jiān)測系統(tǒng)完全自主運行，無需人為干預(yù)。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)特征及異常值識別處理

2.1 鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)特征

鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測類型有形變和位變（位移）監(jiān)測、力變監(jiān)測、水變監(jiān)測、聲變監(jiān)測、溫變監(jiān)測等，包神鐵路沿線地災(zāi)點數(shù)量多，自動化監(jiān)測設(shè)備多種多樣，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)就會擁有以下獨特的特征。

2.1.1 數(shù)據(jù)多源異構(gòu)

多源異構(gòu)是地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的一個顯著特征，這是因為監(jiān)測儀器在數(shù)據(jù)采集和存儲等方式各有不同，主要包括多廠商、多物聯(lián)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)接入和存儲標準不統(tǒng)一，監(jiān)測設(shè)備因個體質(zhì)量差異或各種內(nèi)外因素影響等原因，存在監(jiān)測數(shù)據(jù)異常波動、缺失、漂移和不合理誤差等現(xiàn)象。

2.1.2 采集頻率高、數(shù)據(jù)量大

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測儀器和設(shè)備需要24 h不間斷地采集數(shù)據(jù)，并通過無線數(shù)據(jù)遠程實時傳輸回監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器，隨著時間的推移，平臺在運行期的數(shù)據(jù)量隨著監(jiān)測對象與監(jiān)測設(shè)備的增加將呈現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)增長，如實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、監(jiān)測對象相關(guān)資料數(shù)據(jù)等，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理架構(gòu)將無法滿足實時監(jiān)測系統(tǒng)日益增長的數(shù)據(jù)壓力，使用中將出現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢時間變長、系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍、監(jiān)測數(shù)據(jù)計算實時性變差甚至出現(xiàn)因為數(shù)據(jù)處理不及時而造成的數(shù)據(jù)丟棄情況。這就需要監(jiān)測數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)能夠具有長時間保持穩(wěn)定、高效地運行以及能夠?qū)崟r地處理儀器和設(shè)備獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力。

2.2 異常數(shù)據(jù)的識別及處理

實時傳送到監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)由于受到各種人為的因素或非人為的原因影響，往往會導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生類如突變、丟失等異常情況，也因此無法精確反映鐵路沿線的實際狀況，從而造成了預(yù)警不準確甚至錯誤的報警，所以在對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合分析之前就必須先對數(shù)據(jù)做好異常分析和數(shù)據(jù)處理，因此本文中采用了拉依達準則，提取因監(jiān)測體系被破壞、人為操作誤差或者碰動儀器也會引起監(jiān)測序列中產(chǎn)生較大異常值，結(jié)合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，確定其并非由于災(zāi)害點本身變形引發(fā)，對于數(shù)據(jù)樣本中的異常偏離點，在預(yù)處理中往往會采取剔除處理。

對于監(jiān)測數(shù)據(jù)序列x1，x2，…，xn，描述該序列數(shù)據(jù)的變化特征為式（1）。

dj=2xj－（xj+1+xj－1） （j=2，3，…，N-1）（1）

由N個監(jiān)測數(shù)據(jù)可得到N-2個dj。由dj值計算序列數(shù)據(jù)變化統(tǒng)計均值d-和均方差σ為式（2）、式（3）。

d-=∑N-1j=2djN-2（2）

σd=∑N-1j=2（dj-d-）2N-3（3）

根據(jù)dj偏差的絕對值與均方差的比值見式（4）。

qj=dj-σd（4）

基于拉依達準則，當qjgt;3時，則認為xj是粗差，應(yīng)舍去（圖1）。

3 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)多數(shù)據(jù)融合接口設(shè)計

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合分析

包神鐵路沿線災(zāi)害點數(shù)量多，為了全面、優(yōu)質(zhì)地獲取沿線的監(jiān)測指標以此來提高預(yù)警的效率和可靠性，通常會選擇使用不同檢測項目中具備較高水平的監(jiān)測儀器和設(shè)備，而這些儀器和設(shè)備通常來自不同的生產(chǎn)廠家，如GNSS位移監(jiān)測和雨量監(jiān)測儀器可能來自不同的廠家，所以多物聯(lián)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)接入和存儲標準不統(tǒng)一，因此數(shù)據(jù)通常分散在不同的數(shù)據(jù)庫，且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也大相庭徑［10-11］。為了實現(xiàn)對包神鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害的自動化監(jiān)測預(yù)警，需要對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行集中存儲管理與融合分析，利用大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)值分析技術(shù)進行評估。

數(shù)據(jù)接入可提供包括MQTT、HTTP等不同的技術(shù)協(xié)議支持，其中HTTP常用于通過軟件平臺對接，MQTT適用于設(shè)備直接推送數(shù)據(jù)，不同的廠家可以選擇不同對接方式；監(jiān)測數(shù)據(jù)由于廠家與類型多樣，是數(shù)據(jù)融合與分析重點的接入內(nèi)容。

數(shù)據(jù)存儲調(diào)度底層平臺基于HDFS、Elasticsearch、Postgresql、Redis等多種類型數(shù)及檢索引擎如圖2所示，綜合搭配應(yīng)用，構(gòu)建數(shù)據(jù)支撐平臺的基礎(chǔ)存儲能力。各組件的分布式部署、橫向擴展能力則對長期運營下平臺穩(wěn)定運行，負載能力穩(wěn)步增長提供有力保障。

3.2 預(yù)警建模、預(yù)警分析及等級劃分

預(yù)警模型的開發(fā)與部署將采用微服務(wù)架構(gòu)方式，以Java、Matlab等作為開發(fā)及測試語言工具，對不同的預(yù)警算法進行實現(xiàn)與封裝，開發(fā)出應(yīng)用于不同災(zāi)害類型的核心預(yù)警計算模型，并以微服務(wù)方式管理與運行預(yù)警計算服務(wù)。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)相結(jié)合進行決策分析，通過建立數(shù)據(jù)融合處理的預(yù)警模型，計算現(xiàn)有情況下的工程現(xiàn)場危險信息，并與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，智能判別是否已危及監(jiān)測對象的安全，并可根據(jù)判別信息控制啟動視頻監(jiān)控。通過設(shè)置各監(jiān)測參數(shù)不同的報警閾值，對不同災(zāi)害預(yù)警等級進行劃分。

將模型進行分類構(gòu)建并通過微服務(wù)方式管理，可使得預(yù)警模型本身具有更好的擴展性、維護性、兼容性，同時，利用微服務(wù)可采用分布式方式運行及管理，可提升核心預(yù)警模型的數(shù)據(jù)接入能力，在面向大量監(jiān)測點數(shù)據(jù)接入的預(yù)警需求，仍能實現(xiàn)極好的實時處理性能（圖3）。

預(yù)警模型的開發(fā)構(gòu)建的核心是預(yù)警計算服務(wù)，針對崩塌（危巖）、滑坡、泥石流及其他地質(zhì)災(zāi)害，將雨量預(yù)警、變形預(yù)警、綜合預(yù)警、閾值預(yù)警等相關(guān)的核心算法進行封裝，開發(fā)出對應(yīng)的預(yù)警計算服務(wù)，不同類型災(zāi)害的監(jiān)測數(shù)據(jù)接入后立即調(diào)用對應(yīng)的預(yù)警模型進行實時計算，計算得到的預(yù)警系數(shù)對應(yīng)紅、橙、黃、藍四色預(yù)警進行發(fā)布。

3.3 災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警方法

數(shù)據(jù)支撐平臺在接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過對數(shù)據(jù)預(yù)處理、閾值計算、模型計算、數(shù)據(jù)存儲、預(yù)警結(jié)果輸出、模型自優(yōu)化等環(huán)節(jié)后完成一次數(shù)據(jù)處理過程，關(guān)鍵流程設(shè)計見圖4。

預(yù)警過程包含了同步、異步兩種不同的計算規(guī)則，同步計算保障了預(yù)警的實時性，模型自由化、預(yù)警去重、預(yù)警推送等環(huán)節(jié)采用異步方式，關(guān)鍵的技術(shù)結(jié)構(gòu)見圖5。

3.4 二三維一體化WebGIS技術(shù)

平臺采用WebGIS技術(shù)，對地理數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)三維可視化展示。WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）是指工作在Web上的GIS，是傳統(tǒng)的GIS在網(wǎng)絡(luò)上的延伸和發(fā)展，具有傳統(tǒng)GIS的特點，可以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索、查詢、制圖輸出、編輯等GIS基本功能，同時也是Internet上地理信息發(fā)布、共享和交流協(xié)作的基礎(chǔ)。根據(jù)WebGIS的可視化三維特性，項目采用二、三維一體化技術(shù)，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域與工程結(jié)構(gòu)體的三維展示，實現(xiàn)人員數(shù)據(jù)、專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)、隱患點數(shù)據(jù)的可視化管理。

Web架構(gòu)的便捷特性，研發(fā)GIS三維可視化平臺，即在任何地點，都可通過任何瀏覽器實現(xiàn)對平臺地理信息數(shù)據(jù)的訪問和操作。本平臺通過數(shù)據(jù)化、圖像化、文字化的方式實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害信息的綜合性描述。通過對地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)的矢量化和柵格化，實現(xiàn)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型進行相應(yīng)圖層的疊加展示，如人員圖層、設(shè)備圖層、隱患點圖層等。并可在遠端服務(wù)器利用各種模型分析方法進行數(shù)據(jù)分析，Web端提供模型計算參數(shù)，服務(wù)端進行即時計算分析，并將計算結(jié)果以文本或者影像等格式返回Web端。

4 結(jié)論

本文針對包神鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和集成平臺，開發(fā)了“鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測預(yù)警平臺”，通過平臺就可以靈活地修改配置文件和參數(shù)，以實現(xiàn)對鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患點及工程結(jié)構(gòu)的信息化管理，并基于監(jiān)測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，通過專業(yè)化預(yù)警模型對監(jiān)測對象安全狀態(tài)進行區(qū)域及單點的災(zāi)害預(yù)警實時評估，通過構(gòu)建二/三維一體化平臺，利用WebGL技術(shù)直觀展示監(jiān)測對象的地理信息與當前災(zāi)害風(fēng)險狀態(tài)，為鐵路沿線的科學(xué)防災(zāi)提供決策支持。

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