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发布时间：2020-09-26所属分类：工程师职称论文浏览：1268次
摘 要： 摘 要 通过物联网技术实现地质灾害各监测要素的物物相连，实现前端报警、无线互联互通功能，建立地质灾害监测预警平台，实现专业监测数据具备部、
摘 要 通过物联网技术实现地质灾害各监测要素的物物相连，实现前端报警、无线互联互通功能，建立地质灾害监测预警平台，实现专业监测数据具备部、省、市、县四级信息互联互通的功能实时共享; 使监测预警信息实时发送至隐患点防灾责任人、监测责任人和监测人，以指导一线防灾工作高效开展; 并在自贡市荣县一匹山崩塌预警过程中取得了重要成效，具有很强的参考价值。
关键词 地质灾害 物联网 自动化 实时监测
0 引言
地质灾害严重危害人民群众生命、财产和生存环境，地质灾害防治工作是重大民生地质工作，在地质事业中占有重要地位，是一项高难度、高科技的工作。地质灾害防治措施主要为工程治理、应急排危、避险搬迁、监测预警等几大方面，但是由于工程治理、应急排危、避险搬迁由于受资金投入、难易程度、群众意愿等原因，大部分地质灾害隐患点主要还是采取的监测预警手段。2016 年 7 月 28 日，习近平同志在河北唐山考察时，提出了“两个坚持、三个转变”的新时期防灾减灾新理念，更是把灾害预警提到了一个很重要的位置。政府和相关部门在地质灾害监测预警方面开展了部分工作并取得了一定成效，目前存在群测群防工作中新技术新方法运用普及程度差，监测精度低，应对突发性地质灾害预警能力弱，预警主要靠监测人员经验判断，在应对点暴雨、夜暴雨、夜间隐患变形、高位滑坡/崩塌等突发性事件做到及时发布预警信息依然较为困难，可见这种传统的监测预警方式已经难以适应目前防灾工作的需要。物联网技术作为实现物物相连和信息处理自动化的技术，具有传输速度稳定、速度快、同时多向预警、方便嵌入多传感器、可定制化等特点，地质灾害预警优势明显 ( 高 树 志 等，2018; 王 晨 昇 等， 2017) 。通过物联网技术建立地质灾害预警平台，可实现快速、准确的预警，为群众及时转移、部门采取防灾措施争取宝贵时间，达到趋利避害的作用。
1 研究现状
刘传正提出建立中国地质灾害监测预警站网的构想，主要包含监测预警网络的总体要求、制度体系等，并对地质灾害预警工程体系的建立进行了探讨 ( 刘传正，2000，2002; 贾彬誉和徐光黎，2017) ; 黄健通过结合遥感技术、WebGIS 技术对地面地质灾害影像位移技术进行了监测( 黄健，2012) ，并在雅安滑坡地区开展了实例验证，验证了系统的有效性; 张传武，公岷基于物联网系统对山洪地质灾害预警系统进行了设计( 张传武和公岷，2013) ; 张卫等根据降雨型滑坡的形成机理，建立了基于物联网的滑坡地质灾害预警系统( 张卫等，2013) ; 杜金星等人利用物联网技术，开展了甘肃白龙江流域的地质灾害预警，取得了良好效果( 杜金星等，2014) ; 丁明涛等通过无线传感网，对岷江上游地区典型泥石流开展了监测预警工作，取得了良好效果( 丁明涛等，2015) ;鲁学军等人从地质灾害群测群防体系构成、业务链和运行机制等方面入手探讨了基于移动终端地质灾害群测群防系统功能的实现( 鲁学军等，2017) 。
2 物联网自动实时化预警平台的建立
2.1 野外地质灾害物联监测终端的布设
在查明隐患点影响因素和启动机制的基础上，在隐患点周边布设自动雨量计，在滑坡、崩塌隐患点变形迹象明显或变形强烈区域布设裂缝伸缩仪、三维倾斜仪、滑坡或崩塌体上拉裂房屋墙体布设裂缝报警器、在泥石流沟的上、中游建立声光感应器、自动雨量计等传感器，通过野外设立前端监测报警终端，实现各传感器之间数据的汇交与上传、实时报警、短信发送( 魏世玉等，2016; 崔萌，2018) 。
2.2 物联网监测预警系统总体架构
2.2.1 系统结构
地质灾害监测工作遵循“信息就是指挥棒”原则，因此县级节点地质灾害防治管理工作主要体现在灾前的数据采集分析、传输发布管理以及相关通讯保障工作、灾中的现场应急支撑工作; 位移、雨量、水位等传感器接入监测预警终端，监测预警终端集数据采集、控制、预警、传输于一体，每秒即时完成采样、转换、分析、阈值判断、报警( 现场警笛、无线报警、短信、电话、后台) ，通过 GPRS /北斗卫星系统将测量数据传回监测预警平台( 李忠权等，2018; 葛欢等，2018) 。多渠道的报警方式提高预警可靠性，缩短了预警响应时间，对减少人员伤亡和财产损失起到了积极作用。监测预警平台可根据行业技术规范或者使用者需要转换为标准代码数据库，进一步实现与市、省级平台对接。( 图 1) 。
本文出自：《矿产勘查》是研究矿产形成与分布的地质条件、矿床赋存规律、矿体变化特征及工业矿床最有效查明和评价方法的实用地质学，具有较强的综合性、实践性、经济性和政策性，属经济地质学的范畴，是地质科学与经济科学的综合体现，利用有关地质科学、技术科学和经济科学的成就，直接服务于国民经济建设。
智能监测预警终端是“基于物联网的智能监测预警系统”的重要组成部分，系统由“前端监测报警”和“监测中心”两大部分构成( 图 2) 。“前端监测报警”部分主要包含多种高性能传感器、智能监测预警终端，完成传感数据采集、模数转换、分析判断、断网存储、数据上传、现场报警等功能( 刘宇， 2015) 。
2.2.2 系统功能
( 1) 高度集成: 智能监测预警终端集数据实时采集、模数转换、分析判断、多式报警、无线传输于一体; 一个终端可完成多种不同类型的测量( 位移、雨量、倾斜、压力、温度、湿度等) ;
( 2) 多预警阀值设置: 每一个监测量至少可设定 3 个预警阀值;
( 3) 断网工作: 断网后设备能够继续实时监测、现场预警;
( 4) 实时监测预警: 采样时间与数据自动上传时间分开管理，现场监测时间间隔可以达到每秒 10 次，数据上传时间间隔设定后可通过 GPRS 网络/北斗卫星系统自动上传到远端监测预警平台;
( 5) 多种报警功能: 具备现场警笛、无线远程警笛( ≥1km) 、短信、电话等报警方式以达到提高预警可靠性要求( 徐龙泉，2018) 。
2.2.3 手持终端操作
灾害智能监测预警系统通过无线移动网络的 SMS 实现手持终端( 手机、平板电脑) 与监测终端的双向传输，以方便用户随时了解和掌握监测点的变化。同时，可将隐患点照片、现场巡查记录等资料实时上传，实现现场办公。还可以对终端进行远程设置。主要功能: 终端重启、设置参数、查询参数、在线离线、开关状态、温度查询、时间设置、其他功能。
2.3 预警预报设置
预警预报采用的 GPRS /北斗无线通信技术、嵌入式单片机技术和网络通信技术，具有稳定性强、实时性好、应用性广的特点，功能强大、数据真实可靠，故障发生率较低。前端数据处理芯片采用高精度算法，该解决过程不需要人工干预，将 IO 控制和无线数据通信过程结合在一起，可以直接接入标准发射器或仪器输出的模拟信号、电平信号、干触点信号、脉冲信号等，完成传感器模拟信号的采集。数据存储周期和报告周期可以根据用户环境的要求灵活调整。通过灵活的多点组网，可以选择简单方便的串行布线方式，以及高效的实时 GPRS 网络方式等传输方式。通过前端预警平台可完成设备的参数设置和数据的接收显示存储等工作( 表 1) 。
前端监测预警终端集信号采集、量值转换、分析判断、现场报警功能于一体，内置多个预警阈值，当测量到达预警阈值时自动启动预警方式: 现场报警、无线报警、短信、电话等。
2.4 地质灾害监测预警平台的建立
2.4.1 地质灾害监测预警平台概要
终端的测量数据通过前端监测预警终端存贮在 ACCESS 数据库中，为实现监测部省市县四级互联互通、实时共享提供后期保障; 计算机网络系统主要为系统数据接收、处理、加工与信息查询、预警指挥与信息发布、信息交换等服务提供硬软件平台。部级、省级、市( 州) 级、县级之间的数据信息共享与交换可通过“一张图系统”、“地质云”、“各地区地质环境管理信息系统”或互联网等方式实现( 何朝阳， 2014) 。各级平台的计 算机网络对外互联采用 TCP /IP 协 议，局域网内部应支持 TCP /IP、IPX/ SPX、NetBEUI 等协议。
2.4.2 逻辑结构
前端监控终端收集各种信息，比如水和雨位移变化等，并将其传输到平台通过数据传输通道，然后进入服务器信息的收集，并完成实时接收和处理水的雨和位移变化监测站的数据通过数据接收软件，和存款。在规范数据库中( 图 3) ; 包括灾害事件、稳定条件分布、隐患点基本数据、地质灾害预警文本数据、自动气象站实时降雨数据、小时降水、日降水等基本信息，为系统提供了基本数据支持。
系统中可能有多个自动监控设备，所以每个设备都需要有数据接收软件，必须具备以下功能:
( 1) 可以远程采集自动监测站的水、雨、位移变化等信息。
( 2) 具有遥测设备的远程监控和管理功能。
( 3) 接收到的遥测数据可以按照标准数据库格式存储在规范数据库中。
2.4.3 县级、市级、省级、部级平台的数据对接
( 1) 部、县、市、省四级层次结构如图 4 所示，在层次结构上，构建了县级信息采集平台。县级平台收集各监测点、本地实时、劳动等同级部门共享的数据，按照统一规范存入市级规范数据库。并通过数据上报模块定时向市级信息汇集平台上报数据。
( 2) 县级与市级平台的对接县的地质灾害数据的格式严格按照省级、市级的数据格式标准进行采集，以保证能与省、市级地质平台实现无缝对接，其市级平台对接的拓扑图如 5 所示。市县数据互联互通通过互联网的方式实现，前置库需部署在互联网环境下，否则无法与同样部署在互联网环境下的自贡市前置库互联。数据汇交纵向上由县( 区) 级节点→市( 州) 级节点→省级节点 →国家级节点进行数据上传汇集，横向上在同级地质环境节点与部门节点间进行数据传输汇集。
2.4.4 数据库结构地质灾害建设所涉及的数据库包括雨量数据库、避风港数据库、社会经济数据库和地质灾害预警信息库。信息采集平台的数据库建设主要包括对大量准确、实时的数据类型进行处理、处理和处理，并根据不同的数据库表结构和标识符进行存储。结构设计对数据库进行逻辑划分，减少了数据冗余，便于管理和维护，便于信息查询和数据共享。
3 物联网实时自动化预警系统的应用
3.1 自贡市地质环境概况
自贡市地处四川盆地南部，地势西北高，东南低，主要为丘陵地貌。地貌形态以浅丘和中丘为主，少量深丘、低山及河岸侵蚀堆积地貌。境内出露地层由老至新有三叠系( T) 、侏罗系( J) 、白垩系( K) 及第四系( Q) 。岩性主要由砂岩、泥岩、石灰岩、白云岩及第四系堆积物组成。褶皱构造较发育，多呈北东—南西向展布，断层按走向大体可分为北东向断层和北西向断层，北东向断层主要分布在威远背斜西南缘和青山岭背斜、龙观山背斜; 北西向断层分布在市区中部的自流井背斜、兴隆场背斜、邓井关背斜和威远背斜南部; 除上述地表构造形迹以外，尚有一系列隐伏断裂构造。受地质构造的影响，特别是区内北东、北西向两组断层的影响，形成了诸多不良地质现象。尤其是北西向构造属晚期形成，相对较活跃，其形成的断层山脊、断层陡崖和断层破碎带，当遇到地震、暴雨以及人类工程活动等易导致地质灾害的发生，或增加地质灾害的危害程度，对城市建设、交通以及人民生命财产构成严重威胁。
3.2 自贡地质灾害一匹山预警避险案例
自贡市荣县一匹山崩塌于 2016 年 12 月底已经完成自动化实时监测体系的建设，并建立了“人防图 5 市、县互联互通拓扑图技防相结合”的专业监测模式，监测预警设备从安装运行至 2017 年 9 月 1 日成功发出避险避灾预报这期间，设备所采集到的地表位移变化呈现出加速变形的状态，从 8 月 27 日发出预警信息之后，直到 9 月 1 日前的 3 天时间内，1 号崩塌监测点的位移分别从 833 变化到 1044mm，每天的变化速率 70.3mm / d; 2 号崩塌监测点的位移从 941 变化到 1161mm，每天的变化速率 73.3mm /d; 3 号崩塌监测点的位移从 809 变化到 1018mm，每天的变化速率 69.7mm /d( 图 6) 。从以上统计可以看出自 28 日以后崩塌体后缘裂缝的变化速率明显加快，每天的变化速率已经超过 69mm 以上，引起了有关部门足够的重视，并果断启用应急预案，立即组织人员快速撤离到安全区域内，有效避免了威胁区域内 46 户群众共计 180 人的生命财产损失，基于物联网的自动化实时监测体系为本次预警提供了强大的技术支持，荣县采取“人防技防相结合”的灾害监测模式是避险成功的关键所在。
4 结论
通过在野外设置监测站，利用物联网技术实现各监测要素的物物相联，通过设置的前端服务器实现成现场采样、转换、分析、阈值判断、报警、传输功能，大大缩短了监测预警周期，通过建立地质灾害监测预警平台，完成野外与室内的信息传输，及时将预警信息逐渐上传，为上级部门灾险情指挥调度提供了技术支持。荣县基于物联网的地质灾害专业预警平台建立了“人防技防相结合”的专业预警模式，在一匹山崩塌发生前及时预警，果断采取措施，避免了 46 户群众 180 人的生命财产损失，取得了良好的效果，具有很强的借鉴意义和推广意义。——论文作者：李波，杨江涛，李伯宣，罗兰，景泽
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