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摘 要： 摘 要 通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害各監(jiān)測要素的物物相連，實現(xiàn)前端報警、無線互聯(lián)互通功能，建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺，實現(xiàn)專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)具備部、
摘 要 通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害各監(jiān)測要素的物物相連，實現(xiàn)前端報警、無線互聯(lián)互通功能，建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺，實現(xiàn)專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)具備部、省、市、縣四級信息互聯(lián)互通的功能實時共享; 使監(jiān)測預(yù)警信息實時發(fā)送至隱患點防災(zāi)責(zé)任人、監(jiān)測責(zé)任人和監(jiān)測人，以指導(dǎo)一線防災(zāi)工作高效開展; 并在自貢市榮縣一匹山崩塌預(yù)警過程中取得了重要成效，具有很強的參考價值。
關(guān)鍵詞 地質(zhì)災(zāi)害 物聯(lián)網(wǎng) 自動化 實時監(jiān)測
0 引言
地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重危害人民群眾生命、財產(chǎn)和生存環(huán)境，地質(zhì)災(zāi)害防治工作是重大民生地質(zhì)工作，在地質(zhì)事業(yè)中占有重要地位，是一項高難度、高科技的工作。地質(zhì)災(zāi)害防治措施主要為工程治理、應(yīng)急排危、避險搬遷、監(jiān)測預(yù)警等幾大方面，但是由于工程治理、應(yīng)急排危、避險搬遷由于受資金投入、難易程度、群眾意愿等原因，大部分地質(zhì)災(zāi)害隱患點主要還是采取的監(jiān)測預(yù)警手段。2016 年 7 月 28 日，習(xí)近平同志在河北唐山考察時，提出了“兩個堅持、三個轉(zhuǎn)變”的新時期防災(zāi)減災(zāi)新理念，更是把災(zāi)害預(yù)警提到了一個很重要的位置。政府和相關(guān)部門在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方面開展了部分工作并取得了一定成效，目前存在群測群防工作中新技術(shù)新方法運用普及程度差，監(jiān)測精度低，應(yīng)對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警能力弱，預(yù)警主要靠監(jiān)測人員經(jīng)驗判斷，在應(yīng)對點暴雨、夜暴雨、夜間隱患變形、高位滑坡/崩塌等突發(fā)性事件做到及時發(fā)布預(yù)警信息依然較為困難，可見這種傳統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警方式已經(jīng)難以適應(yīng)目前防災(zāi)工作的需要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為實現(xiàn)物物相連和信息處理自動化的技術(shù)，具有傳輸速度穩(wěn)定、速度快、同時多向預(yù)警、方便嵌入多傳感器、可定制化等特點，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警優(yōu)勢明顯 ( 高 樹 志 等，2018; 王 晨 昇 等， 2017) 。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺，可實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的預(yù)警，為群眾及時轉(zhuǎn)移、部門采取防災(zāi)措施爭取寶貴時間，達(dá)到趨利避害的作用。
1 研究現(xiàn)狀
劉傳正提出建立中國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警站網(wǎng)的構(gòu)想，主要包含監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的總體要求、制度體系等，并對地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工程體系的建立進(jìn)行了探討 ( 劉傳正，2000，2002; 賈彬譽和徐光黎，2017) ; 黃健通過結(jié)合遙感技術(shù)、WebGIS 技術(shù)對地面地質(zhì)災(zāi)害影像位移技術(shù)進(jìn)行了監(jiān)測( 黃健，2012) ，并在雅安滑坡地區(qū)開展了實例驗證，驗證了系統(tǒng)的有效性; 張傳武，公岷基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對山洪地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計( 張傳武和公岷，2013) ; 張衛(wèi)等根據(jù)降雨型滑坡的形成機(jī)理，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)( 張衛(wèi)等，2013) ; 杜金星等人利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展了甘肅白龍江流域的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，取得了良好效果( 杜金星等，2014) ; 丁明濤等通過無線傳感網(wǎng)，對岷江上游地區(qū)典型泥石流開展了監(jiān)測預(yù)警工作，取得了良好效果( 丁明濤等，2015) ;魯學(xué)軍等人從地質(zhì)災(zāi)害群測群防體系構(gòu)成、業(yè)務(wù)鏈和運行機(jī)制等方面入手探討了基于移動終端地質(zhì)災(zāi)害群測群防系統(tǒng)功能的實現(xiàn)( 魯學(xué)軍等，2017) 。
2 物聯(lián)網(wǎng)自動實時化預(yù)警平臺的建立
2.1 野外地質(zhì)災(zāi)害物聯(lián)監(jiān)測終端的布設(shè)
在查明隱患點影響因素和啟動機(jī)制的基礎(chǔ)上，在隱患點周邊布設(shè)自動雨量計，在滑坡、崩塌隱患點變形跡象明顯或變形強烈區(qū)域布設(shè)裂縫伸縮儀、三維傾斜儀、滑坡或崩塌體上拉裂房屋墻體布設(shè)裂縫報警器、在泥石流溝的上、中游建立聲光感應(yīng)器、自動雨量計等傳感器，通過野外設(shè)立前端監(jiān)測報警終端，實現(xiàn)各傳感器之間數(shù)據(jù)的匯交與上傳、實時報警、短信發(fā)送( 魏世玉等，2016; 崔萌，2018) 。
2.2 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)
2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作遵循“信息就是指揮棒”原則，因此縣級節(jié)點地質(zhì)災(zāi)害防治管理工作主要體現(xiàn)在災(zāi)前的數(shù)據(jù)采集分析、傳輸發(fā)布管理以及相關(guān)通訊保障工作、災(zāi)中的現(xiàn)場應(yīng)急支撐工作; 位移、雨量、水位等傳感器接入監(jiān)測預(yù)警終端，監(jiān)測預(yù)警終端集數(shù)據(jù)采集、控制、預(yù)警、傳輸于一體，每秒即時完成采樣、轉(zhuǎn)換、分析、閾值判斷、報警( 現(xiàn)場警笛、無線報警、短信、電話、后臺) ，通過 GPRS /北斗衛(wèi)星系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測預(yù)警平臺( 李忠權(quán)等，2018; 葛歡等，2018) 。多渠道的報警方式提高預(yù)警可靠性，縮短了預(yù)警響應(yīng)時間，對減少人員傷亡和財產(chǎn)損失起到了積極作用。監(jiān)測預(yù)警平臺可根據(jù)行業(yè)技術(shù)規(guī)范或者使用者需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)代碼數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步實現(xiàn)與市、省級平臺對接。( 圖 1) 。
本文出自：《礦產(chǎn)勘查》是研究礦產(chǎn)形成與分布的地質(zhì)條件、礦床賦存規(guī)律、礦體變化特征及工業(yè)礦床最有效查明和評價方法的實用地質(zhì)學(xué)，具有較強的綜合性、實踐性、經(jīng)濟(jì)性和政策性，屬經(jīng)濟(jì)地質(zhì)學(xué)的范疇，是地質(zhì)科學(xué)與經(jīng)濟(jì)科學(xué)的綜合體現(xiàn)，利用有關(guān)地質(zhì)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和經(jīng)濟(jì)科學(xué)的成就，直接服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。
智能監(jiān)測預(yù)警終端是“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”的重要組成部分，系統(tǒng)由“前端監(jiān)測報警”和“監(jiān)測中心”兩大部分構(gòu)成( 圖 2) 。“前端監(jiān)測報警”部分主要包含多種高性能傳感器、智能監(jiān)測預(yù)警終端，完成傳感數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、分析判斷、斷網(wǎng)存儲、數(shù)據(jù)上傳、現(xiàn)場報警等功能( 劉宇， 2015) 。
2.2.2 系統(tǒng)功能
( 1) 高度集成: 智能監(jiān)測預(yù)警終端集數(shù)據(jù)實時采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、分析判斷、多式報警、無線傳輸于一體; 一個終端可完成多種不同類型的測量( 位移、雨量、傾斜、壓力、溫度、濕度等) ;
( 2) 多預(yù)警閥值設(shè)置: 每一個監(jiān)測量至少可設(shè)定 3 個預(yù)警閥值;
( 3) 斷網(wǎng)工作: 斷網(wǎng)后設(shè)備能夠繼續(xù)實時監(jiān)測、現(xiàn)場預(yù)警;
( 4) 實時監(jiān)測預(yù)警: 采樣時間與數(shù)據(jù)自動上傳時間分開管理，現(xiàn)場監(jiān)測時間間隔可以達(dá)到每秒 10 次，數(shù)據(jù)上傳時間間隔設(shè)定后可通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)/北斗衛(wèi)星系統(tǒng)自動上傳到遠(yuǎn)端監(jiān)測預(yù)警平臺;
( 5) 多種報警功能: 具備現(xiàn)場警笛、無線遠(yuǎn)程警笛( ≥1km) 、短信、電話等報警方式以達(dá)到提高預(yù)警可靠性要求( 徐龍泉，2018) 。
2.2.3 手持終端操作
災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過無線移動網(wǎng)絡(luò)的 SMS 實現(xiàn)手持終端( 手機(jī)、平板電腦) 與監(jiān)測終端的雙向傳輸，以方便用戶隨時了解和掌握監(jiān)測點的變化。同時，可將隱患點照片、現(xiàn)場巡查記錄等資料實時上傳，實現(xiàn)現(xiàn)場辦公。還可以對終端進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。主要功能: 終端重啟、設(shè)置參數(shù)、查詢參數(shù)、在線離線、開關(guān)狀態(tài)、溫度查詢、時間設(shè)置、其他功能。
2.3 預(yù)警預(yù)報設(shè)置
預(yù)警預(yù)報采用的 GPRS /北斗無線通信技術(shù)、嵌入式單片機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有穩(wěn)定性強、實時性好、應(yīng)用性廣的特點，功能強大、數(shù)據(jù)真實可靠，故障發(fā)生率較低。前端數(shù)據(jù)處理芯片采用高精度算法，該解決過程不需要人工干預(yù)，將 IO 控制和無線數(shù)據(jù)通信過程結(jié)合在一起，可以直接接入標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射器或儀器輸出的模擬信號、電平信號、干觸點信號、脈沖信號等，完成傳感器模擬信號的采集。數(shù)據(jù)存儲周期和報告周期可以根據(jù)用戶環(huán)境的要求靈活調(diào)整。通過靈活的多點組網(wǎng)，可以選擇簡單方便的串行布線方式，以及高效的實時 GPRS 網(wǎng)絡(luò)方式等傳輸方式。通過前端預(yù)警平臺可完成設(shè)備的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)的接收顯示存儲等工作( 表 1) 。
前端監(jiān)測預(yù)警終端集信號采集、量值轉(zhuǎn)換、分析判斷、現(xiàn)場報警功能于一體，內(nèi)置多個預(yù)警閾值，當(dāng)測量到達(dá)預(yù)警閾值時自動啟動預(yù)警方式: 現(xiàn)場報警、無線報警、短信、電話等。
2.4 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺的建立
2.4.1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺概要
終端的測量數(shù)據(jù)通過前端監(jiān)測預(yù)警終端存貯在 ACCESS 數(shù)據(jù)庫中，為實現(xiàn)監(jiān)測部省市縣四級互聯(lián)互通、實時共享提供后期保障; 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要為系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收、處理、加工與信息查詢、預(yù)警指揮與信息發(fā)布、信息交換等服務(wù)提供硬軟件平臺。部級、省級、市( 州) 級、縣級之間的數(shù)據(jù)信息共享與交換可通過“一張圖系統(tǒng)”、“地質(zhì)云”、“各地區(qū)地質(zhì)環(huán)境管理信息系統(tǒng)”或互聯(lián)網(wǎng)等方式實現(xiàn)( 何朝陽， 2014) 。各級平臺的計 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對外互聯(lián)采用 TCP /IP 協(xié) 議，局域網(wǎng)內(nèi)部應(yīng)支持 TCP /IP、IPX/ SPX、NetBEUI 等協(xié)議。
2.4.2 邏輯結(jié)構(gòu)
前端監(jiān)控終端收集各種信息，比如水和雨位移變化等，并將其傳輸?shù)狡脚_通過數(shù)據(jù)傳輸通道，然后進(jìn)入服務(wù)器信息的收集，并完成實時接收和處理水的雨和位移變化監(jiān)測站的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接收軟件，和存款。在規(guī)范數(shù)據(jù)庫中( 圖 3) ; 包括災(zāi)害事件、穩(wěn)定條件分布、隱患點基本數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警文本數(shù)據(jù)、自動氣象站實時降雨數(shù)據(jù)、小時降水、日降水等基本信息，為系統(tǒng)提供了基本數(shù)據(jù)支持。
系統(tǒng)中可能有多個自動監(jiān)控設(shè)備，所以每個設(shè)備都需要有數(shù)據(jù)接收軟件，必須具備以下功能:
( 1) 可以遠(yuǎn)程采集自動監(jiān)測站的水、雨、位移變化等信息。
( 2) 具有遙測設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理功能。
( 3) 接收到的遙測數(shù)據(jù)可以按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫格式存儲在規(guī)范數(shù)據(jù)庫中。
2.4.3 縣級、市級、省級、部級平臺的數(shù)據(jù)對接
( 1) 部、縣、市、省四級層次結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，在層次結(jié)構(gòu)上，構(gòu)建了縣級信息采集平臺。縣級平臺收集各監(jiān)測點、本地實時、勞動等同級部門共享的數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一規(guī)范存入市級規(guī)范數(shù)據(jù)庫。并通過數(shù)據(jù)上報模塊定時向市級信息匯集平臺上報數(shù)據(jù)。
( 2) 縣級與市級平臺的對接縣的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的格式嚴(yán)格按照省級、市級的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采集，以保證能與省、市級地質(zhì)平臺實現(xiàn)無縫對接，其市級平臺對接的拓?fù)鋱D如 5 所示。市縣數(shù)據(jù)互聯(lián)互通通過互聯(lián)網(wǎng)的方式實現(xiàn)，前置庫需部署在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，否則無法與同樣部署在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的自貢市前置庫互聯(lián)。數(shù)據(jù)匯交縱向上由縣( 區(qū)) 級節(jié)點→市( 州) 級節(jié)點→省級節(jié)點 →國家級節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳匯集，橫向上在同級地質(zhì)環(huán)境節(jié)點與部門節(jié)點間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸匯集。
2.4.4 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)地質(zhì)災(zāi)害建設(shè)所涉及的數(shù)據(jù)庫包括雨量數(shù)據(jù)庫、避風(fēng)港數(shù)據(jù)庫、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息庫。信息采集平臺的數(shù)據(jù)庫建設(shè)主要包括對大量準(zhǔn)確、實時的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行處理、處理和處理，并根據(jù)不同的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)和標(biāo)識符進(jìn)行存儲。結(jié)構(gòu)設(shè)計對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行邏輯劃分，減少了數(shù)據(jù)冗余，便于管理和維護(hù)，便于信息查詢和數(shù)據(jù)共享。
3 物聯(lián)網(wǎng)實時自動化預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用
3.1 自貢市地質(zhì)環(huán)境概況
自貢市地處四川盆地南部，地勢西北高，東南低，主要為丘陵地貌。地貌形態(tài)以淺丘和中丘為主，少量深丘、低山及河岸侵蝕堆積地貌。境內(nèi)出露地層由老至新有三疊系( T) 、侏羅系( J) 、白堊系( K) 及第四系( Q) 。巖性主要由砂巖、泥巖、石灰?guī)r、白云巖及第四系堆積物組成。褶皺構(gòu)造較發(fā)育，多呈北東—南西向展布，斷層按走向大體可分為北東向斷層和北西向斷層，北東向斷層主要分布在威遠(yuǎn)背斜西南緣和青山嶺背斜、龍觀山背斜; 北西向斷層分布在市區(qū)中部的自流井背斜、興隆場背斜、鄧井關(guān)背斜和威遠(yuǎn)背斜南部; 除上述地表構(gòu)造形跡以外，尚有一系列隱伏斷裂構(gòu)造。受地質(zhì)構(gòu)造的影響，特別是區(qū)內(nèi)北東、北西向兩組斷層的影響，形成了諸多不良地質(zhì)現(xiàn)象。尤其是北西向構(gòu)造屬晚期形成，相對較活躍，其形成的斷層山脊、斷層陡崖和斷層破碎帶，當(dāng)遇到地震、暴雨以及人類工程活動等易導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，或增加地質(zhì)災(zāi)害的危害程度，對城市建設(shè)、交通以及人民生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
3.2 自貢地質(zhì)災(zāi)害一匹山預(yù)警避險案例
自貢市榮縣一匹山崩塌于 2016 年 12 月底已經(jīng)完成自動化實時監(jiān)測體系的建設(shè)，并建立了“人防圖 5 市、縣互聯(lián)互通拓?fù)鋱D技防相結(jié)合”的專業(yè)監(jiān)測模式，監(jiān)測預(yù)警設(shè)備從安裝運行至 2017 年 9 月 1 日成功發(fā)出避險避災(zāi)預(yù)報這期間，設(shè)備所采集到的地表位移變化呈現(xiàn)出加速變形的狀態(tài)，從 8 月 27 日發(fā)出預(yù)警信息之后，直到 9 月 1 日前的 3 天時間內(nèi)，1 號崩塌監(jiān)測點的位移分別從 833 變化到 1044mm，每天的變化速率 70.3mm / d; 2 號崩塌監(jiān)測點的位移從 941 變化到 1161mm，每天的變化速率 73.3mm /d; 3 號崩塌監(jiān)測點的位移從 809 變化到 1018mm，每天的變化速率 69.7mm /d( 圖 6) 。從以上統(tǒng)計可以看出自 28 日以后崩塌體后緣裂縫的變化速率明顯加快，每天的變化速率已經(jīng)超過 69mm 以上，引起了有關(guān)部門足夠的重視，并果斷啟用應(yīng)急預(yù)案，立即組織人員快速撤離到安全區(qū)域內(nèi)，有效避免了威脅區(qū)域內(nèi) 46 戶群眾共計 180 人的生命財產(chǎn)損失，基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化實時監(jiān)測體系為本次預(yù)警提供了強大的技術(shù)支持，榮縣采取“人防技防相結(jié)合”的災(zāi)害監(jiān)測模式是避險成功的關(guān)鍵所在。
4 結(jié)論
通過在野外設(shè)置監(jiān)測站，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)各監(jiān)測要素的物物相聯(lián)，通過設(shè)置的前端服務(wù)器實現(xiàn)成現(xiàn)場采樣、轉(zhuǎn)換、分析、閾值判斷、報警、傳輸功能，大大縮短了監(jiān)測預(yù)警周期，通過建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺，完成野外與室內(nèi)的信息傳輸，及時將預(yù)警信息逐漸上傳，為上級部門災(zāi)險情指揮調(diào)度提供了技術(shù)支持。榮縣基于物聯(lián)網(wǎng)的地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)預(yù)警平臺建立了“人防技防相結(jié)合”的專業(yè)預(yù)警模式，在一匹山崩塌發(fā)生前及時預(yù)警，果斷采取措施，避免了 46 戶群眾 180 人的生命財產(chǎn)損失，取得了良好的效果，具有很強的借鑒意義和推廣意義。——論文作者：李波，楊江濤，李伯宣，羅蘭，景澤