基于北斗衛星系統的地質災害監測系統軟件設計與實現

羅 騰,白征東,朱永輝

(清華大學土木工程系,北京 100084)

0 引 言

眾所周知,我國幅員遼闊、地質類型豐富,境內包含有滑坡、泥石流、地面沉降等眾多地質災害類型地區,每年因為地質災害所造成的人員傷亡和經濟損失十分巨大。因此,我國急需對典型地質災害地區進行研究,建立起地質災害監測預警示范系統,并逐步向全國推廣。國家發展和改革委員會批準了國土資源部的《基于北斗一號衛星系統的地質災害監測示范工程》項目,并委托清華大學土木工程系地球空間信息研究所負責該項目的系統總體設計和軟件開發。

1 基于北斗衛星系統的地質災害監測系統介紹

基于北斗一號的地質災害監測系統的主要建設內容為:在全國選擇有代表性的滑坡、崩塌、地面沉降、地應力區作為地質災害監測示范區,共四類13個示范區。項目充分利用北斗衛星系統的信息傳輸功能,建立三級(地質災害監測總中心、地區級地質災害監測分中心和野外監測站)管理、分布式、模塊化、自動化地質災害監測示范系統。系統的總體結構框架如圖1所示,整個系統分成三個層次:

最底層是設在各省或地區的地質災害頻發地點的野外監測站,負責采集該監測站上各種傳感器獲取的數據,并將這些數據集成、編碼、然后通過北斗用戶機發送給各自的分中心;

第二層是設在各省或地區的地質災害監測分中心,負責該地區的地質災害的監測、分析和處理。分中心利用北斗指揮機直接接收所轄監測站的數據并進行分析、存儲、管理和處理。監測數據只傳輸到分中心,并不向總中心發送,分中心只需按要求定期向總中心匯報工作狀況;

最上層是設在中國地質環境監測院的地質災害監測總中心。總中心從北斗民用管理平臺直接獲取該系統內各監測站設備工作狀況,并從各分中心了解地質災害發生和發展狀況。

整個系統依托北斗衛星系統的信息傳輸功能,實現監測數據和指令的傳輸、監測站的管理以及分中心的管理。在權限管理方面,總中心監控所有的分中心以及分中心管轄下的各測站,分中心監控其管轄下的監測站。本系統包含1個監測總中心和13個監測分中心,因此信息系統包括總中心數據管理軟件和分中心數據處理軟件。

圖1 系統總體結構框架圖

2 總中心軟件

2.1 軟件的結構和功能分析

由于整個系統包括四種地質災害類型示范區,具有眾多特征,如所處地理位置、結構特征、環境地質條件、監測數據類型等,而對于監測系統而言,管理的最終目標是通過數據監測和數據分析,確定示范區的穩定性狀況,以達到預警作用。因此在進行設計時,總中心軟件主要包括數據的接收、錄入和維護,數據的查詢、分析和處理,系統預警,建立數據庫以及為示范區和監測站提供基于位置的GIS服務等功能。至于其它一些特征,則只在備注文字中根據需要或詳或略地進行說明。總中心軟件的主要功能結構如圖2所示。

圖2 總中心軟件功能結構示意圖

2.2 軟件的實現

總中心軟件是在Microsoft Windows Server 2008+Oracle 9i+My Eclipse平臺下開發而成的,客戶端支持Microsoft Windows 2000、XP等系統,客戶端需要在IE Explorer 6.0環境下運行。具體實現結果如圖3所示。

圖3 總中心軟件主界面

3 分中心軟件

3.1 軟件的結構和功能分析

分中心軟件是集數據通信、數據管理、野外監測點監控等功能為一體的地質災害實時監測管理軟件。分中心軟件一方面需要實現地質災害的實時監測,另一方面需要實現對地質災害數據、分中心及其下屬監測站的信息管理。實時監測和數據管理是分中心軟件的兩大基本需求。分中心軟件以數據庫系統為核心,根據系統實際需求分為系統通信控制、監測站管理、數據分析處理、數據庫維護四個基本模塊(如圖4所示)。

圖4 分中心軟件系統模塊劃分示意圖

3.2 軟件的實現

分中心軟件是在Windows平臺下采用串口通信、多線程、ORACLE數據庫、ADO 、MAPX 控件、TEECHART控件等技術手段集成開發而成的,主要實現系統通信控制、監測站點管理、數據分析處理、數據庫維護等功能;具有簡潔、實用、友好的軟件界面。分中心軟件主要包括接收數據、發送指令、掃描數據和控制系統發送指令四個流程,詳細實現過程如下:

1)首先分中心軟件把接收到的數據保存到數據緩存區中,然后根據一定的規則對緩存區中的數據進行處理。如果緩存區存在數據,則調用北斗衛星通信解析模塊對其進行解析,在解析正確的前提條件下,判斷接收到的數據類型。接收數據流程如圖5所示。

圖5 接收數據流程圖

2)分中心不斷的掃描每個監測站的發送標志位,如果存在某一監測站的標志位為1,則說明該監測站的北斗用戶終端目前處于開機狀態,能夠接收系統的控制指令,反之,則繼續掃描系統其它監測站的發送標志位。發送指令流程如圖6所示。

圖6 發送指令流程圖

3)分中心軟件按照一定的定時機制掃描數據庫中的數據,一般情況下,每天掃描前三天的數據,如果發現某個監測站的數據在記錄號上不連續,則把丟失數據的記錄號寫入查詢數據指令緩存中,直至完成所有監測站數據的掃描。

(4)分中心軟件判斷是否收到監測站發送的實時數據,如果收到,則表明該監測站處于工作狀態,可以接收指令,并且會在系統可以預見的時間內(延時時間)關閉北斗用戶終端,此時,設置該監測站的發送標志位為1,同時啟動一個等待定時器,等待的時長為監測站的延時時間,判斷等待定時器是否到時,如果到時,表明監測站的北斗用戶終端已經關機,此時設置該監測站的發送標志位為0。

4 結 論

本項目的目標是在傳統的地質災害監測系統基礎上,利用“北斗一號”衛星系統作為信息傳輸系統,選擇有代表性的典型滑坡、崩塌和地面沉降區作為示范區,建立我國滑坡、崩塌和地面沉降實時監測系統,提高對重點地區地質災害的監測效率和預警能力。而總中心和分中心軟件就是對整個系統中野外監測站所采集到的數據進行收發、存儲、管理、顯示、分析和處理等操作。它們是整個示范工程的運行平臺,是整個項目的核心和樞紐,它使得地質災害監測管理變得更加實時和高效。目前,整個項目已經通過驗收,兩部分軟件已經在監測總中心和各監測分中心安裝使用,運行情況良好。

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