山區公路滑坡實時遠程監測與預警系統

焦盼飛

摘 要：利用精度為1mm的拉索式位移計和精度為0.1mm的雨量計測量公路邊坡的表面位移和降雨量，并將測量數據通過GPRS系統傳送到遠程計算機，以實現公路滑坡的實時遠程監控和預警。同時采用太陽能供電設備為整個系統提供電力。該系統具有經濟、節能、自動化、高效等優點。

關鍵詞：公路滑坡；實時遠程監控；預警

引言

中國山區面積是全國面積的69%。公路滑坡是山區最常見的自然災害。公路滑坡造成交通堵塞，人員傷亡，經濟損失和環境破壞。隨著無線通信技術的發展，遠程監控和預警系統被開發并應用于水電站，采礦和隧道。但在公路工程中并不常用。實際上，公路邊坡的特點是沿路分布，區間長，規模小，數量多并且缺乏統計數據。這就導致了監控成本高，預警困難。目前，常用的檢測方法依舊是手動操作，不能夠在糟糕的環境和氣候條件中獲取數據。盡管GPS可以實現遠程監控，但精度只有3-5mm。

本文介紹一種遠程監測和預警系統，硬件系統是由位移計，網格雨量計，數據采集和傳輸單元，太陽能供電設備集成。本文介紹的實時遠程監測和預警系統具有低成本，節能，自動化程度高，高效的優點。

1 監測系統介紹

該系統主要包括位移計、雨量計、數據采集和傳輸單元。數據傳輸主要基于GPRS系統實現。GPRS是一種基于全球移動通信系統的無線分組交換服務系統。它可以提供點對點，廣域無線互聯網協議連接。在GSM覆蓋的任何地方，GPRS可用于提供強大的便捷的數據傳輸方案。

數據收集器從觸發式位移計和網格雨量計采集數據，并輸送數據到GPRS模塊，該模塊負責將數據包轉換并傳輸至GPRS無線基站。通過數據接收軟件，監測和控制中心的服務器可以從互聯網實時接收數據，并且儲存數據到數據庫，以供數據管理、查詢、分析和網絡共享。

1.1 拉索式位移計

拉索式位移計是用來測量待測點與相對固定點之間的相對位移。測量精度為1mm，測量范圍為400mm。當拉索超過1mm，將觸發脈沖信號并發送到發射機。短距離無線通信功能可以在數米距離不用電纜。通常對于一個滑坡而言，若干位移計需要監測不同位置的位移。為了方便聯網工作，在發射器和接收器之間設立短距離的無線通信裝置。接收器可以同時從8個發射器接收無線信號，然后發送到具有標準通信接口RS-232的收集器。

1.2 網格式雨量計

高精度的網格式位移傳感器被用于網格式雨量計，可以將分辨率和測量精度分別提高到0.01mm和0.1mm。在水容器中兩個電動閥門可以自動控制雨量的進入和排出。并且這種設計可以防止雨量的流失，即使在暴雨天氣下。這種雨量流失常發生在虹吸和桶狀雨量器。

1.3 數據采集和傳輸單元

數據采集和傳輸單元是由數據采集器，GPS模塊和太陽能供應設備組成。數據采集器從不同的傳感器收集數據，并將數據轉換成相同的格式然后發送到GPRS模塊。接通電源后將準備好的域名錄在GPRS模塊并與域名系統服務器聯系，并找到監控中心的IP地址，然后無線通信就可以建立了。

在陽光充足的天氣，太陽能電池板可以為蓄電池充電，為整個系統提供電力。在沒有陽光的陰天，蓄電池可以支持系統持續工作大約20天。

2 監測預警方法

2.1 位移預測

系統提供平滑模型進行監控數據預處理，灰色動態模型和Verhulst反函數模型做短期預測，利用最小二乘擬合模型和神經網絡模型做中長期預測。

當數據達到預先設定的臨界值時，監測點將閃爍四種顏色：藍色、橙色、黃色和紅色，分別對應著四種預警級別。同時，預警的短消息會自動發送到目標手機。

2.2 位移預警方法

對于大多數山區公路滑坡，由于缺乏計算參數，比如力學參數，滲透系數和水土特征曲線，將給穩定性分析計算造成困難。本文提出一種簡化的方法。首先，邊坡機械參數的不同組合E、C、？準（變形模量、內摩擦角、粘聚力）被設計在合適的范圍內。然后運用有限元分析軟件PLAXIS對邊坡進行強度折減分析和塑性分析。最后根據計算結果，建立邊坡安全系數與表面位移的關系，然后可以提出相應的位移預警臨界值。

3 實際工程應用

實時遠程監測和預警系統已經應用于陜西省漢中市G210楊家河段滑坡監測中。2015年6月1日，在該路段邊坡上安裝了7個拉索觸發式位移計和一個網格式雨量計來監控位移和降雨量。

根據上文提到的位移預警方法，通過數值計算不同參數組合，建立了表面位移和安全系數的關系。如圖1。A、B、C、D點是曲線的轉折點，并且可以作為預警點。從六月一日到現在，最大的監測位移是2mm，這就意味著滑坡是低風險。

2015年6月末，該地區遭到暴雨襲擊。該系統監測到位移和降雨量數據。雖然每天的最大降雨量達到80mm，最大有效降雨量達到110mm，位移沒有任何改變，這就意味著邊坡在暴雨下是穩定的。

4 結束語

本文提出的實施遠程監測和預警系統在山區公路邊坡地質災害預警中具有低成本，節能，自動化程度高，效率高的優點。該系統具有邊坡三維地質建模與可視化，數據查詢和繪圖，穩定性計算，位移預測，實時預警的功能。工程應用表明，該系統是成功的，它可以為公路運輸提供安全保障，并減少環境破壞。

參考文獻

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