大規模多傳感器滑坡自動監測系統

文/歐陽芬芳 王靜 曾祥飛

滑坡穩定性因素包括地形地貌、地質構造、水文氣象、地層巖性、人類活動等，這些因素對滑坡穩定性的影響程度及作用期限尚不能確定，如降雨是影響滑坡穩定性的重要因素，雨量的大小與滑坡發生的模型依然具有不確定性[1]，雨后多長時間內發生滑坡的可能性也不能用函數關系表示[2]，同時，在未有降雨的情況下也發生滑坡。因此，多傳感器自動監測對提高滑坡監測效率、管控滑坡風險具有重要的意義。

滑坡監測的主要物理量有地表變形、深部變形、結構應力、環境因素，主要監測方法有大地測量、鉆孔測斜、巖土體應力、降雨量等[3,4]，監測方式由地面監測發展到地、空、天多維多基監測，地面監測由人工實地監測到遠程自動監測，監測因素由單一因素到多因素[5,6]；與滑坡監測方式對應的滑坡監測管理信息系統也開展了廣泛的研究，這些管理信息系統具有監測數據傳輸、數據存儲、數據處理、監測預報模型實現等功能[7,8]，在遠程自動滑坡方面也有較多的管理系統，如朱星等[9]利用GPS/GPRS進行遠程滑坡監測，桂維振等[10]通過無線傳感器網絡獲取監測要素，通過GPRS網絡實現遠程滑坡監測。但是，已有的自動監測管理系統對于大規模多傳感器滑坡自動監測，在監測點分類管理、多傳感器通信流程控制等方面存在不足。

針對以上不足，通過分析多滑坡多傳感器遠程監測管理信息系統需求，構建系統軟件框架與數據資源模型，設計多傳感器通信流程控制方法。

1 系統需求分析

滑坡地質災害具有自然屬性、工程屬性和社會屬性，大規模多傳感器滑坡自動監測系統具有涉及工程技術面廣、參與工程協作單位多、地域范圍大等特點，大型滑坡監測工程用戶關系如圖1。

圖1：大型滑坡監測工程用戶關系圖

圖1中，大型滑坡監測工程立項單位多為政府部門，由政府部門委托業主單位負責實施，一個工程包含多個監測點，監測單位投標參與監測工程，監測單位可以監測整個工程，也可以是其中的1個或幾個工點，對于小型滑坡監測工程項目工程立項單位可能為企事業單位，也可以不需委托業主單位。

大規模多傳感器滑坡自動監測系統主要功能如圖2。

圖3：大規模多傳感器滑坡自動監測系統框架

圖2中，監測儀器能量模塊則以蓄電池為主，太陽能充電為輔，為傳感器模塊與通信模塊供電；傳感器模塊包括了多個滑坡要素物理量測量傳感器，如深部位移、水壓、雨量等傳感器；通信模塊接收數據、存儲數據、發送指令等功能；監測管理模塊包括了監測模式與監測點信息管理，其中監測模式包括條件監測模式與定時監測模式，定時監測模式通過設置時間間隔來采集傳感器數據，條件監測模式則是在監測過程中如果位移大于所設的閾值則進行重復多次觀察；預警管理模塊設置預警的信息，用戶可以根據實際情況設置一定的閾值，可以將預警情況劃分等級；工程管模塊包括了工點、項目的管理，并控制著用戶的訪問權限；圖層管理模塊提供用戶可視化界面，用戶可以切換不同的地層，并且可以直觀的在地圖上看到監測點的狀態；數據分析模塊根據傳感器數據進行計算并繪制不同的類型的監測量曲線。

2 系統框架及關鍵技術

2.1 系統框架

圖4：大規模多傳感器滑坡自動監測系統E-R模型

圖5：大規模多傳感器滑坡自動監測系統讀寫分離結構

圖6：通信流程控制技術流線圖

大規模多傳感器滑坡自動監測系統主要采用asp.net MVC框架[11]，主要分為視圖層、控制層、業務邏輯層、數據訪問層（如圖3所示）。

圖3中，視圖層呈現用戶界面，通常具體到業務功能的行為事件；控制層用于接收用戶輸入的數據、跳轉到視圖層以及調用業務邏輯層，通常以業務功能劃分；業務邏輯層處理復雜業務邏輯，并連接控制層與數據訪問層；數據訪問層實現各業務層與數據庫交互，將存儲在數據庫中的數據提交給業務層，同時將業務層處理的數據保存到數據庫，以數據庫表劃分不同的接口；通用類庫，存放一些經常使用的方法或者屬性；業務實體一般是數據庫中映射的表，或者是用戶自己抽象的類，這些實體類一般只實現get、set以及構造方法。

2.2 實體關聯（E-R）概念模型

數據庫設計是管理信息系統的重要組成部分，實體關系（E-R）概念模型決定系統數據庫的架構，構建數據庫實體關系概念模型是實現數據庫設計的關鍵技術。滑坡監測工程所包含的主要實體有工程、工點、監測儀器等，其實體關系概念模型如圖4。

圖4中，1工程包含多個工點，1個工點包含多個監測點；1臺監測儀器存在多種類型的傳感器，同時1個監測點存在多臺監測儀器，因此，1個監測點可以擁有多種監測模式；根據工點滑坡地質力學環境可以設置不同的預警指標。

在實體關系概念模型的基礎上，邏輯設計主要包括各類數據表的設計，如與工程管理相關的數據表有工程表、工點表、監測點表等；與監測設備相關的有監測儀器基本信息表、傳感器表、傳感器校驗參數表等；與滑坡監測相關的有監測模式表、監測數據表、監測人員表等；與預警相關的預警閾值表、預警人員推送表、預警模型計算參數表等。

2.3 多傳感器通信流程控制

大規模多傳感器滑坡自動監測系統監測點多，多傳感器實時數據采集與傳輸，數據緩存及通信流程控制是關鍵?？紤]到多傳感器讀寫安全性，在數據通信中采用讀寫分離，如圖5所示，在監測平臺與儀器通信模塊中間加入通信程序，該通信程序起到緩沖、轉發的作用。通信程序接收到監測儀器數據后，將其寫入數據庫，再轉發到監測平臺；同時，通信程序將監測平臺發送的操作指令轉發到監測儀器。并且監測平臺還可以從數據庫直接讀取數據進行展示、分析等操作。

通信程序使用SuperSocket[12]作為服務器Socket框架，通信程序作為服務端，監測儀器與監測平臺作為客戶端。當通信程序驗證了監測平臺與監測儀器的身份后，將其會話信息存入全局字典，用于轉發信息，其中，監測儀器的key使用儀器編號，監測平臺的key使用“WebClient”。當通信程序收到監測平臺數據時候，執行圖6(a)的流程；當通信程序收到監測儀器的數據時候，執行圖6(b)的流程。

當通信程序與儀器建立長連接后，儀器為減少電池用量，（除通信模塊外）其他模塊進入休眠狀態，利用SuperSocket自帶的心跳包維持連接，通信程序只需要等待Web端發送監測模式信息，通信程序根據不同的監測模式發送間隔時間不同的采集命令到相應的監測儀器。

3 系統應用

大規模多傳感器滑坡自動監測系統，已由貴州交通規劃勘察設計研究院股份有限公司自2018年1月投入生產應用以來，系統累積監測滑坡數量超過100個，實時在監滑坡超過10個，系統運行正常。系統主界面如圖7。

圖8為監測實例降雨量和深部位移曲線圖，所用儀器為雨量計和深部位移監測儀，其中深部位移監測儀為含有24個重力加速度傳感器，其監測模式采用每隔30分鐘監測一次，由于監測數據量所展示的展示部分曲線。

從圖8中可見：深部位移曲線與降雨量有較為一致的對應關系，降雨量數據在一定程度地反映滑坡深部位移變化的原因。

4 結束語

多傳感器滑坡監測是研究滑坡機理，減少滑坡災害發生的風險的有效手段；大規模多傳感器滑坡自動監測系統具有實時性、多任務、涉及技術環節復雜等特點，構建良好的軟件框架是系統開發的基礎，通過1年多的系統運行表明，本系統所構建的用戶關系模型、滑坡實體關系模型以及多傳感器通信流程控制方法是適合的。

圖7：滑坡監測工程信息管理系統界面

圖8：監測實例降雨量與深部累積位移曲線圖