高風險巖土工程區域中的地質災害綜合預警系統設計及應用

嚴博俊，陳紅磊

（江西省地質礦產勘查開發局水文地質工程地質大隊，江西 南昌 330046）

地質災害是在一定的強度或者降雨持續時間的區域，由于某種特殊的地形和地質條件所發生的，具有危害性大、難以控制、突發性較強等鮮明特點，尤其是在高風險巖土工程區域，地質災害更常見，且更容易發生。高風險巖土工程區域中一旦發生地質災害，不僅會使巖土工程施工停滯不前，而且還容易對施工設備和施工人員造成傷害，嚴重威脅區域施工人員的生命安全，因此對高風險巖土工程區域中的地質災害綜合預警系統研發設計是非常有必要的。地質災害預警系統的主旨目標是要迅速收集地質信息，精準做出地質災害預警判斷，并及時做出預警警報，使高風險巖土工程區域的施工人員及時撤離，并做出預防措施。地質災害預警系統的設計與研發主要由軟件平臺作為支撐，依靠預警決策單元做出地質災害判斷，使整個地質災害的預警決策更加現代化和信息化。但是目前現有的系統在實際應用中經常出現錯報、漏報現象，并且對于綜合地質災害的預警不夠及時，地質災害預警及時率較低，已經無法滿足高風險巖土工程區域地質災害綜合預警需求，為此提出高風險巖土工程區域中的地質災害綜合預警系統設計及應用。

1 高風險巖土工程區域中的地質災害綜合預警系統硬件設計

1.1 地質數據采集器

地質數據采集器是整個系統的核心硬件之一，地質數據采集器主要目的是用于收集高風險巖土工程區域中的地質數據，其中包括地下水水位、地下水水壓、地下水水量、降雨量、水庫及塘壩水位變化等相關數據，采集高風險巖土工程區域中地質情況數據。此次設計的地質數據采集器型號為TU2305-L4，擁有6 路開關，且芯體尺寸為32 位，運行速度在120MHz。地質數據采集器以智能化形式為主，使用模糊綜合評判的形式與計算機網絡形成地質資源共享，并對反饋信息實現應答，滿足高風險巖土工程區域地質災害預警的條件。地質數據采集器采用較成熟的集成式結構體系，包含高風險巖土工程區域地質災害檢測站點/服務器雙層結構體系模式，以及客戶端瀏覽器/服務端口雙層結構體系模式，在此基礎上，搭配服務器，構建成一個完整的高風險巖土工程區域地質災害數據采集的局域網，該局域網接口為10/100/1000mbps[1]。在該局域網下，結合系統的預警器、數據處理裝置以及相關的網關設備，均在統一的HTTP 協議下實現地質數據的開放性和共享性，方便與系統其他軟件和硬件的地質數據傳輸。為保證地質數據共享的前提下，多方面保證系統的硬件不受到外界攻擊，在地質數據采集器上添加一個多層次結構的安全框架，用來維持地質數據采集器的數據安全。

1.2 報警器

報警器的作用是當系統檢測到高風險巖土工程區域可能發生地質災害時發出報警信號，起到預警提示作用，此次選用GFJK-S0DA 型號報警器，該報警器有紅黑、黃白、藍白三種接線，其中紅黑接線表示電源信號，黃白接線表示常開信號，藍白接線表示常閉信號，工作溫度最高可以承受80℃，最低可以承受零下35℃，可以滿足高風險巖土工程區域惡劣的氣候環境。并且該報警器內含LS2604 語音提示芯片，該芯片采用2.2V 供電，可以利用喇叭實現多次數地質災害警示語音播放、點動播放以及循環預警語音播放[2]。當系統預測到高風險巖土工程區域可能發生地質災害時，GFJK-S0DA 報警器將以最大音量進行語音提示,提示內容可以自定義設置，也可以采用設備語音提示，并根據系統預測到的地質災害等級大小發出不同的警示光，當系統預測到高風險巖土工程區域中可能發生大型地質災害時，GFJK-S0DA 報警器將會發出紅色警示光；當系統預測到高風險巖土工程區域中可能發生中型地質災害時，GFJK-S0DA 報警器將會發出黃色警示光；當系統預測到高風險巖土工程區域中可能發生小型地質災害時，GFJK-S0DA 報警器將會發出藍色警示光，根據發出不同的光提示用戶地質災害等級以及嚴重程度。結合此次設計系統的實際需求，設置報警器電阻值為95KΩ，采樣頻率為4.69KHz，播放時間為5s，將其安裝在高風險巖土工程區域中的通風處，避免因信號采集不到而影響報警器的靈敏度。

2 高風險巖土工程區域中的地質災害綜合預警系統軟件設計

2.1 地質災害綜合數據接收及處理

結合系統對地質災害綜合數據接收設計了數據接收模塊，其接收設計如下：首先，將數據接收單元初始化，在該單元設置地質災害數據接收對應參數信息及漏接收標準；其次完成數據復位，等待數據接收單元自動中斷數據獲取，并連續讀取系統信道中的地質數據信息，再次復位并啟動數據接收單元；最后在地質數據接收過程中賦予引腳一個較高的地質脈沖信號，保持脈沖寬度在50ns～60ns 之間，完成復位[3]。在A/D 轉換轉換過程中由于脈沖會導致轉換中斷，當系統的數據提取單元施加脈沖時，數據寄存單元輸出的內容會將復位調整到全零狀態，因此，考慮到這一問題的發生，本文選擇在初始化開始階段完成對BP1608 的復位。在給BP1608 的引腳一個較低的脈沖信號時，同時啟動A/D 轉換，并將采集到的地質災害數據信號提取。

采集到的地質信號受到高風險巖土工程區域外部環境的影響，會產生較大的噪聲影響系統最終的預警結果，因此在系統中設計了數據處理模塊。利用濾波技術將在工頻超過50Hz 區域獲取到的地質信號進行濾波處理，再采用三階帶通濾波電路對50Hz 帶通濾波器進行計算，其計算公式如下：

公式（1）中，P 表示為系統數據處理單元濾波計算矩陣；r 表示為區域內某一點到磁場源之間的距離；t 表示為地質數據磁場厚度；f 表示為地質數據內電磁波振幅；d 表示為地質數據內電導率； 表示為地質數據電磁波透入深度。根據上述公式完成對地質數據的降噪處理，將處理后的地質數據以相應格式存儲到系統數據庫中，用于地質災害綜合分析及預警。

2.2 地質災害綜合預警

完成對高風險巖土工程區域地質數據接收和處理后，由地質災害綜合預警模塊對地質數據進行分析，計算出高風險巖土工程區域中發生地質災害的概率，其計算過程如下：將處理后的所有地質數據按照類別進行分析，主要分為地下水、地表水、巖土、降雨量四類，每一類地質數據建立相應的數據集合，并將四個集合中的地質數據按照相同標準進行量化。并根據地質災害發生特征以及以上四個因素對地質災害的影響程度分別設計一個閾值，結合該兩項指標對高風險巖土工程區域中的地質災害發生概率進行計算，其計算公式如下：

公式（2）中，q 為高風險巖土工程區域中的地質災害發生概率；s、d 、g 、r 分別為地下水、地表水、巖土、降雨量四個數據集合的量化值；a 為根據地下水、地表水、巖土、降雨量四個因素對地質災害的影響程度設定的閾值。如果量化值大于設定發的閾值，則說明區域內會發生地質災害，超出的數值則代表著地質災害發生概率以及等級大小，超出的數值越小，則表示發生地質災害的概率越低，地質災害等級越低。系統根據公式（2）計算到的結果，向外發出預警提示，以此完成高風險巖土工程區域中的地質災害綜合預警系統設計。

4 實驗論證分析

實驗以某高風險巖土工程區域為實驗環境，利用此次設計系統與傳統系統對該區域地質災害進行綜合預警，實驗環境設計如下：兩組系統均使用AMD Phenorn X8CPU,采用AMD785G芯片，硬盤采用280G SATA7200 轉硬盤，采用獨立521M 顯卡，Windows 7 32-bit 操作系統。實驗將該區域劃分成A、B、C、D 四個地質災害預警區，每個區域分別布置三個監測點用于采集地質數據。實驗記錄每個區域地質災害預警情況，將系統顯示預警時間與地質災害實際發生時間比較分析，利用GHJ 軟件計算出兩個系統的預警及時率，將其作為實驗結果，對兩個系統進行對比分析，實驗結果如下圖所示。

圖1 兩個系統預警及時率對比圖

從上圖可以看出，此次設計系統預警及時率較高，最高值可以達到97.3%，平均預警及時率可以達到95.2%，遠遠高于傳統系統，說明此次設計系統能夠及時預警到高風險巖土工程區域中的地質災害，這是因為此次設計系統采用了模塊式設計模式，各個模塊能夠對地質災害相關情況及時獲取、處理和分析，因此此次設計系統相對于傳統系統更適用于高風險巖土工程區域中的地質災害綜合預警。

5 結語

通過本文設計的綜合預警系統，能夠實現對于地質災害信息的快速采集、處理以及分析，為高風險巖土工程提供精準的地質災害區域信息。通過系統針對地質災害的預警功能，能夠在感受地質災害發生之前，執行報警操作，進而控制巖土工程的高風險性。以此，可體現出本文設計預警系統在高風險巖土工程區域應用中的實際價值，在未來的研究中有必要加大研究力度，進一步深化地質災害綜合預警系統優化設計，確保高風險巖土工程區域安全，不受地質災害的威脅。