山體滑坡監測預警系統研究

陳羽玲 韓祖麗

摘要：我國是一個山體滑坡頻發的國家，經濟建設和人民的生活因此遭受了嚴重的影響。本文主要基于滑坡監測預警技術和巖石破裂理論，深入研究滑坡監測數據的采集、傳輸、利用機理，按照“指標智能監測、信號自主傳輸、險情自動預警”的設計理念，通過滑坡監測預警設備的集成創新，研究一款由滑坡探測器、數據采集中轉站、監控中心監測系統三部分構成的滑坡智能監測預警系統，解決目前滑坡監測預警設備集成度和智能化程度低、功耗大等難題，為抵御滑坡災害提供一種新的監測手段。

關鍵詞：滑坡;智能監測;預警系統

一、研究背景

（一）我國地質災害頻發

我國疆域遼闊，地質環境復雜多樣，且地質災害具有分布廣、類型多、頻度高、強度大等特點， 地震、崩塌、滑坡及泥石流等已經成為對我國危害最大的地質災害，給人們的生命和財產帶來了重大威脅。根據2006年—2015年的全國地質災害公報，我國平均每年發生滑坡與泥石流地質災害2萬余起、傷亡1千余人、受災人口90多萬，直接經濟損失10億元以上。

（二）防災減災是國計民生

黨的十九大報告中明確提出要“加強地質災害防治”。2018年10月，習近平總書記主持召開中央財經委員會第三次會議，專門研究提高我國自然災害防治能力問題，提出加強自然災害防治關系國計民生，建立高效科學的自然災害防治體系，提高全社會自然災害防治能力。2011年國務院發布《國務院關于加強地質災害防治工作的決定》，指出地質災害的防治要加強監測預報預警，完善監測預報網絡，加強預警信息發布手段建設。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》，將構建重大地質災害保障體系作為重點領域。2003年國務院發布《地質災害防治條例》，使地質災害防治有法可依。這些都為我們做好地質災害防治工作提供了依據，指明了工作方向。

（三）當前我國山體滑坡監測技術需進一步改進

我國近年來大力推動地質災害的專業監測預警工作，大量的地質災害專業監測示范點得以建立，為防災減災發揮其監測預警作用。目前，國內外在山體滑坡監測方面上主要監測手段包括有：宏觀地質監測法、設站觀測法、全球定位系統法、遙感方法、鉆孔測斜儀法，以及新興的光電傳感監測技術。雖然說這些方法、技術和儀器現在已經比較成熟，但是都存在各種問題，有些測量精度不夠、有些需要人定期到現場進行，使得滑坡監測缺乏實時性。在很多情況下，不穩定邊坡處于邊遠地區，而暴雨、地震等誘發的滑坡也使得人員很難到達，尤其是在滑坡的臨發階段，人員到現場監測可能存在危險。同時，由于我國地質災害眾多，受制于相關專業技術人員的欠缺，地質災害專業監測在實施過程中也存在一些問題，如監測設備不夠智能、監測方案不夠科學、預警模型無法滿足需求等，使專業監測預警的作用沒有完全發揮出來。2006～2015年10年間，我國成功預報滑坡等地質災害發生累計僅9812次，成功預測率僅3.76%。

二、國內外研究現狀

近年來，為了提高滑坡預警的準確性、時效性和降低監測設備成本，國內學者和技術人員對滑坡監測系統開發進行了深入的研究，并公布了很多具有實用性的專利和研究成果。

王念秦等[1]公開了一種坡體點位移運動方位監測裝置及其監測方法，該監測儀包括方位監測儀和數據處理模塊，方位監測模塊包括殼體電子線路板、微控制器、第一無線通信模塊、三軸陀螺儀、三軸磁場傳感器和溫度傳感器;方位監測模塊設置第一無線通信模塊，數據處理模塊設置第二無線通信模塊，方位監測模塊監測到的數據通過第一無線通信模塊和第二無線通信模塊無線發送至計算機，實現數據的無線傳輸，便于方位監測儀的安裝。實現坡體監測點的方位動態監測，操作簡單，監測精度高。

張曉華[2]公開了一種山洪地質災害綜合監測預警系統及實現方法，系統包括預警平臺和無線傳感器網絡，無線傳感器網絡包括智能網關和多個監測樁，監測樁包括洪水監測樁和振動監測樁，洪水監測樁用于對洪水水位報警等級和樁體自身的傾斜角度進行監測，振動監測樁用于對樁體自身受沖擊導致的加速度和傾斜角度進行監測，監測樁還具有現場告警功能，所述監測樁的數據通過智能網關發送到預警平臺;通過RS485通信模塊采集現地雨量計的降雨量數據，根據現地降雨量的監測數據動態調整輪詢的時間;預警平臺將監測數據信息實時在GIS信息地圖中展示，同時還以Web形式對大眾進行實時預警展示。

張飆、周叔一等[3]公開了一種實用的滑坡預警裝置，包括一個主控單元和多個滑坡傳感器。主控單元由無線接收模塊、微處理器、短息模塊、存儲模塊、聲光報警器、狀態指示模塊和接收天線構成。滑坡傳感器由機械式雙軸傾角檢測模塊，無線發射模塊，天線和電池構成。多個滑坡傳感器垂直于水平面埋入可能出現滑坡的現場的不同位置，各滑坡傳感器可設置不同的傾角閾值，且平時處于斷電狀態。主控單元安裝在滑坡點附近的人員家中或企事業單位內或其它能夠不間斷供電的地方。機械式雙軸傾角檢測模塊兼做電源開關，平時不耗電，只有滑坡跡象出現時傾角閾值達到才觸發供電。采用長壽命堿性干電池供電，未出現滑坡時，滑坡傳感器可保證五年不用換電池;每個滑坡傳感器中的機械式雙軸傾角檢測模塊可以預設不同的傾角檢測閾值，在滑坡的蠕動變形階段、急劇變形階段和滑動階段都能發出預警信號。

L. Zan 等[4]研制的“超前預警監測系統”，能夠自動監測滑坡體內的震動噪音、孔隙水壓力、地表位移、降雨量等參數，并自動激發警報程序發出滑坡災害預警。

B. A. Reevea 等[5]利用In-SAR 技術，對露天礦巖石邊坡進行監測，監測目的是為了對經常發生崩塌災害的邊坡進行穩定性評價，以此來判斷邊坡的穩定狀態。

R. Ohbayashi 等[6]提出應用“感知節點網絡系統”對滑坡體變形進行監測，該系統具有自我恢復、自動控制和高效數據傳輸功能，避免自然災害對傳感裝置的破壞。

三、我國滑坡監測領域亟待解決的關鍵技術問題

在滑坡監測預警領域，國內學者的研究成果集中在滑坡監測數據傳輸技術、數據處理模型、數據處理軟件單一學科為主。研究中發現我國現行主流滑坡監測預警系統在以下方面有提升空間：

（一）滑坡監測參數

滑坡監測參數通常可劃分為五類。一是物理參數，實踐中將聲發射數和射氣量變化兩個指標作為滑坡預報物理指標。二是變形參數，各種試驗證明，位移是一個容易測量和獲得的特征變量，它能夠反映巖土體的變形破壞特征。三是機理參數，滑坡機理預測參數指的是表示滑坡地質災害變形作用機理的參數。四是誘發參數，滑坡預報的誘發參數指的是誘發滑坡活動的參數。降雨量、人工幵挖坡腳、地表水和地下水作用是其常用指標。這些參數不是滑坡變形的本質參數，但卻是導致滑坡發生的主要誘發因素。在宏觀上講，降雨量也可作為中長期預報的參數。五是間接參數，滑坡間接預報參數是指難以準確量化的滑坡監測指標，通過特殊的理論分析，用定量的指標表示分散且模糊不清的信息。

（二）供電問題

采用拉線方式給野外滑坡監測設備供電的方式，施工難度大，長距離輸電會造成電壓不穩定，受限較多;當前許多監測設備已升級采用光伏發電的供電方案，即通過立桿支架連接太陽能板，再配合大容量蓄電池組成供電模塊，確保設備長期監測的用電需求，但在實際監測過程中發現，設備零部件多、體積較大，增加了偏遠山區運輸的難度，也使后期維護工作量大大增加。使監測設備的供電模塊輕量化，功耗低，不依靠外部供電就能保證正常工作是未來研究的熱點。

（三）監測頻率問題

目前主流的監測設備為了節省設備功耗，無法實現不間斷監測，以GNSS接收機為例，通常是0.5～2小時監測一次，監測頻率依靠人工設置，這將造成突發型滑坡和崩塌無法獲取有效監測數據，產生漏報預警信息的嚴重后果。

（四）數據傳輸問題

目前數據遠程傳輸主要包括有線和無線兩種方式。有線方式通常受滑坡監測區域環境復雜、線路架設和電源供給難等限制， 使得有線系統部署起來非常困難，系統維護十分不便。無線方式對于遠程無線傳輸，廣泛采用的是基于移動通信技術的傳輸方式，包括 GPRS、CDMA 及 4G 網絡等;對于其他無線方式如北斗（BDS）GPS、GIS的數據采集終端， 成本高，衛星數較少、分布不均衡，面向民用領域的數據傳輸應用領域還存在一定的局限性。

隨著現代通信技術的不斷更新，我國行政村4G覆蓋率已經超過98%，能夠滿足用戶對更大容量數據遠程無線傳輸的高效性與可靠性要求，也是本研發系統采用的遠程數據傳輸方式。

四、山體滑坡監測預警系統研究

基于滑坡監測預警技術和巖石破裂理論，深入研究滑坡監測數據的采集、傳輸、利用機理，按照“指標智能監測、信號自主傳輸、險情自動預警”的設計理念，通過滑坡監測預警設備的集成創新，研制一款由滑坡探測器、數據采集中轉站、監控中心監測系統三部分構成的滑坡智能監測預警系統，解決目前滑坡監測預警設備集成度和智能化程度低、功耗大等難題，為抵御滑坡災害提供一種新的監測手段。

（一）山體滑坡監測預警系統關鍵技術

（1）滑坡探測器設計：根據“滑坡發生前，巖石的微小變形均會導致地磁感強度、磁偏角、磁傾角變化”的機理，通過監測地磁變化作為預警滑坡發生的核心指標。滑坡探測器采用工業塑料外殼，呈圓柱體，截面直徑8～10cm，高0.6～0.8m，內部集成震動傳感器、地磁場傳感器、傾角傳感器、加速度傳感、數據處理器、供電模塊、干電池、433MHz無線電通信模塊、定時開關控制器等元器件。

（2）數據采集中轉站設計，具備接收多個滑坡探測器信號、滑坡點判斷、報警器報警、險情廣播、向監控中心監控系統發送信號等功能。翻斗式雨量計用于監測降雨臨界值和土壤含水，作為判斷滑坡的輔助參數。

（3）監控中心監測系統設計，具備接收數據采集中轉站數據、滑坡監測模型動態曲線、自動呼叫險情負責人、動態顯示各滑坡探測器狀態、監測數據存儲管理、歷史監測數據查詢、警報數據查詢、數據收發接口管理、自動生成報表、系統維護管理等功能。

（二）山體滑坡監測預警系統的創新性

（1）系統架構及滑坡監測工作方式

本項目對滑坡監測系統架構及滑坡監測工作方式方面進行了改革創新，特別是自主研發的滑坡探測器、數據采集中轉站、監控中心監測系統三者集成度高，銜接性強、依次遞進;預警信息發布準確、迅速;便于批量生產和推廣。

（2）滑坡監測數據采集器集成

根據“滑坡發生前，巖石的微小變形均會導致地磁感強度、磁偏角、磁傾角變化”等研究成果，提出在滑坡探測器內集成傳感器作為數據采集器，以地磁場為核心監測指標，通過監測地磁變化等作為預判滑坡的監測工作方式;突破當前市場主流滑坡監測器采用GNSS接收機作為數據采集器，依托衛星定位系統，以監測點坐標變化為監測指標，僅在較大滑坡發生時才警報的工作方式。

（3）滑坡探測器供電方式

滑坡探測器采用分級觸發式供電，通過供電模塊創新，使滑坡探測器僅需電池供電，解決困擾監測行業多年的供電問題。

（4）信號傳輸方式

數據采集中轉站設計，具備接收多個滑坡探測器信號、滑坡點判斷、報警器報警、險情廣播、向監控中心監控系統發送信號等功能。工作原理：無線電接收模塊接收滑坡探測器信號→數據處理模塊判定滑坡發生點的位置和預警級別→觸發安裝在數據中轉站上的報警器或廣播，播報預警信息（若未達到相應預警級別則不警報，直接將信號傳遞至下一級）→4G移動通信模塊將滑坡探測器代碼和磁偏角、傾斜角、加速度參數通過移動網絡發送到監控中心監測系統;若為滑坡探測器的每日自檢信號，數據處理模塊直接通過4G通信模塊將自檢信號發送給監控中心監測系統。翻斗式雨量計用于監測降雨臨界值和土壤含水，作為判斷滑坡的輔助參數。安裝方法：安裝在滑坡監測點附近的居民區或邊坡的高位，通過地腳螺絲與地面固定牢。

通過無線電信號傳輸模塊和4G通信模塊的組合，保證信號實時、精準傳輸，解決了GNSS接收機采用GPS傳輸模塊因信號不穩定導致數據傳輸延遲、中斷等問題。與市面上同類產品相比，成本更低、監測范圍更廣，受氣候條件影響小。

參考文獻：

[1]王念秦，魯興生，等.一種坡體點位移運動方位監測裝置及監測方法[P].中國：CN110763214A.2020.02.07.

[2]張曉華.一種山洪地質災害綜合監測預警系統及實現方法[P].中國：CN105678966A.2016.06.15.

[3]張飆，周叔一，等.一種實用的滑坡預警裝置[P].中國：CN208422064U.2019.01.22.

[4]ZAN L，LATINI G，PISCINA E，et al. Landslides early warning monitoring system[C]// Geosciences and Remote Sensing Symposium. [S.l.]：[s.n.]，2002：188–190.

[5]REEVEA B A，STICKLEY G F，NOON D A，et al. Developments in monitoring mine slope stability using radar interferometry[C]// Geosciences and Remote Sensing Symposium. [S.l.]：[s.n.]，2000：2325–2327.

[6]OHBAYASHI R，NAKAJIMA Y，NISHIKADO H，et al. Monitoring system for landslide disaster by wireless sensing node network[C]// SICE Annual Conference 2008 IEEE International. [S.l.]：[s.n.]，2008：1704–1710.