基于GIS滑坡遠程自動化監測與預警系統設計

王偉星，韓 侃，蔣育華，盛 斌，王 瑜

(1.中鐵西北科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000；2.中鐵科學研究院有限公司， 四川 成都 610032)

長期以來滑坡常規監測主要靠現場調查和人工儀器監測。由于滑坡的地形條件惡劣，在現場進行數據采集不僅費時費工，而且還有諸多的安全隱患，惡劣天氣下甚至不能進行數據采集。采用無線傳輸的遠程自動化監測系統不僅可以克服上述問題，還能真正實現滑坡變形動態實時控制，為工程安全提供及時準確的數據。尤其對于處于蠕動擠壓～滑移變形階段的超巨型滑坡，建立滑坡穩定性無線傳輸自動化實時監測系統是必要的途徑[2]。

無線傳輸自動監測系統最終要達到的目標是對該滑坡布置的所有監測儀器實現全自動無人值守測量、數據傳輸與記錄。建立該滑坡的監測數據庫，顯示或打印測量數據報表和數據圖形走勢圖等，為工程安全提供及時準確的數據，并對滑坡可能發生的滑動破壞進行預警預報[3]。

1 遠程自動化監測系統的組建及維護

1.1 遠程自動化監測系統的組建及監測單元布設

1.1.1 遠程自動化監測系統的組建

遠程自動化監測系統是一種全自動無人值守測量、無線數據傳輸的綜合靜態數據采集系統。系統可配接各種傳感器(測斜儀、應變計、應力計、錨索計、荷載傳感器等)，系統由各類傳感器，無線GPRS收發模塊和多個數據采集單元等組成[4]。

通過總線將具有統一工業總線接口的各個監測單元傳感器通過一條或多條總線組成自動化測量系統，用自動化采集箱采集連接總線，定時采集各監測單元數據，實現采集數據的自動化和集成化。自動采集箱主要功能是根據命令控制現場傳感器進行定時自動測量、自動數據保存等功能。

無線模塊通過GPRS與計算機主機相連接后，主機與各個監測單元傳感器之間便建立了一條無線遠程的通信鏈路。主機發送的采集數據命令通過這條通信鏈路經總線送至各個監測單元傳感器，傳感器接收相應控制指令，進行數據采集，并將采集的結果通過這條通信鏈路回送到計算機主機進行處理分析，從而實現遠程自動監控。其工作原理如圖1所示。

1.1.2 遠程自動化監測主要元器件

遠程自動化監測的主要元器件包括滑坡深部位移監測、滑坡地下水位監測、錨索應力監測和氣象監測等四大部分所需監測元器件[4]。具體如表1所示。

圖1 遠程自動化實時監測系統原理圖

表1 滑坡遠程自動化監測主要元器件

1.1.3 數據采集流程

遠程自動化實時監測系統數據采集流程見圖2。

圖2 遠程自動化實時監測系統數據采集流程圖

1.2 遠程自動化實時監測系統的安全設置及維護

遠程自動化實時監測系統的有效保護是系統能夠長期運行的必要條件，也是遠程系統能否實施的基礎。考慮到遠程監控系統的重要性和耐久性，有必要制定一些維護措施，以便避免監控系統受到損壞。

1.2.1 數據線的維護

將總線及各監測單元設備外接分支數據線埋入地下，埋置方式為：

(1) 沿線路走向方向開挖約30 cm深，25 cm寬坑槽。

(2) 將各分支數據線裝入PVC塑膠管并置入坑槽中部。

(3) 采用C15混凝土澆筑，澆筑時保持PVC塑膠管有5 cm的保護層厚度。

(4) 養生，在混凝土上部鋪撒薄層砂土或原植被土，掩蓋混凝土。

1.2.2 錨索測力計的維護

錨索端部安置的錨索測力計長時間暴露在外部易受到損壞，通過在測力計外包2 cm厚的塑膠膜，并在錨力計和外露電纜外，采用木制模板固定后，澆筑C15混凝土封閉處理。電纜外部包裹混凝土厚度不小于10 cm厚，直接引入主管線的電纜槽內。

1.2.3 雨量計和自動化遠程監測設施的設置和安全維護

結合現場實際情況，將氣象雨量計和自動化監測設施放置于相對固定的位置，外部通過鋼網架加鎖封閉保護，固定位置周邊設置標示牌。

2 滑坡自動化監測信息管理系統設計

有效的滑坡動態監測信息管理系統從監測數據采集系統和其他方面取得各種資料信息，便于將各種監測資料迅速而自動地處理成圖表、報表等，并在極短的時間內可以判斷出測值的變化特點，為自動化管理提供條件[5]。

2.1 滑坡動態監測信息管理系統設計原則

系統設計時遵從以下基本原則：

2.1.1 易用性原則

(1) 界面簡單友好，操作方便。

(2) 符合軟件的使用習慣。

2.1.2 穩定性原則

(1) 考慮系統的冗余度，盡可能地避免單點故障，避免本系統故障不會引起系統的癱瘓，同時也要考慮系統與與計算機環境及其他系統的兼容性。

(2) 設計幫助數據庫引導用戶進行正確操作。

2.1.3 性能優化原則

(1) 當系統出現意外故障時能夠盡快恢復正常運行，數據不受破壞。

(2) 在緩存空間有限的情況下，能夠盡快緩存處理，釋放空間。

(3) 檢索高效快速、準確可靠。

2.1.4 易于升級原則

(1) 考慮其它需求，方便隨時添加其他功能。

(2) 考慮兼容性，為系統設計自動升級功能。

2.2 滑坡動態監測信息管理系統功能分析

(1) 監測項目分類。本系統管理的最終目標是監測數據，不同的監測項目產生不同類型的監測數據，要將這些數據加工成適合于數據庫管理的形式，首先需對監測項目進行分類。

應用于滑坡的監測項目較多，其原理各不相同，原始數據、中間數據和結果數據類型亦各有差異。本系統根據實際滑坡監測資料，可將滑坡監測的各種項目及內容按數據庫管理要求歸類劃分[6]，如表2所示。

表2 滑坡監測項目分類

(2) 系統管理目標分析。監測系統的基礎是各種類型的監測點。監測點具有一系列重要的特征，如監測點部位、監測方法、所用儀器、安裝日期等。這些特征是分析判斷滑坡變形和穩定性的前提。一個監測點在某段時間內產生一個監測數據序列。數據序列的變化反映監測點所處滑坡體部位的變形量、速率等動態特征，通過變形分析確定滑坡體的穩定性狀況[7]。

(3) 系統功能劃分。本系統包括以下功能：

① 數據庫錄入與編輯：包括監測數據錄入、編輯及存儲，基本信息的修改，監測點的添加或刪除。

② 數據處理：能夠兼容多種數據格式的輸入及輸出，并根據用戶導出所需數據表格或圖件。

③ 信息查詢：快速方便的查詢到用戶所需要的信息。

④ 數據庫維護：包括備份系統數據、恢復數據庫系統、產生用戶信息表，監視系統運行狀況，保證系統數據安全。

(4) 系統模塊設計。根據監測系統功能需求，設計主要模塊有：

① 數據錄入與編輯模塊：各類監測數據錄入、編輯、存儲等。

② 信息查詢模塊：快速方便的查詢到用戶所需要的信息。

③ 數據庫處理模塊：根據用戶需要輸出或打印出滑坡、觀測儀器、觀測人、觀測數據等信息不同格式的圖表及報告。

④ 數據庫維護模塊：包括備份系統數據、恢復數據庫系統、產生用戶信息表，監視系統運行狀況，保證系統數據安全。

⑤ 用戶幫助模塊：設計用戶幫助模塊，引導用戶進行正確操作。

數據庫模塊劃分關系圖如圖3所示。

圖3 數據庫模塊劃分關系圖

2.3 滑坡動態監測信息管理系統設計

(1) 數據庫及庫表。數據庫及庫表是系統的基礎，是用來存放用戶數據的容器。本系統僅建立一個數據庫，名稱為JFWINFO。數據庫包括以下庫表(見表3)。

表3 系統數據庫表

(2) 系統菜單。本系統采用菜單管理方式，有主菜單和子菜單系統構成，界面參考圖4設計。

圖4 錄入維護菜單

(3) 系統設計。① 錄入維護界面設計[8]。系統對15種數據庫分別設計單記錄錄入維護窗口和多記錄維護窗口，在單記錄維護窗口中，設置的記錄移動條，可以下移一個記錄、上移一個記錄、移動到第一條記錄、移動到最后一條記錄。另外分別設置了快速定位、增加記錄、刪除記錄、取消修改、退出等功能按鈕，對個別需要圖形輸入的數據庫增加了圖像輸入按鈕。為方便輸入每一個數據庫增加了多記錄維護窗口，可以使輸入維護更加快捷方便。② 數據查詢。對系統中的15個數據庫設計了統一的查詢方式，可以提供任意條件的查詢條件。同時可以把查詢結果保存為文本文件和數據庫文件，并且可以在圖形向導的指引下進行簡單的圖形繪制[9]。

(4) 圖形輸出。根據用戶需要可以進行圖形輸出。根據需要系統可以生成圖形。圖形的處理主要在查詢結果窗口，因為一般的圖形是特定條件下的圖形，在查詢結果窗口可以根據查詢的數據繪制簡單的圖形。

(5) 報表輸出。輸出用戶所需信息報表。包括以下幾種類型：滑坡或監測點基本信息報表；監測人員、儀器、儀器生產廠家等輔助性報表；各類監測數據報表；曲線、統計數據等結果主表。

(6) 其它。根據系統中的數據庫維護等內容，主要完成對數據庫的加密和解密及數據庫的備份和恢復。防止無關人員有意或無意對數據庫進行損害，或者在數據庫遭到損害時進行數據庫的恢復。

在實際應用中，由于多方面的原因，數據表中可能存在無效的記錄，即非法記錄。包括：點號為空的記錄。數據原始觀測值為空的記錄；日期為空的記錄等。當非法記錄達到一定的數量時，將影響系統性能。及時清除非法記錄，是維護系統正常運行的必要措施。

3 滑坡災害預報及應急響應

滑坡災害應急救援預案主要內容包括：

(1) 事故類型和危害程度分析：滑坡類型、事故類型及危害、滑坡的主要致因、事故易發生的場所、事故發生的預兆、防范措施等。

(2) 組織機構及職責：滑坡應急救援指揮部、應急救援組織機構框圖、滑坡應急組織機構職責等。

(3) 預防與預警：他險源監控、預防措施、預警行動等。

(4) 信息報告與處置程序：危險源監控、預防措施、預警行動等。

(5) 應急響應：啟動條件、響應分級、響應程序、擴大應急、處置措施、應急結束、后期處置等。

(6) 應急物資與裝備保障：通信及信息保障、應急隊伍及裝備保障等。

(7) 培訓和演練：培訓、演練、獎懲等。

4 結 論

通過對滑坡遠程自動化監測與預警系統的實踐應用，所得結論如下：

(1) 滑坡遠程自動化監測系統的組建經濟合理，數據準確可靠，達到了遠程自動化監測的目的。

(2) 滑坡自動化監測信息管理系統界面友好，操作簡單，功能基本齊全，達到了預定設計功能。

(3) 預警信息及時準確，滿足滑坡災害應急響應的需要。