滑坡監測預警系統的研究與實現

韓祖麗

摘要：本文分析我國現行滑坡監測預警系統存在的不足，結合實踐經驗，基于滑坡監測預警技術和巖石破裂理論，提出一款由滑坡探測器、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，該系統具有集成度高，預警信息發布準確、迅速等特點，為滑坡預警監測提供一種新的監測手段。

關鍵詞：滑坡;監測;預警系統;研究

1、前言

滑坡、崩塌、泥石流、地震是我國危害最大的地質災害。近年來我國大力推動地質災害的專業監測預警工作，建立了大量地質災害專業監測示范點，為防災減災發揮了引領示范作用。但地質災害專業監測在實施過程中也存在一些問題，如監測設備不智能、監測方案不科學、預警模型無法滿足需求等，使專業監測預警未充分發揮作用。

2、提出問題

通過實踐研究，本文從滑坡監測參數、供電問題、監測采集頻率、信號傳輸、滑坡預警模型、設備自檢等六方面分析研究我國現行主流滑坡監測預警系統存在的缺陷，并提出改進建議。

2.1 滑坡監測參數

滑坡監測參數通常可劃分為五類：物理參數、變形參數、機理參數、誘發參數和間接參數。1.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。2.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。3.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。4.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。5.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。

目前我國滑坡地表監測參數以位移、加速度指標為主，通過監測點布置GNSS接收或位移傳感器、加速度傳感器實施監測，但無法無法監測深部巖體變形，對于突發滑坡也無法預警。然而確定滑坡監測參數，要考慮滑坡的變形破壞特征與監測技術的可行性，堅持多參數綜合分析、整體監測與動態預測的原則。國內學者有采用多種探測器采集監測點多參數的報道，但現場組網、安裝、信號傳輸難度大;因而集成監測傳感器、處理器、供電和遠程通信于一體化的智能監測設備，大大降低監測設備被篡改和破壞的風險，是未來的研究熱點之一。

2.2 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。

2.3 監測頻率

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。

貴州龍井村滑坡布設的常規 GPS 監測站，在 2019 年 2 月 17 日凌晨滑坡發生前，常規 GPS 獲取的累計位移剛開始加速時，滑坡已經發生。同樣在 2017年發生在甘肅黑方臺的黨川4#突發型黃土滑坡也出現了常規 GPS 未獲取滑坡加速變形階段的數據，導致漏報預警信息的問題[1]。由此可見，具備不間斷監測或智能調節監測頻率的設備是獲取隱患點有效監測數據的重要條件，但在變頻觸發響應時間，監測頻率變化幅度等具體技術上還有很大的發展空間。

2.4 數據傳輸

滑坡監測預警即是針對信息的采集、傳輸、處理與發布過程，監測數據傳輸的實時性與可靠性至關重要。目前數據遠程傳輸主要包括有線和無線兩種方式。

2.4.1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;并且監測節點傳感器是通過導線串聯起來的，當某個傳感器節點發生故障時， 會影響其他節點正常工作， 不能及時的為預警提供充分的數據支持， 從而影響系統的可靠性。

2.4.2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;合成孔徑雷達干涉測量（ InSAR）， 雖然具有全天候、連續獲取信息和高空間分辨率的特點， 但該方法對干涉相位圖像質量要求高， 需要高分辨率的衛星遙感圖像， 這些決定了它不適合大范圍推廣與應用。無線傳感器網絡（WSNs）的傳感器節點計算能力和數據存儲空間都比其它的終端差，若節點停止工作，網絡拓撲結構也會因此發生變化，數據采集的有效性會受到影響。

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%，同時5G發展迅速，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。

2.5 滑坡預警模型

基于智能監測設備和科學合理的監測方案，可以準確獲取監測點的監測參數（ 如位移、加速度、降雨量等） ，而最關鍵的問題還是根據監測數據分析所建立的滑坡預警模型，建立對滑坡災害的內部量變演化至外部質變的長期監控，做到在地質內部變形滑動發生之前及時發現并進行預警防治。

目前滑坡監測預警技術一般采用閾值模型進行簡單的判斷，以變形、雨量等因素達到某一閾值后進行對應等級的預警。以泥石流為例，降雨是誘發泥石流的關鍵要素，近年來基于過程化的泥石流臨界雨量模型是總結分析前期降雨量、降雨持續時間、累計總降雨量等關鍵降雨特征參數[2]而建立起來的，并且在汶川地震三大片區多次成功預警[3]。貴州龍井村滑坡成功預警，很大程度上得益于建立了過程化的變形切線角預警模型[4]。

但現有的預警模型并未考慮多源數據融合問題，即針對某一災害點雖然布設了多個監測設備，但監測數據的分析預警都是單一設備各自發布，而滑坡的發生需要綜合考慮各個監測設備的數據信息，確保準確判斷滑坡點的發展趨勢和危險性，同時閾值的確定也不盡合理。

貴州龍井村在滑坡隱患點布設了6臺位移監測設備，其中，4#位移計布設在一塊不穩定的巖石上，在2019年2月11日凌晨，由于滑坡變形使該巖石沿張開的裂縫下墜，導致該位移計的監測數據產生了明顯激增，并觸發了過程化的紅色預警，但實質上整個坡體仍然相對穩定，其余監測設備也并未發出報警，在這一過程中單一設備的報警并不代表滑坡即將失穩破壞;而滑坡真正發生的 2019 年 2 月 17 日凌晨，剩余 5 臺自動位移計監測數據一致出現加速狀態并幾乎同時發出了預警信息，從整體上反映出滑坡全面失穩的過程[6]。由此說明，過程化預警模型中多源數據協同的預警技術方法也是今后需要進一步發展的方向。

2.6 設備自檢

滑坡監測設備的狀態檢查、故障判斷、數據發送完整性檢查大多還依靠人工，對于安裝在偏遠山區的監測設備來說，設備的智能化自我管理和自我檢測顯得尤為重要，這方面還需要進一步的發展。

針對滑坡監測預警系統的上述缺陷，筆者通過前期的研究，在滑坡監測系統的監測工作方法，智能化監測設備的傳感器集成、供電、數據傳輸、滑坡預警模型建立等方面取得了一定成果。

3、解決方案

筆者基于滑坡監測預警技術和巖石破裂理論，結合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（原理圖如圖1）。

3.1關鍵技術

3.1.1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。其工作原理：震動傳感器探測到微震動→供電模塊觸發電池向地磁場傳感器、傾角傳感器、加速度傳感器、數據處理器、無線電通信模塊供電→探測磁偏角、傾斜角、加速度的變量→數據處理器根據預設算法計算磁偏角、傾斜角、加速度參數，若達到閾值，將磁偏角、傾斜角、加速度參數和滑坡探測器代碼（代碼預存儲在數據處理器中）→433MHz無線電通信模塊→數據采集中轉站;若監測點的磁偏角、傾斜角、加速度無異常，在每天某一指定時刻，定時開關控制器激活數據處理器，通過無線電通信模塊向數據采集中轉站發送自檢信號。安裝方法：在滑坡監測點，將該探測器豎直進入巖土層約30cm（無需安裝混凝土底座）、夯實、校正。

3.1.2數據采集中轉站設計

數據采集中轉站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。采用薄壁金屬外殼，呈長方體，內部為空腔，截面尺寸約為35×35cm，高約1.2～1.4m，集成無線電接收模塊、數據處理模塊、光伏發電系統（太陽能電池板功率20W、蓄電池60AH）、供電模塊、翻斗式雨量計（承雨口徑：200mm）、報警器、4G通信模塊等。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。

3.1.3監控中心監測系統設計

監控中心監測系統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。

圖1 滑坡智能監測預警系統原理圖

3.2技術分析

3.2.1系統架構及滑坡監測工作方式創新

筆者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。

3.2.2滑坡監測數據采集器集成創新

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。滑坡探測器最小傾斜監測精度達0.1°，達到國內領先水平，能夠對滑坡進行預警，最大化保障人民生命財產安全。

3.2.3滑坡探測器供電方式創新

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。

3.2.4信號傳輸方式創新

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。

結論

綜上所述，本文提出的滑坡智能監測預警系統是滑坡、崩塌、泥石流等地質災害監測的智能化產品，能根據巖土層的微小地質變化，結合多參數算法和滑坡預警模型，對山體、邊坡進行全天候的數據采集、傳輸和分析，使地災防治人員對地質災害作出高效應對，為抵御滑坡災害提供一種新的監測手段。

參考文獻：

[1]亓星，朱星，修德皓，等.智能變頻位移計在突發型黃土滑坡中的應用——以甘肅黑方臺黃土滑坡為例[J].水利水電技術，2019，50（ 5） ： 190-195.

[2]亓星，許強，孫亮，等.降雨型黃土滑坡預警研究現狀綜述[J].地質科技情報，2014，33（ 6） ： 219- 225.

[3]尹國龍.汶川地震三大片區降雨特征分析及泥石流預警方法研究[D].成都：成都理工大學，2014.

[4]許強，曾裕平，錢江澎，等.一種改進的切線角及對應的滑坡預警判據[J].地質通報，2009，28（4）：501-505.

[5]汪江田，顧學章，龔耀，等.從巖石的應變、破裂與電性的變化關系探索對地震的預報[J].地震學刊，2000，20（03）：1-8.

[6]亓星.地質災害專業監測預警技術方法探討[J]. 四川理工學院學報：自然科學版，2019，32（04）：49-54.

基金項目：2020年崇左市科技立項項目（新型滑坡智能監測預警系統研發）