基于傳感器的邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

葉子坤

摘 要：為了減少邊坡災(zāi)害的發(fā)生，本研究基于分布式傳感器開發(fā)出一個(gè)邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)具有無線通信和傾斜檢測(cè)的功能。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并將修正后的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，該基站可在緊急情況下向管理員發(fā)送警報(bào)消息。本研究開發(fā)的邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已安裝在甘肅某鐵路沿線的一個(gè)邊坡上，并進(jìn)行了為期8個(gè)月的性能評(píng)估試驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，所開發(fā)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠有效地檢測(cè)出邊坡災(zāi)害。但在該系統(tǒng)啟動(dòng)階段，系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的幾何布置可能會(huì)導(dǎo)致需要較長(zhǎng)的時(shí)間來建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，如何快速布置邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器仍須進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)系統(tǒng);分布式傳感器;滑坡;邊坡災(zāi)害;傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：U416.14 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）9-0024-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.004

Research on Slope Disaster Monitoring System Based on Sensor

YE Zikun

（Beijing Xinghuai Construction Engineering Co.， Ltd.， Huairou District， Beijing 101400，China）

Abstract：In order to reduce the occurrence of slope disasters，a slope disaster monitoring system based on distributed sensors is developed in this study.The sensor node has wireless communication and tilt detection functions.Each sensor node can communicate with other nodes and send the corrected data to the base station，which can send alarm messages to the administrator in case of emergency.The developed in this study slope disaster monitoring system has been installed on a slope along a railway in Gansu province，and the performance evaluation test has been carried out for 8 months.The field test shows that the sensor network system can detect slope disaster effectively.However，during the system startup phase，the geometry of the nodes in the system may lead to a longer time to establish a stable network connection.Therefore，the sensor layout in slope disaster monitoring system still needs further research.

Keywords：monitoring system;distributed sensor;landslide;slope disaster;sensor network

0 引言

暴雨和地震等自然災(zāi)害對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)造成嚴(yán)重的破壞，如公路和鐵路沿線的邊坡災(zāi)害[1]。已運(yùn)營(yíng)幾十年的設(shè)施健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)亟須進(jìn)行更新，以適應(yīng)當(dāng)前的自然條件[2]。因此，有必要開發(fā)出一種可應(yīng)用于大規(guī)模人造建筑的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)建筑結(jié)構(gòu)是否變形，避免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。

公路及鐵路邊坡是交通應(yīng)急救援的重要路線，加強(qiáng)對(duì)公路及鐵路邊坡突發(fā)災(zāi)害的監(jiān)控顯得尤為重要[3]。為了維護(hù)安全可靠的道路網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)結(jié)構(gòu)的健康狀況都必須進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且在緊急情況下對(duì)特定的斜坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。這樣可以避免結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重?fù)p壞，縮短高速公路的關(guān)閉時(shí)間[5]。但在實(shí)際情況中，考慮預(yù)算的原因，只有少數(shù)斜坡才安裝有傳感監(jiān)控設(shè)備，其他斜坡則由技術(shù)人員按計(jì)劃進(jìn)行檢查[6]。目前，如何有效地確定斜坡上設(shè)置的傳感器的最佳位置是檢測(cè)斜坡變形的另一個(gè)難題。這就需要開發(fā)一種成本相對(duì)較低、可應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)的先進(jìn)傳感技術(shù)。

本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可應(yīng)用于高速公路及鐵路沿線的大型邊坡檢測(cè)，并可在早期檢測(cè)中檢測(cè)出因暴雨或地震引起的變形。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)組成。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)采用間歇模式的無線通信設(shè)備（可顯著有效降低能耗）和一個(gè)加速度傳感器（用作傾角計(jì)，采用MEMS技術(shù)）。具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能的低成本傳感器節(jié)點(diǎn)可以輕松且密集地設(shè)置在斜坡上。密集分布的傳感器模塊在提高邊坡災(zāi)害檢測(cè)的準(zhǔn)確性的同時(shí)，也降低了監(jiān)測(cè)的總成本。傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信相互連接，并自動(dòng)組織通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站。如果發(fā)現(xiàn)任何邊坡區(qū)域變形，基站將向總部發(fā)送警告信號(hào)，并通知管理員。本研究所開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由14個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，并在甘肅省某鐵路的斜坡上運(yùn)行了8個(gè)月，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

1 邊坡災(zāi)害檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)通信距離的遠(yuǎn)近，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為幾個(gè)類別，如WAN（廣域網(wǎng)）、MAN（城域網(wǎng)）、LAN（本地網(wǎng)）和PAN（個(gè)人網(wǎng)）等。本研究使用的是PAN無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)可相互通信，與接入點(diǎn)沒有任何關(guān)系。即使某些傳感器節(jié)點(diǎn)無法正常運(yùn)行，其余節(jié)點(diǎn)仍可通過自動(dòng)改變通信路徑來實(shí)現(xiàn)相互通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，在斜坡上須建立一些新的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)連接到網(wǎng)絡(luò)，并建立新的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

圖1為本研究開發(fā)的邊坡災(zāi)害檢測(cè)系統(tǒng)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可與另一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。管理辦公室對(duì)邊坡數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，如果斜坡發(fā)生變形，警報(bào)信號(hào)和詳細(xì)數(shù)據(jù)將通過基站傳輸?shù)焦芾磙k公室。

本研究開發(fā)的邊坡災(zāi)害檢測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要保證在緊急情況下盡可能快地向道路管理員發(fā)送警報(bào)信息，并盡可能精確地檢測(cè)出邊坡變形。道路管理員通過警報(bào)信息來決定后續(xù)采取的行動(dòng)，以防止造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此，本系統(tǒng)對(duì)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的頻率為1 min/次。暴雨導(dǎo)致地表破壞從而造成邊坡破壞，是在降雨開始后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，坡度發(fā)生厘米級(jí)到米級(jí)的變形而產(chǎn)生的。為了檢測(cè)到這種變形，傳感器需要區(qū)分一到十幾度的角度變化，且啟動(dòng)系統(tǒng)所需的時(shí)間應(yīng)盡可能短。

本研究開發(fā)的傳感器節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)通信模塊、一個(gè)用作傾斜傳感器的加速度傳感器，以及一個(gè)連接加速度傳感器和通信模塊的接口板。圖2為本研究開發(fā)的傳感器節(jié)點(diǎn)的示意圖。傳感器節(jié)點(diǎn)具有防塵和防水功能。

本研究所開發(fā)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)在戶外應(yīng)用時(shí)，如何降低能耗是一個(gè)重要問題。所開發(fā)的傳感器節(jié)點(diǎn)均由兩個(gè)C型電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，除緊急情況外，均采用間歇運(yùn)行模式，這樣可以降低所需的能源消耗量，并可進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)的性能評(píng)估

為了對(duì)本研究所開發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)性能有一個(gè)綜合評(píng)價(jià)，需要進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估。對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信能力進(jìn)行檢查，并分析了傾斜傳感器和加速度傳感器的精度。

2.1 無線通信

2.1.1 通信距離。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)對(duì)通信設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)估。分貝值可用作評(píng)估無線電場(chǎng)的強(qiáng)度，分貝值通常被稱為RSSI（單位：dBm），RSSI也可表示接收信號(hào)的功率。RSSI受地面起伏和障礙物（通常為金屬物體）的影響。本研究的初步試驗(yàn)表明，只有分貝值超過-85 dBm才能建立穩(wěn)定的無線通信。因此，-85 dBm被稱為評(píng)估通信質(zhì)量的閾值。

2.1.2 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)以16 m的間隔安裝在斜坡上。每隔10 s要確認(rèn)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信環(huán)境。盡管這些傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信距離僅為16 m，但部分傳感器之間的分貝值卻低于閾值，這是因?yàn)樵撗芯恐羞x定的邊坡可能存在擋土墻等障礙物。分貝值可能會(huì)受到通信距離、障礙物和天氣條件的影響。因此，為了構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，必須要確保每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中有兩個(gè)或多個(gè)通信路由方式。

2.2 MEMS傳感器的精度

本研究使用加速度傳感器作為傾角計(jì)，并安裝一個(gè)低通濾波器來抑制高頻噪聲。

2.2.1 線性度。將研制的傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在角度測(cè)量裝置上，測(cè)量加速度傳感器與實(shí)際角度的輸出電壓。圖3顯示了傾角和傳感器輸出電壓之間的關(guān)系（試驗(yàn)是在29 °C的恒溫環(huán)境下進(jìn)行）。當(dāng)使用重力加速度檢測(cè)角度時(shí)，角度和輸出值之間的關(guān)系呈正弦曲線。然而，研究表明，角度在30°以下時(shí)，角度和輸出值之間的關(guān)系可以用一條直線來近似表示。這意味著，通過使用圖3中的回歸線，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出高達(dá)30°的角度變化。

2.2.2 敏感性。本研究使用截止頻率為1 Hz的二階低通濾波器來抑制高頻噪聲。圖4顯示了實(shí)際傾角值達(dá)到15°、20°、30°和60°所需時(shí)間。測(cè)量間隔時(shí)間約為1.5 s/次。圖4表明，輸出值需要5～7 s才能達(dá)到實(shí)際值。然而，由于使用了手動(dòng)角度測(cè)量裝置，實(shí)際值需要3～5 s才能達(dá)到規(guī)定的角度。因此，輸出值大約在2 s內(nèi)達(dá)到實(shí)際值。需要將測(cè)量持續(xù)時(shí)間至少設(shè)置為2 s。

3 邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)的鐵路邊坡段水平長(zhǎng)度為100 m，邊坡高度為40 m。該通信系統(tǒng)由自組織和多跳網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，包括中繼節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過其自組織和多跳功能進(jìn)行相互通信。中繼節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)具有完全相同的無線通信功能，二者的區(qū)別在于中繼節(jié)點(diǎn)不包括加速度計(jì)。

兩個(gè)位置相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離小于20 m。基站包括從傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的接收器和可與管理辦公室通信的無線WAN。來自每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣率可通過遠(yuǎn)程操作進(jìn)行調(diào)整。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)木嬷担究梢韵蛑付ǖ碾娔X和手機(jī)發(fā)送警報(bào)消息。

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在站點(diǎn)上建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間如圖5所示。圖5中的黑點(diǎn)顯示了基站和每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信記錄。來自傳感器節(jié)點(diǎn)13的通信在10月7日14：14被確認(rèn)為第一次通信。對(duì)圖5進(jìn)行分析可以看出，節(jié)點(diǎn)1、7、8、9、10和11的通信會(huì)發(fā)生間歇性中斷。最后，在第二天12：00左右，確認(rèn)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的通信。這一試驗(yàn)結(jié)果表明，所有傳感器節(jié)點(diǎn)確認(rèn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)需要的時(shí)間大約為24 h。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)通過作為中繼節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)或多個(gè)傳感器或中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)搜索通信成本最合理的傳感器和中繼節(jié)點(diǎn)，從而建立起網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的位置和天氣條件，無線通信環(huán)境偶爾會(huì)發(fā)生變化。與有線通信相比，這是無線通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，建立起一個(gè)穩(wěn)定的通信環(huán)境，在該試驗(yàn)早期階段，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件程序進(jìn)行如下改進(jìn)。當(dāng)無線通信因某些通信故障而中斷時(shí)，執(zhí)行軟件上的重置功能。因此，一旦整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立，網(wǎng)絡(luò)在4個(gè)月內(nèi)不會(huì)中斷。圖6展示了傳感器節(jié)點(diǎn)1對(duì)電池供電電壓的時(shí)間變化歷程。在每個(gè)電池維護(hù)期內(nèi)，雖然建立通信網(wǎng)絡(luò)需要很長(zhǎng)時(shí)間（需要將近24 h），但該系統(tǒng)可在4個(gè)月內(nèi)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。

傳輸時(shí)間和接收時(shí)間存在的時(shí)間延遲是通過定期發(fā)送警報(bào)電子郵件來衡量的。圖7顯示了從基站接收警報(bào)電子郵件所需的時(shí)間。可以看出，在所有電子郵件中，有51%的電子郵件在2 min內(nèi)收到，71%的電子郵件在3 min內(nèi)收到。然而，也有一些電子郵件是在7 min后收到。為了盡量減少斜坡災(zāi)害造成的損失，應(yīng)確保盡快收到警報(bào)電子郵件。盡管無線廣域網(wǎng)是一種合理的通信設(shè)備，但鐵路管理人員可能需要通過高速光纖網(wǎng)絡(luò)來確保緊急情況下的安全警報(bào)。

4 結(jié)語

本研究在由通信設(shè)備和加速度計(jì)組成的分布式傳感器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過8個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，評(píng)估了該系統(tǒng)的有效性。開發(fā)的傳感器節(jié)點(diǎn)具有能夠精確地檢測(cè)出斜坡的小變形。系統(tǒng)生成的警報(bào)信息從基站到達(dá)管理辦公室大約需要2 min。同時(shí)，通過使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，從而減少障礙物對(duì)通信造成的影響。建立穩(wěn)定的網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，這仍需進(jìn)一步研究每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的有效幾何對(duì)準(zhǔn)，從而縮短啟動(dòng)系統(tǒng)所需的時(shí)間。另外，可結(jié)合太陽(yáng)能電池板增加電池使用壽命，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信以及提高傾斜檢測(cè)精度。

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