鐵路地質災害監測預警系統多數據融合接口設計探討

【摘要】國內外學者對地質災害監測預警的技術方法體系進行了深入的研究，取得了大量的研究成果。但是針對鐵路沿線的地質災害監測預警的研究還存在著監測與預警響應不及時、不準確的問題，以包神鐵路沿線的地質災害為對象，對監測數據進行數據預處理，將監測的多源異構數據進行融合分析，從而達到更為理想的數據曲線，提高預警的準確率，將地質災害監測預警系統接入監測平臺，開發“鐵路沿線地質災害自動化監測預警平臺”。

【關鍵詞】鐵路； 地質災害； 監測預警

【中圖分類號】P694【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-08-10

［作者簡介］何虎（1974—），男，本科，工程師，主要從事鐵路工作。

0 引言

我國地域遼闊，山區鐵路地質環境復雜多樣，從而造成了崩塌、滑坡及泥石流等地質災害頻發，尤其是在強降雨多發的時節和地區，屢屢釀成重大的鐵路交通事故，對我國鐵路造成了巨大的財產損失，同時對人民的生命安全構成了嚴重的威脅。面對隱蔽性強、分布范圍廣且趨于動態變化的地質災害隱患，常規調查手段很難提早發現和防范潛在風險［1］。隨著計算機技術及通訊技術的發展，不同監測手段應用于地質災害監測中［2-4］。這些技術手段的應用大大促進了鐵路沿線地質災害監測預警工作的發展。

鐵路地質災害監測工作中，由于沿線地災點數量多，為得到比較全面的監測數據，通常使用了各種監測儀器，但隨著大量監測儀器的使用，又因為儀表設備的開發者們所使用的軟件技術不同、技術手段差異大，其監測數據通常分散存儲在各個分類數據庫中［5-6］，導致監測數據格式往往也是大相庭徑的，這也就導致會出現監測數據異常波動、缺失、漂移和不合理偏差的現象，而且隨著時間的增長，平臺在運行期的數據量隨著監測對象與監測設備的增加將呈現快速的數據增長，如實時監測數據、地圖數據、模型數據、監測對象相關資料數據等，傳統數據管理架構將無法滿足實時監測系統日益增長的數據壓力，使用中將出現數據查詢時間變長、系統響應遲鈍、監測數據計算實時性變差甚至出現因為數據處理不及時而造成的數據丟棄情況。這些問題都將直接影響到監測預警系統的運行效率以及準確性。

本文通過近年在鐵路地質災害監測方面研究的經驗累積上，結合國內外先進的地質災害監測預警技術，針對包神鐵路沿線地災點數量多、自動化監測設備多種多樣的情況，對監測到的多源異構數據進行融合分析，結合地質災害監測預警系統和集成平臺，開發了“鐵路沿線地質災害自動化監測預警平臺”，通過平臺就可以靈活地修改配置文件和參數，以實現對鐵路沿線地質災害隱患點及工程結構的信息化管理，并提高監測預警的準確性和及時性。

1 地質災害無線自動監測

1.1 鐵路沿線災害點基本信息獲取

包神鐵路路線長，穿越區域廣，沿線的地質災害多，為保證災害監測預警的準確性，首先需要了解地質災害的基本種類和空間分布等特征，確定災害監測方案和預警基本信息，針對不同災害類型和災害分布，進行災害基本信息輸入，滿足鐵路監測基本需求。如響沙灣隧道南口使用北斗、振動位移、視頻、雨量計和Mems傳感器等技術進行監控。

1.2 監測數據實時傳輸技術

構建地質災害自動監測網絡需要將監測的數據進行遠程實時傳輸，這也是構建該網絡的關鍵技術之一，國內外主要使用的傳輸技術有GSM/GPRS、CDMA、TD-CDMA、WCDMA、衛星通訊、公網、專線等［7］。

1.3 自動化監測流程

在現場安裝監測儀器，如GNSS形變監測、MEMS智能變形監測、雨量監測、視頻監控等設備獲取地表位移、雨量、圖像等數據，再通過無線數據遠程實時傳輸，結合自主研發的自動化監測預警系統，完成對地質災害監測數據的自動采集、傳輸和集成最后分析監測數據得到災害預警等級劃分，最終實現提前預警［8-9］。并可以在系統中對監測儀器的采集頻率、采集時間進行動態的設置，使得整個監測系統完全自主運行，無需人為干預。

2 監測數據特征及異常值識別處理

2.1 鐵路地質災害監測數據特征

鐵路地質災害監測類型有形變和位變（位移）監測、力變監測、水變監測、聲變監測、溫變監測等，包神鐵路沿線地災點數量多，自動化監測設備多種多樣，因此監測數據就會擁有以下獨特的特征。

2.1.1 數據多源異構

多源異構是地質災害監測數據的一個顯著特征，這是因為監測儀器在數據采集和存儲等方式各有不同，主要包括多廠商、多物聯傳感器監測數據接入和存儲標準不統一，監測設備因個體質量差異或各種內外因素影響等原因，存在監測數據異常波動、缺失、漂移和不合理誤差等現象。

2.1.2 采集頻率高、數據量大

地質災害監測儀器和設備需要24 h不間斷地采集數據，并通過無線數據遠程實時傳輸回監測數據服務器，隨著時間的推移，平臺在運行期的數據量隨著監測對象與監測設備的增加將呈現快速的數據增長，如實時監測數據、地圖數據、模型數據、監測對象相關資料數據等，傳統數據管理架構將無法滿足實時監測系統日益增長的數據壓力，使用中將出現數據查詢時間變長、系統響應遲鈍、監測數據計算實時性變差甚至出現因為數據處理不及時而造成的數據丟棄情況。這就需要監測數據集成系統能夠具有長時間保持穩定、高效地運行以及能夠實時地處理儀器和設備獲得的監測數據的能力。

2.2 異常數據的識別及處理

實時傳送到監測數據平臺的監測數據由于受到各種人為的因素或非人為的原因影響，往往會導致監測數據發生類如突變、丟失等異常情況，也因此無法精確反映鐵路沿線的實際狀況，從而造成了預警不準確甚至錯誤的報警，所以在對監測數據進行融合分析之前就必須先對數據做好異常分析和數據處理，因此本文中采用了拉依達準則，提取因監測體系被破壞、人為操作誤差或者碰動儀器也會引起監測序列中產生較大異常值，結合其他監測數據進行分析，確定其并非由于災害點本身變形引發，對于數據樣本中的異常偏離點，在預處理中往往會采取剔除處理。

對于監測數據序列x1，x2，…，xn，描述該序列數據的變化特征為式（1）。

dj=2xj－（xj+1+xj－1） （j=2，3，…，N-1）（1）

由N個監測數據可得到N-2個dj。由dj值計算序列數據變化統計均值d-和均方差σ為式（2）、式（3）。

d-=∑N-1j=2djN-2（2）

σd=∑N-1j=2（dj-d-）2N-3（3）

根據dj偏差的絕對值與均方差的比值見式（4）。

qj=dj-σd（4）

基于拉依達準則，當qjgt;3時，則認為xj是粗差，應舍去（圖1）。

3 監測預警系統多數據融合接口設計

3.1 多源異構數據融合分析

包神鐵路沿線災害點數量多，為了全面、優質地獲取沿線的監測指標以此來提高預警的效率和可靠性，通常會選擇使用不同檢測項目中具備較高水平的監測儀器和設備，而這些儀器和設備通常來自不同的生產廠家，如GNSS位移監測和雨量監測儀器可能來自不同的廠家，所以多物聯傳感器監測數據接入和存儲標準不統一，因此數據通常分散在不同的數據庫，且數據結構也大相庭徑［10-11］。為了實現對包神鐵路沿線地質災害的自動化監測預警，需要對多源異構數據進行集中存儲管理與融合分析，利用大數據、數據庫與數值分析技術進行評估。

數據接入可提供包括MQTT、HTTP等不同的技術協議支持，其中HTTP常用于通過軟件平臺對接，MQTT適用于設備直接推送數據，不同的廠家可以選擇不同對接方式；監測數據由于廠家與類型多樣，是數據融合與分析重點的接入內容。

數據存儲調度底層平臺基于HDFS、Elasticsearch、Postgresql、Redis等多種類型數及檢索引擎如圖2所示，綜合搭配應用，構建數據支撐平臺的基礎存儲能力。各組件的分布式部署、橫向擴展能力則對長期運營下平臺穩定運行，負載能力穩步增長提供有力保障。

3.2 預警建模、預警分析及等級劃分

預警模型的開發與部署將采用微服務架構方式，以Java、Matlab等作為開發及測試語言工具，對不同的預警算法進行實現與封裝，開發出應用于不同災害類型的核心預警計算模型，并以微服務方式管理與運行預警計算服務。實時監測數據與數據庫數據相結合進行決策分析，通過建立數據融合處理的預警模型，計算現有情況下的工程現場危險信息，并與數據庫中的數據進行比對，智能判別是否已危及監測對象的安全，并可根據判別信息控制啟動視頻監控。通過設置各監測參數不同的報警閾值，對不同災害預警等級進行劃分。

將模型進行分類構建并通過微服務方式管理，可使得預警模型本身具有更好的擴展性、維護性、兼容性，同時，利用微服務可采用分布式方式運行及管理，可提升核心預警模型的數據接入能力，在面向大量監測點數據接入的預警需求，仍能實現極好的實時處理性能（圖3）。

預警模型的開發構建的核心是預警計算服務，針對崩塌（危巖）、滑坡、泥石流及其他地質災害，將雨量預警、變形預警、綜合預警、閾值預警等相關的核心算法進行封裝，開發出對應的預警計算服務，不同類型災害的監測數據接入后立即調用對應的預警模型進行實時計算，計算得到的預警系數對應紅、橙、黃、藍四色預警進行發布。

3.3 災害實時監測預警方法

數據支撐平臺在接收到監測數據后，通過對數據預處理、閾值計算、模型計算、數據存儲、預警結果輸出、模型自優化等環節后完成一次數據處理過程，關鍵流程設計見圖4。

預警過程包含了同步、異步兩種不同的計算規則，同步計算保障了預警的實時性，模型自由化、預警去重、預警推送等環節采用異步方式，關鍵的技術結構見圖5。

3.4 二三維一體化WebGIS技術

平臺采用WebGIS技術，對地理數據信息實現三維可視化展示。WebGIS（網絡地理信息系統）是指工作在Web上的GIS，是傳統的GIS在網絡上的延伸和發展，具有傳統GIS的特點，可以實現空間數據的檢索、查詢、制圖輸出、編輯等GIS基本功能，同時也是Internet上地理信息發布、共享和交流協作的基礎。根據WebGIS的可視化三維特性，項目采用二、三維一體化技術，實現地質災害隱患區域與工程結構體的三維展示，實現人員數據、專業監測數據、隱患點數據的可視化管理。

Web架構的便捷特性，研發GIS三維可視化平臺，即在任何地點，都可通過任何瀏覽器實現對平臺地理信息數據的訪問和操作。本平臺通過數據化、圖像化、文字化的方式實現地質災害信息的綜合性描述。通過對地質災害相關數據的矢量化和柵格化，實現根據不同的數據類型進行相應圖層的疊加展示，如人員圖層、設備圖層、隱患點圖層等。并可在遠端服務器利用各種模型分析方法進行數據分析，Web端提供模型計算參數，服務端進行即時計算分析，并將計算結果以文本或者影像等格式返回Web端。

4 結論

本文針對包神鐵路沿線地質災害，結合地質災害監測預警系統和集成平臺，開發了“鐵路沿線地質災害自動化監測預警平臺”，通過平臺就可以靈活地修改配置文件和參數，以實現對鐵路沿線地質災害隱患點及工程結構的信息化管理，并基于監測數據與氣象數據，通過專業化預警模型對監測對象安全狀態進行區域及單點的災害預警實時評估，通過構建二/三維一體化平臺，利用WebGL技術直觀展示監測對象的地理信息與當前災害風險狀態，為鐵路沿線的科學防災提供決策支持。

參考文獻

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