国家优秀奖- 基于北斗系统的山体滑坡监测及预警系统

1作品编号科技论文基于北斗系统的山体滑坡监测及预警系统作者：王喆、朱凤英、黄云婷（机电工程学院，2011级电气工程及其自动化，3116108052）【摘要】目前国内部分地区山体滑坡事故频发，鉴于山体滑坡带来人员伤亡、财产损失、交通严重堵塞等问题，本文基于北斗导航和物联网等平台设计出低成本山体滑坡监测及预警系统，该系统可实时记录、上传山体状态参数，并在山体即将发生滑坡时紧急报警，通知居民撤离。Abstract:Thefrequentaccidentsoflandslidesledtosomeofthesevereproblems,suchascasualties,lossofproperty,trafficjamandsoon.Thisarticleexplainedalow-costlandslidemonitoringandearlywarningsystembasedonBDSandIOT,Thesystemcanrecordanduploadthestatedatasofmountaininrealtime,anditcanturnintoemergencyalarmbeforethelandslides,informtheresidentstoevacuate.【关键词】北斗卫星导航系统；山体滑坡；监测预警；物联网；ZigBeeKeywords:BeiDouNavigationSatelliteSystem;landslides;monitoringandearlywarning;InternetofThings;ZigBee1背景及意义1.1地质灾害背景由于地形地貌和人类工程活动等原因，国内部分地区山体滑坡事故频发，共发育有大型滑坡140余处，较大滑坡2212处以上。山体滑坡一旦发生，不仅造成滑坡体上人员伤亡、财产损失，而且泥石流将危及一定范围内的房屋、交通、人员安全，针对山体滑坡存在预防难、救援难、危害大、治理难度大等问题，如何及时有效地监测山体状态并能够提前发现异常状态、及时报警等已经成为人们关注的重点。1.2提供科研数据由于山体滑坡存在的诸多危害，因此摸清山体滑坡发生和发展的规律，对其作出准确预报具有理论意义和实践意义。由于山体滑坡时间的不确定性，滑坡过程短暂且迅速等原因，在山体滑坡中采集数据难度较大，如果能对不同坡面滑坡时收集到的数据进行科学分析，将对日后的准确预报提供科学依据。同时，农业、水利、城乡建设、交通、林业、矿产等部门也迫切需要这样的成果作为规划、管理等的依据。1.3北斗卫星导航系统22013年9月11日，率先在上海建成的北斗地基增强网宣布正式开通运行。这意味着中国北斗卫星导航系统的定位精准度，将从“米级”提升到“厘米级”。“地基增强网”，是由一系列地面卫星基准站组成，与北斗卫星进行“天地对接”，将接收到的卫星信号增强后再发送，从而大幅提高接收终端的定位精度和速度。随着北斗系统精度的提高，基于北斗系统的定位误差将变得更小，为将北斗系统运用于监测地区山体的形变趋势及形变规律奠定基础。1.4国内外研究现状我国早在1026年就记载长江新摊滑坡的发生，但是因为当时技术水平有限，对其监测和研究达不到监测要求，所以国内外均起步较晚，滑坡研究源于20世纪20年代的瑞典。20世纪50年代以来，山体滑坡所造成的危害日益突出，许多国家相继开展定位观测和室内模型实验，日本在1968年发生山体滑坡造成大规模灾害后，进过20余年的研究，水平已经居世界领先。20世纪70年代我国才成立山体滑坡研究所，采用大地测量的仪器开展对山体滑坡的监测，但是至今仍有多数地区对山体滑坡的监测处于空白。目前，国内外有关地质灾害研究的项目很多。国内外的滑坡监测研究过许多方法，在实地检测工作中，国内外滑坡灾害的监测主要采用了5种类型的监测技术与方法，如宏观地质观测法、简易观测法、设站观测法、仪表观测法及自动遥测法。上述滑坡监测方法和仪器在实际应用中已十分成熟，但普遍存在的问题是数据的采集需要人工定期到现场进行，使得滑坡监测缺乏实时性。随着三维激光扫描技术、GPS一机多天线系统、INSAR(合成孔径雷达干涉测量)以及多传感器的集成等高新技术在滑坡监测与预测、预报领域的应用，将进一步提高滑坡灾害变形监测预报的精度。但因成本等问题，山体滑坡监测并未大规模应用。基于以上原因，我们希望研究低成本实时有效的山体滑坡监测及预警系统，以期解决山体滑坡监测及预警方面的困难。2设计方案2.1山体滑坡监测方案理论依据斜坡滑动变形具有阶段性，典型的滑坡变形位移可分为3个阶段，即初始变形阶段（监测点日变率在1mm以下）、稳定变形阶段（监测点日变率在1-10mm之间）和加速变形阶段（监测点日变率在10mm以上）。由于自然气候、人类活动等因素的干扰，大多数情况下斜坡位移随时间变化曲线具有波动而呈振荡或阶跃型，但经过滤波、累加生成等一定的处理，可判定变形破坏阶段。国内外成功的滑坡预报基本都是通过位移监测来实现的。3图1典型滑坡位移曲线1-初始变形阶段，2-稳定变形阶段;3-加速变形阶段由于地面变形特征可以由定位测得，所以我们可以通过北斗系统定位监测获取滑坡特征信息，得到监测地区山体的形变趋势及形变规律，从而达到预报山体滑坡的变形趋势。2.2系统整体设计方案该方案包括坡面监测点、数据汇集点、告警系统、互联网监测中心。2.2.1坡面监测点坡面监测点由北斗系统接收器、无线ZigBee数传模块、微处理器和电源等构成，各个监测点位于同一斜坡面的不同特征点，通过无线ZigBee自组网构成多通路无线网，可形成覆盖大面积坡面的监测点，每个坡面监测点可设置定期采样频率及休眠周期以达到高精度、低功耗等功能，设备的低功耗使得设备可长期不更换电源工作，减少后期人工维护的费用。微处理器器选用低功耗单片机，可控制北斗系统接收器开启、停止和采集数据时间等，并将采集到的数据通过ZigBee模块发送到自建的网络中。ZigBee组网无线通讯是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的新兴的无线通信技术。其工作速率为20~250kbps，能达到本套系统中各个系统之间的数据传输要求。ZigBee无线组网具有可将点对点通讯转化为起点向中继、中继向终点的传输的模式的特性，而每一个ZigBee模块既可以作为发送或接收端，也可以同时作为中继进行数据传递。在增加RF发射功率后，ZigBee组网的传输距离可增加到公里级，如果再通过节点间的通信接力，数据传输距离将更远。ZigBee网络可以实现自我组态与自我修复的功能，实现节点加入或离开网络、接收或抛弃指定节点以及定点查找和数据传送等功能，支持多种路由算法和多种网络拓扑结构。使用ZigBee组网，最多可组成包含65000个节点的网络，可采用星状、片状或网状网络结构进行构架连接。因此，ZigBee技术可实现在无有线电缆的情况下快速的数据传输连接。2.2.2数据汇集点数据汇集点由无线ZigBee数传模块、无线GSM/GPRS模块、微处理器和太阳能4电源等构成，每个坡面设置一个数据汇集点以接收各个监测点通过无线ZigBee网络传回的数据并对数据进行初步分析去掉无效数据。将数据通过GSM/GPRS网络发送到互联网监测中心，并且可接收来自互联网监测中心的命令，设置坡面监测点的采样频率等功能。数据汇集点将接收来自互联网监测中心的告警信息，并将告警信号通过GSM/GPRS网络发送至告警系统。2.2.3告警系统告警系统设在各地政府单位，政府机关一旦收到告警信息，可通过广播、手机短信向当地居民发出告警信息并组织撤离、封闭危险路段等。2.2.4互联网监测中心互联网监测中心包含数据接收和存储系统、信息管理系统、数据处理系统、决策系统等。互联网监测中心设在室内，并能连接到互联网，各地数据汇集点的数据均可通过互联网上送，监测中心接收到数据后将进行统一量化处理，并按时间点保存至数据库供后期分析。数据处理系统将实时数据载入，利用软件进行坡面的三维建模，还原现场实况，再将坡面实时数据同初始数据比较，利用彩色等高线图直观地画出坡面的变化图，处理后的数据也存入到后台数据库以供人工查看分析。图2Matlab三维建模程序片段5信息管理系统为B/S模式，系统用户可在授权允许的情况下，通过局域网或Internet访问本系统，客户端不需安装任何软件，使用IE即可访问。滑坡监测信息管理系统具有数据共享接口，方便进行后续开发和信息共享。决策系统收集数据处理系统处理后的数据并进行滑坡预测，判断滑坡发展过程并决定采样频率等，如滑坡处于初始变形阶段，则按一定的长周期进行数据采样，并通过告警系统提醒当地政府进行预防，如发现数据与临滑状态吻合，则向相应地点发出即将滑坡告警信号，并判断滑坡方向、规模和速度等。图3人工设置告警系统告警参数6图4各地区滑坡数据实时显示随着各坡面监测站的设立和监测工作的延续，互联网监测中心将累积海量的滑坡监测数据库，可为全省乃至全国的分区域滑坡研究提供翔实、丰富的历史数据。监测中心通过数据分析系统对监测点数据进行处理和分析，采用三维建模、数据动态分析等方法处理各监测坡面的数据，监测各坡面状态，若发现异常，将向对应地点发出告警指令。图5单个系统结构图3总结本文阐述的基于北斗系统的山体滑坡监测及预警系统，以物联网为介质，北斗卫星定位系统为测量工具，有效发挥了北斗系统高定位精度的特点，将山体滑坡灾害集中统一管理，进行长期监测及预警，有利于对山体滑坡灾害的深入研究、建立各个山体的数学模型以及监测预警，将自然灾害带来的损失减到最低。通过坡面数据无线组网方式，使坡面监测点的安放和撤出变得灵活方便，对大范围坡面也有很好的监测效果。对处于不同滑坡时期的滑坡体进行不同周期的数据采集，可使采集到的数据更有价值并且可使坡面监测点在无滑坡危险时处于长期休眠状态，降低系统功耗及维护的费用。互联网监测中心采集的各监测点历史数据将形成大型数据库，可以开放提供给科研单位进行分析，为构建滑坡预警位置和滑坡方向监测、滑坡预测分析管理、自动动态监测预警等提供理论依据。参考文献[1]崔学慧，王新民.山体滑坡致在灾因子的定量评价.鞍山师范学院学报，2002.4(3):37~40.7[2]曹炯清，基于IEEE802.15.4无线传感器网络的山体滑坡检测系统[J].电脑知识与技术,2009,(8).[3]胡颖，基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统设计与研究[D].重庆大学:重庆大学,2012.[4]洪新,吴珂,王波,卢鹏,.基于ZigBee技术的山体滑坡预警系统设计[J].硅谷,2011,(1).