边坡安全监测与预警系统的研究

边坡安全监测与预警系统的研究

李一兵1龙国梁2

中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司云南昆明650033

摘要：为了提高监测精度，实现自动化监测及实时预警，本文设计了一套采动边坡稳定性远程在线监测预警系统，该系统可对多级边坡内部位移场进行实时监测，并通过无线网络将实时监测数据传送至监控主机，实现了监测数据的可视化。

关键词：边坡安全监测；预警系统；

山区总体上存在边坡安全监测系统不完善、观测手段传统落后、信息资料分析严重滞后等问题，导致人员不能及时、准确地掌握交通道路沿线边坡与滑坡的实际运行状态，将直接影响边坡工程安全的实时监控效率和质量，给日常管理带来诸多的安全隐患，甚至会导致严重恶性事故的发生

1现实要求

总结边坡工程安全监测预警工作实际困难和现实要求，其突出问题主要表现在以下几个方面：（１）由于山区边坡数量庞大，呈散点带状分布，工程性质各异，稳定状态不同，难以准确评估重点边坡或潜在滑坡病害路段，常因误判而浪费，或遗漏潜在滑坡而埋下病害隐患，危及高等级道路畅通和交通安全。（２）为了减少边坡灾害风险，势必扩大监控边坡数量，增加边坡安全防控投入，安全与经济的矛盾日益突出，出路在于提高边坡监测告警水平，研发经济实用的监控手段，扩大边坡监控范围，力求覆盖全部高危边坡工程与潜在滑坡病害。（３）在大量增加边坡监控数量之后，势必遇到海量的数据分析和处理，要求运用科学的管理手段和方法，实现标准化、自动化、信息化、网络化和智能化。

2边坡安全监测与预警系统

1.边坡稳定监测系统结构。边坡稳定监测系统由自动监控设备、现场机、传输网络、监控中心服务器四部分组成。监控中心服务器通过传输网络与现场机交换数据、发起指令、应答指令。自动监控设备和现场机的构成方式。现场有一套或多套监控仪器仪表，监控仪器仪表具有模拟或数字输出接口，通过有线或无线方式连接到现场机，监控中心服务器与现场机进行数据交换和收发指令。自动监控设备的构成方式。自动监控设备指安装在边坡监测现场的各类仪器仪表，每个现场机可带多种类型的多个仪器仪表，每个仪器仪表可带多种类型的多个传感器。为了准确的定位每一个测量参数，所使用仪器类型、传感器类型都定义唯一的仪器代码、传感器代码、仪器代码和传感器代码各用1Bytes数据表示。在本系统中，仪器类型有：测斜仪、雨量计、裂缝计、土壤含水率、地下水位水温计、空隙水压力计、现场机；传感器类型有深部位移传感器、温度传感器、累计雨量传感器、裂缝宽度传感器、土壤含水率传感器、地下水位、地下水温传感器等。

2.通讯协议的设计。现场机与监控中心服务器通讯接口应满足选定的传输网络的要求。本系统的数据传输通讯协议对应于ISO/OSI定义的7层协议的应用层，在基于不同传输网络的现场机与监控中心服务器之间提供交互通讯。基础传输层依据不同的传输网络可有两类实现方式，本系统采用的实现方式为基于TCP/IP协议的通讯无线分组业务，即GPRS，此方式的使用建立在TCP/IP基础之上；基于非TCP/IP协议的短信息数据通讯，此类方式的使用建立在相关通讯链路上。在基础传输层已经建立的基础上，整个应用层的协议和具体的传输网络无关，体现了通讯介质无关性。通讯协议设计的内容包括通讯流程（请求命令和通知命令）、命令应答机制、超时重发机制及定义通讯协议的数据格式等。所有的通讯包都是由十六进制数组成，通讯包由包头、数据长度、数据内容、CRC校验和包尾组成。设备参数指与现场机相关的参数，包括值守时间、睡眠时间、短信服务中心号码、发送起始时间、发送周期、重发次数、目的地址数量、目的地址等参数。

3.数据监控中心软件系统的实现。

1.软件系统的功能模块。监控中心软件由配置管理模块、数据处理模块和系统管理模块组成。各模块功能如下：1）配置管理模块：主要完成项目管理和现场机配置等功能。包含以下子模块。①项目管理子模块：以项目为基本单位管理工程项目的基本信息，支持项目级、现场机级、仪器级、传感器级中任意组成部分的增删改查操作，可进行查询、新建、编辑和删除操作。并保留上一次的状态信息以供恢复。②现场机配置子模块：通过系统支持的通讯方式配置现场机的设备参数和仪器参数。2）数据处理模块：主要完成数据的通信、处理、分析、存储和报警等功能。包含以下子模块：①数据通讯子模块：数据通讯子模块负责处理与现场机的数据通讯、与外接设备的通讯和与用户的数据通讯三类数据通信。②数据处理子模块：对各类测量数据，按相应传感器算法，将数据处理为用户可直观查看、容易理解的数据，包括斜度、雨量、裂缝、土壤含水率、地下水位水温、孔隙水压力等数据。包括将二进制数据包转换和数据编码、解码等操作。③数据管理子模块：数据管理子模块遵循“先到先处理”的队列原则完成数据的存储和读取功能。④数据分析子模块：进行不同参数数据间的相关性分析、深部位移与地下水位关系曲线、深部位移与土壤含水率关系曲线、地下水位与降雨量关系曲线、深部位移及其变化趋势等立体示意图。⑤报表管理子模块：被授权人员可通过系统查询和打印各种报表，报表包括固定测斜、移动式测斜、雨量、裂缝、土壤含水率、地下水位水温、孔隙水压力等相关数据报表。⑥报警管理子模块：本模块根据设定阈值算法进行声音报警和短信报警，并可动态接收并确认远程站点用户发出的避险求证请求。3）系统管理模块：主要完成用户权限管理和系统日志管理等功能。包含如下子模块。①用户权限管理：登记用户的基本信息、权限管理、由系统管理员授予每个用户对相应模块的使用权限。登记信息包括用户名、模块名、是否有权限等。②系统日志管理：记录系统的操作日志，包括操作人、操作时间、操作对象、具体操作说明等。对操作日志进行查询、删除、转存等操作。2.系统实现的关键技术。①多线程技术：由于本系统需要与多个现场机进行同时通信，因此使用线程可以把占据长时间的监听任务放到后台去处理，使得用户界面可以更加人性化，程序的运行速度可能加快，在某些情况下可以释放一些内存占用等资源等。②缓存技术：设计良好的缓存机制可以减少分布式环境中相当耗费资源的远程服务的响应时间，是实际应用中的关键。利用缓存和其他机制，开发人员可以减少使用内存开销很大的控件编程时的额外开销，而不必担心性能会受到太大的影响。为了在应用程序中最大程度地利用缓存，应该考虑在所有程序级别上都实现缓存的方法。

4.预警模块的实现。

系统需要通过对数据进行综合分析判断，以确定是否进行预警。但预警模型不是固定的，在不同的情况下要按照不同的预警模型进行判断。预警模型以现场主控单元为单位，一个现场主控单元可设置多个预警模型，预警模型可为单参数或多参数，预警级别分三级：从低到高为注意等级、警示等级和临滑等级，每一级别设置一个阈值。判断报警时，单个模型内所有参数均达到阈值才确定报警，而一个现场主控单元内的多个模型只要有一个模型达到报警级别就报警。而且在不同的地区其预警模型的算法、参数及阈值均可能不同因此需要设计并实现一个具有高度灵活性和可定制性的预警模块。

本系统提供了一套完整且运行效率较高的边坡稳定数据的监测、实时传输、处理、统计以及分析的解决方案，有效地减少监测费用，保证数据的实时性和可靠性，提高边坡治理效率和安全性，具有良好的经济性和实用性。

参考文献：

［1］刘海涛，等．光缆自动化监测系统［Ｊ］．价值工程，２０１8，２６：１５３－１５４．

［2］刘涛，等．无源光网络监测技术的研究［Ｊ］．光通信技术，２０１7，１０：２４－２７．

［3］林灿阳，等．基于ＴＤＲ技术的边坡自动化监测与预警［Ｊ］．路基工程，２０１7（１）：１２０－１２５．