谈基于物联网技术的山体滑坡监测预警系统

王 鲁 琦

(华北水利水电大学资源与环境学院，河南 郑州 450045)

谈基于物联网技术的山体滑坡监测预警系统

王 鲁 琦

(华北水利水电大学资源与环境学院，河南 郑州 450045)

从物联网技术特点出发，对滑坡监测系统的架构及选用原则进行了论述，并对攀枝花机场基于物联网技术建成的裂缝远程监测系统的设备及工作原理进行了研究，验证了物联网技术适用于滑坡监测预警的可行性。

物联网，山体滑坡，监测预警系统

0 引言

滑坡是山区、丘陵地区常见的地质灾害，危害巨大，对人们的生命和财产造成了严重的威胁。我国地质灾害频发，建立适用范围广、合理且有效的山体滑坡监测及预警系统对于我国具有深远的现实意义和社会意义[1]。

为了及时获取滑坡的临灾信息，有效避免人员伤亡以及财产损失，我国采取了多种有效的措施，例如建立群测群防体系、开展边坡施工段的汛期巡查、排查危险边坡的隐患点、对危险边坡的隐患点实行监测等措施[2]。但很多措施仍沿用人工方式实施，存在数据收集不及时，信息覆盖面不足等缺点，随着无线网络的发展以及科技的进步，利用先进的技术手段能够比较快速有效地获取滑坡的环境参数，为边坡失稳的进一步研究和预报提供详实的实时监测数据。通过后期数据的处理以及分析，建立可行的山体滑坡预警系统，能够及时地发出预警信息，从而减小滑坡所带来的危害。

1 物联网的特点

物联网是一种可实现识别、定位、跟踪监控和管理的智能网络。它可以将任何物品与互联网进行连接，在传感器等设备上传数据、建立数据库后，构建出以互联网为载体所延伸出来的具化网络。物联网的三个特征——互联网特征、识别与通信特征和智能化特征，使得物联网具有广泛的适用性和可操作性。

基于物联网技术的山体滑坡监测预警系统包括现场布设的分布式传感器、传感器数据采集处理器、汇聚传感器数据的通讯网络、监控中心的数据处理和信息发布系统软件。根据监测范围的不同，物联网监测系统又被划分为区域监测预警系统和单体监测系统两种。

该监测及预警系统与传统的监测手段相比，具有以下几点优势：

1)实时性传输数据。

传感器的数据采集能够在现场实时进行，可排除采集数据过程中由于人为因素所导致的数据失真的情况，为数据的客观性提供了保障。

2)可大范围布设。

物联网监测系统中所采用的传感器相对传统监测手段中的采集设备具有很大的价格优势，因而可以进行大范围的布设，在实现监测范围广和数据信息采集充足的同时，能够将经费控制在合理的范围内。

3)监测自动化。

物联网监测系统的设计初衷在于，通过自动化的控制系统来完成需消耗大量人力劳动所完成的工作。因而，在该系统中，自动化的数据采集系统部署完成之后，即可在制定的程序设计下运行，不仅能够减少在维护系统方面的资金投入，还能够使得整个系统长期处于高效率运作的状态。

4)全天候监测。

监测自动化的实现，使得在整个系统部署结束后，能够稳定且有效的全天候运行，且对于环境和气候条件没有很高的要求，因而可收集到更为全面的数据。

2 基于物联网技术的山体滑坡监测预警系统的架构

以物联网技术作为基础，扩展延伸所架构的山体滑坡的监测预警系统，总体上分为以下4个层次：

1)传感层。

针对可影响山体滑坡的重要环境及物理力学参数，通过相应的传感器及监控等设备的全天候监测，采集滑坡产生过程中的相关数据；

2)传输层。

运用3G网络、短信等无线网络及有线的传输通道，将传感层所获得的现场监测数据上传；

3)数据层。

与传统监测系统最大的区别在于——物联网架构中所具备的数据层，该层能够将传感器上传的现场监测数据进行存储后处理，并进行深层次的挖掘、计算分析和分享，是整个山体滑坡监测系统的核心部分；

4)应用层。

对于数据层所得出的山体滑坡的监测预警结果进行实际应用，该层是物联网系统与用户之间的交互基础，即由监测数据到智能化应用的终端[3]。

3 物联网监测设备选取原则

针对危险边坡地区周边自然环境较为恶劣、基础设施薄弱及交通不便利的具体工程特点，滑坡监测仪器设备在满足监测精度要求的基础上，还应满足以下几个方面的需要:

1)适应环境条件，具备较强的抗腐蚀能力，受高温、冻融、风、水、雷电、振动等作用影响小；

2)保持仪器和传输线路的长期稳定性与可靠性，故障少，便于维护和更换；

3)实现监测数据采集自动化和实时监测；

4)自检、自校功能强，确保长期稳定。

在设定自动监测方案之后，针对不同的监测内容，需进行市场中不同监测设备的研究和比选。

1)表面变形监测：可选用GPS、全站仪。

2)深部变形监测：可选用测斜仪。

3)地表裂缝监测：可选用裂缝仪。

4)孔隙水压力监测：可选用孔隙水压力计。

5)降雨量监测：可选用雨量计。

6)数据采集及存储：可选用数据采集仪。

此外，现场还需设置视频监测设备。

依据具体滑坡监测的实际需求，可对国内外不同品牌的滑坡物联网监测设备进行广泛的调研与询价。由于物联网传感器的生产厂家以及滑坡体监测设备型号众多，因此从质量及实效性上考虑，可主要对国内外知名品牌的滑坡监测设备公司及其主要型号设备进行调查。通过调研、询价，初步确定使用简便、精度高、稳定性好、灵敏度和自动化程度高，价格适中、能够满足滑坡(变形)体监测系统需要的自动化监测仪器及数据采集系统。对于滑坡深部变形等监测内容，考虑到数据采集仪的兼容性以及在相同系统误差情况下各仪器数据的同步性和统一性问题，数据采集仪与其所连接的各仪器建议选用同一个品牌的监测设备。

4 物联网监测及预警系统的应用实例

四川省攀枝花市机场于2009年10月3日东侧出现滑坡，为了避免次生灾害的产生，给接下来的施工和整治带来进一步的损失，针对该滑坡设置了监测及预警系统。通过对边坡的稳定性的实时监测，按照一定的标准建立了警报机制，在达到危险临界点时及时释放危险预警信号，从而为现场施工人员及施工设备的转移争取充足的时间。该监测预警系统成功预测了2009年12月7日下午两点的中等规模的滑坡。

该滑坡的监测预警系统主要由三部分构成：

1)传感器部分，主要监测降雨、位移及侧向位移，进行现场数据的采集；

2)传输部分，通过GSM/GPRS进行数据的传输；

3)数据管理部分，将数据传输至PC端、数据库及网络进行分析和研究。

降雨是影响滑坡稳定性的重要因素。收集滑坡区降雨量资料可以对滑坡的成因和规律进行分析和总结，并对滑体的变形破坏进行及时预测预报。

测斜仪主要的作用在于，通过测量测斜管轴线与铅垂线之间夹角的变化量，来监测岩石、土等侧向位移。测斜仪可确定天然和人工边(滑)坡滑动剪切面的位置和位移方向。

滑坡裂缝的产生和扩展直接破坏岩土体结构的完整性，引起滑坡内部应力的急剧变化，导致滑坡的破坏失稳。裂缝计可用来测量滑坡体表面裂缝开度或裂缝两侧间的相对移动，监测滑坡裂缝的动态变化情况。

数据采集仪是连接各监测传感器和数据处理中心的一个关键部分。数据采集仪自动地从测量仪器中获取测量数据，将各监测传感器的模拟信息进行数字化，并进行记录、分析和计算，最后通过有线或者无线方式传输到数据处理中心。数据处理中心对数据进行分析以及处理，将测量结果进行实时显示，并形成相应的各类数据和图表。

由监测系统数据处理结果分析可知，由于2009年8月30日的地震，导致攀枝花机场软弱地质条件恶化，引起大规模的蠕变滑移和平移滑移，使得10月3日的攀枝花机场再次出现滑坡。监测数据显示，10月3日的滑坡导致边坡后缘产生大量变形，前缘和中部变形幅度减弱，而基于物联网技术的滑坡监测预警系统也实现了远程监测边坡裂缝的目标，能够在滑坡产生之前发出报警信号，避免了人身伤亡和财产损失[4]。从应用效果来看，物联网是一种理想的滑坡应急监测技术，能够在生产实践中发挥积极的作用，在价格上也具有很大的优势，便于安装，能耗较低，易于维护，并且在地质灾害的监测预警中具有广泛的适用性[5]。

5 结论与展望

近年来，我国发生了许多重大地质灾害，在地质灾害高发区建立滑坡泥石流实时监测系统刻不容缓。实践证明，基于物联网技术的山体滑坡监测系统能够快速感知滑坡前兆信息，为人员及财产的转移争取到充足的时间。此外，由于物联网监测系统能够大范围布设、全天候监测边坡的重要参数，也为滑坡的进一步研究和防治提供了详实的数据支持。因而，我国应当加强对于物联网监测系统的关键技术问题的研究，进一步推动基于物联网技术的监测预警系统在山体滑坡防治领域的应用，争取早日在全国重点地质灾害区域建立滑坡泥石流实时监测系统。

[1] 曹诗咏.基于无线传感器网络的滑坡监测研究[D].成都：西南石油大学，2009.

[2] 刘汉东.边坡失稳时预报理论与方法[M].郑州：黄河水利出版社，1996.

[3] 周平根，李 昂，张艳玲，等.基于物联网技术的地质灾害监测预警系统的结构和功能[J].工程地质学报，2013(4)：46.

[4] WANG Hong-hui,TUO Xian-guo,ZHANG Gui-yu,et al. Panzhihua Airport Landslide(Oct.3rd 2009) and an Emergency Monitoring and Warning System Based on the Internet of Things[J].Science Press and Institute of Mountain Hazards and Environment,CAS and Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2013(3)：9.

[5] 周平根.地灾监测预警传感器网络[J].南方国土资源，2011(10):23.

Disussion on landslide monitoring and early warning stystem based on Internet of Things technology

Wang Luqi

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

The landslide monitoring system’s architecture and the selection principle are discussed based on the characteristics of Internet of Things technology. The emergency monitoring and warning system in Panzhihua airport was built based on the Internet of Things technology. The research of the system provided the proof that the Internet of Things(IoT) is suitable for the monitoring and warning of landslide.

Internet of Things(IoT)， landslide， monitoring and warning system

2015-01-28

王鲁琦(1993- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)10-0050-03

P642.22

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