基于无线通信的地质灾害监测预警系统的研究

张李荪 ，吴元保 ，柯劲松 ，张 飞 ，李桂香

（1.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工结构工程技术研究中心，江西 南昌 330029；3.武汉大学电气与自动化学院，湖北 武汉 430072；4.武汉大学计算机学院，湖北 武汉 430072）

0 引言

近年来，随着传感技术、计算机技术、网络通信技术和3S技术（遥感RS、地理信息系统GIS和全球卫星定位系统GNSS[1]）的不断发展，涌现出大量的地质灾害预报方法。如现象监测预报法、数理统计预报法、非线性系统理论预报法等[2]，美国地质调查局（USGS）和美国国家海洋和大气局（NOAA）也联合开发了一套泥石流预警系统[3]，另外日本和欧洲各国也对山体滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害的监测和预警等做了大量的研究工作。在我国，随着北斗卫星导航系统（BDS）的完善，地质监测、水利大坝的位移监测[4]等防灾减灾方面得到长足发展。研究人员对我国不同的地方、不同地质情况及不同气候条件下的地质灾害在深入比较分析的基础上，运用定量方法如遗传算法、BP神经元算法、传感网络算法等进行了研究[6]，为地质灾害的预报预警工作提供理论依据。当前地质灾害预警和预报系统的研究和应用也成了研究的热点[6～8]。

本文在此基础上，结合江西省滑坡特性与地质灾害的风险评估和预警的实际应用，引入无线通信网络技术和图像处理分析技术，研究和设计了具有高实时性的地质灾害监测预警系统，该系统集3S技术和无线传感技术等多种监测技术于一体[9～11]，能更快速、准确地获得各种地质灾害的动态实时数据，实现动态实时监测、管理分析和决策，为预警预报和减轻或避免地质灾害提供决策依据和管理平台。

1 基于无线通信的地质灾害监测预警系统的设计

江西省滑坡等地质灾害具有地理分布范围广且大多分布在山区、突发性强、破坏性大、监测预警难度大等特点，设计一种能分类部署的基于无线通信的滑坡等地质灾害监测预警系统平台势在必行[12]。为了满足分布式布点监测预警和集中式布点监测预警的需要，本文设计和研究了基于无线专网和基于无线自组网两种组网方式下的地质灾害监测预警系统平台。

1.1 基于无线专网的监测预警系统平台

4G APN无线专网由于其兼顾安全性和方便性的特点而受到广泛关注。现阶段正处于4G无线通信技术的成熟应用期和5G无线通信技术的前期推广期，4G无线通信技术具有独特的优势。

（1）在带宽方面，由于4G无线通信技术与互联网技术的结合，采用空口技术OFDM（正交多任务分频技术）形成具有100M/s带宽的互联网用户接入的移动互联网专网-移动TD-LTE，较3G提高了10倍的带宽，能广泛应用于高清视频图像、视频电视、图片和大数据的实时传输，便于向5G时代过渡。

（2）在覆盖范围方面，4G网络目前已覆盖了广大的城镇、乡村和边远的山区，对部署地质灾害监测预警系统具有很好的支持。

（3）在安全性方面，4G APN专网实现4G终端和用户接入路由器之间建立GRE隧道，实现互联互通，再在两个互联互通的通信节点之间通过硬件级的IPSEC加密，实现业务上的透明传输和链路上的信息加密。

（4）在认证上，对用户号码信息，IMSI进行验证，以防止非法接入。

因此，为满足地质灾害监测预警系统的安全性要求，本方案采用4G APN专线的方案进行组网。图1是基于无线通信专网的地质灾害监测预警系统，该系统具有3个部分：

图1 基于无线通信专网的地质灾害监测预警系统

（1）前端监测系统：主要完成分布式监测点的地质、地貌、环境、气候等与地质灾害相关的传感数据、实时图像（或摄影）、图片（或航拍图片）、报警信息等的采集、预处理、存储和通过4G APN系统的拨号接入无线专网实现与本系统服务器相连进行数据通信等功能。

（2）服务器系统：一般可设置监测预警系统专业服务器（包括通信设备和客户接入服务、数据采集存储处理决策服务等、数据转发和预警发布服务等）和Web服务器（包括域名解析和预警发布及浏览服务等），也可由一台或多台服务器承担。主要完成前端系统的接入和分析决策、指挥、预警及后台客户系统的接入，实现各类数据的存储、处理、转发、浏览查询、分析决策、防灾救灾指挥、灾害预警及发布等功能。

（3）后台客户系统：主要完成地质灾害检测预警系统的各类信息分析决策、预警、防灾救灾指挥、实时监视、浏览查询及历史信息的浏览查询等功能。

1.2 基于无线自组网的监测预警系统平台

当前无线自组网（MANET）在各行各业都得到了广泛的应用，由于该网络突破了无线专网地理上的局限性，能够快捷、高效地进行部署，该网络是采用无线通信方式动态组网的、多跳转发（Multi-hop Distributed）的、移动性对等的网络，当前的无线自组网设备主要工作于2.4GHz和5GHz附近的多频率通道中，采用IEEE开发的802.11 a/b/g/n等多种数据通信标准，以满足不同通信通道和数据速率传输的要求[13]。因此，该无线自组网结构比较适合道路两侧或较集中的多条道路两侧和重要工程周围等的山体地质灾害监测点的监测数据传输。

图2是一个基于无线自组网的地质灾害监测预警系统，无线通信设备采用EnGenius Technologies，Inc.生产的 ENH700EXT和ENH500等室外11N系列产品进行骨干网的组网，传输速率最大可达300Mbps，其余各前端及汇集点则可采用室外CPE系列如EOC1650等进行分支组网，速率最大可达54Mbps。该系统只是内部组网，因此安全性可以得到保障，仅采用自组网设备本身提供的加密设置和硬件隔离即可，其它系统部分与图1中方案类似，由3个部分组成，分别是前端监测系统、服务器系统和后台客户系统。

图2 基于无线自组网的地质灾害监测预警系统

在此系统中设置一些室内地质灾害监测站为监测子站，采用无线通信汇集相对集中的就近各自组网支路的接入，监测子站无线汇集设备与室内千兆交换机进行有线连接并通过光纤接入主监控室内，与服务器、客户端及企业内部网（Intranet）相连，其中各监测点采用百兆交换机或无线接入、前端监测设备或有（无）线传感设备及无线通信设备等构造百兆交换节点，各监测点之间的无线通信则采用以300Mbps 5GHz作为骨干无线通信通道，54Mbps 2.4GHz作为分支无线通信通道进行数据交换，内网和外网通过服务器系统采用双网卡隔离和通信，从而依据实际应用情况构成了无线自组网的地质灾害监测预警系统平台。

1.3 无线专网与无线自组网的适应性比较

本文在网络的带宽、适用场景、运行费用、网络安全性、可靠性等方面对4G APN无线专网与IEEE 802.11n无线自组网进行适应性比较（详见表1）。

由表1可知，无线网络方案采用4G APN无线专网具有较大的优势。在实际部署中，根据布点的集中程度，可以综合这两种方案进行布点监测，较分散的节点使用4G APN无线专网，在较集中的监测点采用无线自组网的方式布点。

2 地质灾害监测预警系统平台中的关键技术及创新点

2.1 关键技术

在前面给出的基于无线通信的地质灾害监测预警系统中，需要解决如下技术问题：

（1）地质灾害监测点设备的供电问题。由于监测点的监测设备和通信设备主要采用低压直流电源，通常有5V/12V/24V/48V等几种直流电压供电，对于已有或方便提供交流220V的电源，将220V交流电转换成各设备需要的低压直流电供电就可以解决，但很多监测点分布在无低压电源或很难引入低压电源的野外边远或山区环境下，则要考虑如何解决设备的供电问题。

设计时，通常采用蓄电池和太阳能（或附加风能）自组电源（甚至组成微电网）供电，那么在这种供电方式下必须考虑所有设备的平均和最大工作功率（平均和最大工作电流），以及在无充电时的最大连续正常工作的小时数和系统的使用寿命等，以此选择恰当的蓄电池类型（如锂电池或镍氢电池等）和电气参数（最大电压和最大放电电流及额定容量安时数等），太阳能板和风机的类型、最大充电电压、电流、额定功率、充放电控制、电源转换与稳压等，且必须考虑气侯对电源的影响，对于不同气候条件下要考虑太阳能和风能的搭配。在电源控制方面，当工作电压低于正常供电电压时要减轻或切断负载，当达到设定的供电电压水平时能自动恢复供电，蓄电池、太阳和风能要合理利用，蓄电池的供、充、放电等控制都需要进行详细设计，并提供远程监测和控制功能。另外要考虑蓄电池的寿命，及时更换等。该自组电源的供电方式，一次投入费用较高，受气候的影响较大，控制较复杂，但此种方式是解决难以获得电源时的监测点设备供电的最佳方式，且此供电方式具有可控性、自恢复性及可操作性好等优点[13]。

表1 4G APN无线专网与IEEE 802.11n无线自组网比较

（2）各地质灾害监测点的部署问题。在地质灾害监测点的布局上，要依据地质灾害出现的种类、频率、危害程度、监测环境与范围、用户的需求等，进行科学合理的部署，如进行监测点的选取、有线（无线）传感器（或无线传感器网络）种类和功能等的选择、安装与接入，监测前端的详细设计如监测功能、组网方式与通信方式选择、供电方案与防水防雷接地方案选取等，同时考虑无人机巡检的接入功能。当采用分布式布点时可采用图1方案设计；当采用相对集中（或多线区域）进行布点时采用图2方案设计；当两者兼有，可依据实际布点选取图1方案或图1和图2混合使用的方案设计，如采用混合无线通信监测方案，则应设计具有多种通信方式的接入和数据通信功能。

（3）地质灾害监测设备的安装。地质灾害监测设备由支架、太阳能电池板及电源、测试箱、雨量监测桶、渗压计、拉线式位移传感器等组成。首先挖个直径大约50cm的坑，放入固定支架用的底座，灌入水泥，待水泥固化后，将带有太阳能板和测试箱的支架固定在底座上；接着在底座附近挖一个深约70cm的坑，然后将渗压计放入坑中，并用土回填；之后在底座附近埋装拉线式位移传感器，将位移传感器的装线盒固定；最后拉线（约拉线3～4m）与终端设备连接，终端设备通过4G APN专网与后台服务器通讯（见照片1）。

照片1 安装好的地质灾害监测设备

2.2 创新点

在本文给出的方案中主要有以下技术创新点：

（1）采用多种能源方式供电，提高了系统可靠性；

（2）根据布点的集中程度，采用适应性的组网方案，提高了系统部署灵活性；

（3）灾害监测设备固定安装，兼顾监测设备的安全可靠性和数据的现场真实性。

3 结语

本文结合江西省山体滑坡等地质灾害监测与预警的实际应用，对基于无线通信的地质灾害监测预警系统进行了详细的设计和研究，给出了两种设计方案分别应用于监测点分散和相对集中的两种实际应用场景，如两种应用场景同时具备，也可应用本文的设计采用基于无线通信专网和无线自组网相结合的方式实现地质灾害监测和预警的应用，因此本文提出的基于无线通信的地质灾害监测预警系统具有广泛的实用性和应用前景。