山區(qū)公路滑坡實時遠程監(jiān)測與預警系統(tǒng)

焦盼飛

摘 要：利用精度為1mm的拉索式位移計和精度為0.1mm的雨量計測量公路邊坡的表面位移和降雨量，并將測量數(shù)據(jù)通過GPRS系統(tǒng)傳送到遠程計算機，以實現(xiàn)公路滑坡的實時遠程監(jiān)控和預警。同時采用太陽能供電設備為整個系統(tǒng)提供電力。該系統(tǒng)具有經(jīng)濟、節(jié)能、自動化、高效等優(yōu)點。

關鍵詞：公路滑坡；實時遠程監(jiān)控；預警

引言

中國山區(qū)面積是全國面積的69%。公路滑坡是山區(qū)最常見的自然災害。公路滑坡造成交通堵塞，人員傷亡，經(jīng)濟損失和環(huán)境破壞。隨著無線通信技術的發(fā)展，遠程監(jiān)控和預警系統(tǒng)被開發(fā)并應用于水電站，采礦和隧道。但在公路工程中并不常用。實際上，公路邊坡的特點是沿路分布，區(qū)間長，規(guī)模小，數(shù)量多并且缺乏統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這就導致了監(jiān)控成本高，預警困難。目前，常用的檢測方法依舊是手動操作，不能夠在糟糕的環(huán)境和氣候條件中獲取數(shù)據(jù)。盡管GPS可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，但精度只有3-5mm。

本文介紹一種遠程監(jiān)測和預警系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)是由位移計，網(wǎng)格雨量計，數(shù)據(jù)采集和傳輸單元，太陽能供電設備集成。本文介紹的實時遠程監(jiān)測和預警系統(tǒng)具有低成本，節(jié)能，自動化程度高，高效的優(yōu)點。

1 監(jiān)測系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)主要包括位移計、雨量計、數(shù)據(jù)采集和傳輸單元。數(shù)據(jù)傳輸主要基于GPRS系統(tǒng)實現(xiàn)。GPRS是一種基于全球移動通信系統(tǒng)的無線分組交換服務系統(tǒng)。它可以提供點對點，廣域無線互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接。在GSM覆蓋的任何地方，GPRS可用于提供強大的便捷的數(shù)據(jù)傳輸方案。

數(shù)據(jù)收集器從觸發(fā)式位移計和網(wǎng)格雨量計采集數(shù)據(jù)，并輸送數(shù)據(jù)到GPRS模塊，該模塊負責將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換并傳輸至GPRS無線基站。通過數(shù)據(jù)接收軟件，監(jiān)測和控制中心的服務器可以從互聯(lián)網(wǎng)實時接收數(shù)據(jù)，并且儲存數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫，以供數(shù)據(jù)管理、查詢、分析和網(wǎng)絡共享。

1.1 拉索式位移計

拉索式位移計是用來測量待測點與相對固定點之間的相對位移。測量精度為1mm，測量范圍為400mm。當拉索超過1mm，將觸發(fā)脈沖信號并發(fā)送到發(fā)射機。短距離無線通信功能可以在數(shù)米距離不用電纜。通常對于一個滑坡而言，若干位移計需要監(jiān)測不同位置的位移。為了方便聯(lián)網(wǎng)工作，在發(fā)射器和接收器之間設立短距離的無線通信裝置。接收器可以同時從8個發(fā)射器接收無線信號，然后發(fā)送到具有標準通信接口RS-232的收集器。

1.2 網(wǎng)格式雨量計

高精度的網(wǎng)格式位移傳感器被用于網(wǎng)格式雨量計，可以將分辨率和測量精度分別提高到0.01mm和0.1mm。在水容器中兩個電動閥門可以自動控制雨量的進入和排出。并且這種設計可以防止雨量的流失，即使在暴雨天氣下。這種雨量流失常發(fā)生在虹吸和桶狀雨量器。

1.3 數(shù)據(jù)采集和傳輸單元

數(shù)據(jù)采集和傳輸單元是由數(shù)據(jù)采集器，GPS模塊和太陽能供應設備組成。數(shù)據(jù)采集器從不同的傳感器收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相同的格式然后發(fā)送到GPRS模塊。接通電源后將準備好的域名錄在GPRS模塊并與域名系統(tǒng)服務器聯(lián)系，并找到監(jiān)控中心的IP地址，然后無線通信就可以建立了。

在陽光充足的天氣，太陽能電池板可以為蓄電池充電，為整個系統(tǒng)提供電力。在沒有陽光的陰天，蓄電池可以支持系統(tǒng)持續(xù)工作大約20天。

2 監(jiān)測預警方法

2.1 位移預測

系統(tǒng)提供平滑模型進行監(jiān)控數(shù)據(jù)預處理，灰色動態(tài)模型和Verhulst反函數(shù)模型做短期預測，利用最小二乘擬合模型和神經(jīng)網(wǎng)絡模型做中長期預測。

當數(shù)據(jù)達到預先設定的臨界值時，監(jiān)測點將閃爍四種顏色：藍色、橙色、黃色和紅色，分別對應著四種預警級別。同時，預警的短消息會自動發(fā)送到目標手機。

2.2 位移預警方法

對于大多數(shù)山區(qū)公路滑坡，由于缺乏計算參數(shù)，比如力學參數(shù)，滲透系數(shù)和水土特征曲線，將給穩(wěn)定性分析計算造成困難。本文提出一種簡化的方法。首先，邊坡機械參數(shù)的不同組合E、C、？準（變形模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力）被設計在合適的范圍內(nèi)。然后運用有限元分析軟件PLAXIS對邊坡進行強度折減分析和塑性分析。最后根據(jù)計算結(jié)果，建立邊坡安全系數(shù)與表面位移的關系，然后可以提出相應的位移預警臨界值。

3 實際工程應用

實時遠程監(jiān)測和預警系統(tǒng)已經(jīng)應用于陜西省漢中市G210楊家河段滑坡監(jiān)測中。2015年6月1日，在該路段邊坡上安裝了7個拉索觸發(fā)式位移計和一個網(wǎng)格式雨量計來監(jiān)控位移和降雨量。

根據(jù)上文提到的位移預警方法，通過數(shù)值計算不同參數(shù)組合，建立了表面位移和安全系數(shù)的關系。如圖1。A、B、C、D點是曲線的轉(zhuǎn)折點，并且可以作為預警點。從六月一日到現(xiàn)在，最大的監(jiān)測位移是2mm，這就意味著滑坡是低風險。

2015年6月末，該地區(qū)遭到暴雨襲擊。該系統(tǒng)監(jiān)測到位移和降雨量數(shù)據(jù)。雖然每天的最大降雨量達到80mm，最大有效降雨量達到110mm，位移沒有任何改變，這就意味著邊坡在暴雨下是穩(wěn)定的。

4 結(jié)束語

本文提出的實施遠程監(jiān)測和預警系統(tǒng)在山區(qū)公路邊坡地質(zhì)災害預警中具有低成本，節(jié)能，自動化程度高，效率高的優(yōu)點。該系統(tǒng)具有邊坡三維地質(zhì)建模與可視化，數(shù)據(jù)查詢和繪圖，穩(wěn)定性計算，位移預測，實時預警的功能。工程應用表明，該系統(tǒng)是成功的，它可以為公路運輸提供安全保障，并減少環(huán)境破壞。

參考文獻

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