Web+SMS技術在公路邊坡地質災害監(jiān)測中的應用研究

楊德龍，王洪輝，張兆義，范磊磊，鐘佳迅，黃 凡

（1.貴州省公路工程集團有限公司 貴州 貴陽 550000；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

我國是一個崩塌、滑坡、泥石流等地質災害發(fā)生十分頻繁和災害損失極為嚴重的國家[1]。而地質邊坡體常常因失穩(wěn)而發(fā)生滑坡或崩塌，并可進一步造成地質災害，其已同地震和火山相并列成為全球3大地質災害之一，在全世界每年因邊坡變形失穩(wěn)造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。據(jù)初步統(tǒng)計，全球由于自然災害所造成的經(jīng)濟損失每年約為400億美元，若考慮人類誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)破壞，其經(jīng)濟損失將會成倍增長。1963年的意大利瓦伊昂（Vaiont）水庫近壩地段滑坡致使世界上最高的雙曲拱壩失效，有2.4×104～3.6×104萬m3的巖石滑到托克山水庫中，幾乎填滿了整個水庫，滑坡造成的涌浪高達200多米并且越過大壩，造成1 900多人死亡。1991年12月14日，新西蘭Mount Cook發(fā)生的一次巨大的山體崩滑是在沒有明顯的觸發(fā)因素情況下發(fā)生的（Sassa，1995）?；麦w高度1 500 m，總體積1.4×104萬m3的滑坡體墜入1 000 m以下的Tasmam Gracier冰川湖[2]。隨著我國基礎建設的不斷發(fā)展，高速公路的建設，經(jīng)常不可避免的需要開挖巖土體，形成大量與人類工程活動有關的工程邊坡。而山區(qū)高速公路這種線狀工程穿越的地貌單元多，遇到的地質條件復雜，邊坡治理在工程建設中占有很大的比重。目前我國對公路開挖邊坡滑坡災害主要采用傳統(tǒng)的人工巡回測試、記錄資料處理。這種派人員值班守衛(wèi)的方式，不僅耗費大量的人力資源和資金，而且災害發(fā)生點大多地形險要，人員現(xiàn)場工作缺乏人身安全保障，同時效率也很低下[3]。因此，急需對其預防監(jiān)測手段進行研究，建立適用的滑坡地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)。本文介紹了一種基于GSM網(wǎng)絡以短信的方式傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布成Web服務平臺，實現(xiàn)了在任何有Internet的地方都可遠程監(jiān)測滑坡體狀態(tài)的功能，并結合具體的工程給出了應用實例。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測、網(wǎng)絡傳輸、監(jiān)控中心和Web發(fā)布四部分組成。現(xiàn)場監(jiān)測設備（帶移動通信裝置）安裝在遠端的監(jiān)控點上，監(jiān)測點的裂縫位移、地下水位、深部位移、土壤含水率等數(shù)據(jù)被采集后通過移動GSM網(wǎng)絡以短消息的方式傳回到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心再解析短消息并處理后，將數(shù)據(jù)信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控中心通過分析數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠端監(jiān)測點實時監(jiān)測，同時對危險信息給予報警（如邊坡體有無失穩(wěn)跡象等），從而有效地減少或消除災害的發(fā)生。系統(tǒng)通過瀏覽器/服務器（B/S）模式構建了遠程Web數(shù)據(jù)服務發(fā)布平臺，有利于通過Internet監(jiān)測邊坡狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic of the overall structure of the system

2 系統(tǒng)設計

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集

邊坡災害監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取主要是通過遍布在公路邊坡監(jiān)測區(qū)域的相關自動化監(jiān)測儀器采集相關的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括：

1）裂縫位移監(jiān)測，將帶位移傳感器設備的一端固定在滑坡體上，另一端固定在非滑坡體上，通過相對位移獲得監(jiān)測點位移值[4]。

2）地下水位監(jiān)測，采用帶水位傳感器的設備對地下水位進行監(jiān)測。

3）深部位移監(jiān)測，采用帶角度傳感器設備的測斜管預埋在滑坡體的鉆孔內，當滑坡體發(fā)生位移時，測斜管也隨之發(fā)生傾斜變化，從而得到測斜管每段的水平位移增量。

4）土壤含水率監(jiān)測，采用帶濕度傳感器的設備對土壤中的濕度進行監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸

監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸主要通過GSM引擎模塊之間通信完成數(shù)據(jù)傳輸。GSM引擎模塊提供的AT命令接口符合GSM07.5和GSM07.7規(guī)范，當GSM引擎模塊收到網(wǎng)絡發(fā)來的短消息時，通過向串口發(fā)送接收消息指令來獲得數(shù)據(jù)信息。短消息（Shot Message）業(yè)務是GSM系統(tǒng)提供給用戶的一種數(shù)字業(yè)務，通過無線控制信道進行傳輸，經(jīng)短消息服務中心完成存儲和收發(fā)功能。數(shù)據(jù)監(jiān)測終端設備和數(shù)據(jù)監(jiān)測中心可通過GSM引擎模塊以短消息方式發(fā)送各種命令進行數(shù)據(jù)通信[5]。常用的AT命令如表1所示。

表1 常用的AT命令Tab.1 Common AT commands

2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測中心

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主要完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、處理和轉發(fā)，以及系統(tǒng)報警等功能，其主要功能模塊如圖2所示[6]。

圖2 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心功能模塊示意圖Fig.2 Schematic of data monitoring center function module

1）通信協(xié)議設計

由監(jiān)測現(xiàn)場發(fā)往數(shù)據(jù)監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)包含監(jiān)測點位置數(shù)據(jù)、監(jiān)測設備類型、監(jiān)測設備運行狀態(tài)參數(shù)、監(jiān)測設備采集數(shù)據(jù)等，其格式如表2所示：

表2 通信協(xié)議Tab.2 Communication protocol

Head：表示數(shù)據(jù)包的開始；

Type：表示監(jiān)測現(xiàn)場的設備類型（00：裂縫位移監(jiān)測；01：地下水位監(jiān)測；02：深部位移監(jiān)測；03：土壤含水率監(jiān)測；04：孔隙水壓力監(jiān)測）；

Location：表示監(jiān)測點的經(jīng)緯度坐標；

State：表示當前監(jiān)測設備運行狀態(tài)（00：正常；01：欠壓；02：通信模塊損害）；

Data：表示監(jiān)測設備采集的數(shù)據(jù)；

Verify：表示除Head以外字節(jié)數(shù)據(jù)的8位CRC校驗。

2）數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫設計包含概念設計和邏輯設計兩方面，概念模型采用ER實體聯(lián)系法設計，邏輯設計將概念模型進行關系轉化，關系轉化遵循準則[7]：①各事務處理系統(tǒng)各模塊的完整和獨立。②相關事務模塊之間的信息聯(lián)系和統(tǒng)一。③消除數(shù)據(jù)冗余和不合適的數(shù)據(jù)依賴。

3）收發(fā)服務程序設計

在設計收發(fā)服務程序時，首先對串口進行初始化設置，并檢查系統(tǒng)是否與GSM模塊連接正常，然后開啟接收線程時刻接收新的短消息[8]。若接收到數(shù)據(jù)，則進入數(shù)據(jù)處理模塊，再將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。若接收的數(shù)據(jù)有危險信息（如滑坡體有滑坡跡象；現(xiàn)場輻射劑量超標等）則給予報警，同時向預設置電話撥打電話或向手機轉發(fā)消息，使得相關人員在第一時間內得知消息，以便采取措施。若監(jiān)控中心想了解設備某些參數(shù)或控制某些設備，可向GSM模塊發(fā)送指令來完成。其接收工作流程如圖3所示。

圖3 接收工作流程Fig.3 Flow chart of receive

4）圖形顯示

將接收到的數(shù)據(jù)，通過曲線圖方式實時動態(tài)地顯示出來，以便更直觀地了解被監(jiān)測滑坡體的狀態(tài)。

5）報警功能

系統(tǒng)通過向預設置的電話撥打電話或向手機轉發(fā)消息、聲音報警等方式，使得人們及時掌握災害情況[9]，以便采取措施將災害減少到最低程度。

6）欠壓管理

監(jiān)測現(xiàn)場決大多數(shù)在野外，設備的供電系統(tǒng)基本上采用電池的方式，電池的消耗可能經(jīng)不起設備的長期監(jiān)測使用，在欠壓狀況下通知監(jiān)控中心及時換電池，以便更好地監(jiān)測。

2.4 Web發(fā)布平臺

在傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)中，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的瀏覽只能在監(jiān)控中心才能看到，本系統(tǒng)采用Web技術，通過瀏覽器/服務器（B/S）模式構建遠程Web數(shù)據(jù)服務發(fā)布平臺，實現(xiàn)通過Web瀏覽器在任何能上Internet的地方都能遠程監(jiān)測滑坡體的狀態(tài)，從而有效地提高了滑坡災害預警的快速性、高效性和直觀性。

3 結束語

本系統(tǒng)成功應用于貴州省畢節(jié)至威寧高速公路第4～6合同段人工開挖邊坡地質災害監(jiān)測現(xiàn)場，對該區(qū)域的監(jiān)測手段為裂縫位移監(jiān)測方式，共5個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點每2個小時向監(jiān)控中心發(fā)一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過1個多月的監(jiān)測，該邊坡較穩(wěn)定。

本系統(tǒng)結合Web和SMS技術實現(xiàn)了遠程實時公路邊坡地質災害監(jiān)測與報警，并通過瀏覽器/服務器模式構建了遠程Web數(shù)據(jù)服務發(fā)布平臺，便于決策部門和專家在異地隨時觀看地質災害現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)測結果。和傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場監(jiān)測相比，本系統(tǒng)具有快速性、高效性和直觀性等優(yōu)點。通過實際工程的應用取得了良好的效果。

[1]王威，王水林，湯華，等.基于三維GIS的滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)及應用[J].巖土力學，2009， 30（11）:3379－3385.

WANG Wei，WANG Shui-lin，TANG Hua，et al.Application of 3－D GIS to monitoring and forecast system of landslide hazard [J].Rock and Soil Mechanics，2009， 30 （11）:3379－3385.

[2]謝永明.高速公路高邊坡動態(tài)監(jiān)測 [J].公路交通技術，2005， 5（11）:9－11.

XIE Yong-min.Dynamicmonitoringofhigh slope on expressway[J].Technology of Highway and Transport，2005，5（11）:9－11.

[3]李琦，文藝，原健鐘，等.基于GPRS的滑坡地質災害遠程監(jiān)測節(jié)點設計[J].科學教育家，2008（6）:252－253.

LI Qi， WEN Yi， YUAN Jian-zhong.Remote monitoring of landslides node design base on GPRS[J].Science educators.2008（6）:252－253.

[4]趙建三，顏奇，徐卓揆等.B/S模式的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及安全預警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].測繪科學，2010，35（6）:186－188.

ZHAO Jian-san， YAN Qi， XU zhuo-kui.Design and implementation of slope monitoring data analysis and security warning system based on B/S model[J].Science of Surveying and Mapping，2010，35（6）:186－188.

[5]李元臣，張鵬祥.基于GSM網(wǎng)絡短消息的遠程監(jiān)控設計[J].微計算機信息，2008，24（1）:156－158.

LI Yuan-chen，ZHANG Peng-xiang.Design and implementation of remote monitoring and control based on GSM short message[J].Microcomputer information，2008，24（1）:156－158.

[6]鄔凱，盛謙，張勇慧，等.山區(qū)公路路基邊坡地質災害遠程監(jiān)測預報系統(tǒng)開發(fā)及應用 [J].巖土力學，2010，31（11）:3683-3687.

WU Kai， SHENG Qian， ZHANG Yong-hui， et al.Development of real-time remote monitoring and forecasting system for geologicaldisastersatsubgrade slopesofmountainous highways and its application [J].Rock and Soil Mechanics，2010， 31（11）:3683-3687.

[7]賀尚紅，姚尹雄，袁松貴，等.天津港環(huán)保管理信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機應用，1998，18（4）:43-44.

HUO Shang-hong，YAO Yi-xiong，YUAN Song-gui，etal.Environmental management information system design and implementation of tianjin port[J].Computer Applications，1998，18（4）:43-44.

[8]呂淑萍，王偉.基于GSM短信的信息管理系統(tǒng)開發(fā)[J].應用科技，2006，33（4）:36-38.

LV Shu-ping，WANG Wei.Development of information management system based on GSM short message[J].Applied Science and Technology， 2006，33（4）:36-38.

[9]李水旺，田智慧.基于GIS的公路自然災害的預警預報系統(tǒng)研究[J].測繪科學，2009，34（3）:155-158.

LI Shui-wang，TIAN Zhi-hui.Research on the system of alarming and reporting in advance about roads disasters based on GIS[J]. Science of Surveying and Mapping，2009，34（3）:155-158.