大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

文/歐陽芬芳 王靜 曾祥飛

滑坡穩(wěn)定性因素包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文氣象、地層巖性、人類活動(dòng)等，這些因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響程度及作用期限尚不能確定，如降雨是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素，雨量的大小與滑坡發(fā)生的模型依然具有不確定性[1]，雨后多長時(shí)間內(nèi)發(fā)生滑坡的可能性也不能用函數(shù)關(guān)系表示[2]，同時(shí)，在未有降雨的情況下也發(fā)生滑坡。因此，多傳感器自動(dòng)監(jiān)測對(duì)提高滑坡監(jiān)測效率、管控滑坡風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義。

滑坡監(jiān)測的主要物理量有地表變形、深部變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、環(huán)境因素，主要監(jiān)測方法有大地測量、鉆孔測斜、巖土體應(yīng)力、降雨量等[3,4]，監(jiān)測方式由地面監(jiān)測發(fā)展到地、空、天多維多基監(jiān)測，地面監(jiān)測由人工實(shí)地監(jiān)測到遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測，監(jiān)測因素由單一因素到多因素[5,6]；與滑坡監(jiān)測方式對(duì)應(yīng)的滑坡監(jiān)測管理信息系統(tǒng)也開展了廣泛的研究，這些管理信息系統(tǒng)具有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測預(yù)報(bào)模型實(shí)現(xiàn)等功能[7,8]，在遠(yuǎn)程自動(dòng)滑坡方面也有較多的管理系統(tǒng)，如朱星等[9]利用GPS/GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程滑坡監(jiān)測，桂維振等[10]通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取監(jiān)測要素，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程滑坡監(jiān)測。但是，已有的自動(dòng)監(jiān)測管理系統(tǒng)對(duì)于大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測，在監(jiān)測點(diǎn)分類管理、多傳感器通信流程控制等方面存在不足。

針對(duì)以上不足，通過分析多滑坡多傳感器遠(yuǎn)程監(jiān)測管理信息系統(tǒng)需求，構(gòu)建系統(tǒng)軟件框架與數(shù)據(jù)資源模型，設(shè)計(jì)多傳感器通信流程控制方法。

1 系統(tǒng)需求分析

滑坡地質(zhì)災(zāi)害具有自然屬性、工程屬性和社會(huì)屬性，大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)具有涉及工程技術(shù)面廣、參與工程協(xié)作單位多、地域范圍大等特點(diǎn)，大型滑坡監(jiān)測工程用戶關(guān)系如圖1。

圖1：大型滑坡監(jiān)測工程用戶關(guān)系圖

圖1中，大型滑坡監(jiān)測工程立項(xiàng)單位多為政府部門，由政府部門委托業(yè)主單位負(fù)責(zé)實(shí)施，一個(gè)工程包含多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測單位投標(biāo)參與監(jiān)測工程，監(jiān)測單位可以監(jiān)測整個(gè)工程，也可以是其中的1個(gè)或幾個(gè)工點(diǎn)，對(duì)于小型滑坡監(jiān)測工程項(xiàng)目工程立項(xiàng)單位可能為企事業(yè)單位，也可以不需委托業(yè)主單位。

大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要功能如圖2。

圖3：大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)框架

圖2中，監(jiān)測儀器能量模塊則以蓄電池為主，太陽能充電為輔，為傳感器模塊與通信模塊供電；傳感器模塊包括了多個(gè)滑坡要素物理量測量傳感器，如深部位移、水壓、雨量等傳感器；通信模塊接收數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、發(fā)送指令等功能；監(jiān)測管理模塊包括了監(jiān)測模式與監(jiān)測點(diǎn)信息管理，其中監(jiān)測模式包括條件監(jiān)測模式與定時(shí)監(jiān)測模式，定時(shí)監(jiān)測模式通過設(shè)置時(shí)間間隔來采集傳感器數(shù)據(jù)，條件監(jiān)測模式則是在監(jiān)測過程中如果位移大于所設(shè)的閾值則進(jìn)行重復(fù)多次觀察；預(yù)警管理模塊設(shè)置預(yù)警的信息，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置一定的閾值，可以將預(yù)警情況劃分等級(jí)；工程管模塊包括了工點(diǎn)、項(xiàng)目的管理，并控制著用戶的訪問權(quán)限；圖層管理模塊提供用戶可視化界面，用戶可以切換不同的地層，并且可以直觀的在地圖上看到監(jiān)測點(diǎn)的狀態(tài)；數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并繪制不同的類型的監(jiān)測量曲線。

2 系統(tǒng)框架及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)框架

圖4：大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)E-R模型

圖5：大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)讀寫分離結(jié)構(gòu)

圖6：通信流程控制技術(shù)流線圖

大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用asp.net MVC框架[11]，主要分為視圖層、控制層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層（如圖3所示）。

圖3中，視圖層呈現(xiàn)用戶界面，通常具體到業(yè)務(wù)功能的行為事件；控制層用于接收用戶輸入的數(shù)據(jù)、跳轉(zhuǎn)到視圖層以及調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層，通常以業(yè)務(wù)功能劃分；業(yè)務(wù)邏輯層處理復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯，并連接控制層與數(shù)據(jù)訪問層；數(shù)據(jù)訪問層實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)層與數(shù)據(jù)庫交互，將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提交給業(yè)務(wù)層，同時(shí)將業(yè)務(wù)層處理的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，以數(shù)據(jù)庫表劃分不同的接口；通用類庫，存放一些經(jīng)常使用的方法或者屬性；業(yè)務(wù)實(shí)體一般是數(shù)據(jù)庫中映射的表，或者是用戶自己抽象的類，這些實(shí)體類一般只實(shí)現(xiàn)get、set以及構(gòu)造方法。

2.2 實(shí)體關(guān)聯(lián)（E-R）概念模型

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是管理信息系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)體關(guān)系（E-R）概念模型決定系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫實(shí)體關(guān)系概念模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)?；卤O(jiān)測工程所包含的主要實(shí)體有工程、工點(diǎn)、監(jiān)測儀器等，其實(shí)體關(guān)系概念模型如圖4。

圖4中，1工程包含多個(gè)工點(diǎn)，1個(gè)工點(diǎn)包含多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；1臺(tái)監(jiān)測儀器存在多種類型的傳感器，同時(shí)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)存在多臺(tái)監(jiān)測儀器，因此，1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)可以擁有多種監(jiān)測模式；根據(jù)工點(diǎn)滑坡地質(zhì)力學(xué)環(huán)境可以設(shè)置不同的預(yù)警指標(biāo)。

在實(shí)體關(guān)系概念模型的基礎(chǔ)上，邏輯設(shè)計(jì)主要包括各類數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)，如與工程管理相關(guān)的數(shù)據(jù)表有工程表、工點(diǎn)表、監(jiān)測點(diǎn)表等；與監(jiān)測設(shè)備相關(guān)的有監(jiān)測儀器基本信息表、傳感器表、傳感器校驗(yàn)參數(shù)表等；與滑坡監(jiān)測相關(guān)的有監(jiān)測模式表、監(jiān)測數(shù)據(jù)表、監(jiān)測人員表等；與預(yù)警相關(guān)的預(yù)警閾值表、預(yù)警人員推送表、預(yù)警模型計(jì)算參數(shù)表等。

2.3 多傳感器通信流程控制

大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)多，多傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸，數(shù)據(jù)緩存及通信流程控制是關(guān)鍵?？紤]到多傳感器讀寫安全性，在數(shù)據(jù)通信中采用讀寫分離，如圖5所示，在監(jiān)測平臺(tái)與儀器通信模塊中間加入通信程序，該通信程序起到緩沖、轉(zhuǎn)發(fā)的作用。通信程序接收到監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)后，將其寫入數(shù)據(jù)庫，再轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測平臺(tái)；同時(shí)，通信程序?qū)⒈O(jiān)測平臺(tái)發(fā)送的操作指令轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測儀器。并且監(jiān)測平臺(tái)還可以從數(shù)據(jù)庫直接讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行展示、分析等操作。

通信程序使用SuperSocket[12]作為服務(wù)器Socket框架，通信程序作為服務(wù)端，監(jiān)測儀器與監(jiān)測平臺(tái)作為客戶端。當(dāng)通信程序驗(yàn)證了監(jiān)測平臺(tái)與監(jiān)測儀器的身份后，將其會(huì)話信息存入全局字典，用于轉(zhuǎn)發(fā)信息，其中，監(jiān)測儀器的key使用儀器編號(hào)，監(jiān)測平臺(tái)的key使用“WebClient”。當(dāng)通信程序收到監(jiān)測平臺(tái)數(shù)據(jù)時(shí)候，執(zhí)行圖6(a)的流程；當(dāng)通信程序收到監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)時(shí)候，執(zhí)行圖6(b)的流程。

當(dāng)通信程序與儀器建立長連接后，儀器為減少電池用量，（除通信模塊外）其他模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，利用SuperSocket自帶的心跳包維持連接，通信程序只需要等待Web端發(fā)送監(jiān)測模式信息，通信程序根據(jù)不同的監(jiān)測模式發(fā)送間隔時(shí)間不同的采集命令到相應(yīng)的監(jiān)測儀器。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，已由貴州交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司自2018年1月投入生產(chǎn)應(yīng)用以來，系統(tǒng)累積監(jiān)測滑坡數(shù)量超過100個(gè)，實(shí)時(shí)在監(jiān)滑坡超過10個(gè)，系統(tǒng)運(yùn)行正常。系統(tǒng)主界面如圖7。

圖8為監(jiān)測實(shí)例降雨量和深部位移曲線圖，所用儀器為雨量計(jì)和深部位移監(jiān)測儀，其中深部位移監(jiān)測儀為含有24個(gè)重力加速度傳感器，其監(jiān)測模式采用每隔30分鐘監(jiān)測一次，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)量所展示的展示部分曲線。

從圖8中可見：深部位移曲線與降雨量有較為一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，降雨量數(shù)據(jù)在一定程度地反映滑坡深部位移變化的原因。

4 結(jié)束語

多傳感器滑坡監(jiān)測是研究滑坡機(jī)理，減少滑坡災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)的有效手段；大規(guī)模多傳感器滑坡自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、多任務(wù)、涉及技術(shù)環(huán)節(jié)復(fù)雜等特點(diǎn)，構(gòu)建良好的軟件框架是系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，通過1年多的系統(tǒng)運(yùn)行表明，本系統(tǒng)所構(gòu)建的用戶關(guān)系模型、滑坡實(shí)體關(guān)系模型以及多傳感器通信流程控制方法是適合的。

圖7：滑坡監(jiān)測工程信息管理系統(tǒng)界面

圖8：監(jiān)測實(shí)例降雨量與深部累積位移曲線圖