基于“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈的智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的工程應用

文|范曉雷 李懷忠 雒永剛 孫國慧 楊世忠 王岳軍

1.中國衛(wèi)通集團股份有限公司 2.湖南北斗微芯數(shù)據(jù)科技有限公司3.北斗微芯院士專家工作站 4.中山大學

一、引言

我國幅員遼闊，地質(zhì)結構復雜多樣，地質(zhì)災害隱患點數(shù)量巨大。目前，全國已經(jīng)勘察確認的地質(zhì)災害隱患點288525處，共威脅1891萬人和4431億元財產(chǎn)的安全。據(jù)自然資源部發(fā)布的《2018年全國地質(zhì)災害災情及2019年地質(zhì)災害趨勢預測》，2018年全國共發(fā)生地質(zhì)災害2966起，造成105人死亡、7人失蹤、73人受傷，直接經(jīng)濟損失14.7億元。2018年全國共成功預報地質(zhì)災害496起，避免人員傷亡23560人，避免直接經(jīng)濟損失9.6億元。從發(fā)布的數(shù)據(jù)分析，目前我國地質(zhì)災害成功預報率僅有16.72%。成功預報地質(zhì)災害能夠明顯降低人員傷亡和生命財產(chǎn)損失，因此建立一套能夠?qū)Φ刭|(zhì)災害進行監(jiān)測預警的“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈的智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)是非常迫切和必要的。

二、地質(zhì)災害監(jiān)測預警面臨的挑戰(zhàn)

1. 通信盲區(qū)及傳統(tǒng)通信癱瘓狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸

地質(zhì)災害作為一種自然現(xiàn)象有其發(fā)育過程，地質(zhì)災害監(jiān)測的意義就是通過科技手段實時動態(tài)掌握隱患點上地質(zhì)災害的孕育及發(fā)育狀態(tài)，掌握地質(zhì)災害隱患點雨量、位移、土壤含水量等關鍵致災因子的數(shù)據(jù)及其變化，能夠及時對地質(zhì)災害風險進行預判和預警，為地質(zhì)災害防治提供響應時間和空間，降低災害帶來的人員傷亡和經(jīng)濟損失，因此地質(zhì)災害監(jiān)測預警對實時通信的需求非常明確。目前地質(zhì)災害監(jiān)測的通信手段為傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡，當?shù)刭|(zhì)災害發(fā)生時，地質(zhì)災害隱患點周邊的通信基站也會面臨破壞，很容易導致通信中斷和癱瘓。另外，還有大部分地質(zhì)災害隱患點處于蜂窩網(wǎng)絡信號欠佳或者通信盲區(qū)，鑒于北斗短報文的通信能力和傳輸頻次尚不能滿足地質(zhì)災害實時監(jiān)測的要求，導致這些區(qū)域地質(zhì)災害監(jiān)測陷入瓶頸。由此可見，地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)的不間斷傳輸是傳統(tǒng)地質(zhì)災害監(jiān)測預警面臨的重大挑戰(zhàn)。

2. 海量時序監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能災變風險挖掘

地質(zhì)災害孕育狀態(tài)主要通過前端物聯(lián)感知體系獲取，包含如位移、土壤含水量、雨量等諸多關鍵致災因子的參數(shù)，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)有非常明顯的海量性、時序性、連續(xù)性；同時監(jiān)測的傳感器大多來源于不同廠家，采用的數(shù)據(jù)格式標準也有所不同，存在多源、異構、跨平臺的特性，這些問題也造成地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)的應用和管理難題，而地質(zhì)災害監(jiān)測預警主要目的就是從海量的時序監(jiān)測數(shù)據(jù)中快速識別出災變的風險，為地質(zhì)災害預警及應急響應提供寶貴的時間和空間，這是地質(zhì)災害監(jiān)測預警領域面臨的挑戰(zhàn)。

三、“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)技術方案

1. “感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)業(yè)務模型

“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)是通過北斗GNSS、雨量計等物聯(lián)感知設備采集位移、氣象、環(huán)境等地質(zhì)災害誘發(fā)因素的可監(jiān)測信息，利用以寬帶衛(wèi)星通信為主的多回路雙備份通信機制和基于多學科交叉的智能災變監(jiān)測預警評估模型，為用戶提供地質(zhì)災害事前監(jiān)測預警、事中實時監(jiān)測、事后輔助救援與應急服務的平臺。系統(tǒng)采用“一個云平臺，三項核心技術”的技術支撐體系，“一個云平臺”即面向用戶的智能北斗高精度地質(zhì)災害實時監(jiān)測預警云平臺；“三項核心技術”分別指：北斗的高精度定位技術可實現(xiàn)對地質(zhì)災害隱患點進行精準定位和位移監(jiān)測；多回路雙備份通信技術可以對地質(zhì)災害隱患點的監(jiān)測信息進行全天候不間斷回傳；去中心化開發(fā)技術是平臺的軟件開發(fā)采用的區(qū)塊鏈技術，能夠保障平臺的可擴展性和個性定制的需求（圖1）。

圖 1 “感、傳、智、用”全業(yè)務鏈地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)業(yè)務模型示意圖

2. “感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)架構

鑒于上述問題和挑戰(zhàn)，“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)采用五層架構進行設計，如圖2所示，分別是地質(zhì)災害隱患點實時動態(tài)感知層、多回路雙備份通信層、數(shù)據(jù)匯集與數(shù)據(jù)處理層、并行業(yè)務計算層和面向用戶的應用層，為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定良好的運行，系統(tǒng)采用自學習方式進行自檢及維護，具體如下：

（1）地質(zhì)災害實時動態(tài)感知層

地質(zhì)災害實時動態(tài)感知層是面向地質(zhì)災害隱患點建設的全維度地質(zhì)災害誘發(fā)因素物聯(lián)感知網(wǎng)絡，通過設備和儀器監(jiān)測誘發(fā)地質(zhì)災害的可以量化的所有信息，為地質(zhì)災害監(jiān)測、風險評估及地質(zhì)災害預警提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）多回路雙備份通信層

系統(tǒng)建立了多回路雙備份的通信機制，利用寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)集中器實現(xiàn)了Ka高通量寬帶衛(wèi)星、北斗短報文、蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、NB-IoT/LoRa的疊加式網(wǎng)絡通信體系，采用自適應的網(wǎng)絡接入管理模式，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸不間斷。

（3）數(shù)據(jù)匯集與數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)匯集與數(shù)據(jù)處理層是實現(xiàn)對地質(zhì)災害監(jiān)測全維度監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入、處理、管理和使用。對前端接入的多源、異構、跨平臺的數(shù)據(jù)進行處理，這些海量數(shù)據(jù)具有多維度多屬性的特點，處理過程具有連續(xù)性、高并發(fā)、多任務協(xié)同特征及實時性，為保障數(shù)據(jù)的規(guī)范和可用性，系統(tǒng)引入高吞吐數(shù)據(jù)處理技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集、清洗、標準化、存儲及時空異構數(shù)據(jù)深度融合等功能。

（4）并行業(yè)務計算層

依據(jù)地質(zhì)災害的監(jiān)測、預警和信息發(fā)布的業(yè)務流程，為滿足極端天氣或者汛期時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和業(yè)務計算頻率提升的要求，系統(tǒng)建立了數(shù)據(jù)并行化處理方法和業(yè)務并行計算模型，實現(xiàn)大規(guī)模并發(fā)信息處理、業(yè)務計算、實時動態(tài)穩(wěn)定性評價、智能風險評估計算等功能，滿足極端天氣和汛期監(jiān)測預警需求。

（5）面向用戶的應用層

面向用戶的應用層主要用于業(yè)務應用、應急指揮、信息訂閱發(fā)布、治理方案輸出、協(xié)同作業(yè)支持等，屬于“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)與用戶的主要接口管理層，能夠解決用戶信息請求和用戶信息獲取的問題，此層通過匯集各種業(yè)務需求、展示后端結果完成系統(tǒng)呈現(xiàn)。

（6）系統(tǒng)自檢與維護

“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)設置系統(tǒng)自檢及維護功能，具有平臺安全控制和系統(tǒng)自檢機制，保障系統(tǒng)運行。

3. 人工智能地質(zhì)災害風險評估及災變預警模型

系統(tǒng)采用“一個隱患點一個預警模型”的風險評估及災變預警策略，其中人工智能地質(zhì)災害風險評估及災變預警模型是北斗微芯院士專家工作站結合具體地質(zhì)災害監(jiān)測工程和規(guī)范開發(fā)。該模型是依據(jù)地質(zhì)災害隱患點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)來對其進行安全風險評估和災變預警，主要通過基于大尺度時序監(jiān)測數(shù)據(jù)的人工智能手段和專用災變模型，對地質(zhì)災害隱患點的風險和災變進行定量、定性分析，并建立如表 1所示風險評估矩陣，系統(tǒng)采用模糊理論、模糊評估、灰色理論、灰色關聯(lián)分析、層次分析法，貝葉斯理論模型等方法對地質(zhì)災害隱患點進行風險評估。

同時為方便用戶對災變的應急響應，依據(jù)智能地質(zhì)災害預警評估模型和應急消防管理法的相關要求，系統(tǒng)設置了四級預警發(fā)布體系，如表 2所示，分別是紅色預警、橙色預警、黃色預警、藍色預警。

為了能夠提升災變預警模型的精準度，系統(tǒng)為模型設置了反饋修正功能，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)業(yè)務計算結果和現(xiàn)場勘察結論動態(tài)修正預警模型。

4. 系統(tǒng)關鍵技術

（1）基于中星十六號的多回路不間斷通信技術

為了保證智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警能夠全天候?qū)崟r在線運行，在本技術方案采用多回路不間斷通信鏈路設計，由中國衛(wèi)通集團股份有限公司（簡稱中國衛(wèi)通）與北斗微芯數(shù)據(jù)科技有限公司（簡稱北斗微芯）聯(lián)合研發(fā)了寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)集中器，解決了隱患點數(shù)據(jù)集中、通信盲區(qū)及傳統(tǒng)通信易癱瘓場景通信備份等難題。寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)集中器融合了基于Ka高通量寬帶衛(wèi)星通信、蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、北斗短報文及NB-IoT/LoRa等通信技術，采用自適應網(wǎng)絡接入模式，自主判斷和選擇通信鏈路，當蜂窩網(wǎng)絡出現(xiàn)中斷或者癱瘓的情況時，設備可以自主切換至寬帶衛(wèi)星通信鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，確保地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)的不間斷回傳。

（2）基于北斗衛(wèi)星的高精度位置解算技術

高精度地表形變及位移是災變的重要指標，獲取地質(zhì)災害隱患點高精度位置變化是能夠提供精確預警信息的核心關鍵技術。

系統(tǒng)提供了基于北斗衛(wèi)星的高精度位置解算技術，該解算技術是使用RTK（載波相位差分）技術對地質(zhì)災害隱患點的地表位移進行高精度監(jiān)測，如圖3所示，通過基準參考站和位移監(jiān)測站同時進行觀測，北斗GNSS基準站與位移監(jiān)測站同時接收北斗衛(wèi)星定位信號，北斗GNSS基準站模塊通過內(nèi)部芯片計算得到差分數(shù)據(jù)并通過物聯(lián)網(wǎng)通信模塊（LoRa）將差分數(shù)據(jù)傳輸至位移監(jiān)測站，位移監(jiān)測站接收到差分數(shù)據(jù)后，由北斗GNSS定位芯片進行實時解算的形變數(shù)據(jù)，精度可以達毫米級。

圖 3 基于北斗衛(wèi)星的高精度位置解算及多回路通信工程應用示意圖

（3）高并發(fā)災變預警并行業(yè)務計算技術

為了滿足地質(zhì)災害監(jiān)測預警業(yè)務的實時動態(tài)響應，系統(tǒng)引入高并發(fā)并行業(yè)務計算解決方案，采用無共享體系結構和多指令流單數(shù)據(jù)流編程模型，業(yè)務計算由調(diào)度節(jié)點和任務節(jié)點集群完成，圖4為高并發(fā)災變預警并行業(yè)務計算流程示意圖。

（4）智能多物理場災變評估技術

圖 4 高并發(fā)災變預警并行業(yè)務計算流程示意圖

為了提升地質(zhì)災害監(jiān)測預警的精度，系統(tǒng)采用了如圖5所示的多物理場耦合計算的模式來提升地質(zhì)災害監(jiān)測預警的可靠性，多物理場耦合主要立足工程地質(zhì)條件以及環(huán)境與地質(zhì)條件之間的相互作用，挖掘應力場、滲流場、溫度場等多物理場作用下產(chǎn)生的應變場，通過應變場的獲取時序檢測數(shù)據(jù)的變化，為智能地質(zhì)災害風險評估矩陣提供參數(shù)輸入，并針對不同隱患點配置災變預警模型，用以精準掌握地質(zhì)災害隱患點地質(zhì)災害發(fā)育狀態(tài)。

圖 5 智能多物理場災變耦合計算示意圖

四、“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警的工程應用

1. 寧鄉(xiāng)市地質(zhì)災害情況及工程建設背景

2017年7月，湖南省寧鄉(xiāng)市境內(nèi)發(fā)生重大地質(zhì)災害，西部9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)山體滑坡，東部區(qū)域出現(xiàn)洪水漫堤，受災人口81.5萬，全倒或部分倒塌房屋14000余間，毀損堤壩900多處，13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)停電，7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)通訊中斷，因災死亡、意外落水、失聯(lián)人員40余人，地質(zhì)災害給當?shù)厝嗣袢罕娚敭a(chǎn)造成了巨大的損失。湖南省寧鄉(xiāng)市地處湘東偏北的洞庭湖南緣地區(qū)，地形地貌復雜，西部山區(qū)屬于風化花崗巖地區(qū)，遇到強降雨極容易發(fā)生山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災害，東部地區(qū)屬于洞庭湖尾閭地區(qū)，地勢低洼，河流匯集，是地質(zhì)災害多發(fā)易發(fā)地區(qū)，寧鄉(xiāng)市目前共有在冊地質(zhì)災害隱患點400余處，地質(zhì)災害總體呈現(xiàn)出點多面廣、威脅巨大的特點。

在“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警工程建設前，寧鄉(xiāng)市的地質(zhì)災害主要依靠群測群防的人工模式，地質(zhì)災害防治能力亟待提升，如何建立不間斷的地質(zhì)災害信息傳輸鏈路和如何通過海量的地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)有效挖掘應用于指導地質(zhì)災害防治業(yè)務的預警信息也成為了寧鄉(xiāng)市地質(zhì)災害防治部門的難題。立足寧鄉(xiāng)市地質(zhì)災害防治的具體情況和實際需求，中國衛(wèi)通、北斗微芯及北斗微芯院士專家工作站三方聯(lián)合，針對寧鄉(xiāng)市地質(zhì)災害防治的具體需求，開發(fā)并承建了“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)。

2. “感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警的實施

“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)采用如圖6所示的系統(tǒng)部署方案，地質(zhì)災害物聯(lián)感知體系部署在地質(zhì)災害隱患點上，智能北斗高精度地質(zhì)災害實時監(jiān)測預警云平臺部署于地質(zhì)災害應急指揮中心。

圖 6 全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)整體部署示意圖

首先是地質(zhì)災害隱患點的物聯(lián)感知體系的部署。地質(zhì)災害隱患點物聯(lián)感知體系的建設，依據(jù)相關監(jiān)測規(guī)范、地形地貌特征和具體地勘數(shù)據(jù)進行建設和部署，如圖7所示，物聯(lián)感知體系的部署主要包含方格形、三角形和任意形三種部署方式，不同的地質(zhì)災害隱患點建設方案不同，建設過程需進行現(xiàn)場勘查，并針對每個監(jiān)測點單獨編制建設方案。

圖 7 地質(zhì)災害隱患點監(jiān)測站部署示意圖

其次是地質(zhì)災害應急指揮中心的部署。智能北斗高精度地質(zhì)災害實時監(jiān)測預警云平臺部署于應急指揮中心，用于接收地質(zhì)災害隱患點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過地質(zhì)災害監(jiān)測預警評估模型和風險評估矩陣為用戶輸出地質(zhì)災害災變風險及等級預警，最終通過應急指揮中心發(fā)布和管理地質(zhì)災害防治工作。

3. “感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警工程應用效果

由中國衛(wèi)通和北斗微芯聯(lián)合建設的“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)示范工程，目前已經(jīng)成功在湖南省寧鄉(xiāng)市90個地質(zhì)災害隱患點上進行工程應用（圖8），該系統(tǒng)自上線以來多次為當?shù)靥峁┚珳实牡刭|(zhì)災害預警信息，取得了顯著的效果。

圖8 “感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)寧鄉(xiāng)項目

（1）系統(tǒng)災變預警效果顯著

以寧鄉(xiāng)市橫市鎮(zhèn)界頭村（東經(jīng)112.17527°，北緯28.237605°）的地質(zhì)災害隱患點為例，2019年3月初，系統(tǒng)通過北斗/GNSS監(jiān)測到隱患點有蠕滑現(xiàn)象，累積位移逐漸增大，經(jīng)人工智能地質(zhì)災害風險評估及災變模型分析以及現(xiàn)場復查情況，發(fā)布該隱患點區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災害黃色警報。

經(jīng)現(xiàn)場勘察，如圖9和圖10所示，01號隱患點位于擋墻下方，斜坡為殘坡積土和棄填土，出現(xiàn)的裂縫位于擋墻下側測點附近，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該處擋墻下方位移加速屬局部滑動前兆，土體滑動后可能牽引擋墻變形開裂，存在安全隱患，需臨時疏散群眾。

圖 9 橫市鎮(zhèn)界頭村金礦組01號滑坡監(jiān)測點布置示意圖

圖 10 橫市鎮(zhèn)界頭村金礦組01號隱患點監(jiān)測站及位移變化趨勢

現(xiàn)場勘察，如圖11和圖12所示，02號滑坡體為軟質(zhì)巖石，蠕動變形，據(jù)宏觀跡象和數(shù)據(jù)判斷，滑坡體呈北偏東方向滑移，處于勻速變形階段，有加速趨勢，滑坡前緣出現(xiàn)裂縫，呈牽引式趨勢，災變風險加大。

圖 11 橫市鎮(zhèn)界頭村金礦組02號滑坡監(jiān)測點布置示意圖

圖 12 橫市鎮(zhèn)界頭村金礦組02號監(jiān)測站及位移變化趨勢

（2）融合式技術創(chuàng)新降本增效

系統(tǒng)的建設采用跨界融合的模式，綜合應用北斗導航衛(wèi)星、中星十六號衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星等，在工程實踐過程創(chuàng)新諸多應用。如寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)集中器的應用，大幅降低了傳統(tǒng)監(jiān)測模式的中間設備，在提升地質(zhì)災害監(jiān)測預警效果的同時有效降低了地質(zhì)災害監(jiān)測的成本，低成本高可靠的普適性推廣效果明顯。

經(jīng)過工程實際應用證明，建立全業(yè)務鏈的智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警體系可以為科學技術部門和專業(yè)管理部門提供有效的支撐手段，也能夠促進管理部門地質(zhì)災害防治能力的提升。

五、總結與展望

“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)是典型的北斗導航衛(wèi)星、中星十六號通信衛(wèi)星等航天科技的工程應用，能夠為地質(zhì)災害等安全監(jiān)測提供更為先進的技術手段；同時“感、傳、智、用”全業(yè)務鏈智能地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)也是地質(zhì)科學、信息科學、工程科學等跨學科專業(yè)融合的工程應用，能夠為地質(zhì)災害監(jiān)測預警及應急響應提供更加科學的決策依據(jù)；通過工程實踐證明，航天技術能夠給地質(zhì)災害等領域帶來低成本、高可靠的系統(tǒng)性行業(yè)解決方案，普適性強，具有極大的推廣價值。