尚東方,劉敦龍,韓 雪,王瑞璽

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所,天津 300456; 2.成都信息工程大學(xué)軟件工程學(xué)院，四川 成都 610225;3.軟件自動生成與智能服務(wù)四川省重點實驗室，四川 成都 610225)

0 引 言

泥石流是山區(qū)常見的自然災(zāi)害，具有極大的危害性[1]，泥石流防災(zāi)減災(zāi)已迫在眉睫。然而，泥石流成因特別復(fù)雜，而且泥石流溝的數(shù)量多，危害面廣，治理成本很高，目前還無法進(jìn)行大規(guī)模的全面治理[2]。泥石流監(jiān)測預(yù)警作為一項重要的非工程減災(zāi)措施，是泥石流防災(zāi)減災(zāi)的有效途徑之一[3]。次聲監(jiān)測是一種以泥石流物理特性為研究主線的監(jiān)測技術(shù)，具有很大潛力[4]，近年來一直為學(xué)術(shù)界和工程界所關(guān)注。

次聲波因頻率低，具有穿透力強(qiáng)，受大氣和水粘滯作用衰減小等特點，能在空氣中遠(yuǎn)距離傳輸[5-10]。因此，可以對次聲波源進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測，分析次聲與災(zāi)害事件的關(guān)聯(lián)性，提高災(zāi)害防御能力[11-12]。隨著次聲研究日益成熟，次聲監(jiān)測技術(shù)開始應(yīng)用于火山噴發(fā)、雪崩、地震、核爆炸與大氣環(huán)境等領(lǐng)域，取得了一系列較好的研究成果[13-19]。近年來，泥石流次聲監(jiān)測預(yù)警得到廣泛認(rèn)同，學(xué)者們都在積極地進(jìn)行大量研究與探索。Zhang等人[20]研制了泥石流次聲報警器，并在云南東川蔣家溝進(jìn)行了現(xiàn)場驗證，可在泥石流到達(dá)危害對象前10 min～30 min發(fā)出警報。Chou等人[21-22]對蔣家溝泥石流和臺灣火炎山泥石流次聲信號進(jìn)行觀測和分析，指出稀性泥石流的主頻范圍(5 Hz～15 Hz)較粘性泥石流(5 Hz～10 Hz)寬，并認(rèn)為實際應(yīng)用中需考慮風(fēng)、雨等環(huán)境噪聲的干擾。Hüb等人[23]在蔣家溝進(jìn)行了泥石流次聲觀測實驗，指出泥石流次聲峰值介于8 Hz～12 Hz，聲壓通常低于4 Pa。章書成等人[24]綜合利用泥石流次聲報警器、遙測智能雨量計、超聲泥位計和圖像傳輸設(shè)備，研制了泥石流早期預(yù)警系統(tǒng)，使得預(yù)警準(zhǔn)確率和時間提前量得到一定改觀。李朝安等人[25]研發(fā)了泥石流次聲監(jiān)測儀，對鐵道沿線的泥石流溝進(jìn)行監(jiān)測。通過上述研究成果，可以看出泥石流次聲的主頻較寬，與很多環(huán)境干擾噪聲(如風(fēng)、人類活動等)的主頻都有混疊，因此，僅通過監(jiān)測設(shè)備上的單片機(jī)進(jìn)行濾波等相關(guān)處理，無法排除環(huán)境噪聲的干擾，導(dǎo)致誤報率較高。

針對這一問題，Liu等人[26-27]從信號的頻譜特征、持續(xù)時間與波形特征等方面著手，分析出了可用于區(qū)分泥石流次聲與環(huán)境干擾次聲的關(guān)鍵特征參數(shù)，提出了一種新型的泥石流次聲信號識別方法，解決了誤報頻發(fā)的問題，大幅提高了預(yù)警準(zhǔn)確率。本文基于提出的泥石流次聲信號識別方法，采用單片機(jī)與上位機(jī)相結(jié)合的方式，借助C#與Matlab混合編程、Oracle數(shù)據(jù)庫與GIS二次開發(fā)等多種技術(shù)聯(lián)合的手段，突破單一技術(shù)的局限性，設(shè)計并實現(xiàn)基于次聲監(jiān)測的泥石流實時預(yù)警系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用到云南東川蔣家溝進(jìn)行了長期的泥石流監(jiān)測效果驗證，驗證結(jié)果表明：系統(tǒng)可排除環(huán)境噪聲的干擾，預(yù)警準(zhǔn)確率較高，運行穩(wěn)定且響應(yīng)及時，可很好地滿足泥石流防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)的需求。

1 實時監(jiān)測預(yù)警方法

1.1 監(jiān)測預(yù)警的原理

泥石流在形成和運動過程中因巖石層發(fā)生斷裂、擠壓以及龍頭與溝床和溝道兩側(cè)坡體撞擊與摩擦而產(chǎn)生次聲波[6-7]。泥石流次聲波在頻譜、振幅、波形以及持續(xù)時間等方面均具有獨特的特征，其聲發(fā)射源是球面波，無方向性。次聲波在常溫空氣中的傳播速度(約344 m/s)是泥石流運動速度(5 m/s～20 m/s)的數(shù)十倍，具有穿透力強(qiáng)，受大氣和水粘滯作用衰減小，可在空氣中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c。此外，由于泥石流溝道較長，泥石流從溝道上游爆發(fā)并運動至下游居民區(qū)所需的時間通常較長[8,10]。因此，通過對泥石流次聲信號的監(jiān)測，可提前一定時間量獲得泥石流爆發(fā)信息從而實現(xiàn)預(yù)警。然而，自然界中的很多現(xiàn)象或事件都會產(chǎn)生次聲波信號，會對泥石流次聲監(jiān)測產(chǎn)生較大的影響，致使誤報頻發(fā)。因此，在泥石流次聲監(jiān)測過程中，需要對這些環(huán)境干擾噪聲進(jìn)行排除，從而實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的泥石流次聲判識。

針對這一問題，本文基于現(xiàn)有的泥石流次聲研究成果，并結(jié)合大量實測信號(圖1)，總結(jié)出可用于區(qū)分泥石流次聲與山區(qū)常見環(huán)境干擾次聲(如風(fēng)、雷電、爆破以及汽車和飛機(jī)的引擎)的關(guān)鍵特征[11](詳情見表1)，根據(jù)泥石流次聲和這些環(huán)境干擾次聲的特征差異，設(shè)計出一種泥石流次聲信號識別方法來排除環(huán)境噪聲的干擾，為泥石流次聲現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警提供可靠的依據(jù)。此外，考慮到風(fēng)是山區(qū)中的普遍現(xiàn)象，是影響泥石流次聲監(jiān)測預(yù)警的最大干擾源，為了能夠較為徹底地排除風(fēng)噪的影響，還需要選擇合適的位置安裝部署監(jiān)測設(shè)備并使用導(dǎo)管陣或防風(fēng)罩降低風(fēng)的干擾。

(a) 原始信號時序圖

(b) 原始信號時頻圖

(c) 原始信號頻譜圖

(d) 低通濾波后的信號頻譜圖圖1 實測泥石流產(chǎn)生的聲音信號

表1 泥石流次聲與環(huán)境干擾次聲的相關(guān)特征

次聲信號源中心頻率/Hz能量集中區(qū)域/Hz最大聲壓/Pa持續(xù)時間短時過零率泥石流10～155～20次聲與可聞聲頻段均<5很長,至少16 min0.20～0.32雷電5～70.6～12.3次聲段約32,可聞聲段約70較短,通常小于30 s0.07～0.12爆炸0.5～120.01～16.7次聲段約45,可聞聲段約60較短,通常小于10 s<0.06引擎6～110.1～16.8次聲段約2,可聞聲段約4較短,通常小于30 s0.14～0.24風(fēng)3～50.01～9.1次聲段很大,可聞聲段<15時間很長,持續(xù)存在<0.09

1.2 信號識別的方法

本文采用單片機(jī)與上位機(jī)相結(jié)合的方式，設(shè)計并實現(xiàn)基于次聲監(jiān)測的泥石流實時預(yù)警系統(tǒng)，利用單片機(jī)進(jìn)行泥石流次聲信號的采集與傳輸，通過上位機(jī)對泥石流次聲信號進(jìn)行接收、解析、存儲和識別。根據(jù)該監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的工作方式，每10 s便可從數(shù)據(jù)庫中獲得1000個采樣點，可將這些采樣點作為一段輸入信號進(jìn)行識別以確認(rèn)其中是否含有泥石流次聲信號。本文根據(jù)上述的關(guān)鍵特征參數(shù)，制定了一套泥石流次聲信號識別流程，大幅降低了環(huán)境噪聲干擾而引起的誤報。系統(tǒng)的識別流程如圖2所示。

利用一階矩與二階矩譜估計法計算能量譜密度矩陣的中心頻率和譜線寬度，利用中心頻率±1/2×譜線寬度來表征其能量集中區(qū)域。1)若能量下限值≥5 Hz，95%以上的采樣點聲壓值均小于5 Pa，且短時過零率在0.2以上，則認(rèn)為該段信號為泥石流次聲信號；2)若能量上限值<9.5 Hz，則認(rèn)為是非泥石流次聲信號；3)若能量上限值介于9.5 Hz～17 Hz之間，且能量下限值<0.5 Hz，則認(rèn)為是非泥石流次聲信號；4)若能量上限值介于9.5 Hz～17 Hz之間，能量下限值≥0.5 Hz，且可聞聲頻段最大聲壓值≥15 Pa，則認(rèn)為是非泥石流次聲信號；否則，按照相同流程處理與分析接下來的2段輸入信號；5)若此3段信號的中心頻率和能量下限值均呈現(xiàn)上升趨勢，則認(rèn)為這3段輸入信號為泥石流次聲信號；6)若能量上限值>17 Hz，且短時過零率≥0.095，則按照相同流程處理與分析接下來的1段輸入信號；7)若這2段信號均滿足條件1、條件5或條件6中的一個，則認(rèn)為這2段輸入信號為泥石流次聲信號；否則，視為非泥石流次聲信號。

圖2 泥石流次聲信號識別流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文基于SOA服務(wù)架構(gòu)，采用C/S開發(fā)模式與多層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)了一個地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)平臺——基于次聲監(jiān)測的泥石流實時預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)平臺由泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)、泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)和泥石流次聲信號識別子系統(tǒng)3大部分組成。其中，泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)與泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)統(tǒng)稱為泥石流次聲信號監(jiān)測與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)平臺的總體工作流程如圖3所示。

圖3 基于次聲監(jiān)測泥石流實時預(yù)警系統(tǒng)的總體流程

泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)作為終端設(shè)備，部署在野外泥石流易發(fā)區(qū)域，實時采集周圍環(huán)境中的聲音信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將其通過數(shù)據(jù)傳輸裝置遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)控中心的服務(wù)器端。泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)運行在服務(wù)器端，利用多線程并發(fā)執(zhí)行的方式，實時接收遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器的采樣數(shù)據(jù)，并依次進(jìn)行解析、處理與入庫存儲等操作以供客戶端相關(guān)系統(tǒng)獲取和分析等操作。泥石流次聲信號識別子系統(tǒng)運行在客戶端，實時從數(shù)據(jù)庫中取出當(dāng)前的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)上述的信號識別方法來分析判斷該監(jiān)測數(shù)據(jù)中是否含有泥石流次聲信號成分。若含有泥石流次聲信號，則發(fā)出相應(yīng)的報警信息；否則，繼續(xù)獲取下一段監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊實現(xiàn)

2.2.1 泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)

泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)是基于高性能信號采集電路板(如STM32處理器、高位數(shù)雙極性AD轉(zhuǎn)換器與時鐘芯片等，工作電壓為5 V)、次聲傳感器、GPS授時模塊、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(DTU)以及供電設(shè)備(太陽能板、12 V鉛酸蓄電池、電壓轉(zhuǎn)換器和太陽能控制器)等5大模塊設(shè)計并實現(xiàn)。次聲傳感器采用中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研制的新型傳感器(IDS2016)，頻響范圍為2 Hz～200 Hz，靈敏度為50 mV/Pa；DTU內(nèi)部配置了100 kB的大容量緩存機(jī)制，防止因無線網(wǎng)絡(luò)信號問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)擁塞而發(fā)生丟失；GPS芯片采用SIRF三代芯片，對時鐘芯片進(jìn)行校準(zhǔn)；鉛酸蓄電池、電壓轉(zhuǎn)換器和太陽能控制器通過地埋箱放置于地下，為整套監(jiān)測設(shè)備提供電源；電壓轉(zhuǎn)換器將一部分輸出電壓轉(zhuǎn)換為5 V，確保信號采集電路板可正常工作。

泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)實時進(jìn)行高頻采樣，采樣頻率為100 Hz，時鐘芯片每10 s發(fā)送一次時間戳信息(時鐘的當(dāng)前時間，精確到毫秒級)。GPS授時模塊每2 h為信號采集電路板的時鐘芯片進(jìn)行授時校準(zhǔn)，使時鐘時間始終與衛(wèi)星時間同步，確保監(jiān)測設(shè)備具有精準(zhǔn)的時間信息。信號采集電路板將采樣數(shù)據(jù)通過RS232串口線傳輸給DTU，DTU通過無線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的服務(wù)器端。此外，系統(tǒng)內(nèi)部還實現(xiàn)了看門狗復(fù)位和遠(yuǎn)程復(fù)位2種復(fù)位方式，可防止信號采集電路板因突發(fā)故障而出現(xiàn)錯誤采樣?？撮T狗復(fù)位是發(fā)現(xiàn)采樣程序出現(xiàn)死循環(huán)時而自動復(fù)位；系統(tǒng)遠(yuǎn)程復(fù)位是通過服務(wù)器端的泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)遠(yuǎn)程發(fā)送復(fù)位命令來復(fù)位監(jiān)測系統(tǒng)的信號采樣程序。泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)的工作流程

2.2.2 泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)

圖5 泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)工作界面

泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)運行在服務(wù)器端，通過虛擬串口(COM端口)實時接收與處理遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，是專門針對部署在野外的泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)而設(shè)計與開發(fā)的(圖5)。系統(tǒng)具有啟動與關(guān)閉監(jiān)測、發(fā)送復(fù)位與停止命令、開始與停止寫卡等功能。啟動與關(guān)閉監(jiān)測功能用于實現(xiàn)泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)開始接收與停止接收遠(yuǎn)程傳輸過來的監(jiān)測數(shù)據(jù)；發(fā)送復(fù)位與停止命令功能用于實現(xiàn)泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)復(fù)位采樣程序和停止采樣；開始與停止寫卡功能用于實現(xiàn)泥石流次聲信號監(jiān)測子系統(tǒng)是否將采樣數(shù)據(jù)寫到TF存儲卡上。該系統(tǒng)的功能模塊主要是基于1個高容量隊列與5個線程并發(fā)處理的方式來實現(xiàn)，可防止服務(wù)器因數(shù)據(jù)處理不及時導(dǎo)致數(shù)據(jù)擁塞而出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，同時可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與當(dāng)前狀態(tài)信息的顯示與入庫等功能。

高容量隊列作為一個數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)，可暫存?zhèn)鬏斶^來的監(jiān)測數(shù)據(jù)。高容量隊列和多線程的工作方式如圖6所示，線程1實時接收的原始采樣數(shù)據(jù)送入該隊列；線程2從隊列頭部實時取出原始采樣數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解析(GPS授時標(biāo)識、時鐘時間標(biāo)識、看門狗復(fù)位標(biāo)識、系統(tǒng)遠(yuǎn)程復(fù)位標(biāo)識)、拼接與整合(拼接十六進(jìn)制的高8位與低8位，并轉(zhuǎn)成十進(jìn)制)，以及數(shù)據(jù)分類存入數(shù)據(jù)庫(解析到時鐘時間標(biāo)識時，采樣數(shù)據(jù)與時間信息存庫；解析到復(fù)位標(biāo)識時，復(fù)位信息存庫)；線程3完成GPS芯片授時時間、電路板時鐘時間以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示等；線程4完成復(fù)位時間和復(fù)位類型(看門狗復(fù)位、遠(yuǎn)程系統(tǒng)復(fù)位)的顯示；線程5每隔2 min檢查一次數(shù)據(jù)庫是否有新數(shù)據(jù)存入，若沒有新數(shù)據(jù)存入，則自動發(fā)送郵件與信息通知相關(guān)技術(shù)人員。

圖6 泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)工作流程

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)表的內(nèi)容

IDGPS授時時間服務(wù)器時間時鐘時間采樣數(shù)據(jù)采樣個數(shù)12014-08-0420:00:062014-08-0420:00:01-329;-249;…100022014-08-0420:00:012014-08-0420:00:172014-08-0420:00:11-426;-646;…100032014-08-0420:00:262014-08-0420:00:21202;-69;…100042014-08-0420:00:362014-08-0420:00:31673;793;…1000??????

泥石流次聲信號處理子系統(tǒng)解析到時間戳標(biāo)識時便實施一次監(jiān)測數(shù)據(jù)入庫。數(shù)據(jù)庫中每條記錄均包含GPS授時時間、服務(wù)器時間、時鐘時間、監(jiān)測數(shù)據(jù)(1000個采樣數(shù)據(jù))等字段信息，每條記錄之間相隔10 s。其中，采樣數(shù)據(jù)字段使用Clob類型，其余字段均使用Varchar2類型。監(jiān)測數(shù)據(jù)表的詳細(xì)信息見表2。

2.2.3 泥石流次聲信號識別子系統(tǒng)

鑒于Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能，且提供了很多現(xiàn)成的數(shù)字信號處理函數(shù)供直接調(diào)用，因此，本文采用Matlab對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理與特征分析。然而，Matlab無法訪問數(shù)據(jù)庫，而C#可與數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)很好的結(jié)合。為此，基于上述提出的泥石流次聲信號識別方法，采取混合編程的思想，利用C#、Matlab、ArcGIS Engine和Oracle數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式開發(fā)了泥石流次聲信號識別子系統(tǒng)(圖7)。該系統(tǒng)利用Matlab實現(xiàn)監(jiān)測信號的濾波降噪、特征分析與提取以及監(jiān)測信號識別等操作流程，并將其編譯成動態(tài)鏈接庫(*.dll)文件供C#調(diào)用；C#負(fù)責(zé)將監(jiān)測數(shù)據(jù)從Oracle數(shù)據(jù)庫中取出并傳遞給Matlab供其處理與分析，Matlab負(fù)責(zé)將分析結(jié)果傳遞給C#供其判斷是否發(fā)出報警信息。該系統(tǒng)運行在客戶端，可實時訪問服務(wù)器上Oracle數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，每10 s便可獲取1000個采樣點。若這些采樣點的平均振幅大于設(shè)置的閾值振幅，系統(tǒng)就會對這段信號進(jìn)行判識以確定其中是否含有泥石流次聲信號。若該系統(tǒng)識別出這段監(jiān)測信號中無泥石流次聲信號，則繼續(xù)獲取下一段信號進(jìn)行識別；否則，發(fā)出泥石流警報并對泥石流當(dāng)前位置進(jìn)行定位，同時依舊對下一段信號進(jìn)行判識。該系統(tǒng)運行起來之后，便一直處于全自動運行狀態(tài)，無需人工介入，使用極其方便。此外，該系統(tǒng)的運算效率很高，每段信號的判識過程耗時極其短暫(約200 ms)，可很好地滿足實時性需求。

圖7 基于次聲監(jiān)測的泥石流實時預(yù)警系統(tǒng)

3 系統(tǒng)應(yīng)用與分析

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)部署

圖8 泥石流次聲信號監(jiān)測設(shè)備部署位置

云南東川蔣家溝流域頻發(fā)的泥石流事件以及建立的中國科學(xué)院東川泥石流觀測站，可為泥石流次聲監(jiān)測預(yù)警的應(yīng)用試驗與結(jié)果驗證提供非常便捷的條件。為此，將該泥石流實時預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用到蔣家溝進(jìn)行泥石流次聲信號的現(xiàn)場監(jiān)測與識別，以驗證該系統(tǒng)在實際泥石流監(jiān)測中的有效性。本文根據(jù)蔣家溝的地形條件與無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋強(qiáng)度，將泥石流次聲信號監(jiān)測設(shè)備安裝部署在門前溝與多照溝2條重要支溝交匯處的邊坡上，坐標(biāo)為N26°15′2.00″,E103°9′6.00″，以減少人類活動與風(fēng)噪的影響，且能很好地監(jiān)測到泥石流發(fā)生時產(chǎn)生的次聲信號。泥石流次聲監(jiān)測設(shè)備的部署位置如圖8所示。

3.2 預(yù)警結(jié)果分析

該系統(tǒng)在蔣家溝流域進(jìn)行了長達(dá)2年(2017—2018年)的實時監(jiān)測。在2017年觀測期間，該預(yù)警系統(tǒng)共判識出3次泥石流事件，分別是7月3日16:20:21—16:55:01(事件1)、7月7日18:25:21—18:55:31(事件2)以及21:50:51—23:58:31(事件3)。泥石流發(fā)生過后，經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，事件1和事件2均屬于稀性泥石流，事件3屬于粘性泥石流。同時，本文通過分析這3個事件所對應(yīng)的時間段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)事件1、事件2的監(jiān)測信號的能量下限值在5 Hz以上，峰值頻率在10 Hz以上，最大聲壓值在4 Pa以下，這些特征均符合稀性泥石流次聲信號的特征；而事件3的監(jiān)測信號呈現(xiàn)出了粘性泥石流次聲信號的相關(guān)特征。圖9是事件3過程中所監(jiān)測到的一段泥石流次聲信號。

(a) 原始信號時序圖

(b) 原始信號時頻圖

(c) 原始信號頻譜圖

(d) 低通濾波后的信號頻譜圖圖9 23:20-23:47時間段的泥石流次聲信號圖

在2018年觀測期間，蔣家溝內(nèi)沒有發(fā)生具有規(guī)模性的泥石流事件。該系統(tǒng)在這2年的實時監(jiān)測過程中，總共產(chǎn)生了18次誤報，即將環(huán)境干擾次聲誤判為泥石流次聲信號，誤報率很低且無一漏報?，F(xiàn)場泥石流次聲監(jiān)測與識別的應(yīng)用結(jié)果表明，該泥石流次聲實時預(yù)警系統(tǒng)具有很高的判識準(zhǔn)確率與極高的應(yīng)用價值，可以很好地為泥石流防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)服務(wù)。

4 結(jié)束語

本文采用單片機(jī)與上位機(jī)聯(lián)合處理與分析監(jiān)測信號的方式，充分利用了上位機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析處理功能，突破了基于單片機(jī)集成處理的單一模式，很好地滿足了實時性需求；基于泥石流次聲信號和環(huán)境干擾次聲的特征差異這一原理，設(shè)計與開發(fā)了基于次聲監(jiān)測的泥石流實時預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場泥石流次聲信號監(jiān)測與判識，很好地滿足了準(zhǔn)確性的要求。通過對蔣家溝泥石流長期的監(jiān)測，驗證了該實時預(yù)警系統(tǒng)的有效性。根據(jù)蔣家溝實際應(yīng)用的結(jié)果，得到了如下結(jié)論：

1)該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適用性。只要具備了監(jiān)測位置附近環(huán)境干擾次聲的相關(guān)特征，設(shè)置合理的界定參數(shù)，就可以利用該系統(tǒng)進(jìn)行泥石流次聲監(jiān)測與預(yù)警。

2)該系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確率較高。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了較好的監(jiān)測與預(yù)警性能，預(yù)警結(jié)果可以很好地為泥石流防災(zāi)減災(zāi)工作服務(wù)。

3)該系統(tǒng)的運算效率較高。在泥石流次聲監(jiān)測設(shè)備接收到泥石流次聲信號之后的10 s～40 s內(nèi)便可作出識別，系統(tǒng)響應(yīng)及時。