嚴(yán)博俊，陳紅磊

（江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，江西 南昌 330046）

地質(zhì)災(zāi)害是在一定的強(qiáng)度或者降雨持續(xù)時(shí)間的區(qū)域，由于某種特殊的地形和地質(zhì)條件所發(fā)生的，具有危害性大、難以控制、突發(fā)性較強(qiáng)等鮮明特點(diǎn)，尤其是在高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害更常見，且更容易發(fā)生。高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，不僅會(huì)使巖土工程施工停滯不前，而且還容易對(duì)施工設(shè)備和施工人員造成傷害，嚴(yán)重威脅區(qū)域施工人員的生命安全，因此對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)是非常有必要的。地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的主旨目標(biāo)是要迅速收集地質(zhì)信息，精準(zhǔn)做出地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警判斷，并及時(shí)做出預(yù)警警報(bào)，使高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域的施工人員及時(shí)撤離，并做出預(yù)防措施。地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)主要由軟件平臺(tái)作為支撐，依靠預(yù)警決策單元做出地質(zhì)災(zāi)害判斷，使整個(gè)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警決策更加現(xiàn)代化和信息化。但是目前現(xiàn)有的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象，并且對(duì)于綜合地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警不夠及時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警及時(shí)率較低，已經(jīng)無法滿足高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警需求，為此提出高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1 高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)采集器

地質(zhì)數(shù)據(jù)采集器是整個(gè)系統(tǒng)的核心硬件之一，地質(zhì)數(shù)據(jù)采集器主要目的是用于收集高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)數(shù)據(jù)，其中包括地下水水位、地下水水壓、地下水水量、降雨量、水庫及塘壩水位變化等相關(guān)數(shù)據(jù)，采集高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中地質(zhì)情況數(shù)據(jù)。此次設(shè)計(jì)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集器型號(hào)為TU2305-L4，擁有6 路開關(guān)，且芯體尺寸為32 位，運(yùn)行速度在120MHz。地質(zhì)數(shù)據(jù)采集器以智能化形式為主，使用模糊綜合評(píng)判的形式與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)形成地質(zhì)資源共享，并對(duì)反饋信息實(shí)現(xiàn)應(yīng)答，滿足高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的條件。地質(zhì)數(shù)據(jù)采集器采用較成熟的集成式結(jié)構(gòu)體系，包含高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)站點(diǎn)/服務(wù)器雙層結(jié)構(gòu)體系模式，以及客戶端瀏覽器/服務(wù)端口雙層結(jié)構(gòu)體系模式，在此基礎(chǔ)上，搭配服務(wù)器，構(gòu)建成一個(gè)完整的高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集的局域網(wǎng)，該局域網(wǎng)接口為10/100/1000mbps[1]。在該局域網(wǎng)下，結(jié)合系統(tǒng)的預(yù)警器、數(shù)據(jù)處理裝置以及相關(guān)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，均在統(tǒng)一的HTTP 協(xié)議下實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的開放性和共享性，方便與系統(tǒng)其他軟件和硬件的地質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸。為保證地質(zhì)數(shù)據(jù)共享的前提下，多方面保證系統(tǒng)的硬件不受到外界攻擊，在地質(zhì)數(shù)據(jù)采集器上添加一個(gè)多層次結(jié)構(gòu)的安全框架，用來維持地質(zhì)數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)安全。

1.2 報(bào)警器

報(bào)警器的作用是當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起到預(yù)警提示作用，此次選用GFJK-S0DA 型號(hào)報(bào)警器，該報(bào)警器有紅黑、黃白、藍(lán)白三種接線，其中紅黑接線表示電源信號(hào)，黃白接線表示常開信號(hào)，藍(lán)白接線表示常閉信號(hào)，工作溫度最高可以承受80℃，最低可以承受零下35℃，可以滿足高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域惡劣的氣候環(huán)境。并且該報(bào)警器內(nèi)含LS2604 語音提示芯片，該芯片采用2.2V 供電，可以利用喇叭實(shí)現(xiàn)多次數(shù)地質(zhì)災(zāi)害警示語音播放、點(diǎn)動(dòng)播放以及循環(huán)預(yù)警語音播放[2]。當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，GFJK-S0DA 報(bào)警器將以最大音量進(jìn)行語音提示,提示內(nèi)容可以自定義設(shè)置，也可以采用設(shè)備語音提示，并根據(jù)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到的地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)大小發(fā)出不同的警示光，當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中可能發(fā)生大型地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，GFJK-S0DA 報(bào)警器將會(huì)發(fā)出紅色警示光；當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中可能發(fā)生中型地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，GFJK-S0DA 報(bào)警器將會(huì)發(fā)出黃色警示光；當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中可能發(fā)生小型地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，GFJK-S0DA 報(bào)警器將會(huì)發(fā)出藍(lán)色警示光，根據(jù)發(fā)出不同的光提示用戶地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)以及嚴(yán)重程度。結(jié)合此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際需求，設(shè)置報(bào)警器電阻值為95KΩ，采樣頻率為4.69KHz，播放時(shí)間為5s，將其安裝在高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的通風(fēng)處，避免因信號(hào)采集不到而影響報(bào)警器的靈敏度。

2 高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)災(zāi)害綜合數(shù)據(jù)接收及處理

結(jié)合系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害綜合數(shù)據(jù)接收設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)接收模塊，其接收設(shè)計(jì)如下：首先，將數(shù)據(jù)接收單元初始化，在該單元設(shè)置地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)接收對(duì)應(yīng)參數(shù)信息及漏接收標(biāo)準(zhǔn)；其次完成數(shù)據(jù)復(fù)位，等待數(shù)據(jù)接收單元自動(dòng)中斷數(shù)據(jù)獲取，并連續(xù)讀取系統(tǒng)信道中的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息，再次復(fù)位并啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收單元；最后在地質(zhì)數(shù)據(jù)接收過程中賦予引腳一個(gè)較高的地質(zhì)脈沖信號(hào)，保持脈沖寬度在50ns～60ns 之間，完成復(fù)位[3]。在A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換過程中由于脈沖會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換中斷，當(dāng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提取單元施加脈沖時(shí)，數(shù)據(jù)寄存單元輸出的內(nèi)容會(huì)將復(fù)位調(diào)整到全零狀態(tài)，因此，考慮到這一問題的發(fā)生，本文選擇在初始化開始階段完成對(duì)BP1608 的復(fù)位。在給BP1608 的引腳一個(gè)較低的脈沖信號(hào)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換，并將采集到的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)信號(hào)提取。

采集到的地質(zhì)信號(hào)受到高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域外部環(huán)境的影響，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲影響系統(tǒng)最終的預(yù)警結(jié)果，因此在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理模塊。利用濾波技術(shù)將在工頻超過50Hz 區(qū)域獲取到的地質(zhì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，再采用三階帶通濾波電路對(duì)50Hz 帶通濾波器進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

公式（1）中，P 表示為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理單元濾波計(jì)算矩陣；r 表示為區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)到磁場源之間的距離；t 表示為地質(zhì)數(shù)據(jù)磁場厚度；f 表示為地質(zhì)數(shù)據(jù)內(nèi)電磁波振幅；d 表示為地質(zhì)數(shù)據(jù)內(nèi)電導(dǎo)率； 表示為地質(zhì)數(shù)據(jù)電磁波透入深度。根據(jù)上述公式完成對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)的降噪處理，將處理后的地質(zhì)數(shù)據(jù)以相應(yīng)格式存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，用于地質(zhì)災(zāi)害綜合分析及預(yù)警。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警

完成對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)接收和處理后，由地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警模塊對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率，其計(jì)算過程如下：將處理后的所有地質(zhì)數(shù)據(jù)按照類別進(jìn)行分析，主要分為地下水、地表水、巖土、降雨量四類，每一類地質(zhì)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)集合，并將四個(gè)集合中的地質(zhì)數(shù)據(jù)按照相同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化。并根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生特征以及以上四個(gè)因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度分別設(shè)計(jì)一個(gè)閾值，結(jié)合該兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

公式（2）中，q 為高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率；s、d 、g 、r 分別為地下水、地表水、巖土、降雨量四個(gè)數(shù)據(jù)集合的量化值；a 為根據(jù)地下水、地表水、巖土、降雨量四個(gè)因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度設(shè)定的閾值。如果量化值大于設(shè)定發(fā)的閾值，則說明區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，超出的數(shù)值則代表著地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率以及等級(jí)大小，超出的數(shù)值越小，則表示發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率越低，地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)越低。系統(tǒng)根據(jù)公式（2）計(jì)算到的結(jié)果，向外發(fā)出預(yù)警提示，以此完成高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)環(huán)境，利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行綜合預(yù)警，實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)如下：兩組系統(tǒng)均使用AMD Phenorn X8CPU,采用AMD785G芯片，硬盤采用280G SATA7200 轉(zhuǎn)硬盤，采用獨(dú)立521M 顯卡，Windows 7 32-bit 操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)將該區(qū)域劃分成A、B、C、D 四個(gè)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警區(qū)，每個(gè)區(qū)域分別布置三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于采集地質(zhì)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)記錄每個(gè)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警情況，將系統(tǒng)顯示預(yù)警時(shí)間與地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際發(fā)生時(shí)間比較分析，利用GHJ 軟件計(jì)算出兩個(gè)系統(tǒng)的預(yù)警及時(shí)率，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

圖1 兩個(gè)系統(tǒng)預(yù)警及時(shí)率對(duì)比圖

從上圖可以看出，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)預(yù)警及時(shí)率較高，最高值可以達(dá)到97.3%，平均預(yù)警及時(shí)率可以達(dá)到95.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，說明此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠及時(shí)預(yù)警到高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)災(zāi)害，這是因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了模塊式設(shè)計(jì)模式，各個(gè)模塊能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害相關(guān)情況及時(shí)獲取、處理和分析，因此此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)更適用于高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域中的地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警。

5 結(jié)語

通過本文設(shè)計(jì)的綜合預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害信息的快速采集、處理以及分析，為高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程提供精準(zhǔn)的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域信息。通過系統(tǒng)針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警功能，能夠在感受地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生之前，執(zhí)行報(bào)警操作，進(jìn)而控制巖土工程的高風(fēng)險(xiǎn)性。以此，可體現(xiàn)出本文設(shè)計(jì)預(yù)警系統(tǒng)在高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域應(yīng)用中的實(shí)際價(jià)值，在未來的研究中有必要加大研究力度，進(jìn)一步深化地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保高風(fēng)險(xiǎn)巖土工程區(qū)域安全，不受地質(zhì)災(zāi)害的威脅。