王偉星，韓 侃，蔣育華，盛 斌，王 瑜

(1.中鐵西北科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000；2.中鐵科學研究院有限公司， 四川 成都 610032)

長期以來滑坡常規(guī)監(jiān)測主要靠現(xiàn)場調(diào)查和人工儀器監(jiān)測。由于滑坡的地形條件惡劣，在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集不僅費時費工，而且還有諸多的安全隱患，惡劣天氣下甚至不能進行數(shù)據(jù)采集。采用無線傳輸?shù)倪h程自動化監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以克服上述問題，還能真正實現(xiàn)滑坡變形動態(tài)實時控制，為工程安全提供及時準確的數(shù)據(jù)。尤其對于處于蠕動擠壓～滑移變形階段的超巨型滑坡，建立滑坡穩(wěn)定性無線傳輸自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)是必要的途徑[2]。

無線傳輸自動監(jiān)測系統(tǒng)最終要達到的目標是對該滑坡布置的所有監(jiān)測儀器實現(xiàn)全自動無人值守測量、數(shù)據(jù)傳輸與記錄。建立該滑坡的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，顯示或打印測量數(shù)據(jù)報表和數(shù)據(jù)圖形走勢圖等，為工程安全提供及時準確的數(shù)據(jù)，并對滑坡可能發(fā)生的滑動破壞進行預警預報[3]。

1 遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組建及維護

1.1 遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組建及監(jiān)測單元布設

1.1.1 遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組建

遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一種全自動無人值守測量、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可配接各種傳感器(測斜儀、應變計、應力計、錨索計、荷載傳感器等)，系統(tǒng)由各類傳感器，無線GPRS收發(fā)模塊和多個數(shù)據(jù)采集單元等組成[4]。

通過總線將具有統(tǒng)一工業(yè)總線接口的各個監(jiān)測單元傳感器通過一條或多條總線組成自動化測量系統(tǒng)，用自動化采集箱采集連接總線，定時采集各監(jiān)測單元數(shù)據(jù)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的自動化和集成化。自動采集箱主要功能是根據(jù)命令控制現(xiàn)場傳感器進行定時自動測量、自動數(shù)據(jù)保存等功能。

無線模塊通過GPRS與計算機主機相連接后，主機與各個監(jiān)測單元傳感器之間便建立了一條無線遠程的通信鏈路。主機發(fā)送的采集數(shù)據(jù)命令通過這條通信鏈路經(jīng)總線送至各個監(jiān)測單元傳感器，傳感器接收相應控制指令，進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的結(jié)果通過這條通信鏈路回送到計算機主機進行處理分析，從而實現(xiàn)遠程自動監(jiān)控。其工作原理如圖1所示。

1.1.2 遠程自動化監(jiān)測主要元器件

遠程自動化監(jiān)測的主要元器件包括滑坡深部位移監(jiān)測、滑坡地下水位監(jiān)測、錨索應力監(jiān)測和氣象監(jiān)測等四大部分所需監(jiān)測元器件[4]。具體如表1所示。

圖1 遠程自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

表1 滑坡遠程自動化監(jiān)測主要元器件

1.1.3 數(shù)據(jù)采集流程

遠程自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程見圖2。

圖2 遠程自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖

1.2 遠程自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)的安全設置及維護

遠程自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)的有效保護是系統(tǒng)能夠長期運行的必要條件，也是遠程系統(tǒng)能否實施的基礎?？紤]到遠程監(jiān)控系統(tǒng)的重要性和耐久性，有必要制定一些維護措施，以便避免監(jiān)控系統(tǒng)受到損壞。

1.2.1 數(shù)據(jù)線的維護

將總線及各監(jiān)測單元設備外接分支數(shù)據(jù)線埋入地下，埋置方式為：

(1) 沿線路走向方向開挖約30 cm深，25 cm寬坑槽。

(2) 將各分支數(shù)據(jù)線裝入PVC塑膠管并置入坑槽中部。

(3) 采用C15混凝土澆筑，澆筑時保持PVC塑膠管有5 cm的保護層厚度。

(4) 養(yǎng)生，在混凝土上部鋪撒薄層砂土或原植被土，掩蓋混凝土。

1.2.2 錨索測力計的維護

錨索端部安置的錨索測力計長時間暴露在外部易受到損壞，通過在測力計外包2 cm厚的塑膠膜，并在錨力計和外露電纜外，采用木制模板固定后，澆筑C15混凝土封閉處理。電纜外部包裹混凝土厚度不小于10 cm厚，直接引入主管線的電纜槽內(nèi)。

1.2.3 雨量計和自動化遠程監(jiān)測設施的設置和安全維護

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將氣象雨量計和自動化監(jiān)測設施放置于相對固定的位置，外部通過鋼網(wǎng)架加鎖封閉保護，固定位置周邊設置標示牌。

2 滑坡自動化監(jiān)測信息管理系統(tǒng)設計

有效的滑坡動態(tài)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)從監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和其他方面取得各種資料信息，便于將各種監(jiān)測資料迅速而自動地處理成圖表、報表等，并在極短的時間內(nèi)可以判斷出測值的變化特點，為自動化管理提供條件[5]。

2.1 滑坡動態(tài)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)設計原則

系統(tǒng)設計時遵從以下基本原則：

2.1.1 易用性原則

(1) 界面簡單友好，操作方便。

(2) 符合軟件的使用習慣。

2.1.2 穩(wěn)定性原則

(1) 考慮系統(tǒng)的冗余度，盡可能地避免單點故障，避免本系統(tǒng)故障不會引起系統(tǒng)的癱瘓，同時也要考慮系統(tǒng)與與計算機環(huán)境及其他系統(tǒng)的兼容性。

(2) 設計幫助數(shù)據(jù)庫引導用戶進行正確操作。

2.1.3 性能優(yōu)化原則

(1) 當系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障時能夠盡快恢復正常運行，數(shù)據(jù)不受破壞。

(2) 在緩存空間有限的情況下，能夠盡快緩存處理，釋放空間。

(3) 檢索高效快速、準確可靠。

2.1.4 易于升級原則

(1) 考慮其它需求，方便隨時添加其他功能。

(2) 考慮兼容性，為系統(tǒng)設計自動升級功能。

2.2 滑坡動態(tài)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)功能分析

(1) 監(jiān)測項目分類。本系統(tǒng)管理的最終目標是監(jiān)測數(shù)據(jù)，不同的監(jiān)測項目產(chǎn)生不同類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)，要將這些數(shù)據(jù)加工成適合于數(shù)據(jù)庫管理的形式，首先需對監(jiān)測項目進行分類。

應用于滑坡的監(jiān)測項目較多，其原理各不相同，原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)類型亦各有差異。本系統(tǒng)根據(jù)實際滑坡監(jiān)測資料，可將滑坡監(jiān)測的各種項目及內(nèi)容按數(shù)據(jù)庫管理要求歸類劃分[6]，如表2所示。

表2 滑坡監(jiān)測項目分類

(2) 系統(tǒng)管理目標分析。監(jiān)測系統(tǒng)的基礎是各種類型的監(jiān)測點。監(jiān)測點具有一系列重要的特征，如監(jiān)測點部位、監(jiān)測方法、所用儀器、安裝日期等。這些特征是分析判斷滑坡變形和穩(wěn)定性的前提。一個監(jiān)測點在某段時間內(nèi)產(chǎn)生一個監(jiān)測數(shù)據(jù)序列。數(shù)據(jù)序列的變化反映監(jiān)測點所處滑坡體部位的變形量、速率等動態(tài)特征，通過變形分析確定滑坡體的穩(wěn)定性狀況[7]。

(3) 系統(tǒng)功能劃分。本系統(tǒng)包括以下功能：

① 數(shù)據(jù)庫錄入與編輯：包括監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入、編輯及存儲，基本信息的修改，監(jiān)測點的添加或刪除。

② 數(shù)據(jù)處理：能夠兼容多種數(shù)據(jù)格式的輸入及輸出，并根據(jù)用戶導出所需數(shù)據(jù)表格或圖件。

③ 信息查詢：快速方便的查詢到用戶所需要的信息。

④ 數(shù)據(jù)庫維護：包括備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)、恢復數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、產(chǎn)生用戶信息表，監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。

(4) 系統(tǒng)模塊設計。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)功能需求，設計主要模塊有：

① 數(shù)據(jù)錄入與編輯模塊：各類監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入、編輯、存儲等。

② 信息查詢模塊：快速方便的查詢到用戶所需要的信息。

③ 數(shù)據(jù)庫處理模塊：根據(jù)用戶需要輸出或打印出滑坡、觀測儀器、觀測人、觀測數(shù)據(jù)等信息不同格式的圖表及報告。

④ 數(shù)據(jù)庫維護模塊：包括備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)、恢復數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、產(chǎn)生用戶信息表，監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。

⑤ 用戶幫助模塊：設計用戶幫助模塊，引導用戶進行正確操作。

數(shù)據(jù)庫模塊劃分關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫模塊劃分關(guān)系圖

2.3 滑坡動態(tài)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)設計

(1) 數(shù)據(jù)庫及庫表。數(shù)據(jù)庫及庫表是系統(tǒng)的基礎，是用來存放用戶數(shù)據(jù)的容器。本系統(tǒng)僅建立一個數(shù)據(jù)庫，名稱為JFWINFO。數(shù)據(jù)庫包括以下庫表(見表3)。

表3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表

(2) 系統(tǒng)菜單。本系統(tǒng)采用菜單管理方式，有主菜單和子菜單系統(tǒng)構(gòu)成，界面參考圖4設計。

圖4 錄入維護菜單

(3) 系統(tǒng)設計。① 錄入維護界面設計[8]。系統(tǒng)對15種數(shù)據(jù)庫分別設計單記錄錄入維護窗口和多記錄維護窗口，在單記錄維護窗口中，設置的記錄移動條，可以下移一個記錄、上移一個記錄、移動到第一條記錄、移動到最后一條記錄。另外分別設置了快速定位、增加記錄、刪除記錄、取消修改、退出等功能按鈕，對個別需要圖形輸入的數(shù)據(jù)庫增加了圖像輸入按鈕。為方便輸入每一個數(shù)據(jù)庫增加了多記錄維護窗口，可以使輸入維護更加快捷方便。② 數(shù)據(jù)查詢。對系統(tǒng)中的15個數(shù)據(jù)庫設計了統(tǒng)一的查詢方式，可以提供任意條件的查詢條件。同時可以把查詢結(jié)果保存為文本文件和數(shù)據(jù)庫文件，并且可以在圖形向?qū)У闹敢逻M行簡單的圖形繪制[9]。

(4) 圖形輸出。根據(jù)用戶需要可以進行圖形輸出。根據(jù)需要系統(tǒng)可以生成圖形。圖形的處理主要在查詢結(jié)果窗口，因為一般的圖形是特定條件下的圖形，在查詢結(jié)果窗口可以根據(jù)查詢的數(shù)據(jù)繪制簡單的圖形。

(5) 報表輸出。輸出用戶所需信息報表。包括以下幾種類型：滑坡或監(jiān)測點基本信息報表；監(jiān)測人員、儀器、儀器生產(chǎn)廠家等輔助性報表；各類監(jiān)測數(shù)據(jù)報表；曲線、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等結(jié)果主表。

(6) 其它。根據(jù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫維護等內(nèi)容，主要完成對數(shù)據(jù)庫的加密和解密及數(shù)據(jù)庫的備份和恢復。防止無關(guān)人員有意或無意對數(shù)據(jù)庫進行損害，或者在數(shù)據(jù)庫遭到損害時進行數(shù)據(jù)庫的恢復。

在實際應用中，由于多方面的原因，數(shù)據(jù)表中可能存在無效的記錄，即非法記錄。包括：點號為空的記錄。數(shù)據(jù)原始觀測值為空的記錄；日期為空的記錄等。當非法記錄達到一定的數(shù)量時，將影響系統(tǒng)性能。及時清除非法記錄，是維護系統(tǒng)正常運行的必要措施。

3 滑坡災害預報及應急響應

滑坡災害應急救援預案主要內(nèi)容包括：

(1) 事故類型和危害程度分析：滑坡類型、事故類型及危害、滑坡的主要致因、事故易發(fā)生的場所、事故發(fā)生的預兆、防范措施等。

(2) 組織機構(gòu)及職責：滑坡應急救援指揮部、應急救援組織機構(gòu)框圖、滑坡應急組織機構(gòu)職責等。

(3) 預防與預警：他險源監(jiān)控、預防措施、預警行動等。

(4) 信息報告與處置程序：危險源監(jiān)控、預防措施、預警行動等。

(5) 應急響應：啟動條件、響應分級、響應程序、擴大應急、處置措施、應急結(jié)束、后期處置等。

(6) 應急物資與裝備保障：通信及信息保障、應急隊伍及裝備保障等。

(7) 培訓和演練：培訓、演練、獎懲等。

4 結(jié) 論

通過對滑坡遠程自動化監(jiān)測與預警系統(tǒng)的實踐應用，所得結(jié)論如下：

(1) 滑坡遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組建經(jīng)濟合理，數(shù)據(jù)準確可靠，達到了遠程自動化監(jiān)測的目的。

(2) 滑坡自動化監(jiān)測信息管理系統(tǒng)界面友好，操作簡單，功能基本齊全，達到了預定設計功能。

(3) 預警信息及時準確，滿足滑坡災害應急響應的需要。