陳鵬年，溫宗周，張 航，李麗敏，王 真

（1.西安工程大學電子信息學院，西安710600；2.西安工程大學機電工程學院，西安710600）

1 引 言

我國國土面積遼闊，地形地貌多種多樣，各類山體遍布全國各地，使得我國成為一個山體滑坡自然災害多發(fā)的國家[1]。滑坡在我國地質(zhì)災害中的占比遠高于其他類型的地質(zhì)災害。據(jù)統(tǒng)計，2001耀2005 年全國共發(fā)生地質(zhì)災害9 萬余起，造成人員死亡3686人，傷3249 人，失蹤462 人，直接經(jīng)濟損失212.05億元。其中滑坡71283 起，崩塌17404 起，泥石流6691 起。結(jié)合我國歷往災情實際情況，當務之急是要設計一款集滑坡災害監(jiān)測和預警于一體的監(jiān)測裝置，來實時監(jiān)測滑坡發(fā)生的概率，及時預警，減少災害對人們生活帶來的危害[2]。目前對滑坡現(xiàn)狀的研究已有很長的發(fā)展歷程，諸多學者也提出了不同的解決辦法，但仍然存在諸多不足。對于此類災害，目前主要的預測方式是參考降雨情況，以當?shù)厥欠癜l(fā)生強降雨以及降雨時長作為判斷依據(jù)[3-5]。

2 系統(tǒng)總體方案設計

在此提出一種系統(tǒng)，主要圍繞滑坡災害監(jiān)測預警展開設計，集無線數(shù)據(jù)采集終端、現(xiàn)場預警終端、遠程監(jiān)控中心于一體，并闡述各模塊之間傳輸方式的選擇依據(jù)。系統(tǒng)將潛在災害區(qū)域臨災前所積累的致災因子數(shù)據(jù)經(jīng)LoRa、GPRS 傳送至遠程監(jiān)控中心。遠程監(jiān)控中心服務器對數(shù)據(jù)進行分析、整理，經(jīng)模糊控制系統(tǒng)決策出相應的成災概率，并可據(jù)此對現(xiàn)場預警終端和移動端分別啟動聲光報警和緊急消息推送?，F(xiàn)場預警終端可在致災因子數(shù)據(jù)達到所設相應閾值時啟動現(xiàn)場聲光報警，在移動端也可以實時地查看遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)并可通過遠程監(jiān)控中心對現(xiàn)場預警終端進行致災因子閾值設置并查看致災因子數(shù)據(jù)。

設計著重于提高預警系統(tǒng)的適應力與通用性，以潛在滑坡災害地區(qū)為監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測對象。本監(jiān)測系統(tǒng)可長期對監(jiān)測區(qū)域的滑坡致災因子變化情況進行監(jiān)控，并根據(jù)現(xiàn)場預警終端的預警閾值和遠程監(jiān)控中心的預警模型對災害發(fā)生進行及時有效的預警。系統(tǒng)主要包含無線數(shù)據(jù)采集終端、現(xiàn)場預警終端、遠程監(jiān)控中心三大部分[6]。系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

3 系統(tǒng)硬件平臺

3.1 無線通信方式選擇

滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)設計中的數(shù)據(jù)傳輸工作主要包括潛在災害區(qū)域致災因子數(shù)據(jù)的遠程上傳和遠程監(jiān)控中心對現(xiàn)場預警終端的監(jiān)測命令下達?；聻暮ΡO(jiān)測所需無線數(shù)據(jù)采集終端較多，且其布設具有點多面廣、全面監(jiān)測致災因子變化情況的特點，因此使用無線廣域網(wǎng)[7]（Wireless Wide Area Network, WWAN）技術(shù)可擴大無線數(shù)據(jù)采集終端、現(xiàn)場預警終端、遠程監(jiān)控中心之間的通信范圍和距離。無線數(shù)據(jù)采集終端和現(xiàn)場預警終端之間通信的最大距離擬定為10 km 以內(nèi)，而現(xiàn)場預警終端和遠程監(jiān)控中心之間的傳輸距離甚遠。

滑坡監(jiān)測所需的數(shù)據(jù)流量較少，其數(shù)據(jù)傳輸不必要選用高帶寬的網(wǎng)絡。此外，WWAN 長久以來被普遍使用，經(jīng)歷了GSM、GPRS 至TD-LTE 和FDDLTE 等10 余種技術(shù)革新，每種通信技術(shù)有著不同的傳輸速率。綜合考慮現(xiàn)場預警終端和遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸流量，選用傳輸速率為171.2 kb/s 的GPRS 通信為此二者的通信方式。雖然無線數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場預警的終端系統(tǒng)中不需要所用的WWAN技術(shù)提供大的數(shù)據(jù)流量，但是對其無線數(shù)據(jù)采集終端、現(xiàn)場預警終端應有的低功耗、抗干擾等通信性能有較高要求。LoRa 技術(shù)是一種可以遠距離傳輸、支持多節(jié)點、擁有無需授權(quán)許可的免費頻段等優(yōu)點的一種新型物聯(lián)網(wǎng)無線電調(diào)制解調(diào)通信技術(shù)。LoRa 技術(shù)徹底改變了嵌入式無線通信的現(xiàn)狀，它融合了數(shù)字信號處理、數(shù)字擴頻和前向糾錯編碼，具有超高的通信性能[8]。綜上，無線數(shù)據(jù)采集終端與現(xiàn)場預警終端之間的通信方式選用LoRa 無線通信。

3.2 硬件監(jiān)測單元

考慮到造成滑坡災害的各影響因子信息的種類不一、量綱各異以及數(shù)據(jù)不平衡等因素，因此將多種不同類型的傳感器引入到泥石流災害預警系統(tǒng)的設計當中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)收集工作由各無線傳感器采集單元完成，各傳感器都有相應的監(jiān)控分機，能夠控制傳感器、獲取傳感器的數(shù)據(jù)信息以及通過無線射頻單元發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中所有的傳感器構(gòu)成分布式無線傳感器自組網(wǎng)。該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，維護和維修也較為便捷?，F(xiàn)場預警單元能夠獲取傳感器信息，同時將信息傳輸至系統(tǒng)后端的遠程監(jiān)控中心，由遠程監(jiān)控單元對信息進行綜合推演，計算出滑坡爆發(fā)的概率、規(guī)模和推進到保護區(qū)的所需時間，之后再將結(jié)果返回至現(xiàn)場預警單元并通過顯示器顯示出來。

分布式無線傳感器自組網(wǎng)設計的核心是電源供電單元。該模塊是預警系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作的可靠保障，但由于本系統(tǒng)的應用場所多為溝壑縱橫、環(huán)境惡劣的山區(qū)，設備安裝不便、供電困難，因此本設計采用太陽能結(jié)合蓄電池的方式為系統(tǒng)供電。日間，太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)為電能以保障系統(tǒng)運行，同時為蓄電池充電。晚上，太陽能幾乎不存在，系統(tǒng)依靠蓄電池維持其正常工作。如圖3 所示為電源供電原理圖。

圖3 電源供電原理框圖

設計采用分布式無線傳感器自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在整個網(wǎng)絡中，每個傳感器節(jié)點處于同一級，且擔任著主機和路由器的角色。該結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢在于當傳感器節(jié)點因各種原因造成故障或工作人員對自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行維修維護工作時，無需改動網(wǎng)絡的整體結(jié)構(gòu)，只需通過自調(diào)節(jié)的方式即可完成穩(wěn)定通信。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 現(xiàn)場預警單元軟件設計

本監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容為滑坡災害的各影響因子數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)場預警單元詳細工作流程如圖4。

圖4 現(xiàn)場預警單元流程圖

系統(tǒng)通電后，即對系統(tǒng)進行內(nèi)部初始化。初始化完成后，AS32_TTL_100 進入數(shù)據(jù)接收模式。此時，查詢按鍵或觸摸屏有無操作，若有則開始運行對應的程序，執(zhí)行完程序之后，掃描有無召測指令；若沒有按鍵或觸摸屏操作，則直接查詢有無召測指令。若有召測指令，隨即檢驗召測任務類型，收集相應的信息，經(jīng)GPRS 通信單元發(fā)送至遠程監(jiān)控單元；若沒有檢驗到召測指令，可依據(jù)已設置的次序開始收集雨量、滲透壓、地表位移、土壤含水量和地表裂縫并比較閾值。若數(shù)據(jù)超出設置值，則AS32_TTL_100 進入到數(shù)據(jù)發(fā)送模式同時下達報警命令，配置AS32_TTL_100 數(shù)據(jù)包向報警單元下達命令和配置GPRS 數(shù)據(jù)將收集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至遠程監(jiān)控單元；若收到的數(shù)據(jù)未超出設置值，則配置GPRS 數(shù)據(jù)包將收集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至遠程監(jiān)控單元。

4.2 無線數(shù)據(jù)采集終端軟件設計

無線數(shù)據(jù)采集單元開始工作后，首先對內(nèi)部進行初始化操作，AS32_TTL_100 進入到數(shù)據(jù)接收模式。之后檢驗采集時間是否到達，若未到時間且等待過程中產(chǎn)生中斷或收到預警單元下達的命令，則CPU 被喚醒以處理中斷或執(zhí)行預警單元下達的命令。若已到采集時間且等待過程中沒有產(chǎn)生中斷或收到預警單元下達的命令，則CPU 被喚醒，然后開始采集相應數(shù)據(jù)，此時AS32_TTL_100 進入到數(shù)據(jù)發(fā)送模式。最后配置AS32_TTL_100 數(shù)據(jù)包并發(fā)送數(shù)據(jù)信息。無線數(shù)據(jù)采集單元主程序流程如圖5。

圖5 無線數(shù)據(jù)采集單元主程序流程圖

4.3 遠程監(jiān)控中心功能與作用

以交換機、防火墻、電腦和服務器等硬件設施，與以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的遠程監(jiān)控單元軟件框架共同組成一整套完備的遠程監(jiān)控單元。整個遠程監(jiān)控單元包括數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、服務器、預警系統(tǒng)、防火墻、故障診斷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

遠程監(jiān)控單元的電腦連有遠程監(jiān)控單元的防火墻和服務器，對數(shù)據(jù)信息進行儲存、篩選、計算和系統(tǒng)故障診斷等功能可通過編寫數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、預警系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等上位機軟件實現(xiàn)。管理人員可以通過上位機訪問并管理遠程監(jiān)控單元，使用人員即現(xiàn)場從業(yè)者也可以通過上位機完成訪問遠程監(jiān)控單元、查詢泥石流災害影響因子信息狀態(tài)以及修改現(xiàn)場預警單元各影響因子預警閾值等操作。

上位機功能結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。其功能包括儲存數(shù)據(jù)、查詢影響因子狀態(tài)、設置預警閾值、推演計算和系統(tǒng)管理等，分別用于儲存各設備的狀態(tài)、各傳感器的數(shù)據(jù)；查詢各影響因子狀態(tài)、設置預警閾值；綜合所有影響因子信息推演計算出當前泥石流災害爆發(fā)的概率、規(guī)模和推進到保護區(qū)的所需時間并做出預警；管理用戶和設備信息。

圖6 上位機功能結(jié)構(gòu)圖

5 基于模糊控制的滑坡監(jiān)測預警模型

5.1 模型建立

模糊控制器是一種基于規(guī)則或知識的系統(tǒng)，屬于Mamdani 型模糊控制系統(tǒng)，由模糊器、模糊推理機、模糊規(guī)則庫和解模糊器四部分組成[9]，其結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。

圖7 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.1.1 滑坡地質(zhì)災害預警模型結(jié)構(gòu)設計

該模糊決策系統(tǒng)屬于五維輸入系統(tǒng)，輸入變量為降雨量、滲透壓、土壤含水量、地表位移和地表裂縫，輸出變量為滑坡發(fā)生概率。為避免單級高維模糊決策系統(tǒng)帶來維度災難，采用多級低維模糊決策系統(tǒng)[10]。結(jié)合滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)在實驗區(qū)陜西省商洛市山陽縣所采集的致災因子數(shù)據(jù)，設計的滑坡地質(zhì)災害預警系統(tǒng)主要分為兩個部分[11]：以致災因子降雨量、滲透壓、土壤含水量作為輸入，以土體飽和度為輸出的模糊系統(tǒng)1；以土體飽和度和地表位移、地表裂縫為輸入，以滑坡發(fā)生概率為輸出的模糊系統(tǒng)2?；碌刭|(zhì)災害預警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 滑坡預警模糊決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)《國土資源部和中國氣象局聯(lián)合開展地質(zhì)災害氣象預警工作協(xié)議》，可將未來24 小時之內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)生的概率劃分為5 個預警等級?；聦儆诘刭|(zhì)災害類型之一，其發(fā)生概率和等級關(guān)系的劃分依據(jù)預警工作協(xié)議而定。詳細劃分情況如表1 所示。

表1 滑坡預警等級劃分

5.1.2 模糊決策系統(tǒng)的輸入輸出設計

系統(tǒng)將降雨量、滲透壓、土壤含水量、地表位移和地表裂縫的語言變量分別劃分為5、4、4、4、4 個，其模糊量從小到大分別為：小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨；小、中、大、非常大；小、中、大、非常大；小、中、大、非常大；小、中、大、非常大。全國降雨量R 劃分的語言變量如表2 所示。

表2 全國降雨量R 劃分的語言變量（R 為24 小時降雨）

根據(jù)降雨量、滲透壓、土壤含水量和土體飽和度的具體情況，此處選用高斯隸屬度函數(shù)描述語言變量的模糊子集。圖9 為降雨量、滲透壓、土壤含水量三項參數(shù)的隸屬度函數(shù)圖。該三維模糊決策系統(tǒng)1的輸入劃分已定，其輸入變量為降雨量R、滲透壓F、土壤含水量D，輸出變量為土體飽和度S。

圖9 隸屬度函數(shù)曲線（降雨量、滲透壓、土壤含水量）

平均解模糊法適合該模糊決策系統(tǒng)的去模糊化，以此法獲取的輸出控制量就是土體飽和度，其隸屬度函數(shù)如圖10 所示。土體飽和度仿真曲面如圖11 所示。

圖10 土體飽和度隸屬度函數(shù)

圖11 土體飽和度仿真曲面

輸入變量為地表位移、地表裂縫和土體飽和度，輸出變量為滑坡發(fā)生概率，相關(guān)的隸屬度函數(shù)如圖12 所示?；掳l(fā)生概率仿真曲面如圖13 所示。

圖12 隸屬度函數(shù)曲線（地表位移、地表裂縫）

圖13 滑坡發(fā)生概率仿真曲面

6 監(jiān)測預警系統(tǒng)功能驗證

滑坡災害遠程監(jiān)控中心的主要功能包括滑坡災害監(jiān)測預警以及滑坡災害致災因子數(shù)查詢?nèi)齻€部分。遠程監(jiān)控中心的功能界面如圖14 所示。

圖14 遠程監(jiān)控中心的功能界面

此處以滑坡災害為例，建立基于模糊規(guī)則的滑坡災害預警模型并以監(jiān)測預警系統(tǒng)在實驗區(qū)陜西省商洛市山陽縣所采集的致災因子數(shù)據(jù)驗證系統(tǒng)的預警功能。當降雨量為51.5 mm，滲透壓為41kPa，地表位移為36.1 cm，土壤含水量為61.3%，地表裂縫為476 mm 時，現(xiàn)場預警終端的報警狀態(tài)顯示為否。

與遠程監(jiān)控中心的功能相輔相成的滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)移動端APP 主要功能界面如圖15 所示。其主要功能界面包括滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)移動端APP 的登錄界面、滑坡災害類型選擇界面、災害信息實時顯示界面等。

圖15 移動端APP 主要功能界面

各級防災減災人員能夠通過滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的遠程監(jiān)控中心或者移動端APP 軟件登錄帳號，可實時查看監(jiān)測預警系統(tǒng)所監(jiān)測的潛在災害區(qū)域各個致災因子數(shù)據(jù)，并根據(jù)遠程監(jiān)控中心預警系統(tǒng)所預測出的災害概率（等級）對現(xiàn)場預警終端啟動聲光報警，從而使得監(jiān)測預警系統(tǒng)成為集潛在災害區(qū)域眾多致災因子數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程無線傳輸、多致災因子綜合評判并預警功能于一體的監(jiān)測預警系統(tǒng)。

7 結(jié) 束 語

系統(tǒng)利用基于STM32F103ZET6、MSP430F149的低功耗無線傳感技術(shù)和模糊控制算法，對降雨量、滲透壓、土壤含水量、地表位移和地表裂縫等信息進行實時監(jiān)測和模糊決策，可在監(jiān)測數(shù)據(jù)超出現(xiàn)場預警終端所設閾值時啟動報警模塊。根據(jù)相關(guān)專家經(jīng)驗，以滑坡災害為例，建立了基于模糊規(guī)則的滑坡災害預警模型，同時應用MATLAB 軟件仿真出預警模型。在陜西省商洛市山陽縣地區(qū)對滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的子系統(tǒng)滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測預警功能進行了驗證，結(jié)果表明該系統(tǒng)可將無線數(shù)據(jù)采集終端的各致災因子數(shù)據(jù)實時傳送至遠程監(jiān)控中心，并可由遠程監(jiān)控中心和移動端對災害進行實時監(jiān)測預警，獲得了良好的實用效果。