严博俊，陈红磊

（江西省地质矿产勘查开发局水文地质工程地质大队，江西 南昌 330046）

地质灾害是在一定的强度或者降雨持续时间的区域，由于某种特殊的地形和地质条件所发生的，具有危害性大、难以控制、突发性较强等鲜明特点，尤其是在高风险岩土工程区域，地质灾害更常见，且更容易发生。高风险岩土工程区域中一旦发生地质灾害，不仅会使岩土工程施工停滞不前，而且还容易对施工设备和施工人员造成伤害，严重威胁区域施工人员的生命安全，因此对高风险岩土工程区域中的地质灾害综合预警系统研发设计是非常有必要的。地质灾害预警系统的主旨目标是要迅速收集地质信息，精准做出地质灾害预警判断，并及时做出预警警报，使高风险岩土工程区域的施工人员及时撤离，并做出预防措施。地质灾害预警系统的设计与研发主要由软件平台作为支撑，依靠预警决策单元做出地质灾害判断，使整个地质灾害的预警决策更加现代化和信息化。但是目前现有的系统在实际应用中经常出现错报、漏报现象，并且对于综合地质灾害的预警不够及时，地质灾害预警及时率较低，已经无法满足高风险岩土工程区域地质灾害综合预警需求，为此提出高风险岩土工程区域中的地质灾害综合预警系统设计及应用。

1 高风险岩土工程区域中的地质灾害综合预警系统硬件设计

1.1 地质数据采集器

地质数据采集器是整个系统的核心硬件之一，地质数据采集器主要目的是用于收集高风险岩土工程区域中的地质数据，其中包括地下水水位、地下水水压、地下水水量、降雨量、水库及塘坝水位变化等相关数据，采集高风险岩土工程区域中地质情况数据。此次设计的地质数据采集器型号为TU2305-L4，拥有6 路开关，且芯体尺寸为32 位，运行速度在120MHz。地质数据采集器以智能化形式为主，使用模糊综合评判的形式与计算机网络形成地质资源共享，并对反馈信息实现应答，满足高风险岩土工程区域地质灾害预警的条件。地质数据采集器采用较成熟的集成式结构体系，包含高风险岩土工程区域地质灾害检测站点/服务器双层结构体系模式，以及客户端浏览器/服务端口双层结构体系模式，在此基础上，搭配服务器，构建成一个完整的高风险岩土工程区域地质灾害数据采集的局域网，该局域网接口为10/100/1000mbps[1]。在该局域网下，结合系统的预警器、数据处理装置以及相关的网关设备，均在统一的HTTP 协议下实现地质数据的开放性和共享性，方便与系统其他软件和硬件的地质数据传输。为保证地质数据共享的前提下，多方面保证系统的硬件不受到外界攻击，在地质数据采集器上添加一个多层次结构的安全框架，用来维持地质数据采集器的数据安全。

1.2 报警器

报警器的作用是当系统检测到高风险岩土工程区域可能发生地质灾害时发出报警信号，起到预警提示作用，此次选用GFJK-S0DA 型号报警器，该报警器有红黑、黄白、蓝白三种接线，其中红黑接线表示电源信号，黄白接线表示常开信号，蓝白接线表示常闭信号，工作温度最高可以承受80℃，最低可以承受零下35℃，可以满足高风险岩土工程区域恶劣的气候环境。并且该报警器内含LS2604 语音提示芯片，该芯片采用2.2V 供电，可以利用喇叭实现多次数地质灾害警示语音播放、点动播放以及循环预警语音播放[2]。当系统预测到高风险岩土工程区域可能发生地质灾害时，GFJK-S0DA 报警器将以最大音量进行语音提示,提示内容可以自定义设置，也可以采用设备语音提示，并根据系统预测到的地质灾害等级大小发出不同的警示光，当系统预测到高风险岩土工程区域中可能发生大型地质灾害时，GFJK-S0DA 报警器将会发出红色警示光；当系统预测到高风险岩土工程区域中可能发生中型地质灾害时，GFJK-S0DA 报警器将会发出黄色警示光；当系统预测到高风险岩土工程区域中可能发生小型地质灾害时，GFJK-S0DA 报警器将会发出蓝色警示光，根据发出不同的光提示用户地质灾害等级以及严重程度。结合此次设计系统的实际需求，设置报警器电阻值为95KΩ，采样频率为4.69KHz，播放时间为5s，将其安装在高风险岩土工程区域中的通风处，避免因信号采集不到而影响报警器的灵敏度。

2 高风险岩土工程区域中的地质灾害综合预警系统软件设计

2.1 地质灾害综合数据接收及处理

结合系统对地质灾害综合数据接收设计了数据接收模块，其接收设计如下：首先，将数据接收单元初始化，在该单元设置地质灾害数据接收对应参数信息及漏接收标准；其次完成数据复位，等待数据接收单元自动中断数据获取，并连续读取系统信道中的地质数据信息，再次复位并启动数据接收单元；最后在地质数据接收过程中赋予引脚一个较高的地质脉冲信号，保持脉冲宽度在50ns～60ns 之间，完成复位[3]。在A/D 转换转换过程中由于脉冲会导致转换中断，当系统的数据提取单元施加脉冲时，数据寄存单元输出的内容会将复位调整到全零状态，因此，考虑到这一问题的发生，本文选择在初始化开始阶段完成对BP1608 的复位。在给BP1608 的引脚一个较低的脉冲信号时，同时启动A/D 转换，并将采集到的地质灾害数据信号提取。

采集到的地质信号受到高风险岩土工程区域外部环境的影响，会产生较大的噪声影响系统最终的预警结果，因此在系统中设计了数据处理模块。利用滤波技术将在工频超过50Hz 区域获取到的地质信号进行滤波处理，再采用三阶带通滤波电路对50Hz 带通滤波器进行计算，其计算公式如下：

公式（1）中，P 表示为系统数据处理单元滤波计算矩阵；r 表示为区域内某一点到磁场源之间的距离；t 表示为地质数据磁场厚度；f 表示为地质数据内电磁波振幅；d 表示为地质数据内电导率； 表示为地质数据电磁波透入深度。根据上述公式完成对地质数据的降噪处理，将处理后的地质数据以相应格式存储到系统数据库中，用于地质灾害综合分析及预警。

2.2 地质灾害综合预警

完成对高风险岩土工程区域地质数据接收和处理后，由地质灾害综合预警模块对地质数据进行分析，计算出高风险岩土工程区域中发生地质灾害的概率，其计算过程如下：将处理后的所有地质数据按照类别进行分析，主要分为地下水、地表水、岩土、降雨量四类，每一类地质数据建立相应的数据集合，并将四个集合中的地质数据按照相同标准进行量化。并根据地质灾害发生特征以及以上四个因素对地质灾害的影响程度分别设计一个阈值，结合该两项指标对高风险岩土工程区域中的地质灾害发生概率进行计算，其计算公式如下：

公式（2）中，q 为高风险岩土工程区域中的地质灾害发生概率；s、d 、g 、r 分别为地下水、地表水、岩土、降雨量四个数据集合的量化值；a 为根据地下水、地表水、岩土、降雨量四个因素对地质灾害的影响程度设定的阈值。如果量化值大于设定发的阈值，则说明区域内会发生地质灾害，超出的数值则代表着地质灾害发生概率以及等级大小，超出的数值越小，则表示发生地质灾害的概率越低，地质灾害等级越低。系统根据公式（2）计算到的结果，向外发出预警提示，以此完成高风险岩土工程区域中的地质灾害综合预警系统设计。

4 实验论证分析

实验以某高风险岩土工程区域为实验环境，利用此次设计系统与传统系统对该区域地质灾害进行综合预警，实验环境设计如下：两组系统均使用AMD Phenorn X8CPU,采用AMD785G芯片，硬盘采用280G SATA7200 转硬盘，采用独立521M 显卡，Windows 7 32-bit 操作系统。实验将该区域划分成A、B、C、D 四个地质灾害预警区，每个区域分别布置三个监测点用于采集地质数据。实验记录每个区域地质灾害预警情况，将系统显示预警时间与地质灾害实际发生时间比较分析，利用GHJ 软件计算出两个系统的预警及时率，将其作为实验结果，对两个系统进行对比分析，实验结果如下图所示。

图1 两个系统预警及时率对比图

从上图可以看出，此次设计系统预警及时率较高，最高值可以达到97.3%，平均预警及时率可以达到95.2%，远远高于传统系统，说明此次设计系统能够及时预警到高风险岩土工程区域中的地质灾害，这是因为此次设计系统采用了模块式设计模式，各个模块能够对地质灾害相关情况及时获取、处理和分析，因此此次设计系统相对于传统系统更适用于高风险岩土工程区域中的地质灾害综合预警。

5 结语

通过本文设计的综合预警系统，能够实现对于地质灾害信息的快速采集、处理以及分析，为高风险岩土工程提供精准的地质灾害区域信息。通过系统针对地质灾害的预警功能，能够在感受地质灾害发生之前，执行报警操作，进而控制岩土工程的高风险性。以此，可体现出本文设计预警系统在高风险岩土工程区域应用中的实际价值，在未来的研究中有必要加大研究力度，进一步深化地质灾害综合预警系统优化设计，确保高风险岩土工程区域安全，不受地质灾害的威胁。