基于GIS滑坡远程自动化监测与预警系统设计

2020-10-28王伟星蒋育华

水利与建筑工程学报 2020年5期

王伟星，韩侃，蒋育华，盛斌，王瑜

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000；2.中铁科学研究院有限公司，四川成都 610032)

长期以来滑坡常规监测主要靠现场调查和人工仪器监测。由于滑坡的地形条件恶劣，在现场进行数据采集不仅费时费工，而且还有诸多的安全隐患，恶劣天气下甚至不能进行数据采集。采用无线传输的远程自动化监测系统不仅可以克服上述问题，还能真正实现滑坡变形动态实时控制，为工程安全提供及时准确的数据。尤其对于处于蠕动挤压～滑移变形阶段的超巨型滑坡，建立滑坡稳定性无线传输自动化实时监测系统是必要的途径[2]。

无线传输自动监测系统最终要达到的目标是对该滑坡布置的所有监测仪器实现全自动无人值守测量、数据传输与记录。建立该滑坡的监测数据库，显示或打印测量数据报表和数据图形走势图等，为工程安全提供及时准确的数据，并对滑坡可能发生的滑动破坏进行预警预报[3]。

1 远程自动化监测系统的组建及维护

1.1 远程自动化监测系统的组建及监测单元布设

1.1.1 远程自动化监测系统的组建

远程自动化监测系统是一种全自动无人值守测量、无线数据传输的综合静态数据采集系统。系统可配接各种传感器(测斜仪、应变计、应力计、锚索计、荷载传感器等)，系统由各类传感器，无线GPRS收发模块和多个数据采集单元等组成[4]。

通过总线将具有统一工业总线接口的各个监测单元传感器通过一条或多条总线组成自动化测量系统，用自动化采集箱采集连接总线，定时采集各监测单元数据，实现采集数据的自动化和集成化。自动采集箱主要功能是根据命令控制现场传感器进行定时自动测量、自动数据保存等功能。

无线模块通过GPRS与计算机主机相连接后，主机与各个监测单元传感器之间便建立了一条无线远程的通信链路。主机发送的采集数据命令通过这条通信链路经总线送至各个监测单元传感器，传感器接收相应控制指令，进行数据采集，并将采集的结果通过这条通信链路回送到计算机主机进行处理分析，从而实现远程自动监控。其工作原理如图1所示。

1.1.2 远程自动化监测主要元器件

远程自动化监测的主要元器件包括滑坡深部位移监测、滑坡地下水位监测、锚索应力监测和气象监测等四大部分所需监测元器件[4]。具体如表1所示。

图1 远程自动化实时监测系统原理图

表1 滑坡远程自动化监测主要元器件

1.1.3 数据采集流程

远程自动化实时监测系统数据采集流程见图2。

图2 远程自动化实时监测系统数据采集流程图

1.2 远程自动化实时监测系统的安全设置及维护

远程自动化实时监测系统的有效保护是系统能够长期运行的必要条件，也是远程系统能否实施的基础。考虑到远程监控系统的重要性和耐久性，有必要制定一些维护措施，以便避免监控系统受到损坏。

1.2.1 数据线的维护

将总线及各监测单元设备外接分支数据线埋入地下，埋置方式为：

(1) 沿线路走向方向开挖约30 cm深，25 cm宽坑槽。

(2) 将各分支数据线装入PVC塑胶管并置入坑槽中部。

(3) 采用C15混凝土浇筑，浇筑时保持PVC塑胶管有5 cm的保护层厚度。

(4) 养生，在混凝土上部铺撒薄层砂土或原植被土，掩盖混凝土。

1.2.2 锚索测力计的维护

锚索端部安置的锚索测力计长时间暴露在外部易受到损坏，通过在测力计外包2 cm厚的塑胶膜，并在锚力计和外露电缆外，采用木制模板固定后，浇筑C15混凝土封闭处理。电缆外部包裹混凝土厚度不小于10 cm厚，直接引入主管线的电缆槽内。

1.2.3 雨量计和自动化远程监测设施的设置和安全维护

结合现场实际情况，将气象雨量计和自动化监测设施放置于相对固定的位置，外部通过钢网架加锁封闭保护，固定位置周边设置标示牌。

2 滑坡自动化监测信息管理系统设计

有效的滑坡动态监测信息管理系统从监测数据采集系统和其他方面取得各种资料信息，便于将各种监测资料迅速而自动地处理成图表、报表等，并在极短的时间内可以判断出测值的变化特点，为自动化管理提供条件[5]。

2.1 滑坡动态监测信息管理系统设计原则

系统设计时遵从以下基本原则：

2.1.1 易用性原则

(1) 界面简单友好，操作方便。

(2) 符合软件的使用习惯。

2.1.2 稳定性原则

(1) 考虑系统的冗余度，尽可能地避免单点故障，避免本系统故障不会引起系统的瘫痪，同时也要考虑系统与与计算机环境及其他系统的兼容性。

(2) 设计帮助数据库引导用户进行正确操作。

2.1.3 性能优化原则

(1) 当系统出现意外故障时能够尽快恢复正常运行，数据不受破坏。

(2) 在缓存空间有限的情况下，能够尽快缓存处理，释放空间。

(3) 检索高效快速、准确可靠。

2.1.4 易于升级原则

(1) 考虑其它需求，方便随时添加其他功能。

(2) 考虑兼容性，为系统设计自动升级功能。

2.2 滑坡动态监测信息管理系统功能分析

(1) 监测项目分类。本系统管理的最终目标是监测数据，不同的监测项目产生不同类型的监测数据，要将这些数据加工成适合于数据库管理的形式，首先需对监测项目进行分类。

应用于滑坡的监测项目较多，其原理各不相同，原始数据、中间数据和结果数据类型亦各有差异。本系统根据实际滑坡监测资料，可将滑坡监测的各种项目及内容按数据库管理要求归类划分[6]，如表2所示。

表2 滑坡监测项目分类

(2) 系统管理目标分析。监测系统的基础是各种类型的监测点。监测点具有一系列重要的特征，如监测点部位、监测方法、所用仪器、安装日期等。这些特征是分析判断滑坡变形和稳定性的前提。一个监测点在某段时间内产生一个监测数据序列。数据序列的变化反映监测点所处滑坡体部位的变形量、速率等动态特征，通过变形分析确定滑坡体的稳定性状况[7]。

(3) 系统功能划分。本系统包括以下功能：

① 数据库录入与编辑：包括监测数据录入、编辑及存储，基本信息的修改，监测点的添加或删除。

② 数据处理：能够兼容多种数据格式的输入及输出，并根据用户导出所需数据表格或图件。

③ 信息查询：快速方便的查询到用户所需要的信息。

④ 数据库维护：包括备份系统数据、恢复数据库系统、产生用户信息表，监视系统运行状况，保证系统数据安全。

(4) 系统模块设计。根据监测系统功能需求，设计主要模块有：

① 数据录入与编辑模块：各类监测数据录入、编辑、存储等。

② 信息查询模块：快速方便的查询到用户所需要的信息。

③ 数据库处理模块：根据用户需要输出或打印出滑坡、观测仪器、观测人、观测数据等信息不同格式的图表及报告。

④ 数据库维护模块：包括备份系统数据、恢复数据库系统、产生用户信息表，监视系统运行状况，保证系统数据安全。

⑤ 用户帮助模块：设计用户帮助模块，引导用户进行正确操作。

数据库模块划分关系图如图3所示。

图3 数据库模块划分关系图

2.3 滑坡动态监测信息管理系统设计

(1) 数据库及库表。数据库及库表是系统的基础，是用来存放用户数据的容器。本系统仅建立一个数据库，名称为JFWINFO。数据库包括以下库表(见表3)。

表3 系统数据库表

(2) 系统菜单。本系统采用菜单管理方式，有主菜单和子菜单系统构成，界面参考图4设计。

图4 录入维护菜单

(3) 系统设计。① 录入维护界面设计[8]。系统对15种数据库分别设计单记录录入维护窗口和多记录维护窗口，在单记录维护窗口中，设置的记录移动条，可以下移一个记录、上移一个记录、移动到第一条记录、移动到最后一条记录。另外分别设置了快速定位、增加记录、删除记录、取消修改、退出等功能按钮，对个别需要图形输入的数据库增加了图像输入按钮。为方便输入每一个数据库增加了多记录维护窗口，可以使输入维护更加快捷方便。② 数据查询。对系统中的15个数据库设计了统一的查询方式，可以提供任意条件的查询条件。同时可以把查询结果保存为文本文件和数据库文件，并且可以在图形向导的指引下进行简单的图形绘制[9]。

(4) 图形输出。根据用户需要可以进行图形输出。根据需要系统可以生成图形。图形的处理主要在查询结果窗口，因为一般的图形是特定条件下的图形，在查询结果窗口可以根据查询的数据绘制简单的图形。

(5) 报表输出。输出用户所需信息报表。包括以下几种类型：滑坡或监测点基本信息报表；监测人员、仪器、仪器生产厂家等辅助性报表；各类监测数据报表；曲线、统计数据等结果主表。

(6) 其它。根据系统中的数据库维护等内容，主要完成对数据库的加密和解密及数据库的备份和恢复。防止无关人员有意或无意对数据库进行损害，或者在数据库遭到损害时进行数据库的恢复。

在实际应用中，由于多方面的原因，数据表中可能存在无效的记录，即非法记录。包括：点号为空的记录。数据原始观测值为空的记录；日期为空的记录等。当非法记录达到一定的数量时，将影响系统性能。及时清除非法记录，是维护系统正常运行的必要措施。