韩建超 张亮 任凯珍 胡福根

摘  要：依据北京山区公路沿线的地质灾害特征，提出基于物联网技术的北京地区公路高边坡地质灾害监测系统的框架，该系统由數据采集子系统、数据管理子系统、崩塌监测预警子系统及信息服务与共享子系统组成，采用C/S模式和B/S模式的双模式运行。根据多年北京突发地质灾害应急调查情况，选取密云区硫辛路崩塌多发路段进行研究与应用，监测系统可实现位移变形、倾斜度、落石报警、降雨量等野外数据采集，室内数据管理分析、监测预警、信息服务与共享等功能。根据硫辛路崩塌灾害应急调查资料与国内典型崩塌监测预警经验确定研究区单因子判据及综合判据，包括临界雨量、裂缝变形量、裂缝变形速率、倾斜度变化量以及崩塌发育过程中的宏观异常现象，为北京市地质灾害防灾减灾决策，提供一定的技术支撑。

关键词： 北京;高边坡;崩塌;物联网技术;地质灾害监测

Research on Geological Hazard Monitoring System of Highway Slope

based on Internet of  Things

HAN Jianchao， ZHAN Liang， REN Kaizhen， HU Fugen

（Geological Institute of Beijing， Beijing 100120）

Abstract： Based on the analysis of the characteristics of geological hazard along Beijing highway， this paper puts forward the framework of geological disaster monitoring system for high slope along Beijing highway based on Internet of things technology， which is composed of data acquisition subsystem， data management subsystem， collapse monitoring and early warning subsystem and information service and sharing subsystem. The system is operated in hybrid mode of C/S mode and B/S mode. According to the emergency investigation of sudden geological disasters in Beijing for many years， the Liuxin Road in Miyun is selected to conduct the demonstration research and application. The monitoring system can realize the functions of displacement and deformation， inclination， rockfall alarm， rainfall and other field data collection， indoor data management and analysis， monitoring and early warning， information service and sharing. According to the emergency investigation data of Liuxin Road collapse disaster and the experience of typical collapse monitoring and warning in China， the single factor criterion and comprehensive criterion of the demonstration area are determined， including critical rainfall， fracture deformation amount， fracture deformation rate， gradient variation and macroscopic abnormal phenomena in the process of collapse development. It provides certain technical support for disaster prevention and reduction decision-making of geological disaster in Beijing.

Keywords： Beijing; High slope; Collapse; Internet of things technology; Geological hazard monitoring

0 前言

北京地处两条山脉交汇处，地形、地质条件和构造相对复杂，降水时空分布不均，人类工程活动频繁，故北京的地质环境相对较脆弱，地质灾害种类多，群发性强（赵忠海，2009）。公路高边坡地质灾害包含多种类型，如滑坡、泥石流、崩塌等（何传琦，2019），其中，崩塌是北京山区最常见的一种地质灾害。据北京市规划与自然资源委官方公布数据，截至2019年6月，共有2609处崩塌隐患，占地质灾害隐患的51.8%，主要威胁道路和居民点，其中大于20m的高边坡约占46%（北京市地质研究所，2014）。高边坡地质灾害其危害性更大、治理费用更高，高边坡监测系统研究刻不容缓。

物联网技术是遵照一定的协议标准并利用传感器及通讯等技术，将物品与互联网相连，可进行信息交换，具有感知、传递及处理数据功能的一种网络（黄健，2015）。基于物联网的地质灾害监测预警系统应包括室外现场布设的传感器、数据采集器、通讯模块，室内数据中心的数据处理和信息发布系统软件等（周平根，2012）。目前，物联网技术在地质灾害监测预警中得到了广泛的应用与研究。

本次研究以北京山区公路高边坡广泛分布的崩塌灾害为例，应用先进的物联网技术和通讯技术实时、动态的获取和传输监测信息，利用数据处理技术挖掘监测对象的变化规律，对大量的多源实时数据进行综合分析，并结合地理信息系统对灾害体的空间数据和属性数据进行数据管理，运用互联网技术发布监测预警信息，建立一套完整的基于物联网技术高边坡地质灾害监测系统，对北京突发地质灾害防治工作提供决策支持，为北京建设世界城市地质安全领域工作打下坚实的基础。

1 系统架构

公路高边坡地质灾害监测系统是以计算机硬件与网络通信平台为依托，以数据规范、标准、信息化机构以及实时采集数据为保障，以数据管理、配置管理、服务引擎为支撑构建的分析评价、预警与辅助决策、综合分析系统。

监测系统采用双模式运行，C/S模式和B/S模式。C/S模式作为系统的主要开发与应用模式，用户使用系统通过网络访问各项授权功能，B/S模式作为Web服务开发与应用模式。

系统建设的总体框架分为基础设施层、数据库层、软件支撑层、业务组件层、系统应用层（图1）。

2 系统功能

系统的各类功能与应用均以公路高边坡地质灾害监测数据库为核心，完成数据采集、数据管理、崩塌监测预警、信息服务与共享等功能（图2）。

数据采集子系统主要用来采集和接收野外实时监测设备返回各类监测数据，并将这些数据以文件形式或数据库实体形式保存到数据库中，并在各相关部门之间进行数据共享，为后续的数据管理、数据分析与智能预警、信息发布、信息共享与集成等打开丰富的数据基础（图3）。

数据管理子系统是保证公路高边坡地质监测系统的数据时效性、完整性的管理平台，它是目标系统能够实现正确、及时的预警、预测分析的重要保障手段之一。管理员通过图形用户界面调用后台的各种数据管理组件，通过数据库访问引擎与后台数据库或原始文件进行交互，能够完成各类监测信息和其他辅助信息的增加、更新、导出等功能，并且可以完成灾害预测分析业务相关的其他属性数据、空间数据的管理工作，并可以对数据进行精细化、系统化的检查与纠正（图4）。

崩塌监测预警子系统依据高边坡地质监测及智能预警需求，结合地质背景及野外监测数据情况，建立精确的地质灾害智能预警模型，实现地质灾害的预警预报、风险性决策分析等，并可以将这些信息自动发送给相关管理部门（图5、图6）。

信息服务与共享子系统可以自动生成各类监测分析结果、预警预报、风险分析等各类信息，并可以自动或半自动地向公众发布多种信息，为出行选择、人身安全保证等提供重要信息，发挥重要的参考价值。

3 崩塌预警初探

根据崩塌灾害孕育特征，重点关注崩塌发生的时空范围内的各类临界特征，如崩塌发展过程中自身所表现出的位移变化，外在的降雨强度、人工扰动等环境因素变化;目前，广泛采用的预警判据分为单因子判据和综合判据，单因子判据是仅考虑一种变量临界变化，如临界雨量、最大位移量等，综合判据则考虑多变量临界变化，如雨量、裂缝位移变化和崩塌灾害发生前表现出的宏观前兆进行综合判断等（刘造保，2010）。

选取监测路段在历史上发生过二次崩塌，其中密云琉辛路监测路段于2005年8月15日1时38分发生崩塌灾害，崩塌处岩石边坡距离公路路面高约50m，崩落的岩石堵塞道路，冲垮路基，崩塌堆积体形成长约100m，宽约60m，高约25m的岩堆，总方量约10000余立方米，其中最大落石约15×8×8m3。

据现场调查，发生崩塌的岩体陡坡近垂直，岩石垂直解理裂隙发育，岩性为片麻状花岗岩，属火山侵入岩（图7）。

结合监测路段灾害发育特征，选取降雨量、裂缝变形量、裂缝变化速率、危岩体倾斜度变化量4种指标进行监测。并依据自然资源部和中国气象局制定的地质灾害气象预警分级，考虑边坡体的稳定状况、可能危害程度与损失大小、时间的紧迫性及及其相关影响因素，将崩塌灾害预警按可能发生的概率大小排序分为注意、警示、警戒、警报4级，把这4级分别以蓝色、黄色、橙色、红色予以标识。

降雨强度预警阀值的确定参考国内外典型崩塌发生时的降雨阀值，结合研究区实际发生崩塌灾害时的降雨量统计数据，拟定崩塌的降雨量预警指标，为崩塌在汛期的预警工作提供一定依据（表1）。

因在安装监测设备后，监测点未出现崩塌现象，降雨量、裂缝变形量、裂缝变化速率、危岩体倾斜度变化量的阀值确定，參考国内典型崩塌监测项目经验以及研究区的实际情况（金海元，2011;刘明鑫，2014），对各预警指标设置不同的预警阈值，但适用于本区域的预警阀值仍需进一步的试验研究完善，为北京市的崩塌预警提供更加有效的技术支持。

综合判据，除考虑上述定量指标外，还应结合群测群防，根据崩塌变形过程中出现的异常表现做出宏观上的判断。如局部裂缝出现延长、加宽并产生新的裂缝或局部出现小块石崩落都有可能是新的崩塌事故发生的前兆，应及时做好预警预防工作。

4 结论

本次研究基于物联网技术建立了公路高边坡地质灾害监测系统，并根据多年北京突发地质灾害应急调查选取硫辛路崩塌多发路段为研究区，利用多种传感器实时获取崩塌特征指标，运用多因素动态联合建模，确定现阶段崩塌地质灾害监测预警模型，设立阀值，对于超过阀值的，立即预警，有效躲避灾害。

基于物联网公路高边坡地质灾害监测系统研究为北京市建立全面的突发地质灾害监测预警平台奠定了坚实的基础，为北京市汛期防汛减灾及开展相关领域研究具有重要的参考意义。

参考文献

北京市地质研究所， 2014. 北京市地质灾害详细调查报告（1：50000）[R].

黄健， 巨能攀， 何朝阳， 2015. 基于新一代信息技术的地质灾害监测预警系统建设[J]. 工程地质学报， 23（1）： 140-147.

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金海元， 2011. 岩石高边坡监测预警综合评价方法研究[J]. 长江科学院院报， 28（1）： 29-38.

刘造保， 徐卫亚， 金海元， 2010. 锦屏一级水电站左岸岩质边坡预警判据初探[J]. 水利学报， 41（1）： 101-107

刘明鑫， 2014. 贵州山区典型崩塌成因机制与监测预警技术研究： 以威宁县猴场镇幺岩脚崩塌为例[D]. 成都理工大学.

赵忠海， 2009. 北京地区突发性地质灾害易发区划及危险度评价[J]. 资源调查与环境， 30（3）： 213-221.

周平根， 李昂， 张艳玲， 2012. 基于物联网技术的地质灾害监测预警系统的结构和功能[J]. 工程地质学报， 20（Sl）： 708-712.