滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统.docx
- 文档编号:6975163
- 上传时间:2023-01-13
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:23.76KB
滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统.docx
《滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统
文章编号:
1001—9944(2014)06-0017-05
滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统
谭承君,罗
群,曾国强,葛良全,刘玺尧
(成都理工大学核技术与自动化工程学院,成都610051)
摘要:
针对我国地质灾害频发的现象.该文讲述了一种基于传感网与多网络融合技术的地质灾害监测预警系统的设计。
该系统以基于Cortex-M3内核的微控制器STM32为核心,多
通道信号调理电路为数据采集单元,采用电台、Zigbee和直接连线等方式组建本地监测网,
将多种传感器(雨量计、地表裂缝位移计、孔隙水压力计、土壤含水率计、地下水位计等)的数据采集、处理后通过GPKS网络和北斗卫星传回服务器。
实际应用显示,本系统具有功耗低、稳定好等特点,能适应野外恶劣的环境,满足监测需要。
关键词:
滑坡;地质灾害传感器;传感网;信号调理电路;实时自动监测中图分类号:
TH762
文献标志码:
A
Field
Monitoring
and
WarningSystem
forLandslide
and
DebrisFlowGeological
Disasters
TAN
Cheng-jun,LU0Qun,ZENG
Guo・qiang,GELiang・quan,LIUXi-yao
(CollegeofNuclearTechnologyandAutomationEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610051,China)
Abstract:
Thisessay,aimedatthedisaster-pmnephenomenoninChina,givesthedesignsofthegeelogicM
disastermoni-
totingsystembased
on
the
sensor
netting
and
multi-communicationnetworkfusiontechnology.Thesystemtakesthemicro-
controllerSTM32whichWasbased
on
theCodex—M3kernel鹊thecore.theMulti-channelsignalconditioningcircuit
as
thedataacquisitionunit,andadoptsZisbeewirelessnetwork,radiostationanddirectwirecommunicationnetworktoformlocalareanetwork.Thesystemcollectsthedataofvarioussensors,including(raingaugesporewaterpressure,soilmoisture,surfacecrackdisplacementmeter,etc)data
acquisition.Then
itprocessesandsendsthedatabacktotIle
serverviaGPRS
networkandBeidousatellite.Practicalapphcationshowsthatthe
system
hasprovidedwiththegoodcharacteristicssuch够
lowpowerconsumption,goodstability,anditalsocan
adapttothewildharshenvironmenttomeettheneedsofmonitoring.
Keywords:
landslide;geologicaldisaster
sensor;sensor
netting;signal
conditioningcircuit;real—timemonitoring
中国是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一,地质条件复杂,构造活动频繁,滑坡、泥石流、地裂缝等灾害隐患多、分布广,且隐蔽性和破坏性强。
防范难度大。
特别是近年来受极端天气、地震、工程建设等影响,地质灾害多发频发,给人民生命财产造成严重损失【”。
因此,地质环境监
测、地质灾害预警显得尤为重要。
结合地质灾害的实际,本文针对滑坡泥石流地质灾害设计了一套基于传感网与多网络融合技术的监测系统。
1
地质灾害区域预警的基本原理
滑坡监测主要采取土壤含水率、地下水位、土
收稿El期:
2014-01—14:
修订日期:
2014—01—24
基金项目:
国家高技术研究发展计划(863)项目(2012AA061803);2013年四川省大学生创新创业训练计划项目(201310616034)作者简介:
谭承君(1988一),男,在读硕士研究生,研究方向为核信号获取与处理;曾国强(1980一),男,博士,副教授,研究
方向为核测控技术与仪器。
自动化与仪表2014(6)
17
壤孑L隙水压力、多路地表位移、雨量等监测以及视频监测f2】。
降水渗入滑坡体内,引起滑坡体内含水率增大或水位升高。
当滑带处土壤的含水率增大并趋向饱和时,土壤的粘聚力和摩擦阻力均会减小,从而降低滑带土的抗剪强度,引致滑坡。
通过土壤含水率计与孔隙水压计可实时获取滑坡体土壤含水率的变化曲线:
通过雨量计可获取该区域的雨量实时数据曲线:
通过地下水位计可获取该滑坡体地下水位的变化。
由于地表位移的变化滞后于土壤含水率变化。
土壤含水率滞后于地下水位,地下水位则滞后于降雨量,因此可以根据四者的时间滞后特性,实现提前预测滑坡变形。
2系统通信组网总拓扑图
滑坡面的监测包括土壤含水率、地下水位、土壤孑L隙水压力、地表位移、雨量等监测【3】.分布在整个滑坡面上.由于滑坡面较大,如果所有的传感器均采用有线方式连接到主板上会引起施工繁琐、成本高等问题。
因此一个滑坡面的监测采用主机与从机结合的方式组建本地监测网(后文将主机和从机统称为监测站),主机建立在传感器相对集中的地方,从机建立在传感器离主机比较远的位置,主机与从机之间采用无线通信,将整个滑坡面传感器的数据全部采集传输到主机上。
主机与服务器之间的通信采用GPRS或北斗卫星进行[41。
系统总体拓扑图如图1所示。
主机
从机,’
U壶
地含下水水率位监监测
测
菱蠢差墨
监
水
铡
压测
量从
图1
系统总体拓扑图
Fig.1
DesignTopology
ofthe
system
根据实际应用要求.主机有与从机之间采用
18
Zigbee和数传电台进行通信。
Zigbee是一种高可靠的无线传输网络,处于免执照的2.4GHz频段,具有自组网、低功耗等特点,可工作在路由节点模式、中心节点模式、终端节点模式[51。
无线数传电台是具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线通信方式,具有绕射能力强、通信距离远等特点,适合点多而分散、地理环境复杂等场合。
系统中,如果滑坡面的环境较简单,则选用Zigbee模块;如果环境复杂、通信距离较远,则选用数传电台。
GPRS是基于地面基站和信号发射塔的无线通信,具有传输速率高、实时性强、成本低等特点。
北斗卫星通信是基于地面基站和通信卫星的空地结合无线通信网络,具有通信距离远、覆盖区域广等
特点。
系统主站在一般情况下通过GPRS网络实现与服务器的数据传输.而在GPRS网络不能满足实时性的情况下利用北斗系统形成互补。
3野外监测站系统设计
系统采用太阳能电池板对铅酸蓄电池充电的方式给系统供电,同时兼容市电{61。
为适应野外监测点供电不足的缺点,系统设计了电源管理模块.在传感器和电路需要工作时才打开电源,其他时间电路均处于休眠状态,以实现低功耗。
监测站的主要功能之一是将各种传感器的数据采集后传输回服务器,因此野外监测站主板应该主要包括传感器信号采集电路以及无线通信电路。
其总体设计框图如图2所示。
I预警电路卜_
叫僭鬈瓣卜l
GPR眦斗卜微控■鬻纛警瓣
电源制器
管zigbee/电台卜
STM32
叫溅卜理模块
I雨量计卜
叫黼lJ
图2监测点主板设计框图
Fig.2
Designblockdiagramofmonitoringpointmainboard
图2中,系统所使用的传感器.其输出信号主要有4~20mA(地下水位计、土壤含水率计)、电阻信号(地表位移计)、振弦信号(孔隙水压力计、土压力
计等)、地声信号(地声传感器)、微震信号(微震传感器)等。
根据不同的输出信号,系统信号调理板设计了不同的电路对其进行处理。
Automation&Instrumentation
2014(03
地表裂缝监测
¨凹孔隙水压监溅
凹地下水位监测
一地声监测
凹地下水位监测
3.1
多通道4~20mA信号调理电路
图3中显示了一种四通道的4~20mA信号调
理电路。
其中Pl插座的1—4接13(对应第1、2、3、4通道)为传感器的供电电源接1:
3,5接口为传感器地线接1:
3,6接13为传感器信号接口。
本电路可同时兼容两线制和三线制的4~20mA传感器,系统通过控制每个传感器的电源实现多通道数据采集。
如果需要采集1通道传感器的数据,则MCU给控制数据OX01输入移位寄存器U2,使QA输出高电平,其余输出低电平.那么第一个光耦将导通,其他的截止,使l通道传感器上电.其他传感器关闭供电,1通道
传感器上电后的输出信号经ADC采样即可完成l通道传感器的数据采集。
实际应用中,传感器均深埋于地下,雷雨天气时传感器的传输线缆上会耦合出感应雷,如果传感器的接口不做防护那么接口电路很容易被感应雷烧坏。
图3中,首先采用瞬态抑制二极管(D1、D2、D3、D4、D5)作为端13保护,同时采用光耦(U1)隔离,以提高系统可靠性。
另外,由于光耦U1的最大输出电流约50mA。
因此在后级添加一个三极管(Q1、Q2、Q3、Q4)与光耦内部的三极管一起构成达林顿输出,提高带负载能力。
一
”…‘tl
II
。
…
16
——∑Z
D2D3D4D5
。
.
1卓多(1
15
QI
】
三竹一G,N。
当中
VCC
!
i
』当2
DATA厂{:
AQA314
—、Z
——
一
B
QB荪
里4
1夕L
13
GND
【由R7“’D§QJ、D,一/1三
Cut9一...——
QcQ2
CU(
8二CLRQD,-CLK
QES
12
——、,一盟』
1
—
Qv▲
CL2
Dl
QG
旦6卓乒
(11
Q3
2.II
II
CL3
3.....一
GND
‘||HE—wc
b1、u
VH‘
CIA
4
.=±=-U2
10
——∑芒
5GND
当8
l卓多
(1
9
Q4l
6
GND广R9。
U叫
-=兰_I
Pl
上
GND
GND
CNn
图3多通道4~20mA传感器信号调理电路
Fig.3
Signalconditioning
circuitof
multi—channel
4—20mAsensor
3.2
电阻位移计信号调理电路
系统中,地表裂缝位移计的输出信号是电阻信
号.通过测量其电阻值从而得到地表位移值。
对于电阻的测量,一般是采用给电阻施加恒定电流然后测量电阻两端产生的电压从而间接地求得电阻值的方法进行。
实际应用中,信号传输线缆较长,必须要考虑传输线缆上的电阻对测量结果的影响。
本系统地表裂缝位移计信号调理电路如图4所示,图中采用四线制接法,消除了传输电缆上的电阻对传感器电阻测量的影响。
图中VREF为2.5V的基准源,运放U4A与电阻R16构成恒流源.运放U4B构成差分信号放大电路.采集电流在传感器电阻上形成的电压信号。
P2插座的l、2接口均接在位移传感器电阻的同一端(结头尽量靠近传感器);P2插座的3、4接ISl均接在位移传感器电阻的另一端(结头尽量靠近传感器)。
恒流源产生的电流依次过1、4接口,在传感器的电阻上产生电压信号,2、3接13将产生的电压信号传输回来通过运算放大器U4B做差分放大。
电阻
自动化s仪表2014(6)
图4位移传感器信号条理电路
Fig.4
Displacementsensorsignalconditioning
circuit
R11、R12、R14、R18可以选取较大的值,故在接132、3上流过的电流很小,可以减小传统两线制接法带来的误差。
另外,图中也加入了防雷器件并隔离,以保证系统在野外恶劣的环境中也能长期稳定的工作。
19
4数据采集软件
在现场安装传感器和野外监测设备的基础上,采用VisualC++为开发平台,以SQLServer2005为后台数据库,自主开发了滑坡泥石流地质灾害综合监测预警系统。
该系统采用GPRS网络、北斗卫星与野外监测系统建立通讯,实现了数据的远程实时接收的存储。
在此基础上通过ADO连接数据库,实现数据查询、图形可视化等功能。
通过建立滑坡泥石流地质灾害综合监测预警系统的预测模型库,实现了变形数据处理和预测分析等功能。
图5给出了系统的数据显示界面。
图5监测数据展示界面
Fig.5
Inquiring
interfaceof
monitoringdata
5
工程实例
根据《四川I省绵竹
市地质灾害调查与区划报告》,绵竹市内共有地质灾害隐患约108处,威胁人数5815人,潜在经济损失达5.46亿元门。
其中白房子滑坡群地势陡峻,沟谷切割较深。
经现场调查,该滑坡规模达1.8×
107
m3.属大型滑坡。
故在此建立远程监测设备.如图6所示,图中显示的是系统野外监测主机.主机上的声
20
图6野外监测系统
Fig.6
Field
monitoring
system
光报警和喇叭是用来发布预警信息的。
若数据异
常.服务器立即向主机发送命令启动声光报警发布预警信息,同时向监测点负责人发送预警短信。
负责人收到预警短信后可通过手机拨打主机内部GPRS模块上的号码,通过远程喊话将自己的声音通过喇叭传递出去实现预警,组织居民安全撤离。
系统在此安装3台地表裂缝位移计,1台孔隙水压力计,3台土壤含水率计,1台地下水位计,1台雨量计,2台微震传感器监测各项地质参数。
地表位移计应安装在地表已出现裂缝或有可能出现裂缝的地方.同时在传感器拉线外套PVC管.中间添加支撑柱形成‘‘T”型结构以减小环境因素(如刮风、降雨)对测量的影响(如图7(左))。
土壤含水率计的安装是将传感器放在事先挖好的坑里。
然后用水稀释泥土形成泥浆包裹传感器.一段时间水干以后,传感器将与土壤紧密结合从而提高测量精度(如图7(右))。
孔隙水压力计安装时应当首先向钻孑L内注入湿砂,使砂子在孑L底形成砂垫层,然后放人孔隙水压力计,继续注入湿砂,使传感器完全被湿砂包裹,最后回填原土.埋实。
图7位移计(左)含水率计(右)的安装
Fig.7
Installation
methodofdisplacementmeter
(1eft)andsoilmoisturemeter(right)
另外。
在绵竹市国土局建立远程数据监控中心,实时监测地质体内各项参数的变化情况。
监测数据显示,2012年7月26日,该地区发生了强降雨,日降雨量达87.5mm(如图8),土壤含水率、地下水位、孔隙水压力监测数据明显升高(如图9、10),但地表位移在237.85~238.20mm之间,变化幅度为
0.35
mm,在可接受的范围内(如图11);同时微震信号也很微弱。
由此可见。
该滑坡群的截水沟和内部的排水孔
可以有效的排水.防止雨水下渗软化滑坡体,对疏干滑坡体保持其稳定起到了重要作用。
当然,在更
大的降雨情况下该滑坡群的稳定性还需要进一步的监测。
昌g
≤删幢士瞄々号
≮
暑
3遥*k捌
......-I_._…
l
2
3
4
5
6
7
8
9
lOll
12
13
1415
16
时间/(h)
图8绵竹市白房子监测雨量直方图
Fig.8
Rainfall
histogramof
White
House
时间/(h)
图9绵竹市白房子监测地下水位趋势图
Fig.9
GroundwaterleveltrendgraphofWhiteHouse
一理蕊霉一鹾*餐J№
时间,(h)
图10绵竹市白房子监测孔隙水压力趋势图
Fig.10
PorewaterpressuretrendgraphofWhiteHouse
l
≤潍翅懈捌
时I司/(h)
图11
绵竹市白房子监测地表位移趋势图
Fig.11
SurfacedisplacementtrendgraphofWhiteHouse
自动亿与仪表2014(6)
6结语
本文采用Zigbee和无线电台组建本地监测网,以GPRS和北斗卫星作为无线传输单元,通过太阳能电池板给系统供电,设计了节能、高效、稳定的滑坡硬件监测系统。
同时,系统采用VisualC++编程
技术,以SQL
Server
2005为后台数据库,开发了滑
坡地质灾害远程监测预报系统.实现了对监测数据的远程实时接收和可视化管理分析.为管理部门及时了解滑坡现场的监测结果和快速决策提供了平台。
在四川绵竹市、南部县、雅安市等地区运行的监测系统表明:
滑坡地质灾害远程监测系统具有实时性、稳定性、无人值守和低功耗等特点。
参考文献:
【1】国务院关于加强地质灾害防治工作的决定(国发【2011120号).
吲,2011.
【2]王国民,黄俊宝.闽东南地区台风暴雨型地质灾害变形监测分析
叨.福建地质,2010,29(增刊):
17-24.【3】3
Hart
Jinliang,Wu
Shuren,Wang
Huabin.Preliminarystudy
on
geological
hazard
chains[J1.Earth
Science
Frontiers,2007,14
(6):
11-23.
【4】张志龙,华克强,孙淑光.北斗导航系统与GPS组合在民航中的
应用叨.自动化与仪表,2005,20(7):
55-58.【5】WuLing,WuWendi.negeol晒cal
information
collection
sys-temdesignbased
on
wireless
senSOr
network[J].Procedia
Engi—
neering,201l,16:
396-400.
【6】苗凤东,周蓉生.滑坡实时监测报警系统电源设计【J】.仪器仪表学
报,2007,28(2):
380-384.【7】
四川省地质工程集团公司.四川省绵竹市地质灾害调查与区划报告【Z】,2006.
■
如钙∞弘∞巧加M
m,0
:
|;棚
舢靳龋玎鲚觯㈤帽
||;
滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期:
谭承君,罗群,曾国强,葛良全,刘玺尧,TANCheng-jun,LUOQun,ZENGGuo-qiang,GELiang-quan,LIUXi-yao成都理工大学核技术与自动化工程学院,成都,610051自动化与仪表Automation&Instrumentation2014,29(6参考文献(7条1.国务院关于加强地质灾害防治工作的决定(国发[2011]20号20112.王国民;黄俊宝闽东南地区台风暴雨型地质灾害变形监测分析2010(增刊3.HanJinliang;WuShuren;WangHuabinPreliminarystudyongeologicalhazardchains2007(064.张志龙;华克强;孙淑光北斗导航系统与GPS组合在民航中的应用2005(075.WuLing;WuWendiThegeologicalinformationcollectionsystemdesignbasedonwirelesssensornetwork20116.苗凤东;周蓉生滑坡实时监测报警系统电源设计2007(027.四川省地质工程集团公司四川省绵竹市地质灾害调查与区划报告2006引用本文格式:
谭承君.罗群.曾国强.葛良全.刘玺尧.TANCheng-jun.LUOQun.ZENGGuo-qiang.GELiang-quan.LIUXi-yao滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统[期刊论文]-自动化与仪表2014(6
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 滑坡 泥石流 地质灾害 野外 监测 预警系统