Web+SMS技术在公路边坡地质灾害监测中的应用研究

杨德龙，王洪辉，张兆义，范磊磊，钟佳迅，黄 凡

（1.贵州省公路工程集团有限公司 贵州 贵阳 550000；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

我国是一个崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生十分频繁和灾害损失极为严重的国家[1]。而地质边坡体常常因失稳而发生滑坡或崩塌，并可进一步造成地质灾害，其已同地震和火山相并列成为全球3大地质灾害之一，在全世界每年因边坡变形失稳造成了巨大的经济损失和社会影响。据初步统计，全球由于自然灾害所造成的经济损失每年约为400亿美元，若考虑人类诱发的边坡失稳破坏，其经济损失将会成倍增长。1963年的意大利瓦伊昂（Vaiont）水库近坝地段滑坡致使世界上最高的双曲拱坝失效，有2.4×104～3.6×104万m3的岩石滑到托克山水库中，几乎填满了整个水库，滑坡造成的涌浪高达200多米并且越过大坝，造成1 900多人死亡。1991年12月14日，新西兰Mount Cook发生的一次巨大的山体崩滑是在没有明显的触发因素情况下发生的（Sassa，1995）。滑坡体高度1 500 m，总体积1.4×104万m3的滑坡体坠入1 000 m以下的Tasmam Gracier冰川湖[2]。随着我国基础建设的不断发展，高速公路的建设，经常不可避免的需要开挖岩土体，形成大量与人类工程活动有关的工程边坡。而山区高速公路这种线状工程穿越的地貌单元多，遇到的地质条件复杂，边坡治理在工程建设中占有很大的比重。目前我国对公路开挖边坡滑坡灾害主要采用传统的人工巡回测试、记录资料处理。这种派人员值班守卫的方式，不仅耗费大量的人力资源和资金，而且灾害发生点大多地形险要，人员现场工作缺乏人身安全保障，同时效率也很低下[3]。因此，急需对其预防监测手段进行研究，建立适用的滑坡地质灾害监测预警系统。本文介绍了一种基于GSM网络以短信的方式传输监测数据，并将监测数据发布成Web服务平台，实现了在任何有Internet的地方都可远程监测滑坡体状态的功能，并结合具体的工程给出了应用实例。

1 系统组成

如图1所示，系统主要由现场监测、网络传输、监控中心和Web发布四部分组成。现场监测设备（带移动通信装置）安装在远端的监控点上，监测点的裂缝位移、地下水位、深部位移、土壤含水率等数据被采集后通过移动GSM网络以短消息的方式传回到监控中心，监控中心再解析短消息并处理后，将数据信息存储到数据库中。监控中心通过分析数据实现远端监测点实时监测，同时对危险信息给予报警（如边坡体有无失稳迹象等），从而有效地减少或消除灾害的发生。系统通过浏览器/服务器（B/S）模式构建了远程Web数据服务发布平台，有利于通过Internet监测边坡状态。

图1 系统原理框图Fig.1 Schematic of the overall structure of the system

2 系统设计

2.1 监测数据的采集

边坡灾害监测数据的获取主要是通过遍布在公路边坡监测区域的相关自动化监测仪器采集相关的监测数据。本系统监测数据主要包括：

1）裂缝位移监测，将带位移传感器设备的一端固定在滑坡体上，另一端固定在非滑坡体上，通过相对位移获得监测点位移值[4]。

2）地下水位监测，采用带水位传感器的设备对地下水位进行监测。

3）深部位移监测，采用带角度传感器设备的测斜管预埋在滑坡体的钻孔内，当滑坡体发生位移时，测斜管也随之发生倾斜变化，从而得到测斜管每段的水平位移增量。

4）土壤含水率监测，采用带湿度传感器的设备对土壤中的湿度进行监测。

2.2 监测数据的传输

监测数据的传输主要通过GSM引擎模块之间通信完成数据传输。GSM引擎模块提供的AT命令接口符合GSM07.5和GSM07.7规范，当GSM引擎模块收到网络发来的短消息时，通过向串口发送接收消息指令来获得数据信息。短消息（Shot Message）业务是GSM系统提供给用户的一种数字业务，通过无线控制信道进行传输，经短消息服务中心完成存储和收发功能。数据监测终端设备和数据监测中心可通过GSM引擎模块以短消息方式发送各种命令进行数据通信[5]。常用的AT命令如表1所示。

表1 常用的AT命令Tab.1 Common AT commands

2.3 数据监测中心

数据监控中心主要完成对监测数据的接收、处理和转发，以及系统报警等功能，其主要功能模块如图2所示[6]。

图2 数据监控中心功能模块示意图Fig.2 Schematic of data monitoring center function module

1）通信协议设计

由监测现场发往数据监测中心的数据包含监测点位置数据、监测设备类型、监测设备运行状态参数、监测设备采集数据等，其格式如表2所示：

表2 通信协议Tab.2 Communication protocol

Head：表示数据包的开始；

Type：表示监测现场的设备类型（00：裂缝位移监测；01：地下水位监测；02：深部位移监测；03：土壤含水率监测；04：孔隙水压力监测）；

Location：表示监测点的经纬度坐标；

State：表示当前监测设备运行状态（00：正常；01：欠压；02：通信模块损害）；

Data：表示监测设备采集的数据；

Verify：表示除Head以外字节数据的8位CRC校验。

2）数据库设计

数据库设计包含概念设计和逻辑设计两方面，概念模型采用ER实体联系法设计，逻辑设计将概念模型进行关系转化，关系转化遵循准则[7]：①各事务处理系统各模块的完整和独立。②相关事务模块之间的信息联系和统一。③消除数据冗余和不合适的数据依赖。

3）收发服务程序设计

在设计收发服务程序时，首先对串口进行初始化设置，并检查系统是否与GSM模块连接正常，然后开启接收线程时刻接收新的短消息[8]。若接收到数据，则进入数据处理模块，再将数据存入数据库中。若接收的数据有危险信息（如滑坡体有滑坡迹象；现场辐射剂量超标等）则给予报警，同时向预设置电话拨打电话或向手机转发消息，使得相关人员在第一时间内得知消息，以便采取措施。若监控中心想了解设备某些参数或控制某些设备，可向GSM模块发送指令来完成。其接收工作流程如图3所示。

图3 接收工作流程Fig.3 Flow chart of receive

4）图形显示

将接收到的数据，通过曲线图方式实时动态地显示出来，以便更直观地了解被监测滑坡体的状态。

5）报警功能

系统通过向预设置的电话拨打电话或向手机转发消息、声音报警等方式，使得人们及时掌握灾害情况[9]，以便采取措施将灾害减少到最低程度。

6）欠压管理

监测现场决大多数在野外，设备的供电系统基本上采用电池的方式，电池的消耗可能经不起设备的长期监测使用，在欠压状况下通知监控中心及时换电池，以便更好地监测。

2.4 Web发布平台

在传统的监测系统中，对监测数据的浏览只能在监控中心才能看到，本系统采用Web技术，通过浏览器/服务器（B/S）模式构建远程Web数据服务发布平台，实现通过Web浏览器在任何能上Internet的地方都能远程监测滑坡体的状态，从而有效地提高了滑坡灾害预警的快速性、高效性和直观性。

3 结束语

本系统成功应用于贵州省毕节至威宁高速公路第4～6合同段人工开挖边坡地质灾害监测现场，对该区域的监测手段为裂缝位移监测方式，共5个监测点，每个监测点每2个小时向监控中心发一次数据，经过1个多月的监测，该边坡较稳定。

本系统结合Web和SMS技术实现了远程实时公路边坡地质灾害监测与报警，并通过浏览器/服务器模式构建了远程Web数据服务发布平台，便于决策部门和专家在异地随时观看地质灾害现场的动态监测结果。和传统的人工现场监测相比，本系统具有快速性、高效性和直观性等优点。通过实际工程的应用取得了良好的效果。

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