分析基于无线传感器网络的分布式山体滑坡预警监测

赵栋

摘要：山体滑坡是国内山区常见、多发的一种地质灾害，其带来的后果十分严重，对山体滑坡进行预警监测十分关键。随着逐渐兴起并快速发展的无限传感器网络，无线传感器技术在多个领域中得到了广泛应用。本文对山体滑坡无线传感器监测系统的功能要求与结构进行了论述，分析了基于无线传感器网络的分布式山体滑坡预警监测。

关键词：无线传感器；网络；分布式；山体滑坡；预警监测

一、 山体滑坡无线传感器监测系统

在山区，山体滑坡经常发生，造成了严重的人员伤亡与财产损失，对易发生滑坡的山体进行预警监测具有重要意义

（一）山体滑坡无线传感器监测系统的功能要求

需要监测的山体易滑坡地区具有环境恶劣、危险性大、干扰严重、数据采集量大、机械化程度高以及对传输的实时性与可靠性要求高的特点，同时山体滑坡属于突发性的事件。根据山体滑坡的上述特点，对监测系统也有一定的要求：

第一，数据采集。无线监测系统需要对所监测的山体滑坡区域监测到的信息进行自动采集，并能够将模拟信号转换为数字化信号。

第二，节点自组网。就是节点能够自己组建一个网络，并能够将发现的路由进行建立，最后选择最优传输路径进行数据传输。当有新的节点加入或原有节点失效的情况发生时，其组建的网络能够进行自动维护，并对路由进行实时更新，对网络拓扑结构发生的变化能够及时应对，为数据传输的可靠性提供保证。

第三，数据传输。以节点自组网为基础，通过利用已经建立好的无线路由，实现了对数据的远距离、多跳传输；通过选择最优的路径，能够有效减少数据传输过程中出现的延迟传输、跳数传输情况的发生，促进了其传输实时性的提高；为了节约能量，减少数据传输，应从实际情况出发，将其传输的速度进行自动调整。

第四，数据的管理。远程监控中心通过进行存储数据、分析数据、处理数据，从而有利于数据以表格、图形的形式提供实时的显示、历史数据查询以及滑坡报警等功能的实现。

（二）监测网络的系统结构

基于无线传感器网络的分布式山体滑坡预警监测系统的构成为大量传感节点，且每一个节点又包括了应力计传感器、数据采集板、电源与无限射频芯片。通过在容易发生滑坡的山体表面放置一个应力计，这样岩土压力出现的应力数据就可以监测出来。该系统在设计过程中，可以通过设计多个基站来保证系统的鲁棒性较高，这样就避免了一个基站节点毁坏影响到整个系统的运作，基站是通过控制中心与GPRS二者实现直接通信，它是特殊的节点。其作用就是根据一定的监测算法实现对山体滑坡进行预警的功能，基站与普通的传感器节点不同，它的计算能力更高、存储资源更多。

有两种方式进行滑坡监测即第一，中心监测。中心监测是通过节点首先将原有的监测数据发给簇头，当簇头接到各个节点发送的数据后，簇头就会通过多跳路将数据由协议发送给基站，这些数据就由基站进行分析处理，最后实现对山体滑坡的预警；第二，分布式监测。分布式监测是通过节点先简单处理监测到的数据，从而获得一个决策值，将该值发给簇头，当簇头接收各个节点发送的信息之后，再将信息转发给基站，基站经过计算，得出总的决策值，最后实现对山体滑坡的预警。

二、 滑坡的应力监测

滑坡即受到重力作用，由岩土体构成的斜坡下部的软弱面上发生了剪切作用而产生了整体运动的现象。所以相关监测人员应该长期监测滑坡体内部的应力分布情况与应力分布变化，并进行有效分析，实现对山体滑坡的预警监测。在进行应力变化的实验测量时，可以选择一个样本即圆柱形岩土体，将应力计传感器安装在该岩土体的表层，通过给岩土体施加外部压力，通过应力计能够测量出其内部应力发生的变化，通过应力计信号放大将此种变化输出不一样的电压值。并将其作为数据采集板的输入，同时将该采集板与射频芯片相连，就构成了完整的一个传感器节点。通过对多个样本的反复操作，能够模拟出实际监测的环境，并运用线性回归理论进行计算，根据最后测到的应力数据估计出临界值，对山体滑坡预测提供帮助，当应力值大于临界值时，山体滑坡就会产生。

三、 分布式山体滑坡预警监测

以某仿真实验为例，为了对分布式山体滑坡的整个监测系统性能进行测试，用误报率与漏报率这两个与滑坡预测有关联的重要指标进行说明，漏报率即山体发生滑坡事件之前，通过监测算法对滑坡不发生的概率进行预测，而误报率即山体没有发生滑坡的情况下，对滑坡发生的概率进行预测，如果想要实现山体滑坡预测的准确性，漏报率和误报率就应该达到最小数值，而且从一定程度上看，漏报率比误报率更为关键。在该实验中，还引进了信噪比（SUR），它指的是系统中噪声、信号二者的比例，这里特指高斯白噪声和采集信号之间的比例。正常来看，如果信噪比越大，那么混在信号中的噪声则越小。在无线传感器监测系统中，信噪比一般为5dB～10dB之间，比较小。通过在不同信噪比下，对分布式监测与中心监测分别进行仿真实验。可以发现分布式监测的漏报率远远低于中心监测的漏报率。

通过对分布式监测算法进行的分析，与中心监测算法相比，分布式的监测法性能更优，所以可以运用分布式监测法对山体滑坡进行预测。

结束语

综上所述，基于无线传感器网络的分布式山体滑坡预警监测，实现了对山体滑坡的自动监测、快速部署，同时该技术不需要大量的成本投入，所以无线传感器技术优于传统技术。而其分布式监测的方法相对于中心监测的方法，性能更优。通过对易发生滑坡的山体进行预警监测，同时有效分析监测数据，避免发生山体滑坡而引发的重大灾难、损失，因此该系统具有重要的实用意义与价值。（作者单位：核工业西南勘察设计研究院有限公司）

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