基于物联网技术的地质灾害预警系统设计

文/任飞 张辛波 左庆邻 吴必造

1 引言

随着我国基础建设取得巨大成绩的同时，环境污染和人为破坏导致林木覆盖率也越来越低，就导致各种地质灾害问题频发。近年来由于自然和人为因素导致的山洪、山体滑坡、山体坍塌、泥石流等地质灾害破坏性极强，严重威胁了人民的生命和财产安全。地质灾害预警系统是防治山体滑坡、泥石流等地质灾害的一项重要的措施。在地质灾害高发区域内布置地质灾害预警系统对表面位移、降雨量、地下水位以及山体裂缝等数据进行实时采集，

并通过大数据分析和阈值判断分析决策后通过地质灾害预警平台发布地质灾害相关预警信息。及时将灾害通报给相关责任人，可以达到对各种地质灾害进行提前预警，方便预警区域人员做好防御预案和提前转移，可以避免不必要的人员伤亡和财产损失。

文中首先介绍了地质灾害预警系统的总体设计方案，并将系统从下到上分为地质监测模块、数据接入以及存储平台模块以及地质灾害预警平台三个模块。然后详细介绍了地质监测模块，详细介绍了需要监测的数据以及用到的终端设备，包括表面位移数据监测、内部位移数据监测、地下水位数据监测以及雨量数据监测等监测设备；接着介绍了数据接入以及存储平台即OneNET平台。物联网提供的定位为PaaS(Platform-as-a-Service 平台即服务)的服务平台，利用OneNET平台接入层平台的做地质监测模块和地质灾害预警平台的中继；最后分模块详细介绍了地质灾害预警平台，平台的主要功能是对传感集采集到的数据进行分析然后提供短信发布、告警、告警情况的统计分析以及对管理员提供系统管理及用户管理等功能。

图1：地质灾害预警系统结构示意图

图2：地质灾害预警平台功能模块划分

2 系统总体设计方案

地质灾害预警系统从下到上分为地质检测模块、数据接入和存储平台以及综合监测平台三个模块组成，如图1所示。

地质灾害预警系统主要工作流程如图1所示，首先通过地质监测模块的传感器和摄像头等终端设备采集各项地质灾害的相关数据，然后通过2G/4G/NB-IoT(Narrow Band Internet of Things窄带物联网)等方式与中移物联网的OneNET平台进行数据交互并将数据暂存在OneNET平台上。OneNET平台定时向地质灾害预警平台数据库推送数据，或地质灾害预警平台主动下发命令要求OneNET平台上传数据的方式向平台地质灾害预警平台数据库发送数据。地质灾害预警平台会结合大数据分析手段、阈值判断等方法，实现包括地灾预警预报、告警信息发布、监测数据采集及接入、数据的统计分析、系统管理等功能。

3 地质检测数据采集模块

数据采集是地质灾害预警系统实现的第一阶段，监测终端主要包括：传感器系统、高精度天线以及辅助系统几个部分，将传感器采集到的数据经过2G/4G/NB-IoT等通信方式，通过无线电波传输至OneNET平台。

传感器系统需要监控的数据如下：

（1）表面位移数据监测，表面位移监测依据滑坡体或边坡具体情况，可布设GNSS观测墩，实时差分解算出各监测点三维坐标，监测变形情况；

（2）内部位移数据监测，滑坡体或边坡的内部变形观测，依据其具体情况可采用垂直坡面钻孔安装多点位移计或钻孔安装垂直测斜管配固定测斜仪；

（3）地下水位数据监测，边坡或滑坡体处于高地下水区域，地下水的变化往往对灾害点加速恶化起很大作用，因此建议在这样的地方增设地下水观测项目，布设一个测点，采用钻孔安装一支渗压计来实现地下水监测；

（4）雨量数据监测，滑坡体或边坡的环境量监测一般多采用降雨量作为环境的主要技术要求，可根据地形条件和周围环境的情况在合适的地方布置一个雨量监测测点；

（5）应力数据监测，滑坡体或边坡发生位移形变，一般采用锚索应力计监测应力变化；

（6）裂缝数据监测，滑坡体或边坡裂缝监测依据裂缝大小，选择适当量程范围的裂缝计；

（7）视频监控，滑坡体或边坡视频监控，可以及时了解现场情况，为决策者提供及时应急提供依据。

4 数据接入和存储平台

OneNET是中移物联网提供的定位为PaaS(Platform-as-a-Service 平台即服务)服务，平台为上层物联网应用和终端物理设备间搭建一个高效、稳定、安全的应用平台服务平台：为物联网终端设备适配了多种网络环境和常见传输物联网协议，为各类硬件终端设备提供了快速接入的方案和设备管理服务；在面向企业物联网应用方面，为软件开发者提供丰富的API和数据分发能力以满足各类行业应用系统的开发需求，OneNET平台让物联网企业不用将工作的重心放在设备接入层设备的环境搭建上，而是更加专注于自身物联网应用的开发，达到缩短物联网系统的形成周期，可以降低企业研发、运营和运维成本。

地质灾害预警系统中地质监测模块的终端采集设备和OneNET平台通信协议是遵照ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议MQTT(Message Queuing Telemetry Transport消息队列遥测传输协议)；终端采集设备和OneNET平台通信方式采用2G/4G/NB-IoT。OneNET平台收到数据后与地质灾害预警平台的数据库进行数据的交互方式有两种：第一种是OneNET平台定时的将数据推送数据到地质灾害预警平台的主数据库，然后再进行大数据分析以及阈值判断确定是否进行告警；第二种是综合监测平台主动从OneNET平台读取去数据，读取指定平台指定的数据。

5 地质灾害预警平台

预警平台主要实现地质灾害范围内的预警信息发布功能，主要包括短信发布、通信管理、预警信息统计分析、平台系统管理等功能。通过将地质监测模块采集到的数据经过大数据和阈值分析后得到的报警信息进行发布，实现自动短信告警功能。

地质灾害预警平台主要包括四个软件功能模块如图2所示：短信发布模块、通信管理模块、统计分析模块和通信管理模块。下面分别对四个软件模块的功能进行分析。

5.1 短信发布模块

短信发布模块的主要功能是对预警短信的收发和查询，主要包括信息发布、上报短信查询以及下发短信查询。信息发布：提供信息快速发布、信息群发等信息发送功能。上报短信查询：在信息接收对象收到下发信息时，信息接收对象可选择直接回复短信，系统可根据反馈的短信自动识别接收对象是否及时收到下发的信息，若没有收到可通过其他手段进行信息通知。

下发短信查询：根据系统内的单位行政区划分类如图3所示，可分别查询不同分类下的信息发送情况，包括发送批次、发送人、发送时间、发送信息量、是否回执、信息内容、发送成功率等信息。

5.2 通信管理模块

通信管理模块的主要功能是实现对通信相关资料的管理以及导入导出操作。单位通讯管理：提供市级、区级、街道办等各级行政单位的管理功能，包含行政单位的增加、修改、删除。联系人管理：提供以行政单位为根的个人联系信息管理功能，包含可对联系人进行增加、查询、修改、删除。通讯了导入导出：提供以Excel方式对通讯录进行导入导出的功能，实现快捷对通讯录的管理和内容输出。

5.3 统计分析模块

统计分析模块是实现灾害预警信息的分类统计和分析。信息分类统计：以行政单位为分类统计基础，可分别查询不同单位在某时间段内发送信息的类型，包含：公告信息、蓝色预警、橙色预警、黄色预警、红色预警等。信息回复统计：可查询每个信息接收人员需要回执的信息数量、已回执的信息数量、回执成功率、个人姓名、隶属单位等。信息费用统计：根据行政单位为基础，可分别查询不同单位在某一时间段内发送的信息数量以及产生的相关费用情况。信息数量统计：可以按照不同的时间段、行政区划等统计信息发布的数量情况。

5.4 系统管理模块

系统管理模块是实现用户权限管理和软件平台的系统设置。权限配置：可对单个用户的权限实现单独管理和赋权。基础数据维护：可将地质灾害隐患点的基本数据导入地灾数据库以对地灾数据库中的数据进行修改和更新。

菜单配置页面如图4所示：包括对预警信息发布子系统的各项功能页面进行管理，可实现功能页面的隐藏/显示，页面的顺序调整等。角色配置：可对预警信息发布子系统的使用用户进行管理，可实现用户类型的增加、删除、修改、查询，以及各类用户权限的配置。

地质预警平台采用短信报警，通过将告警区覆盖域内相关责任人和群众通信信息导入系统，可以在地质灾害发生时可以实现自动告警功能。实现以点到面，快速及时的通知受灾群众或发布预警信息，将极大的提升地质灾害防灾和预警能力，大幅提升防灾预警水平，是实现行业资源整合，提升防灾预警能力的新思路。

6 结束语

本文设计了一个地质灾害预警系统，并将系统从下到上分为地质监测模块、数据接入以及存储平台模块以及地质灾害预警平台三个模块，并在文中对三个模块进行了分析。本文设计的系统主要特点有：引入了OneNET平台作为物联网设备的接入层，缩短了本系统的形成周期，引入了短信报警功能，能根据大数据分析以及阈值判断等方法生成报警信息，并可以根据系统设定的告警级别，若分析结果达到告警级别会自动短信通知到通信录中设定的相关责任人以及受灾群众。将极大的提升地质灾害防灾和预警能力，大幅提升防灾预警水平，是实现行业资源整合，提升防灾预警能力的新思路。具有很好的工程实用价值。