高幼龍1 張俊義1 薛星橋1 謝曉陽2
(1中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所，河北保定，071051;2西北化工研究院，陜西臨潼，710600）
摘要本文在地調項目工作實踐的基礎上，系統地總結了地質災害實時監測的含義、特點和系統構成。詳細介紹了巫山縣地質災害實時監測預警示範站的構建，針對實際運行狀況，評價了實時監測技術的可行性和可靠性。
關鍵詞地質災害 實時監測 遠程傳輸 示範站
1 引言
隨著現代科學技術的發展和邊緣學科的相互滲透，自動控制、網絡傳輸等越來越多的技術被不斷應用於地質災害的監測當中，極大地提高了監測的自動化水平，在壹定程度上緩解了生產力匱乏和地質災害急劇增加之間的矛盾。國際上，美國、日本、意大利等發達國家在壹定的區域範圍內建立了基於降水量、滲透壓、斜坡變形等參數的地質災害實時監測系統，借助國際互聯網實現了監測數據的集中處理與實時發布。與之相比，我國地質災害監測的實時化、網絡化水平依然較低，監測信息為公眾服務的功能未能得到明顯體現，預警的信息渠道不暢，對重大臨災的地質災害缺乏快速反應能力。因此，在我國進行地質災害實時監測預警研究，對重大災害體實施實時化監測預警，具有十分現實的意義。
筆者在參加地質調查計劃項目《地質災害預警關鍵技術方法研究與示範》的過程中，對實時監測技術進行了較為深入的研究，並在我國重慶市巫山縣新城區建立了地質災害實時監測預警示範站，經過1.5個水文年的示範運行，驗證了實時監測的可行性和可靠性。在對示範成果初步總結的基礎上形成此文，以期實時監測技術得以快速成熟及推廣應用，為我國地質災害防治事業作出貢獻。
2 實時監測的含義和特點
實時監測（Real-Time Monitor,RTM）指通過各種監測、采集、傳輸、發布技術，讓目標層人員在第壹時間內了解、掌握有關災害體的變形動態和發展趨勢，進而作出決策的多種技術的集合。其最主要的特點為實時性，即遠程的目標層人員可在第壹時間獲取災害體的全部變形信息，而獲取的過程是自動的，無需技術人員值守幹預。顯而易見，實時的特性可以最大限度地解放勞動力，降低監測人員風險和運營成本。
同傳統監測技術相比，實時監測的數據采集方式是連續的、跟蹤式的，數據的采集周期很短，通常在數小時之內，甚至更短。這對於跟蹤災害體變形過程，進行反演分析具有十分重要的意義。其龐大的數據量通常也會對配套的軟硬件系統提出更高的要求。
不難理解，實時監測也是自動化監測。所使用的監測儀器均需自動化作業方可實現無人值守。監測儀器自動化分為兩種，壹種是監測儀器本身具備定時采樣和存儲功能，另壹種是通過第三方的自動采集儀控制采樣。不管使用何種方式或基於何種原理，其數據采集是能夠自動或觸發實現的。
監測數據遠程傳輸是實時監測的另壹主要特點。通常情況下，監測控制中心設立在遠離災體、經濟相對發達的城鎮區，需要借助公眾通信網絡或其他介質將各種類型的監測數據“搬運”過來，進行相應的轉換計算，生成目標層人員所需要的成果。這個“搬運”過程即監測數據的遠程傳輸。傳輸分為兩種方式，壹種是有線傳輸方式，如架設通信線纜或光纜，在電話線兩端加載 Modem等；另壹種是無線傳輸方式，如借助 GSM/GPRS或 CDMA網絡、UHF數傳電臺或通信衛星等。
由於實時監測是數據自動采集、傳輸、發布等多個技術的集合，其中的任何壹個環節失敗均可導致系統無法正常工作，因此，實時監測是存在風險性的。其風險構成除電力（如斷電停電）等保障體系統風險和監測儀器（如傳感器、采集儀故障）、傳輸系統（如占線、網絡資源不足、數據安全）、發布系統（如網路阻塞、病毒入侵、系統崩潰）等技術風險外，還包括人為抗力風險，如監測儀器設施的人為破壞、網絡系統的惡意攻擊等。對於風險的營救除最大程度地降低保障體系風險和技術風險外，需要通過立法、宣傳等有效措施降低人為抗力風險，並設技術人員對監測系統進行即時維護，保障系統正常運行。
3 實時監測系統構成
實時監測系統由監測儀器設施、數據采集系統、數據傳輸系統和網絡發布系統四個子系統構成。各子系統均可獨立運行，以單鏈的方式協同工作。其工作原理如圖1所示。
圖1 實時監測系統工作原理示意圖
3.1 監測儀器設施
監測儀器及設施是獲取災害體變形參數最前端、最主要的組成部分，固定安裝於災害體表層或深部，並能夠表征災害體對應部位的變形、變化。監測儀器的類型取決於所采用的監測方法。在地質災害監測中，常用的監測方法包括災害體地表及深部位移、應力、地下水動態、地溫、降水量等（表1）。監測儀器的精度、數量及布設位置是在地質災害勘查及綜合分析的基礎上，從控制災害體主體變形的需要設計確定的。監測儀器通常和相應的監測設施，如監測標（墩）、保護裝置等相互配合，完成災害體相關參數的獲取。
3.2 數據采集系統
顧名思義，數據采集系統用於收集、儲存各類監測數據，是通過單片機或工業控制技術實現的。目前，多數監測儀器均有配套的數據采集及存儲裝置，可按設定的數據采集間隔定時自動化工作，並對原始數據進行轉換計算。數據采集裝置通常具有 RS-232或其他標準通信接口，可以方便地將數據下載至 PC中作進壹步分析處理。對於不具備配套數據采集裝置或僅具備便攜式讀數裝置的監測儀器，則可以通過第三方的數據采集儀實現自動采集工作，通用型的數據采集儀可方便地將頻率、電壓等模擬信號轉換為數字信號加以存儲和處理，並具備標準通信接口和PC交換數據。由於數據采集儀多置於監測儀器附近，二者間通常使用線纜相連接。
表1 常用監測技術方法簡表
3.3 數據傳輸系統
數據傳輸系統用於完成數據采集儀—控制中心—用戶間的數據傳遞。實際上，控制中心—用戶間通常是利用國際互聯網、通過發布系統實現的，所以狹義上的數據傳輸指數據采集儀—控制中心之間（即災害體現場至控制中心）的數據傳遞。
按照災害體和控制中心空間距離的長短，可將數據傳輸分為近距離數據傳輸（壹般低於2km）和遠程數據傳輸兩種類型。前者由於傳輸距離較短，壹般采用線纜連接，後者則采用遠程數據傳輸裝置。
按傳輸介質，遠程數據傳輸分為有線傳輸和無線傳輸兩種方式。目前常用的有線傳輸方式有電話線連接（即在電話線兩端加載 Modem對數據進行調制、解調）、光纜連接等，無線傳輸方式有數傳電臺（用於中遠距離）、GSM/GPRS或 CDMA移動通信網絡、通信衛星等（圖2）。
圖2 常用的數據傳輸方法
3.4 信息發布系統
信息發布系統通過國際互聯網，以 Web主頁的方式向目標層人員（即用戶）提供各類監測信息。監測信息包括災害體地質條件、發育特征、監測網布置方式、多元監測數據、監測數據隨時間推移曲線變化情況、監測信息公告及圖片、視頻等。
信息發布系統由底層數據庫和發布主頁兩部分構成。前者用於管理各類基礎信息及監測數據，為後者提供數據源，後者為用戶提供信息訪問平臺。二者之間通常采用B/S等架構交換數據。
信息發布系統壹旦建立完成後，壹些信息內容，如災害體地質條件、發育特征、監測網布置方式等說明性的文字便相對固定下來，在短時間內不會做大的改動，這些信息通常稱為靜態信息。而隨著時間推移，監測數據及其曲線等信息不斷產生，且呈現動態變化並需在主頁上自動更新、顯示，這些信息稱為動態信息。要實現監測數據的實時發布，需建立動態主頁來顯示動態數據。
由於監測數據是由底層數據庫管理的，故只要即時將監測數據自動寫入數據庫中，為動態主頁提供隨時更新的數據源，便可實現自動顯示，即實時發布。而這壹點是易於做到的。
4 巫山縣地質災害實時監測示範站簡介
重慶市巫山縣新城區是我國地質災害危害最為嚴重的地區之壹，全縣約1/3的可用建設用地受到不同程度地質災害的威脅。通過論證對比，在城區27個較大滑坡（崩塌）中，選擇了近期變形相對較為明顯、危害較為嚴重的向家溝滑坡和玉皇閣崩滑體建立實時監測預警系統進行應用示範。選用GPS監測地表位移、固定式鉆孔傾斜儀和TDR技術監測深部位移、孔隙水壓力監測儀監測滑體孔隙水壓力及飽水時的水位、水溫，同時通過安裝儀器的附加功能或定期搜集的方法兼顧了地溫、降水量及庫水位等監測。截至目前，***建立GPS監測標22處（含基準標）、固定式鉆孔傾斜儀和TDR監測點（孔）各3處、孔隙水壓力監測3孔7測點。多種監測儀器在同壹地理位置同組安裝，這樣不僅便於不同監測方法之間資料的相互印證對比，還可以僅使用壹臺采集儀及傳輸裝置采集、傳輸多種監測數據，降低監測系統建設成本；另外，同組安裝便於修建監測機房（現場站）保護監測儀器設施。以上監測方法除GPS因建設成本、人為抗力風險等原因采用定期觀測外，其余監測方法均采用實時化監測。
4.1 示範站數據采集系統
固定式鉆孔傾斜儀、TDR、孔隙水壓力監測儀三種監測儀器均具備配套的數據采集裝置，其中TDR監測技術使用工業控制機作為數據采集裝置，恰好可以作為另兩種監測儀器的上位機，通過多串口擴展，將固定式鉆孔傾斜儀和孔隙水壓力監測儀連接至工控機，定時下載、存儲數據，並在預定時間統壹傳輸至控制中心，同時在工控機上存放數據備份，防止數據丟失。示範站數據采集系統結構圖如圖3所示。
圖3 示範站數據采集系統結構圖
4.2 GPRS遠程無線傳輸系統
示範站控制中心設在巫山縣國土資源局，距向家溝滑坡直線距離2.74km，距玉皇閣崩滑體約0.6km，其間采用GPRS網絡進行數據的遠程無線傳輸。
GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業務）是中國移動通信在GSM網絡上發展起來的2.5G數據承載業務，具有傳輸速度快、永遠在線、按量計費等優點。GPRS使用TCP/IP協議，因此可方便地將數據寫入指定（具固定IP地址）的服務器中。
GPRS數據傳輸硬件為商用型GPRS-MODEM，控制軟件自主編寫，用於控制數據傳輸時間、目標地址及傳輸過程的錯誤處理，由服務器端和客戶端兩部分構成。服務器端用於設置網絡配置、數據庫連接方式及數據文件、日誌文件和配置文件的存放路徑。客戶端安裝於現場站數據采集儀（工控機）上，控制網絡連接、上傳時間、數據編碼、數據備份及傳輸錯誤處理。客戶端軟件和所有的數據采集軟件設置為不間斷工作狀態，在按控制參數工作的同時，接受控制中心的配置指令即時對控制參數進行調整。
4.3 示範站信息發布系統
示範站信息發布系統硬件由1臺小型服務器和2臺 PC終端的100M局域網構成。通過2M帶寬的ADSL接入Internet。底層數據庫和WEB主頁同時安裝於服務器上。服務器操作系統為Mi-croSoft Windows Server 2000，數據庫系統采用 MicroSoft SQL Server 2000。WEB主頁用 ASP.NET和Visual C﹟編寫，和數據庫之間采用B/S架構。在病毒防護和網絡安全方面，采用商業軟件瑞星RAV 2004和天網防火墻系統。
（1）數據庫系統
數據庫系統是信息發布系統的基礎，按管理內容分為基礎信息管理、數據管理、輔助信息管理三部分。基礎信息管理的內容包括監測站（包括中心站和現場站）、監測鉆孔、監測點、發布信息、發布圖片等；數據管理內容包括固定式鉆孔傾斜儀、GPS、TDR監測系統、BOTDR監測系統、孔隙水壓力監測儀、環境溫度、降水量、庫水位等；輔助信息管理內容包括分級用戶、下載信息、訪問統計次數等，數據庫系統構成如圖4所示。
（2）數據伺服處理程序
數據伺服處理程序用於轉換、計算現場站傳來的數據，並即時將處理後的結果寫入數據庫中。處理程序采用Visual BASIC語言編寫，通過計時器控制的定時功能觸發寫庫過程，並在完成寫庫過程後刪除原數據以防止重寫。不難看出，數據伺服程序是傳輸系統和發布系統之間的連接，它使兩個彼此獨立的系統有機地結合起來。
（3）示範站信息發布主頁
信息發布主頁為遠程用戶提供所需的全部信息，包括示範站的概況、實時的監測曲線、最新的監測數據等。從發布信息內容、訪問方式及管理維護的角度出發，主頁設計成導航區、發布區、管理區和下載區，為遠程用戶、管理員提供交互。
圖4 示範站數據庫系統構成框圖
導航區為遠程用戶提供必要的導航信息，包括公告信息、圖片及相關的專業網站鏈接，展示示範站建設工作的進展、取得的階段性成果及有關的預警內容。
發布區用於提供示範站概況、實時監測曲線及數據查詢。
示範站概況包括示範區自然地理條件、地質條件、示範站工作的整體部署，監測儀器設施（GPS、固定式鉆孔傾斜儀、TDR、BOTDR、孔隙水壓力監測儀等）的性能指標，監測現場站（含中心站）、監測鉆孔、監測點的基礎信息等內容。
實時監測用於顯示各種監測曲線，是發布主頁最核心的內容。從訪問方便的角度出發，實時監測采取了“選擇災體—選擇監測剖面—選擇監測點—選擇監測時段—顯示監測曲線”逐級打開、層層剝落的展示方式，並全部做成圖形方式鏈接，以增強訪問的直觀性。監測曲線的坐標設計成自適應型，圖形的大小在系統的配置文件中設置，並標明數據的最新更新時間。曲線是以圖片的形式顯示的，用戶可以方便地將其下載到自己的PC中保存。
從安全考慮，數據查詢進行了加密，用戶需用授權的用戶名和密碼登錄後方可查看。查詢采取了“選擇監測方法—選擇監測點—選擇監測起始時間—顯示數據表”組合式篩選的方式。輸入界定參數並提交後系統從底層數據庫中找到所有符合條件的記錄，按日期排序後列表顯示。用戶可以全部或部分選取查詢結果，粘貼至個人PC作為WORD文檔保存。
管理區專為系統管理員設計，用於管理員遠程管理文本、圖片、數據等信息，進行信息的添加、修改、刪除、上傳下載等操作。分為信息管理、圖片管理、數據管理、下載管理4個相互獨立的模塊，具有模糊查找等高級功能。
下載區為授權用戶提供工作圖片、視頻、監測報告、軟件等較大文件的下載功能，補充主頁在文件交換方面的不足。
主頁面布局如圖5所示。欲了解發布系統的更多內容，請登錄Http://www.wss.org.cn。
5 示範站實時監測系統運行評價
由於本文著重論述實時監測技術的可行性和可靠性，因此不對監測成果和滑坡穩定性動態做更多分析。從以上論述明顯可以看出，在地質災害監測中，構建實時監測系統從技術上是可行性的。本節主要針對巫山縣實時監測預警示範站運行過程中出現的各種問題，從故障統計、故障原因分析等方面，對示範站采集系統、傳輸系統、發布系統的可靠性進行簡單評價，並提出意向性的改善建議。
圖5 示範站信息發布主頁面
根據巫山縣地質災害監測預警示範站建設工作日誌，監測系統故障主要發生在傳輸子系統，故障表現形式為數據不傳輸或不正確傳輸，主要原因為GPRS網絡信號不穩定造成傳輸隨機中斷所致；其次，撥號連接失敗後的重復嘗試連接導致服務器80端口長期無效重復占用，當超過服務器最大連接數後導致網絡無法正確訪問；再次，監測地區不規律的停電常常使保障體系失效，從而丟失數據。此外，示範站服務器系統遭受過病毒破壞和惡意攻擊，兩次造成網絡系統崩潰。可見，實時監測系統在基礎通信條件和保障體系完備的條件下，是能夠穩定可靠運行的。在建設過程中通過安裝長時後備電源系統、功能完善的病毒防火墻和網絡防火墻，可有效降低保障體系風險，進壹步提高系統運行的穩定性。
6 結語
巫山縣地質災害實時監測預警示範站自2003年陸續建設運行以來，在技術人員的維護下，系統運行正常，取得了數十萬個監測數據，發布公告信息及圖片近百條（幅），編寫監測分析簡報數期，實現了監測信息遠程實時訪問，取得了良好的示範效果。實踐證明，將實時監測技術應用於地質災害防治中是完全可行的，也是比較可靠的。可以預見，實時監測技術將是地質災害監測的必然發展趨勢。
參考文獻
[1]殷躍平等.長江三峽庫區移民遷建新址重大地質災害及防治研究.北京：地質出版社，2004
[2]王洪德，高幼龍等.《地質災害預警關鍵技術方法研究與示範》項目設計書.2003（未出版）
[3]劉新民等.長江三峽工程庫區滑坡及泥石流研究.成都：四川科學技術出版社，1990
[4]何慶成，侯聖山，李昂.國際地質災害防治現狀.科學情報，2004,（5)
[5]鄔曉嵐，塗亞慶.滑坡監測的現狀及進展.中國儀器儀表，2001（3）
[6]張青，史彥新，朱汝烈.TDR滑坡監測技術的研究.中國地質災害與防治學報.第12卷，第2期.2001,（6）
[7]曹修定，阮俊，展建設，曾克.滑坡的遠程實時監測控制與數據傳輸.中國地質災害與防治學報.第13卷第1期.2002（3）
[8]夏柏如，張燕，虞立紅.我國滑坡地質災害監測治理技術.探礦工程（巖土鉆掘工程）.2001年增刊