基于传感器的边坡灾害监测系统研究

叶子坤

摘 要：为了减少边坡灾害的发生，本研究基于分布式传感器开发出一个边坡灾害监测系统。传感器节点具有无线通信和倾斜检测的功能。每个传感器节点可以与其他节点进行通信，并将修正后的数据发送到基站，该基站可在紧急情况下向管理员发送警报消息。本研究开发的边坡灾害监测系统已安装在甘肃某铁路沿线的一个边坡上，并进行了为期8个月的性能评估试验。通过现场试验研究发现，所开发的传感器网络系统能够有效地检测出边坡灾害。但在该系统启动阶段，系统中节点的几何布置可能会导致需要较长的时间来建立稳定的网络连接。因此，如何快速布置边坡灾害监测系统中传感器仍须进一步研究。

关键词：监测系统;分布式传感器;滑坡;边坡灾害;传感器网络

中图分类号：U416.14     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）9-0024-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.004

Research on Slope Disaster Monitoring System Based on Sensor

YE Zikun

（Beijing Xinghuai Construction Engineering Co.， Ltd.， Huairou District， Beijing 101400，China）

Abstract：In order to reduce the occurrence of slope disasters，a slope disaster monitoring system based on distributed sensors is developed in this study.The sensor node has wireless communication and tilt detection functions.Each sensor node can communicate with other nodes and send the corrected data to the base station，which can send alarm messages to the administrator in case of emergency.The developed in this study slope disaster monitoring system has been installed on a slope along a railway in Gansu province，and the performance evaluation test has been carried out for 8 months.The field test shows that the sensor network system can detect slope disaster effectively.However，during the system startup phase，the geometry of the nodes in the system may lead to a longer time to establish a stable network connection.Therefore，the sensor layout in slope disaster monitoring system still needs further research.

Keywords：monitoring system;distributed sensor;landslide;slope disaster;sensor network

0 引言

暴雨和地震等自然灾害对基础设施会造成严重的破坏，如公路和铁路沿线的边坡灾害[1]。已运营几十年的设施健康监测系统亟须进行更新，以适应当前的自然条件[2]。因此，有必要开发出一种可应用于大规模人造建筑的监测系统，用于检测建筑结构是否变形，避免建筑结构出现严重损坏。

公路及铁路边坡是交通应急救援的重要路线，加强对公路及铁路边坡突发灾害的监控显得尤为重要[3]。为了维护安全可靠的道路网络，每个结构的健康状况都必须进行监测，并且在紧急情况下对特定的斜坡进行实时监测[4]。这样可以避免结构遭到严重损坏，缩短高速公路的关闭时间[5]。但在实际情况中，考虑预算的原因，只有少数斜坡才安装有传感监控设备，其他斜坡则由技术人员按计划进行检查[6]。目前，如何有效地确定斜坡上设置的传感器的最佳位置是检测斜坡变形的另一个难题。这就需要开发一种成本相对较低、可应用于大型结构的先进传感技术。

本研究设计开发了一个分布式无线传感器网络系统，可应用于高速公路及铁路沿线的大型边坡检测，并可在早期检测中检测出因暴雨或地震引起的变形。该监测系统主要由传感器和通信网络组成。其中，传感器节点包括一个采用间歇模式的无线通信设备（可显著有效降低能耗）和一个加速度传感器（用作倾角计，采用MEMS技术）。具有网状网络功能的低成本传感器节点可以轻松且密集地设置在斜坡上。密集分布的传感器模块在提高边坡灾害检测的准确性的同时，也降低了监测的总成本。传感器节点通过无线通信相互连接，并自动组织通信网络，每个传感器節点的监测数据可通过网络发送到基站。如果发现任何边坡区域变形，基站将向总部发送警告信号，并通知管理员。本研究所开发的无线传感器网络由14个节点组成，并在甘肃省某铁路的斜坡上运行了8个月，验证了该系统的有效性。

1 边坡灾害检测系统设计

根据通信距离的远近，可将无线传感器网络分为几个类别，如WAN（广域网）、MAN（城域网）、LAN（本地网）和PAN（个人网）等。本研究使用的是PAN无线网状网络。传感器节点可相互通信，与接入点没有任何关系。即使某些传感器节点无法正常运行，其余节点仍可通过自动改变通信路径来实现相互通信。网状网络构建完成后，在斜坡上须建立一些新的传感器节点，这些传感器节点可自动连接到网络，并建立新的网状网络。

图1为本研究开发的边坡灾害检测系统。每个传感器节点可与另一个传感器节点进行通信，并将数据发送到基站。管理办公室对边坡数据进行监控，如果斜坡发生变形，警报信号和详细数据将通过基站传输到管理办公室。

本研究开发的边坡灾害检测传感器网络系统需要保证在紧急情况下尽可能快地向道路管理员发送警报信息，并尽可能精确地检测出边坡变形。道路管理员通过警报信息来决定后续采取的行动，以防止造成严重损坏。因此，本系统对变形数据进行采样的频率为1 min/次。暴雨导致地表破坏从而造成边坡破坏，是在降雨开始后的几个小时内，坡度发生厘米级到米级的变形而产生的。为了检测到这种变形，传感器需要区分一到十几度的角度变化，且启动系统所需的时间应尽可能短。

本研究开发的传感器节点包括一个通信模块、一个用作倾斜传感器的加速度传感器，以及一个连接加速度传感器和通信模块的接口板。图2为本研究开发的传感器节点的示意图。传感器节点具有防尘和防水功能。

本研究所开发的分布式传感器网络在户外应用时，如何降低能耗是一个重要问题。所开发的传感器节点均由两个C型电池进行驱动，除紧急情况外，均采用间歇运行模式，这样可以降低所需的能源消耗量，并可进行长期监测。

2 传感器节点的性能评估

为了对本研究所开发传感器节点性能有一个综合评价，需要进行试验评估。对传感器节点的无线通信能力进行检查，并分析了倾斜传感器和加速度传感器的精度。

2.1 无线通信

2.1.1 通信距离。通过现场测量试验对通信设备的性能进行评估。分贝值可用作评估无线电场的强度，分贝值通常被称为RSSI（单位：dBm），RSSI也可表示接收信号的功率。RSSI受地面起伏和障碍物（通常为金属物体）的影响。本研究的初步试验表明，只有分贝值超过-85 dBm才能建立稳定的无线通信。因此，-85 dBm被称为评估通信质量的阈值。

2.1.2 网状网络。传感器节点以16 m的间隔安装在斜坡上。每隔10 s要确认传感器节点之间的通信环境。尽管这些传感器节点之间的通信距离仅为16 m，但部分传感器之间的分贝值却低于阈值，这是因为该研究中选定的边坡可能存在挡土墙等障碍物。分贝值可能会受到通信距离、障碍物和天气条件的影响。因此，为了构建一个稳定的网络，必须要确保每个传感器节点中有两个或多个通信路由方式。

2.2 MEMS传感器的精度

本研究使用加速度传感器作为倾角计，并安装一个低通滤波器来抑制高频噪声。

2.2.1 线性度。将研制的传感器节点安装在角度测量装置上，测量加速度传感器与实际角度的输出电压。图3显示了倾角和传感器输出电压之间的关系（试验是在29 °C的恒温环境下进行）。当使用重力加速度检测角度时，角度和输出值之间的关系呈正弦曲线。然而，研究表明，角度在30°以下时，角度和输出值之间的关系可以用一条直线来近似表示。这意味着，通过使用图3中的回归线，可以准确地检测出高达30°的角度变化。

2.2.2 敏感性。本研究使用截止频率为1 Hz的二阶低通滤波器来抑制高频噪声。图4显示了实际倾角值达到15°、20°、30°和60°所需时间。测量间隔时间约为1.5 s/次。图4表明，输出值需要5～7 s才能达到实际值。然而，由于使用了手动角度测量装置，实际值需要3～5 s才能达到规定的角度。因此，输出值大约在2 s内达到实际值。需要将测量持续时间至少设置为2 s。

3 边坡灾害监测系统现场试验

现场试验地点的铁路边坡段水平长度为100 m，边坡高度为40 m。该通信系统由自组织和多跳网络构建，包括中继节点在内的传感器节点，通过其自组织和多跳功能进行相互通信。中继节点和传感器节点具有完全相同的无线通信功能，二者的区别在于中继节点不包括加速度计。

兩个位置相邻的传感器节点之间的距离小于20 m。基站包括从传感器节点收集数据的接收器和可与管理办公室通信的无线WAN。来自每个传感器节点的数据采样率可通过远程操作进行调整。通过设置适当的警告值，基站可以向指定的电脑和手机发送警报消息。

每个传感器节点在站点上建立网状网络所需的时间如图5所示。图5中的黑点显示了基站和每个节点之间的通信记录。来自传感器节点13的通信在10月7日14：14被确认为第一次通信。对图5进行分析可以看出，节点1、7、8、9、10和11的通信会发生间歇性中断。最后，在第二天12：00左右，确认所有传感器节点的通信。这一试验结果表明，所有传感器节点确认网状网络需要的时间大约为24 h。每个传感器节点应通过作为中继节点的两个或多个传感器或中继节点进行数据传输。每个传感器节点搜索通信成本最合理的传感器和中继节点，从而建立起网状通信网络。

根据现场的位置和天气条件，无线通信环境偶尔会发生变化。与有线通信相比，这是无线通信系统的缺点。为了解决这个问题，建立起一个稳定的通信环境，在该试验早期阶段，对传感器节点的软件程序进行如下改进。当无线通信因某些通信故障而中断时，执行软件上的重置功能。因此，一旦整个网络建立，网络在4个月内不会中断。图6展示了传感器节点1对电池供电电压的时间变化历程。在每个电池维护期内，虽然建立通信网络需要很长时间（需要将近24 h），但该系统可在4个月内进行持续监控。

传输时间和接收时间存在的时间延迟是通过定期发送警报电子邮件来衡量的。图7显示了从基站接收警报电子邮件所需的时间。可以看出，在所有电子邮件中，有51%的电子邮件在2 min内收到，71%的电子邮件在3 min内收到。然而，也有一些电子邮件是在7 min后收到。为了尽量减少斜坡灾害造成的损失，应确保尽快收到警报电子邮件。尽管无线广域网是一种合理的通信设备，但铁路管理人员可能需要通过高速光纤网络来确保紧急情况下的安全警报。

4 结语

本研究在由通信设备和加速度计组成的分布式传感器节点的基础上，开发出一种边坡灾害监测系统。经过8个月的现场测试，评估了该系统的有效性。开发的传感器节点具有能够精确地检测出斜坡的小变形。系统生成的警报信息从基站到达管理办公室大约需要2 min。同时，通过使用网状网络可以构建稳定的网络，从而减少障碍物对通信造成的影响。建立稳定的网状通信网络需要相对较长的时间，这仍需进一步研究每个传感器节点的有效几何对准，从而缩短启动系统所需的时间。另外，可结合太阳能电池板增加电池使用寿命，实现更稳定的网状网络通信以及提高倾斜检测精度。

参考文献：

[1] 金亚兵，杨傲.基于Kalman滤波模型的边坡灾害自动化监测预警平台[J].工程勘察，2021（8）：55-60.

[2] 杨玺，李月明，麦荣焕，等.江门地区降雨引发输变电设备集中区域边坡灾害及防治[J].电子世界，2019（7）：26-27，30.

[3] 刘洋洋.山区丘陵公路边坡灾害风险评估模型研究与探讨[J].甘肃科技，2020（21）：49-52.

[4] 郭金光.道路临近建筑物边坡灾害防治技术[J].建筑技术开发，2021（6）：107-108.

[5] 金亚兵，杨傲，李锡银.深圳平山垃圾填埋场边坡灾害自动化监测预警系统开发及应用[J].工程勘察，2020（10）：5-10.

[6] 李永兵，贾欣然.边坡灾害监测预警物联网系统及工程应用[J].城市建设理论研究（电子版），2019（3）：181.