地质灾害的监测预警系统实施技术方案电子科技大学2014年8月1．项目名称地质灾害的监测预警系统2．项目背景及项目目标2．1 项目背景自然灾害(英语：natural hazard、natural disaster)，又称为自然灾难、天然灾难、天然灾害、天灾、天祸、天患、灾荒，指自然界中所发生的异常现象，这种异常现象会给周围的生物和人类社会造成灾害。
世界气象组织表示，所有的天灾有百分之九十跟天气、水和气候事件有关[1]。
自然灾害的严重程度与人口的弹性受其的影响或其恢复的能力有关[2]。
在我国，地质灾害是自然灾害的主要存在形式。
地质灾害是指包括自然因素或者人为活动引发的危害人民生命和财产安全的地震、山体滑坡、泥石流、洪水和森林火灾等。
我国地质环境条件复杂，气候条件时空差异大，地质灾害具有种类多、分布广、危害大等特点，严重威胁着人民生命财产安全，制约着我国社会经济的可持续发展。
在地质灾害频发的地区，地质灾害给人们的生命财产带来了巨大的安全隐患，对灾害的监测与预警具有重要的现实意义。
在灾害发生时，地质灾害本身带来的破坏是一方面，另一方面，由于地质灾害往往会对灾害地区的供电以及通信网络造成破坏，常常会导致受灾地区与外界的公众通信中断，使得外界难以获取解灾区的具体受灾情况，延误灾后救援的最佳时机，给灾区人民的身心造成巨大的伤害。
因而对灾害频发区域的实施监测与灾害预警就显得尤为重要。
遗憾的是，现有的多数地质灾害监测系统都存在着致命的缺陷。
首先，地质灾害监测系统大部分都是局部小范围的，大量的还是人工监测手段；其次，监测系统采用的通信技术多不能实现无线覆盖，而且可靠性与安全性也难于得到保障；再者，地质灾害的发生是突发性的，且多在地势险要的山区，系统的电力和通信常常难于得到保障。
由于这些地区的交通等因素的限制，依靠人的力量进行信息交互受到了极大的阻碍，极端条件下使得信息中断，使得灾区成为一片孤岛，无法为决策部门和相关专家实时查看地质灾害现场的状况和作出救灾部署提供第一手信息，从而延误灾后救援。
2．2 项目目标本项目针对常见的地质灾害，搭建独立的专用低功耗无线网络，实现对地质灾害的实时监测与预警，在地质灾害发生前，系统通过传感器对灾害多发区域进行实时的监测；在地质灾害发生的时候，该系统通过系统独立的通信网络将预警信息发回控制中心；在极端恶劣条件下，系统可以在没有市电供电、不依靠现成的通信网络的情况下独立运行，保证灾区和外界的通信，甚至大容量的音视频多媒体通信，便于后方对灾区的灾情进行及时的掌握与了解。
通过完成以上目标，实现对地质灾害的监测与预警，形成独立于其他条件（市电供电、现成的商业通信网络等）的专用地质灾害监测预警系统，无线网络携带各类传感器采集的数据进行交互，达到在自然灾害发生的紧急情况下灾区通信畅通的目标。
3．技术路线3．1技术内容本技术实施是有效作为地质灾害的监测预警，对危害人民生命和财产安全的山体滑坡、泥石流、洪水和森林火灾等进行监测并进行数据处理，技术涉及无线传感网络、无线通讯、光伏发电、电源和远程控制等技术，主要研究内容包括：1）独立电源超低功耗供电技术；2）无线传感器网络技术；3）无线传感网络混合组网技术；4）无线传感多媒体通讯管控技术；5）无线传感网络远程故障诊断修复技术；6）环境灾害防控预警技术；7）环境灾害实时数据可靠传输技术。
3．2 项目方案3．2．1 系统组成地质灾害的监测预警系统主要包括三个部分：主干网络节点、光伏供电模块点和无线传感网络。
系统连接方式和各点组成如下图1-3所示。
图1系统连接方式图2 主干网络节点系统结构图3 控制中心连接方式光伏供电模块包括光伏板、蓄电池和光伏控制器，主要给主干网络节点和传感器供电，其中光伏控制器是光伏板对蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制设备。
白天，光伏板经阳光照射给蓄电池充电；晚上没有阳光，则通过蓄电池给主干网络节点供电。
主干网络节点主要包括无线网络节点的接收与发射模块和天线，其作用是组成通信网络的主链路，节点之间通过无线信号连接，各节点与无线传感转接模块连接，通过无线传感转接模块来接收无线传感网络获得的地质信息或发送由控制中心发出的控制指令以及对讲设备的音频信号。
无线传感网络包括独立的光伏供电模块，无线发射模块和传感器组。
无线传感网络的电源采用光伏供电模块，作为无线感知模块的独立电源。
无线发射模块的作用是将收集到的传感器信息发送到无线传感转接模块，通过主干网络传输到控制中心。
传感器组的作用就是感知各类地址信息，对于不同种类的地质信息则需要采用不同的传感器,主要包括：1）位移传感器，用以监测有山体滑坡隐患位置山体的累计位移，从而实现对山体滑坡的监测；2）雨量传感器和水位传感器，用以监测雨量和山区的水位，实现对山洪的监测，同时也水位传感器的使用也可以对堰塞湖的水位进行监测；3）摄像头，用以观测水位等实时信息，通过选择合适的观测点，也能实现在灾难发生后对受灾地区的灾情进行拍摄，使外界的控制中心能够及时了解灾区的受灾情况。
3．2．2 系统主要技术参数1.主干网络节点：a．最大功耗：8W；b．天线增益：1325 dBi；c．网络接口：10/100/1000 Ethernet；d．无线传输带宽：25-250 M；e．无线传输距离：3-20 km（节点之间）；f．工作温度：-40-70 ℃；g．工作湿度：595%。
2.光伏供电模块：1）光伏板：a．输出功率：130W；b．输出电压；36 V ；c．输出电流；3.6 A；d．开路电压：44V；e．转换效率；18%；f．功率偏差；3%。
2）蓄电池：a．输出电压：24V；b．蓄电池容量：100 Ah；c．工作温度：-5~50 ℃。
3）光伏控制器：a．额定电压：24 V；b．光伏板电压：50 V；c．浮充电压：27.6V；d．欠压保护：21.4V;f．充电模式：PWM模式；g. 工作温度：-10-60 ℃；h．工作湿度：90%。
3．无线传感网络1）无线射频模块a．工作频率：315MHz/433MHz/868MHz；b．频率稳定度：±75kHz；c．发射功率：a≤100mW，b≤5000mW；d．静态电流：≤0.1μA；e．发射电流：a≤70mA，b≤800mA；；f．工作电压：2-24V；h．接口电平：TTL；2）中继控制器：a．工作电压：2-30 V,双电源自动切换；b. 通信通道：支持WI-FI, 315MHz/433MHz/868MHz,以太网；c.最大功耗：≤200mW；d.休眠功耗：0.1 mW；e.接口电平：TTL,RS485；f.远程输出接口：干结点，TTL；g.模拟通道数：6个；h.IO通道数：10个；i.与北斗系统接口数：2个；j.工作温度：-40-80 ℃；3）液位传感器a．工作电压：15-36 V；b．稳定性误差：0.2%;c. 功耗：小于3 W；d．工作温度：-20-80 ℃。
4．摄像头：a．传感器：130万像素CMOS传感器；b．图像编码格式：H.264；c．视频帧率：960P，30fps；d．焦距：3.6 mm可选；e．夜视距离：20-30 m；f．工作温度：-20-60 ℃；g．工作湿度：90%。
5.地质灾害的监测预警软件系统具有图文交互功能（GIS交互）、数据存储及处理功能、预警决策功能、网络发布功能；监测具体功能如下：添加监控地点；添加传感器；设置传感器；视频显示和控制；液位显示与报警；位移显示与报警；雨量显示与报警。
3．2．3 系统工作模式本项目在条件允许范围内实现了最大程度的低功耗设计，系统各个模块和组件均能在极端苛刻能源供给条件下高可靠性地工作。
系统在平时工作在静默模式，在这种工作模式下，只有功率比较小的传感器处于工作状态，功率比较大的传感器（如视频传感器）则处于关闭状态；在地质灾害发生时，传感器的地质信息传递到控制中心，控制中心分析处理后发出远程控制指令打开之前处于关闭状态的传感器，从而达到减少功耗，延长系统工作时间的目的。
4．技术特点及应用前景4．1技术特点1）本项目立足于生活实际，针对山区地质灾害经常发生的情况，将无线传感网络技术用于地质灾害的监测与预警；2）系统采用光伏蓄电池系统，形成了独立于市电的电源；3）系统采用无线模块传输传感器信息，相比于有线传输，施工点的选择比较自由，施工成本也相对较低；4）系统在平时工作在静默状态，只有在紧急情况下才由控制中心唤醒，降低了系统的总功率，有效的利用了蓄电池的电能，这对于灾区连续阴雨天气时保持灾区与外界的通信具有重要的意义。
4．2 应用前景山区的地质灾害给居住在山区的居民带来了巨大的安全隐患，尤其在夏季，连续的阴雨天气会导致多类地质灾害并发，地质灾害常常会破坏灾区的电网和通信网络，导致灾区与外界的通信中断。
本项目针对上述情况充分利用无线网络技术，建立地质灾害实时监测系统，具有重要意义。
本项目的成果可以加速我国地质灾害监测网络的建立，提高国家对重大地区地质灾害的监测效率和预警能力，推进我国地质灾害监测相关产业的发展，为我国其他产业的发展提供安全保障。
所以，本项目的成果应用不仅限于四川省，对于大多地质灾害频发的地区，该系统都能很好的发挥作用。
参考资料1. 施莱茵. 世界气象日关注污染与健康关系. VOA. Mar 24, 2009 [2009-03-24].2. G. Bankoff, G. Frerks, D. Hilhorst (eds.). Mapping Vulnerability: Disasters, Development and People. 2003. ISBN ISBN 1-85383-964-7.。