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地质灾害智能监测预警系统
2022-09-13100
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一. 需求背景描述

1.1 对各种地质灾害,实现预警预报、避免和减少人民群众的生命财产损失。

我国是一个多山、多水、多矿的国家,因而也是一个地质灾害多发的国家。多少年来,频发的地质灾害,如泥石流、滑坡、塌方、落石、地陷等,给人民群众的生命财产造成了极大的损失。据不完全统计,我国每年发生有记录的各种自然地质灾害达几千起,造成财产损失达几十亿元,灾害案例,不枚胜举。现在各级政府部门,尤其县、市级政府,均把地质灾害的预警预报、防范地质灾害做为头等重要的工作之一,给予了高度重视,并投入大量资金,用于实施防灾减灾工作。

1.2 对河堤、库坝、洪水(溢坝),实现智能测量分析,杜绝灾难性事故的发生。

我国是中小河流和中小水库最多的国家之一,我国河堤和库坝绝大多数为土石坝和简易混凝土重力坝,其中大部分又是上世纪五十年代的工程。数量多、建筑等级较低,四周人口稠密,因此对河流、水库的危险事件监测,成为各级政府和水利、农业部门预防灾害事故的重中之重。

1.3 边坡防护、预警日愈凸显其重要性。

随着国家对国民经济基础设施建设的加快,高速公路、高速铁道、轨道交通等道路建设,形成了大量的边坡和高斜坡地段。这些人为产生的新的地质变化,在一定时期内是一种非稳定结构,同时,又极易受相邻区域地质变化的影响,因此,对道路边坡、斜坡的管护,是路网运行的重要工作。对边坡、斜坡状态的智能测量,是实现路网安全的必要前提。

二. 市场定位

 

2.1 各级政府国土资源局用于山坡和地陷危险地段的预警预报。

1.4 各级政府及其水利部对河堤、库坝的监控预报。

1.5 水库下游及河道外围的村庄、人员聚居区的防泄、防洪、防溢报警。

1.6 交通路网建设和管理企业,对自建、自负的道路两侧山坡和路基的信息化管护。

1.7 各级政府部门用于采矿塌陷区域地表危险趋势的监测和预警。

1.8 各级政府环保部门用于地下水位的监测。

1.9 工业或生活用水自备井采集点、温泉水利用及地下水补偿回灌的管理监测。

三. 系统特点


3.1 层级结构。

可以满足省、市、县、乡镇任何一级或多级联网统管模式。层级结构合理,充分利用网络资源和多方式联网。

1.10 主体功能的模块化设计。

针对不同的监测客体,如:山坡泥石流监测、水库坝体监测,系统分别设计不同的主体功能。即一组功能族组成一个功能主体,实现对特定客观目标的监控。多个功能主体组成一个完备的智能系统。具体应用中,可以选择任一个或几个主体功能模块。

1.11 技术先进。

本系统采用当前最先进的智能分析技术、高清视频技术、4G传输技术、北斗定位技术等。

1.12 智能检测体

地质灾害智能监测预警系统将地质结构监测与物联网体系、云计算、局域网/通讯等多网无缝连接等技术结合,建立一套智能检测体系,为日常管理和突发事件应急处置发挥重大作用。基于云计算服务中心的监测系统可容纳上万个桥梁、隧道、边坡等结构物的监测数据,形成区域性结构健康监测平台,实现区域内的所有结构统一监控管理。
本方案也可应用到轨道交通线路路基、涵洞、桥梁、隧道、周边环境等大型构筑物、高边坡等周边环境的变形监测和沉降监测。轨道交通线路工程施工期间和线路运营阶段进行实时监测。

四. 主要技术方法

4.1视频智能分析技术

视频监控是一种基于宽带网络为各管理部门提供图像、报警信号等参数的远程采集、传输、储存、处理的一种全新模式。它是一个由前端、中间端、后端三部分组成的网络视频监控系统。前端由镜头、摄像机、云台、报警开关、视频编解码设备、主机控制设备和监控软件组成;中间端基于公网的中心服务平台,中心服务平台具有业务平台的管理功能,并对传送过来的图像进行转发、分发或存储,对报警进行联动处理;在后端用户可在网络的任何一个接入点,无论是监控现场,监控中心,或者是远端,只要通过IE 浏览器或客户端软件,在通过用户认证后可任意观看视频,可控制摄像机的角度、拉近拉远镜头、控制远端设备,并可接收报警信息。所有地质灾害监测管理人员通过这一系统,只需轻点鼠标,通过宽带网络,可以从显示器中看到灾害点现场清晰、逼真、实时监控的图像。
本系统所采用的技术为目前针对水库、大坝设计的专用视频监控系统,其核心的技术表现为:
4.1.1有线设备可根据网络带宽随意设置视频画质,系统可支持标清,各种高清等设备的接入,视频共享等等;
4.1.2利用先进的H.264视频压缩技术能够适应超低带宽下的视频传输,画面清晰流畅,杜绝马赛克;
4.1.3每路画面独立传输,用户可以自主选择打开或关闭某一路图像;
4.1.4高清超低照度枪型网络摄像机。1/2.8"300W像素高性能传感器,超低照度,宽动态。支持DC IRIS。H.264,1080P/720P/D1,30fps。1×BNC,1×双向音频,1×告警输入输出,1× RS485,1× TF卡槽。DC12V/PoE,功耗6W。
4.1.5高清长焦变倍镜头。根据地灾点的实情况,选用最大可达12mm-320mm,百万像素高清变倍镜头,监控范围白天2~5公里,夜间1~2公里。
4.1.6激光红外夜间远距离视频技术。10W 808nm红外激光,1°~20°DSS数字化步进随动变角激光照明器,激光与摄像倍率距离匹配算法,GHT超匀化高清照明技术,0.01°SLM光轴自锁对准。
4.1.7灵活、可控式云台技术。30kg重载云台,355°扫描,0.01°~60°/s高精度变速控制与定位,预置位、巡航、扫描功能;RJ45网络接口;RS485控制,Pelco-D、P协议,多波特率通讯,AC24V供电,电源4000V,通讯视频信号2000V,工作温度-25°~55°
4.1.8高情能视频监控平台技术。高性能视频监控业务平台。可实现NVR、前端编码器和网络摄像机接入管理,电视墙集中管理,用户登录认证,对从机的接入管理功能,并可实现前端的视频码流中心存储、集中转发。
视频采集的智能处理技术是通过对监测体不间断的图像采集,对监测体进行标注,或监测区域划界,当监测体出现位移、形状等变化时,进行图像叠加分析,并对变化进行实时报警。

4.2智能监测技术

自动化监测综合利用了高精度GPS/北斗地表位移监测、渗压计(测滑坡体内部水位)、固定测斜仪(测滑坡体内部位移)、雨量计等,建立GPS形变监测子系统、内部位移监测子系统、地裂缝监测子系统、地下水位监测子系统、降雨量监测子系统,组成大坝自动化监测系统。
4.2.1高精度GPS/北斗地表位移监测
GPS/北斗定位是利用高空中的定位导航卫星,向地面发射L波段的载频无线电测距信号,由地面上用户接收机实现实时地连续接收,并计算出接收机天线所在位置。
图3-1为GPS/北斗卫星形变监测的实图。
 
图3-1 GPS卫星监测实图
 
4.2.2内部位移检测
内部位移监测是通过在地面上打孔,埋设专门的内部位移监测设备,实时的采集内部位移数据,并发送到全方位动态监测系统中,从而完成对内部位移的监测。内部位移监测主要的监测设备为固定测斜仪,通过钻孔方式,将测斜仪传感装置通过连杆方式进入地下,当监测体内部有位移变化时,测斜探头也随之倾斜,信号被传输至地面监测站,进行分析计算,从而精确测出水平位移量与倾角,根据设定的位移限值进行预警。内部位移监测的构成如图3-2所示。
 
图3-2内部位移监测设备实图
 
4.2.3降雨量监测
通过在监测区特定范围内安装雨量计,并将雨量数据通过无线方式输送给全方位动态监测系统,在雨量达到限值时启动自动报警。
翻斗式雨量计工作时,进入承雨器内的降雨,在其锥形底部汇集后,流入翻斗部件的漏斗,再注入翻斗。当翻斗居上的一侧斗室累积到一定水量时,由翻斗自重、翻斗内水的重量、支承力、转动摩擦阻力、磁阻力、流水冲击作用力等组成的力平衡关系被打破,使翻斗状态产生突变,翻斗翻转(翻斗动作正是利用突变机构工作原理)。固定在翻斗架上的干簧管受到磁激励(磁钢安装于翻斗上,与翻斗一起动作),便产生一次通断信号。
 

 
图3-3雨量监测设备实图
 
4.2.4泥石流泥位监测
采用超声波特物位计进行监测,在水位波动比较平稳地段,使用固定支架固定安装,传感器垂直向下测量水位高程。超声波物位计实物如图3-3所示。
 
图3-4超声波物位计监测设备实图
 
4.2.5地下水监测
地下水监测采用振弦式渗压计,通过在监测体里钻孔,把渗压计放置在钻孔里(与渗压计管配合使用)。通过测量渗压计的压力,再转化为水位高度(高程),结合安装深度以及孔口高程,可得到地下水高度(高程)。地下水监测的构成如图3-5所示。
 
图3-5地下水监测设备实图
 
4.2.6地裂缝检测
地表的局部位移会产生裂缝,地表裂缝往往是地灾的先兆。地表裂缝监测仪可对其状态进行监测,并将数据实时传送给全方位动态监测系统,进行分析与预警,主要用于崩塌式滑波的检测。地裂缝检测设备构成如图3-7。
 
图3-6地裂缝监测设备实图

4.3智能监测预警技术

大坝自动化监测是多种监测手段的综合应用分析,并传送到监控中心,一旦内外位移达到预警值,就会通过监测预警平台,以声光报警【设定预警阈值,达到一级预警范围时向受灾区域自动发出声光报警,提醒群众尽快撤离,最大限度的保证群众的生命财产安全。】;短信报警【设定预警阈值,达到二级预警范围时向责任人发送预警短信,提醒负责人及时安排灾害处理的相关工作】;平台实时报警【设定预警阈值,达到三级预警范围时平台弹出实时报警提示,提醒操作员尽快安排灾害预防工作】。同时自动化监测与视频监控又形成了一个包含检测数据分析、预警,视频智能启动与重点监控的联动机制,共同构成大坝安全智能化监测系统。

4.4监测、控制一体化智能信息处理技术

监测控制一体化技术为物联网技术的典型应用与扩展。是通过监测仪器(如GPS/北斗形变监测站、固定测斜仪、雨量计、渗压计等)获知被监测点的状态数据,对状态数据进行集中存储、汇总分析。建立各监测数据的对应关系,设定的预警及大坝安全应急处置条件,对监测对像进行视频重点监控、调度指挥及现场处理。
一体化技术集成了传感器技术、通信技术、嵌入式软件技术、集成电路技术、后台软件技术等多种技术。其中建立在对采集数据分析,判断,进行发出控制指令的这部分即为智能信息处理技术,它主要由如下部分组成:
4.4.1监测数据的存储与分析
监测数据的获得来自于布设在大坝沿岸的各种监测设备,并由监测控制主机进行初步的处理与临时存储,通过集群式通信统一上传给远程视频监测服务器。监测数据在后台软件系统的首先实现的是实时展示,并存储于实时数据库中。对大坝监测数据的分析是通过各种分析计算模型,形成各种监测数据的变化趋势。
4.4.2基于预警条件重点视频监控及指挥调度任务的触发
预警条件建立在大坝安全监测专家经验值及长期数据积累的趋势模型,是管控一体化的中枢。具本到本系中,其核心体现包括:降雨量对大坝安全的影响;表面形变趋势、幅度对滑坡的影响;固定测斜仪数据对滑坡的影响;含水量对泥石的最影响;位移速度、体量对破坏性的影响。
4.4.3监测控制一体化的实现
监测控制一体化由后台软件、通信与硬件设备协同来完成。监测设备在设计时采用了标准RS485接口外,预留了M-Bus接口,使设备的接口具备很强的扩展性,可接入30种以上的监测设备,体现出极强的扩展,满足了大区域、多种类的数据采集要求,为大数据的建立打下基础,也使监测控制一体化成为可能。在具备了数据基础之后,双向通信也是实现监测控制一体化的重要条件,传统的监测系统,数据的传输一般为单向通信,只是将监测数据上传,而监测控制一体化要求通信必须为双向通信,除了上传监测数据外,控制指令可以从后台直接传输给监测控制主机(在监测控制分体设计时直接发送给控制主机),实现对现场视频监控的启停控制。除此之外,双向通信技术又保证了对设备体身状态的远程调试及远程升级、维护。