地质灾害监测预警系统（精选7篇）
地质灾害监测预警系统 篇1
0 引言
地质灾害是在地质营力作用下,自然环境恶化,造成人类生命财产损毁或人类赖以生存和发展的资源、环境发生严重破坏的现象或过程[1]。其成灾基本上都有一个从渐变到突变的演变过程,并且演变过程会受到环境因素的影响而加速。在整个演变过程中,地质灾害体会不断表现出各种成灾征兆,但这些征兆凭人的直觉和观察很难发现。随着科学技术水平的发展,现代仪器的精度越来越高,这些征兆变得更容易发现。地质灾害监测即是运用各种技术和方法,测量、监视地质灾害活动以及各种诱发因素动态变化的工作。它是预测预报地质灾害的重要依据,是减灾防灾的重要内容。
本文介绍了一种Android移动终端下的地质灾害全天时监测预警方法,实现了对地质灾害全天时的监控、信息的随时随地访问、信息主动推送等多种功能,为地质灾害的监测预警提供了一种新的模式。
1 地质灾害全天时监测预警框架设计
地质灾害全天时监测预警按照数据采集、传输、使用的主要过程,可以分为后端的监测仪器及设施、中间的数据传输和前端面向用户的监测预警软件三部分,如图1所示。
1.1 监测仪器及设施
监测仪器及设施是获取地质灾害实时信息最前端、最主要的组成部分,固定安装于灾害体表层或深部,能够表征灾害体对应部位的位移、形变等信息,以及环境中的降雨量、温湿度变化等信息。在地质灾害的监测中,常用的监测方法根据监测内容的不同可分为如下四种。
(1)外观监测。包括大地测量法、近景摄影测量法、GPS法、INSAR干涉雷达测量法、地表倾斜监测法、地表裂缝观测法等。用到的监测仪器有经纬仪、全站仪、表面倾角计、伸缩自记仪、位移计等。
(2)环境因素监测。包括土壤含水量监测、水位监测、渗压监测、流量监测、水质监测、降雨量监测、地温监测、地震监测等。使用的监测仪器有土壤含水率仪、水位自动记录仪、渗压计、流量仪、雨量计、地震监测仪等。
(3)内观监测。如岩体应力应变监测、深部倾斜监测、内部相对位移监测、沉降观测等。用到的监测仪器有岩体应力计、钻孔测斜仪、钻孔多点位移计、静力水准仪、收效仪等。
(4)支护结构监测。包括锚杆应力应变监测、锚索锚固力监测、钢筋应力应变监测、接触压力监测等。使用的监测仪器有锚杆应力计、锚索测力计、钢筋应力计、土压力计等。
在实际工程中,往往需要多种监测方式的结合,以保证监测效果。随着微电子技术、数控技术的发展,现在普遍采用RTU(远程终端控制系统)对监测仪器进行统一管理和控制,并提供多种通信方式。本文中采用单片机和工业控制技术,研究了地质灾害监测预警RTU设备,用于采集、储存、发送各类监测数据,大大方便了数据的集中管理。RTU设备结构如图2所示。
1.2 数据传输
数据传输包括有线和无线两种方式。有线方式是传统的数据传输方式。现在,无线数据传输方式应用更为普遍。因为,无线相对有线数据传输方式,具有明显的应用优势。
(1)成本廉价:有线通信必须架设电缆,或挖掘电缆沟,需要大量的人力和物力;而无线数据则无需架设电缆或挖掘电缆沟,只需要在每个终端连接无线数传设备和架设适当高度的天线。相比之下无线数据传输节省了人力物力,节省了投资。
(2)适应性好:有线通讯的局限性太大,在遇到一些特殊的应用环境,比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境,将对有线网络的布线工程有着极强的制约力,而无线数据传输方式将不受这些限制。无线数据传输方式比有线通讯有更好的更广泛的适应性,几乎不受地理环境限制。
(3)扩展性好:在已有的通讯网络之上,常常会因系统的需要增加新的设备。如果采用有线方式,往往需要重新布线,施工比较麻烦,而且还可能破坏原来的通讯线路,但是如果采用无线数据传输方式,只需将新增设备与无线数传设备相连接就可以实现系统的扩充了,相比之下有更好的扩展性。
(4)设备维护更容易实现:有线通讯链路的维护需沿线路检查,出现故障时,一般很难及时找出故障点,而采用无线数据传输方式只需维护数传模块,出现故障时则能快速找出原因,恢复线路正常运行。
由于大多数地质灾害分布于广大农村,特别是落后偏僻的山区,通讯条件较差。为充分保证数据通讯的要求,采用多种结合的通信方式进行数据传输和通信是一个较好的选择。
本文中RTU设备采用无线通讯为主、有线通讯为辅的设计。无线通讯支持GPRS(通用分组无线服务技术)、Zig Bee无线自组网、卫星通信三种无线数据传输方式,其中以GPRS为主要通讯方式。GPRS是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务,具有高效稳定的优势,在手机信号覆盖区可以直接利用,在没有手机信号覆盖区采用无线组网技术来弥补。无线自组网将系统中所有监测点构成一个无线的局域网,所有数据通过能连接外部网络的监测点完成数据传输。在极端情况下,如果自组网内都无法连接外部网络时,整个链路的信息将无法传输,所以引入第三种技术———卫星通信技术。卫星通信利用卫星来传播信号,其特点在于受环境影响较小,覆盖区域更广。有线通讯方面提供RS485电缆、光纤、CAN(控制器局域网)三种有线数据传输接口。
1.3 监测预警软件
面向用户的监测预警软件通过对监测数据的存储及分析,为用户提供地质灾害的专业分析与预警等功能。在客户端方面,继单片机客户端、PC客户端之后,近年来手机、平板电脑等移动终端设备客户端发展迅速。相比之下,移动终端可给用户提供更便捷的使用体验,可实现随时上线,甚至永远在线的功能需求,信息传递更为快速更为可靠,在用户体验、信息传递等方面具有无可比拟的优势。随着3G技术在全球的不断深入和发展,移动终端所传递的速率也越来越快。
在移动终端上实现地质灾害的全天时监测预警,将可以实现监测人员在任何时间、任何地理位置的实时监测,降低监测人员劳动强度和监测成本,并且可主动推送地质灾害预警信息,提高信息传递效率,从而提高监测水平。
2 Android地质灾害监测预警客户端实现
Android是Google在2007年发布的一款全新的智能手机终端操作系统和移动应用开发平台,它基于Linux内核,由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成,是一个开放而完整的移动“软件栈”[2]。
随着国内3G进入正式的应用阶段,采用Android系统的智能手机层出不穷。据com Score最新的2012年2月美国移动用户市场份额报告,谷歌的Android移动操作系统在一年内持续增长,已经达到了50.1%[3]。
Android采用Web Kit浏览器引擎,具备触摸屏、高级图形显示和上网功能,用户能够在手机上查看电子邮件、搜索网址和观看视频节目等,比i Phone等其他手机更强调搜索功能,界面更强大,可以说是一种融入全部Web应用的单一平台[4]。其最震撼人心之处在于Android手机系统的开放性和服务免费。Android是一个对第三方软件完全开放的平台,开发者在为其开发程序时拥有更大的自由度,突破了i Phone等只能添加为数不多的固定软件的枷锁;同时与Windows Mobile、Symbian等厂商不同,Android操作系统免费向开发人员提供,可节省近三成成本[5]。
本文客户端实现了用户登录/退出、监测点列表显示、监测点地图定位、监测数据展示(曲线和表格两种方式)、预警信息后台主动推送等功能。客户端监测点显示和监测曲线界面如图3所示。
客户端采用地图定位显示地质灾害监测点(为节省数据流量也可设置为不显示地图,直接显示监测点列表)。功能实现采用了百度地图提供的Android SDK,通过点击监测点图标可以查看监测曲线和监测数据表格。地图显示监测点的主要代码如下:
Android SDK支持丰富的2D绘图技术,除可以绘制基本的图形(如点、直线、矩形、圆、文字等)外,还支持很多特效。例如图像旋转、扭曲和拉伸等[6]。Android上绘制图形需要在Canvas上完成,首先需要编写一个继承自View的类,并覆盖onDraw方法。监测曲线绘制的部分代码如下:
3 结束语
经过在Android手机模拟器上反复测试,客户端实现了预期的各项功能,效果良好。随着3G(甚至4G)网络建设推进,以及现代手机不断增强的处理能力,移动终端软件具有广阔的发展前景。本文研究了Android移动终端下的地质灾害全天时监测预警方法,研究开发了Android手机移动客户端,为地质灾害的监测预警提供了一种切实可行的解决方案。
地质灾害监测预警系统 篇2
基于GIS技术的韶关市地质灾害预报预警系统
介绍韶关市地质灾害预报预警系统,该系统基于GIS技术,充分运用SQL数据库、VB6.0等编程语言、Surfer8.0后台绘图功能以及插值功能,根据韶关各地的`地质结构特征、地质灾害易发区资料以及历史个例、实况降水历史资料、多家数值预报降水产品、广州中心气象台的“短时临近预报系统(雨燕)”产品、雷达资料、自动气象站和遥测站降水实况资料,制作出韶关市未来3、24和48 h预报精细化地质灾害等级预报,并在GIS地理信息系统的平台上显示,预报结果通过电视天气预报栏目、12121气象电话、决策服务平台、手机短信以及互联网站发布.
作 者：张录青 叶永恒 刘艳群 李丽 ZHANG Lu-qing YE Yong-heng LIU Yan-qun LI Li 作者单位：韶关市气象台,广东韶关,512028 刊 名：广东气象 英文刊名：GUANGDONG METEOROLOGY 年，卷(期)： 31(4) 分类号：P51 关键词：灾害学 气象地质灾害 预报预警 地理信息系统 韶关市山体滑坡灾害简易监测预警装置 篇3
由于山体滑坡灾害范围分布较广，隐蔽性较强，且灾害发生地点数量较大，专业的滑坡灾害监测预警系统成本高、系统结构复杂且需要专业人员管理维护，要全部用其实现安全监控几乎不可能。
基于电磁开关的原理，我设计制作了一种山体滑坡灾害监测预警装置，其结构简单、成本低廉、操作便捷，具有较好的社会效益和实用价值。
一、电磁开关的工作原理
电磁开关就是用电磁铁控制的开关。电磁铁线圈通电后产生电磁吸力，活动铁芯推或拉动开关触点闭合，从而接通所控制的电路。
电磁开关的工作原理如图1所示。
二、滑坡灾害监测预警解决方案
为克服当前滑坡灾害监测预警技术存在的不足或盲区，本文提出一种适用于山区民居山体滑坡灾害的简易监测预警装置。即在边坡或滑坡体中布设滑坡监控导线，用电磁开关控制滑坡监控回路和报警回路，一旦发生滑坡，滑坡监控导线受其影响使滑坡监控回路断开，接通报警回路，触发报警器进行滑坡预警。
如图2所示，山体滑坡灾害简易监测报警装置包括电源、电源开关、报警器、两受控触点、电磁开关以及滑坡监控导线。两受控触点受电磁开关的通或断而吸合或断开，滑坡监控导线预埋在边坡或滑坡体中，与电源、电源开关、电磁开关构成滑坡监控回路，电源、电源开关、报警器和两受控触点构成报警回路。
当边坡或滑坡体未发生滑坡时，滑坡监控回路正常工作，電磁开关吸合，使得两受控触点断开，将报警回路切断；当边坡或滑坡体发生滑坡时，滑坡监控导线断开，滑坡监控回路切断使电磁开关断开，进而触发两受控触点吸合，接通报警回路，触发报警器报警。
三、实验验证
我组装了一种山体滑坡灾害简易监测报警装置，用以验证山体滑坡灾害监测报警解决方案的可行性和有效性。
该试验装置包括电池组、电磁开关、发光二极管、单刀开关（模拟滑坡滑动拉断监控导线）以及外接报警喇叭等，如图3所示。
滑坡监控导线预埋在坡体中，与电池组、电磁开关、正常监控触点和发光二极管（绿灯）构成滑坡监控回路。
电池组、报警器、滑坡报警触点和发光二极管（红灯）构成报警回路；单刀开关模拟滑坡断线。
当边坡或滑坡体未发生滑坡时，滑坡监控回路正常工作，电磁开关吸合，受控触点断开，即切断报警回路，此时绿灯发亮，表示安全。
地质灾害监测预警系统 篇4
关键词：气象因素,地质灾害,预警报系统,WebGIS
我国是一个地质灾害多发的国家, 崩塌、滑坡和泥石流等常见灾害发生的地域广、频率高, 具有较强的破坏性。研究表明, 除地质构造及人类活动外, 气象条件也是形成地质灾害的一大原因, 暴雨或连续降雨常常是触发地质灾害的直接因素。因此, 如何通过对雨情的监测提供可靠的地质灾害预警信息, 成为一项重要工作内容。
1 地质灾害预警报系统概述
目前, 在气象部门的协助下, 许多地区的国土资源部门都相继建立了地质灾害预警预报系统。灾害的风险预报是指在收集和集中监测信息的基础上, 进一步分析地质灾害及次生、衍生灾害等可能对社会经济、群众生活所造成的影响, 提前发布风险预报, 并为政府部门、有关单位及广大民众提供应对的措施和指导。气象监测 (特别是雨量监测) 系统和基于Web GIS的地质灾害预警系统组成的地质灾害预警预报平台, 在突发性地质灾害的预测和防范中起到了关键性的作用[1]。
1.1 预警报系统的建设目标
预警报系统的目标是建设一个时效高、预警报信息内容全面且准确可靠的地质灾害预警报体系, 为相关政府部门的决策和灾害地区群众的减灾措施提供科学、及时、有效的信息指导。充分利用现代化建设的成果, 在已获取的大量气象探测和灾害性天气监测信息的基础上, 对信息进行存贮、处理和分析, 建立地质灾害预警报服务平台和流程, 根据决策服务的要求, 提供连续无缝隙的地质灾害预警报信息[2]。
1.2 预警报系统的工作流程
地质灾害预警预报系统主要由监测系统和预警报系统2部分组成。启动气象信息收集、地质灾害信息收集以及信息发布自动生成等模块后, 通过实时监控雨情, 一旦降水因子达到相应的监测指标, 系统即可在决策中心进行数据分析, 生成地质灾害预警等级, 并在确定信息发布后, 利用短信、广播、电视、网络等媒介按照预警等级对特定部门及相关群众发布警报信息。
2 地质灾害预警报系统的组成及实现
基于Web GIS的地质灾害预警系统中, 灾害信息的汇集及预警平台是数据信息处理和服务的核心;气象监测系统具有雨情报汛、预警等功能;群测群防预警系统则包括预警发布、警报传输和信息反馈功能[3]。要实现地质灾害预警系统的正常运转, 应注意以下几个方面:
2.1 建立高效稳定的应用平台
高效稳定的应用平台为整个地质灾害预警系统的正常运作提供强有力的支撑, 对提高系统的稳定性具有至关重要的作用。良好的应用平台依赖于完善的数据信息、高科技的硬件设备、成熟的先进软件环境及规划合理的结构设计。
数据库是地质灾害预警报系统的核心部分, 除实时采集和发布的雨量数据、预报雨量数据、雷达图、卫星云图和台风信息等气象数据外, 当地行政区域图、区域地理信息及区域内的群众信息等, 都是数据库的重要组成部分。软件系统应由用户界面、后台管理系统、数据交换平台 (EAI) 、后台管理应用核心构件群、Web GIS组件、Microsoft.NET应用服务器平台及其他系统组成。先进、灵活、适用的软件架构符合管理信息化的要求, 以构件化设计为核心, 实现事件触发、数据驱动、参数设置的开放可行的地质灾害预警预报系统管理平台。
2.2 科学合理的灾害等级划分
灾害等级的划分关系到预警报启动的决策、预警报信息的发布范围及发布对象等, 在地质灾害预警报系统中, 需要给予特别的重视[4]。依照国土资源部制定的地质灾害预报等级标准, 预报等级可分为5级:一级为可能性很小;二级为可能性较小;三级 (注意级) 为可能性较大;四级 (预警级) 为可能性大;五级 (警报级) 为可能性很大。从预警报系统的角度分析, 一级和二级灾害没有实际预警意义, 预警工作由三级开始启动, 应围绕三至五级地质灾害开展防灾减灾工作。
2.3 保证系统的安全性
预警预报系统将为防灾减灾的决策提供重要的依据和指导, 因此, 必须保证其安全性和权威性, 安全是系统设计的关键[5,6]。首先, 在设计中要充分考虑到网络安全的问题;其次, 注重系统的整体维护是延长系统使用寿命的重要保障。此外, 地质灾害预警预报系统与其他相关系统的联系均以特定的接口程序来实现, 当地质灾害预警预报系统或相关系统出现故障时, 不会出现系统间的相互影响。在系统的运行中, 应保留详细的操作日志, 出现问题可以查明错误原因, 及时恢复, 并为系统的科学评价提供依据。
3 小结
综上所述, 地质灾害预警预报系统的建设和维护是一项长期工作, 涉及的部门多、范围广, 须参考的因素多而复杂。因此, 必须在工作中不断地总结经验, 并在各部门的积极配合下, 建立顺畅的信息链, 为相关部门和群众提供即时的、权威的、人性化的信息指导, 将地质灾害的影响降到最低。
参考文献
[1]丁建武.湖北省气象预警报网建设现状及对策[J].湖北气象, 1996 (4) :7-8.
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[4]杨顺泉.突发性地质灾害防灾预警系统方案研究[J].中国地质灾害与防治学报, 2002, 13 (2) :109-111.
[5]徐玉琳, 孙国曦, 陆美兰, 等.江苏突发性地质灾害气象预警研究[J]中国地质灾害与防治学报, 2006, 17 (1) :46-50.
地质灾害监测预警系统 篇5
数字化监测监控系统 煤矿灾害预警早知道安防英才网讯近日从太原理工大学获悉，由山西省科技厅组织、太原理工大学宋建成教授主持完成的“十一五”国家科技支撑计划项目“煤矿全矿井安全生产数字化监测监控及重大灾害预警系统的研究”通过科技部验收，该项目的成功研制不但可以提高特大型煤矿安全装备水平，而且对保障矿井安全生产具有重要的现实意义和战略意义。
我国煤炭产量占世界37%，但我国煤矿地质条件复杂，是世界上灾害严重、事故多发的国家，煤炭生产中时刻伴随着瓦斯、透水、塌方等安全隐患，矿难频发、人员伤亡、财产损失，煤矿安全生产形势严峻。为此，科技部在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，将“矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警与防控技术”列为“公共安全”重点领域研究内容。煤矿全矿井数字化安全生产监测监控及重大灾害预警系统针对影响煤矿安全生产的关键技术难题，开发了适用于示范矿井的重大瓦斯灾害、火灾和水灾预测预警监控以及矿井顶板、通风和供电系统安全状态连续监测与灾害预警于一体的集成系统，使煤矿的监控系统实现数字化、信息化和远程监测监控，实现了对矿井动态安全信息的连续采集、在线辨识、智能分析和灾害预警。
项目实行产、学、研相结合的方式进行研究，由太原理工大学负责，中国矿业大学、西安科技大学等13家国内科研院所、高等院校、国家级技术中心、国家重点实验室和企业联合攻关。目前，已在华北地区重点产煤示范基地山西晋城煤业集团寺河二号井、大同煤矿集团同忻煤矿千万吨级矿井和太原东山煤矿投入应用。
基于物联网的地质灾害监测系统 篇6
1 系统总体架构
物联网是新一代信息技术的重要组成部分, 其定义是通过传感器、射频识别、全球定位系统等信息传感设备, 按照约定的协议连接到互联网, 在人与物、物与物之间进行信息交互, 以实现对物体进行识别、定位、跟踪、监控等功能的一种新型智能化网络[5]。根据国际电信联盟的建议, 目前国际普遍将物联网的体系架构自底向上分为感知层、网络层和应用层。感知层包括传感器等数据采集设备以及数据输入网关前的传感器网络;网络层主要负责网络接入、网络传输以及相应的管理与控制;应用层解决信息处理与人机界面的问题[6]。依此三层架构设计了如图1所示的系统总体架构, 主要由现场感知终端、通信网络以及远程监控中心三部分组成。
其中, 现场感知终端通过雨量计、水位计、孔隙水压力计、伸缩计、倾斜计等采集降雨量、地下水位和山体移位等信息, 并由GPS定位模块获取监测点经纬度和海拔高度等地理信息, 同时将这些信息显示在液晶屏上, 最后将信息打包交给GPRS模块发送给远程监控中心;考虑到GPRS通信方式具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输和不受地形和地域限制等特点[7], 系统在网络层的通信网络主要以Internet网络与GPRS网络互联的方式为主, 并辅以SMS短信息方式, 根据通信网络的质量情况, 在两种通信方式间自由切换, 保证数据可靠传输;远程监控中心一方面接收处理现场监测点传回来的数据信息, 另一方面向现场终端发送数据指令, 如更改数据包传输频率、监控中心手机号、传感器预警值和开启报警器等, 当服务器IP地址需改动时可通过手机经GSM网络以短信方式更改并建立新的网络连接, 同时遇到网络连接错误时远程终端会向监控中心手机发送短信息来提醒工作人员。
2 感知终端硬件设计
系统感知终端即现场监测终端的研究与设计是该文的研究重点, 主要包括数据采集传输装置的设计和传感器的选取, 这里主要介绍数据采集传输装置。整个装置采用模块化设计, 通过对所选芯片进行分析后给出合适的电路设计, 使得装置能够稳定可靠运行。数据采集传输装置包括分布式传感器、信号调理模块、微控制器 (MCU) 、GPS模块、GPRS模块、显示报警模块和电源模块等, 如图2所示为该数据采集传输装置结构图。
2.1 信号调理模块
由于系统所使用的传感器多数都是输出4~20 m A电流信号, 必须转换为0~5 V电压信号才能输入单片机, 为此设计了4~20m A转0~5 V信号调理模块。模块选用了电流环接收器RCV420作为主芯片, RCV420是美国RURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片, 用于将4~20 m A输入信号转换为0~5 V输出信号。它包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10 V电压基准。其总转换精度为0.1%, 共模抑制比CMR达86 d B, 共模输入范围达±40 V。在全量程范围内输入阻抗仅有1.5 V的压降, 对于环路电流具有很强的变换能力[8]。较之由分立器件设计的印制板电路, RCV420具有更低的开发成本、制造成本和现场维护费用, 非常适用于在集成电路与便携设备中实现工业微弱环电流的信号转换。所选芯片需要双电源供电, 而系统所用电源只有12 V单电源, 为此又选用了广州金升阳公司生产的工业级隔离电源模块A1212S模块芯片, 该模块芯片体积小、性能稳定、可靠性高, 能较好地将12 V电源转换为正负12 V电源供RCV420芯片工作。
如图3所示为信号调理模块电路图, 可根据系统需要选择RCV420芯片数量, 这里共需要8个 (图中只显示1个) 。其中, L1和C2、L2和C1、L3和C3共同组成LC滤波网络, 大大减小了输出纹波, 能够平稳地为RCV420供电。这样设计的信号调理模块, 一方面可以节省电路板空间;另一方面还使得各信号相互独立, 避免了外界电路的干扰。
2.2 GPRS模块
此系统选用的GPRS模块是Siemens公司推出的MC55模块。MC55模块是市场上尺寸较小的三频模块, 能够在GPRS网络中完成语音、数据呼叫、网络连接、短信息以及传真的传送。MC55内置TCP/IP协议栈, 由AT指令控制并使应用程序很容易地接入网络。该协议栈支持在GPRS网络中使用Internet中的TCP socket、UDP socket、FTP、HTTP、SMTP、POP3等服务[9], 该系统主要应用了TCP socket服务。该模块有40个引脚, 通过一个零阻力插座连接器引出, 以实现电源、SIM卡、模块控制口和串口等功能的引接以及数据、短信息的传输[10]。如图4所示为GPRS模块部分电路图, 包括单片机与MC55、MC55与SIM卡的连接等。启动模块时, 模块的引脚IGT上必须有一个低电平脉冲且至少需要延时100ms, 模块才能正常启动。
2.3 GPS模块
该系统选用了一款外观小巧的高性能GPS定位模块, 模块核心采用U-BLOX公司的NEO-6M模组, 定位精度2.5 m CEP, 追踪灵敏度高达-161 d Bm, 测量输出频率最高可达5 Hz。模块自带高性能无源陶瓷天线 (无需再购买昂贵的有源天线了) , 并自带可充电后备电池 (在主电源断电后还可以维持半小时左右的GPS数据接收保存) 。模块通过串口与外部系统连接, 串口波特率支持4 800、9 600、38 400、57 600等不同速率, 兼容5 V/3.3 V单片机系统, 通过4个排针 (分别代表VCC、TXD、RXD、GND) 就可以方便地与外部连接[11]。GPS模块实物图如图5所示。
2.4 电源模块
为了使整个系统运行稳定, 电源的设计也是一个很重要的部分。一方面, 由于STC12C5A60S2单片机是5 V供电, 内部有高精度A/D转换器, 需要基准电压源, 这就要求稳压电源具有较高的工作效率和较低的输出纹波电压, 这里采用开关型稳压器件LM2576与线性稳压器件L7805相结合的形式来设计电路输出5 V电源, 不仅可以提高稳压电源的工作效率, 减少能源损耗和热损害, 而且可减少外部的电压波动干扰和高频干扰, 保证了系统的稳定可靠运行。另一方面, MC55模块工作电压为3.3~4.8 V (通常推荐值4.2 V) , 选用了MIC29302稳压芯片将5 V电压降低到4.2 V。如图6所示为电源模块电路图。
3 单片机驱动程序设计
此系统的单片机驱动程序采用基于STC单片机的C语言编写, 开发环境为KEIL公司开发的KeilμVision4 C51编译系统。程序设计采用模块化思想, 先将程序划分成若干个功能相对独立的模块, 再为每一个模块制定流程图, 并按照流程图编写程序, 最后再进行统一整合。采用这种方法编写出来的程序结构简单、可读性强, 且便于后期的调试、修改、扩展和完善。
主程序控制模块:系统上电或复位后, 首先要进行初始化设置, 主要设置相关的定时器及串口工作模式等, 并对液晶显示、A/D转换等进行初始化。系统初始化后会显示开机界面, 并启动MC55模块注册GPRS网络, 注册成功后初始化GPRS并创建Socket, 然后定时发送数据, 并通过串口1接收和处理GPRS数据和短信息;同时通过串口2接收和处理GPS数据, 并显示在液晶屏上。主程序流程如图7所示。
GPRS通信模块:GPRS网络采用TCP/IP协议进行通信, MC55模块的软件部分对外提供了一个控制系统操作的AT命令集, 模块接收来自串口的AT命令, 解释并执行相应的操作, 实现无线MODEM的对应功能。模块根据AT命令来完成自身初始化、网络连接、数据传输及短信息服务等[12]。此系统主要通过Socket和SMS (短信息) 两种方式进行数据通信, Socket主要是完成现场监测数据和远程控制命令的传输, 短信息主要是远程修改现场终端的参数, 如IP地址和端口号等。其中, 建立网络连接的流程如下[13]:
GPS定位模块:GPS模块输出的定位数据采用NMEA-0183协议, 该协议是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式, 目前业已成了GPS导航设备统一的RTCM (Radio Technical Commission for Maritime services) 标准协议。NMEA-0183协议采用ASCII码 (帧格式) 来传递GPS定位信息, 常用命令如表1所示[9]。由于GPS模块每秒输出一次$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC等数据, 速度慢, 因此必须采用中断方式接收[14]。程序中主要通过串口2接收$GPGGA帧语句来获取经度、纬度、海拔高度、大地水准面高度等信息, 其帧格式如下 (举例) :
下划线部分便是要获取的数据, 解析后结果为:北纬23°8.287 15′, 东经113°22.098 75′, 海拔41.6 m, 大地水准面高度-5.3 m。
4实验测试与分析
实验测试选用水位计和倾斜计与数据采集传输装置相连, 通过4个通道分别采集水位、X轴角度、Y轴角度和室温对应的电压值, 然后将监测数据发送到监控主机。系统测试图如图8所示, 当该终端与监控中心连接上后, 每隔1 min发送一个 “OK”心跳包, 防止网络掉线。同时按照设定的时间 (默认3 min) 定时向监控中心发送监测数据, 即4个通道电压值和GPS定位信息, 与终端上的液晶显示数据一致, 上位机数据接收界面如图9所示。
为了验证数据采集的准确性, 实验过程中用高精度的万用表测量一组水位计电压值作为实测值, 同时与液晶屏上显示的采集值进行比较, 得到如图10所示的数据误差分析图, 从图中可以看出误差约0.02 V, 完全满足系统的精度要求。另外, 从数据接收区选取部分数据, 然后将各通道电压值转换为对应的监测值进行综合分析, 如图11所示。从图中可以看出, 水位 (约0.35 m) 和温度 (约22 ℃) 保持稳定, 基本上与实际值相符。将倾斜计向一侧不断倾斜时, X、Y轴角度就会随着发生变化 (最大值15 °) , 第15分钟后一直保持最大值不变, 说明此刻开始有明显地表变化, 再结合雨量计、伸缩计等传感器测量值综合分析, 就可以确定滑坡、泥石流等地质灾害发生与否。经过长时间测试, 系统运行稳定, 数据传送正常, 较好地实现了预定的功能。
5 结语
该系统是针对地质灾害监测进行设计的, 数据的远程传送使用了GPRS接入Internet的方式, 适合监测点比较分散、环境比较恶劣、人工检测不方便的地区, 同时通信成本也比较低。与现有的监测装置相比, 该系统性能稳定, 能够有效保证数据监测的准确性和实时性。在节省大量成本的同时还增加了传感器通道, 引出了部分功能接口, 方便其他功能应用的扩展。因此, 该系统的应用还可以推广到水文监测、环境污染监测等自动化采集控制领域。
摘要：针对传统的地质灾害监测方法存在数据收集不及时、信息覆盖面不足等缺点, 设计了一种基于物联网的地质灾害监测系统, 并构建了系统的总体架构, 形成地质灾害监测物联网平台, 重点描述其中感知终端硬件及单片机驱动程序设计。该系统利用STC12C5A60S2单片机作为控制核心, 对传感器采集的降雨量、地下水位和山体移位等信息进行处理, 并控制GPS定位模块获取监测点位置信息, 然后将处理后的数据经GPRS模块封装成TCP/IP数据包, 通过GPRS骨干网接入Internet网传送至监控中心。实验测试结果证明:该系统具有良好的可靠性、稳定性和通信实时性。
地质灾害监测预警系统 篇7
电力行业是气象高敏感性和高需求性行业,其生产、建设、运营受环境气象因素影响极大。近年来,各种因素造成台风、强对流、大雾、高低温等天气现象异常多发,较之以往气象灾害愈加频繁。随着全球气候的不断变暖、异常气象灾害的增多以及电网规模的不断扩大,气象灾害对电网影响的频度和程度还会继续增加。随着国家电网公司深化“两个转变”、推动“一强三优”现代公司的建设,对电网安全稳定运行、降低气象灾害的影响提出了更高的要求,开展电力气象深入研究、建设电网气象灾害监测预警系统对构建坚强电网至关重要。
近年来,科研人员对电网气象灾害监测预警进行了大量有益的探索和研究,取得了一些成果,但也存在缺陷[1,2,3,4]。如只使用了单一来源形式的气象数据,无法形成数据互补与校验从而保证数据的准确性并监测灾害天气的详细衍变过程;尚未建立适用于电网运行的特定灾害性天气预警模型,只是简单使用气象部门提供的普通预报数据。以上缺陷使得目前的电网气象灾害监测预警系统只能进行初步预报,而不是电网精确预警,从而助力电网安全稳定运行。
1 建设目标
基于地理信息系统(Geographic Information System,GIS)的电网气象灾害监测预警系统将气象灾害与电网设备GIS数据进行关联分析,并将灾害天气实时信息和预报信息在电网GIS系统中关联显示,对涉及到的电网设备进行预警,实现如下目标。
1)接入自动气象站、多普勒雷达、气象卫星、数值预报等多种形式的气象源数据,实现对灾害性天气的精确监测和预报,直观展示灾害天气的详细衍变过程。
2)基于GIS搭建系统,将灾害天气数据与地理数据、电网矢量数据结合进行展示,直观地判断灾害天气的影响范围,准确定位受灾害天气影响的电网设施。
3)建立电网运行领域可靠的灾害性天气预警模型,实现电网提前预警、精确预警,为电网防灾、抗灾、减灾提供数据支撑与决策支持。
4)为省电力公司、各地市供电公司以及检修分公司提供气象灾害对电网运行影响的监测、预警服务。
2 系统结构
本系统由气象数据采集,气象数据解析、综合、发布,客户应用三大部分组成。其中气象数据采集部分是在气象部门设置1台气象数据采集服务器,采集气象部门发布的自动气象站、多普勒雷达、气象卫星、数值预报等各种形式的气象数据[5]。气象数据解析、综合、发布部分由1台气象数据接收服务器点对点接收气象数据采集服务器的数据,再由1台数据解析服务器将各种形式的气象数据文件分类解析形成预设格式数据,并写入气象数据库服务器和GIS数据库服务器,气象应用服务器融合气象数据和GIS数据提供气象应用服务,Web服务器将气象应用以Web方式在电力内网中发布。客户应用部分包括系统管理维护端和应用客户端,分别采用专业客户端和Web客户端。
本系统跨越气象部门和电力公司2个企业内网,中间采用光纤专线进行连接,采用文件传输协议(File Transfer Protocol,FTP)传输数据。而各自企业内部则使用各自的MIS网作为数据传输通道,采用HTTP/TCP协议传输数据。基于GIS的电网气象灾害监测预警系统总体结构如图1所示。
3 关键技术
3.1 GIS数据解析
本系统采集的原始气象GIS文件包括各种云图和雷达图,分为二进制和shp 2种格式。使用GIS数据解析技术对这些文件进行统一解析,转化为预设格式数据。
统一解析主要通过文件头确定解析的操作细节,利用一级文件头中的记录长度和记录数定位数据读取的起始位置,产品类别信息为后续的处理进行分类。二级文件头中的扫描像素宽度和高度以及异常值等信息为解析数据依据,起始时间、通道数量、卫星ID、传感器编号、通道编号作为参考信息。对解析出的数据,利用灰度增强方法对值域进行扩展,扩大值的可区分度,增强图的表现效果,便于得出更清楚的结论。对水汽图像采用线性增强,根据值域范围利用线性变换函数增强相邻灰度级的灰度差别,即增强对比度。雷达、红外、强对流及云则是采用各自特定适用的变换函数(增强曲线)进行非线性变换。
GIS数据解析的步骤为:先产生一个解析文件头信息的类,该类主要获取文件头和扩展信息;利用上面产生的类对文件头信息解析,生成文件类;根据文件类,依次解析文件内容;在解析过程中,根据需要利用灰度增强方法对值域进行扩展或配色,达到数字增强。
3.2 时序设计
本系统采用时序图技术在电力矢量图层实现单站雷达时序展示、指数预报时序展示,电力栅格图层实现全省雷达拼图时序展示、卫星云图时序展示,电力专题图层实现柱状统计专题图时序展示。
相对于没有时间轴的传统地图,时序图(有时间轴的地图)使用户可以根据自己的需要任意的展示时间轴上任意一点的地图,从而在访问历史数据地图或展示当前数据地图方面有更多的选择。除此之外,用户还可以连续播放某个时间段的地图,展现这个时间段内地图的变化趋势以便于更好地分析数据。时序图比传统技术更实用、更方便、更灵活,具备传统技术所不能的分析数据变化的功能。本系统中,在监测台风时,利用时序图展示台风的运动轨迹以助于预测台风下一时刻到达的地点;在展示卫星云图时,利用时序图可以播放的特性展现一段时间内云图的变化趋势,以便分析下一时刻天气的变化情况。
时序图设计步骤为:获取输入的时间段或某个具体的时间点;根据输入时间去数据库查找这个时间段的所有数据或这个时间点的数据;利用计时器按时间顺序播放这个时间段数据的地图或直接显示这个时间点数据地图。
3.3 等值面提取
本系统中使用了气象观测站色斑图、气象自动站灾害色斑图、实况数据色斑图、格点色斑图、全省雷达色斑图、强对流潜势预报色斑图、云图色斑图、日统计色斑图等气象色斑图来形象的展示气象要素的地区分布情况,预测气象要素的地区变化趋势。
色斑图是通过提取等值面,并将各等值面以一定顺序渲染而形成的。等值面是由相邻的等值线封闭组成的面,等值面的变化可以很直观地表示出相邻等值线之间的变化。可以通过指定参数提取表面模型中所有符合条件的等值面,一般用基准值和等值距2个参数控制提取等值面。基准值是作为一个生成等值面的初始起算值;等值距是2条等值线之间的间隔值,由这2个参数可以确定提取等值面的个数。等值面的生成是通过对原栅格数据进行插值,然后连接等值点得到等值线,再由相邻等值线封闭组成,对得到的棱角分明的多边形面,进行一定的光滑处理。本系统通过设置过滤参数控制提取等值线时采样的控制点,采用2种光滑方法:B样条法和磨角法。
气象色斑图形成步骤为:获取所需要的气象数据序列;将离散的数据通过插值等方法,处理成适合要求的网格数据;利用三角网剖分法进行等值线跟踪分析,并记录下所有等值线经过点位置;利用二次样条进行线条平滑处理,将分析出的每一根等值线进行边界封闭处理,得出每一个色斑分区的详细情况,并组成色斑分区的链表结构;通过图层显示技术将每个色斑分区渲染描绘,通过色斑分区的数值信息查找相应的颜色值,完成颜色填绘。自动气象站降水色斑如图2所示。
4 系统功能与实现
4.1 系统功能
本系统的功能包括气象数据采集、气象数据解析、气象灾害监测预警3部分。
1)气象数据采集。采集自动观测站、格点预报、气象预警、全省雷达、单站雷达、强对流卫星云图、大雾卫星云图、红外云图等各种形式的气象原始数据,并以安全、可靠的方式传输给数据解析模块。其中自动观测站的数据采集周期为6 min,格点预报的数据采集周期为12 h,气象预警为实时数据,全省雷达和单站雷达的数据采集周期为6 min,强对流卫星云图、大雾卫星云图、红外云图的数据分两种,极轨卫星的数据采集周期为12 h,静止卫星的数据采集周期为30 min。
2)气象数据解析。根据各种形式的气象数据的不同采集周期,实时的将各种数据文件解析形成预设格式数据,并写入气象数据库服务器和GIS数据库服务器。其中自动观测站、格点预报为XML格式的数据文件,气象预警为TXT格式数据文件,全省雷达栅格图、强对流卫星云图、大雾卫星云图、红外云图为二进制格式数据文件,单站雷达为shp格式数据文件。
3)气象灾害监测预警。将气象实况监测、预报及预警数据进行分析展示,分析受灾害气象影响的电网资源,基于变电站进行气象综合分析。其主要功能包括:对微气象监测站、气象自动观测站台账进行管理;通过气象自动观测站、变电站微气象监测站数据进行气象信息实时监测;通过格点、常规预报数据进行气象预报;对强对流天气、暴雨暴雪、高低温、大雾、台风等灾害性天气进行监测。使用色斑图、单值图、统计图等动态图形式在GIS上实时展示地区间气象差异及气象变化趋势。使用多普勒雷达图、卫星云图进行气象信息及其变化趋势分析、预测、展示。提供微气象数据报表、变电站负荷数据报表、灾害性天气分时分区报表、受影响线路和变电站报表等数据报表,为灾害性天气预警模型提供数据来源。
4.2 系统实现
系统软件采用层次结构,从下到上依次为:气象监测数据解析及存储层、地理信息发布及应用层、气象信息展示及应用层。基于GIS的电网气象灾害监测预警系统软件结构如图3所示。
1)气象监测数据解析及存储层:包括文本数据解析及存储子系统、GIS数据解析及存储子系统、数据分析子系统,负责将外部数据解析为内部数据。
2)地理信息发布及应用层:包括地图发布子系统,负责GIS地图切片的发布;GIS服务子系统,负责地图基本操作及地图高级分析功能,通过GIS接口供气象信息展示及分析子系统调用。
3)气象信息展示及应用层:包括气象信息展示及分析子系统,负责灾害天气监测、灾害天气预警、天气实况及数据报表。
考虑到不同的使用需求,本系统采用C/S与B/S混合结构,系统管理维护端为C/S专业客户端,普通应用端为B/S客户端。GIS数据平台采用主流产品Arc GIS,气象数据和GIS数据均使用Oracle数据库进行存放。数据解析采用桌面程序处理XML/TXT文件,GIS专用数据解析产品处理shp/二进制文件。本系统展示气象信息时需要频繁访问GIS数据,客户端的数据访问量及计算量较重,因此采用富客户端开发语言Flex技术。
5 结语
本系统的研究和应用,对实施电网气象灾害监测、预警,科学安排电网规划、运行,有效实现电力设施的防灾、减灾及电网安全运行精细化管理,具有重要作用和社会价值。目前,该系统已在在江苏电网实现并应用,下一步将在完善的基础上,向国家电网公司系统内的其他网省公司推广。
参考文献
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