滑坡临滑次声波监测预警系统软件设计

Journal of Southwest University for Nationalities⋅Natural Science Edition ___________________________________________________________________

文章编号: 1003-2843(2010)05-0832-04 第36卷第5期 西南民族大学学报·自然科学版 Sep. 2010

滑坡临滑次声波监测预警系统软件设计

冯怀升, 庹先国１１, ２, 殷锋, 余小平 ３１

(1.成都理工大学信息工程学院, 成都 610059; 2. 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 成都 610059;

3. 西南民族大学计算机科学与技术学院, 成都 610041; )

摘 要：介绍一种基于SMS 技术的滑坡临滑次声波监测预警系统, 该系统将现场声波监测装置采集到的地质滑坡体临

滑时岩石断裂和摩擦产生的次声波信息通过GSM 网络以短信的方式传输至监测中心, 然后由监控中心完成对监测数据

的处理、存储、显示和报警等工作, 从而实现了对地质滑坡体的远程监测和预警. 经测试显示该系统具有运行稳定、数

据准确、监测精度高和能满足远程实时监测等优点.

关键词：声波监测; SMS技术; 滑坡监测; 地质灾害; 软件设计

中图分类号: TP311.5 文献标识码: A

1 引言

我国是一个滑坡、泥石流等地质灾害多发的国家之一[1], 对滑坡现场监测手段目前主要采用传统的人工巡回测试、记录和资料处理, 这种派人员值班守卫的方式, 不仅耗费大量的人力资源和资金, 而且灾害发生点大多地形险要, 人员现场工作缺乏人身安全保障, 同时效率也很低下[2]. 因此, 急需对其预防监测手段进行研究, 建立适用的滑坡地质灾害监测预警系统[3]. 次声波是一种频率小于20Hz 的声波, 它不容易衰减, 不易被水和空气吸收, 穿透能力极强. 在地壳和地表传播的次声波往往包含地质滑坡体临滑时岩石断裂和摩擦时产生的重要信息. 因此, 在地质灾害现场布置声波监测装置, 长期采集分析声波数据, 利用次声异常或次声在地质灾害发生前后的变化, 可精确地确定灾害发生的地点和时间, 从而采取措施将灾害减小到最低程度. 根据这些特点, 本文介绍一种滑坡临滑次声波监测预警系统, 该系统以高精度的压力场声波传感器为采集设备, 借助于GSM 网络, 实现了无线、远距离的实时监测与预警, 从而对我国研究滑坡地质灾害的规律, 提高防灾减灾能力具有重要的实际意义.

2 系统体系结构

如图1所示, 系统主要由压力场声波传感器、监测主机、网络传输和监控中心四部分组成. 压力场声波传感器安装在现场监测点上, 监测点所产生的次声波信号被监测主机采集后通过GSM 网络传回到监控中心, 监控中心对数据进行处理后, 将数据存储到数据库中, 同时以波形方式实时动态显示当前数据. 监控中心对异常声波信号(超出预定阀值) 给予声光报警, 并且能够指定是否将报警信息通过GSM 网络以短消息的方式发送到手机, 从而有效地减少或消除地质灾害的发生. ___________________________

收稿日期：2010-07-23

作者简介：冯怀升(1985- ), 男, 成都理工大学信息工程学院硕士研究生, 研究方向为软件工程; 殷锋(1972- ), 男, 教授, 博士, 研究

方向为网格及软件工程.

基金项目：国家科技支撑计划(2008BAC44B04); 国家自然科学基金(40974065); 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开

放基金(GZ2007-02，GZ2007-12); 西南民族大学青年重点项目(09NQZ002); 国家外国专家局聘请外国文教专家项目

(2010年度)

第5期 : 滑坡临滑次声波监测预警系统软件设计 冯怀升等

图1 系统总体结构示意图

3 系统详细设计

3.1 数据采集

滑坡临滑时岩体受力变形或断裂时产生的发射出的声波频率是低频段, 该频段声波数据的获取主要通过分布在滑坡监测区域的压力场声波监测器采集. 为了满足滑坡临滑时岩土材料变形破裂过程声波信号测量, 压力场声波传感器选取丹麦B&K公司的压力场声波传感器, 型号为4193型, 适用于次声测量. 如图2所示, 压力场声波传感器由压力场麦克风、适配器、延长线和前置放大器组成, 监测主机的核心部分采用高速微处理器C8051F340.

图2 压力场声波传感器

3.2 数据传输[3,4]

监测数据的传输主要通过GSM 引擎模块之间通信完成数据传输. GSM 引擎模块提供的AT 命令接口符合GSM07.5 和GSM07.7 规范, 当GSM 引擎模块收到网络发来的短消息时, 通过向串口发送接收消息指令来获得数据信息. 短消息(Shot Message)业务是GSM 系统提供给用户的一种数字业务, 通过无线控制信道进行传输, 经短消息服务中心完成存储和收发功能. 数据监测终端设备和数据监测中心可通过GSM 引擎模块以短消息方式发送各种命令进行数据通信. 常用的AT 命令如表1所示. AT 命令

AT+CSMS

AT+CMGF

AT+CSDH

AT+CNMI

AT+CMGR

AT+CMGL 表1 常用的AT 命令 功能 AT命令 选择消息业务 选择消息格式 显示TEXT 方式参数 新消息提示 读取短消息 列举短消息 AT+CMGS AT+CMGW AT+CMSS AT+CSMP AT+CMGD AT+CSCA 功能 发送短消息 向内存写入消息 发送存储区内的消息 设置 TEXT 方式参数 删除短消息 设置短消息中心

3.3 数据监控中心

数据监控中心主要完成对监测数据的接收、处理、报警和转发等功能, 数据监控中心主要功能模块如图3所示.

(1)系统参数设置

系统参数主要包括设置串口端口号、波特率、数据位、停止位、校验位以及指定报警信息是否通过GSM 模块进行转发.

(2)数据接收与处理

当系统开始工作, 首先对串口按预设参数进行初始化, 同时初始化图纸, 以保证正确的显示当前数据波形. 其次开启接收线程, 以轮询的方式不断检测串口数据到来标志(数据到来标志在串口数据到来事件中指定有效). 当接收到数据, 则对数据进行适当处理提取有效数据, 再存入数据库中, 同时对数据进行显示. 若接收的声波数

西南民族大学学报·自然科学版

据超出预定阀值则及时给与声光报警. 在转发标志有效的前提下, 还可以通过GSM 模块向预设值的手机转发报警信息, 以便使工作人员在第一时间掌握滑坡体情况, 从而采取相关措施. 数据接收与处理工作流程如图4所示

.

图3 数据监控中心功能模块示意图 图4 数据接收与处理工作流程图

(3)数据显示

在.NET Framwork类库中, Graphic类提供了将对象绘制到显示设备的方法, 封装了绘制点、线、面和任意路径的操作. 应用程序中使用自定义类PaintAxis 再次封装绘制点、线、面的操作, 从而提供了绘制坐标轴和波形图的方法.

利用PaintAxis 所封装的绘图操作方法, 数据显示模块将处理后的监测数据以波形方式实时动态显示在二维坐标系中, 同时可以指定显示当前n 分钟的数据(1≤n ≤5).

另一方面, 数据显示模块提供了从数据库中提取历史某时间段的数据并以报表和波形方式显示的功能. 在查看某时间段(一分钟至一天) 的历史数据时, 有可能因为间断测量使数据呈现如图5所示的时间分布特性.

为了更直观精确地记录和反映滑坡体的状态变化, 该部分的设计必须充分考虑监测数据的时间分布特性. 具体做法是：从数据库提取到数据后, 两两比较其接收时间, 如果时差大于1分钟(该时间决定了波形的时间精度), 则作为两个数据段, 同时记录每个数据段的起始时间(startTime)、终止时间(endTime)和数据个数(count), 得到每个数据段数据的时间轴步进如下：

xStep =xLen endTime −startTime ⋅ time count

其中xLen 为x 轴(即时间轴) 长度; time为x 轴所表示的时间段, 单位为秒

.

图5 某段时间内声波数据可能的时间分布特性 (4)报警转发

系统工作时, 如果声波数据超出预定阀值, 监测主机将同时发出声音和光报警, 还可以通过向预置手机号转发短消息以传达报警信息, 使得相关人员及时了解灾害情况, 以便采取措施将灾害减少到最低程度.

(5)图形管理

系统将历史数据波形图绘制在一张具有32768横向分辨率的位图图纸上, 为了便于快速准确地掌握该时间

第5期 : 滑坡临滑次声波监测预警系统软件设计 冯怀升等段监测数据的特征和趋势, 进一步提供了对波形图的快速拖动浏览和缩放功能. 同时还可以以位图或JPEG 格式存储和打印波形图, 以方便查看和备份.

4 系统效能测试

采用向声波传感器吹气的方式人为产生异常次声波, 经过1个多月24小时不间断监测(监测数据波形如图6所示), 测试结果表明系统对次声波数据的采集快速准确, GSM模块工作正常, 短信息报警及时, 满足了实际应用要求

.

图6 数据波形图

5 结论

本系统结合SMS 技术设计并实现了一种利用次声波对滑坡地质灾害实时监测和预警的新型系统. 使用GSM 网络进行无线数据传输, 组建方便, 易于实现, 既便于远程实时动态监测滑坡地质灾害现场, 又提供基于短信的异常信息报警. 和传统的人工现场监测相比, 该系统具有快速性、高效性和直观性等优点. 监控中心软件设计采用当前主流的C#开发, 界面美观易于操作, 具有良好的安全性和跨平台性. 通过实际的性能测试, 系统的各项指标均达到了实际工程应用的要求.

参考文献：

[1] 王威, 王水林, 汤华, 等. 基于三维GIS 的滑坡灾害监测预警系统及应用[J]. 岩土力学, 2009, 30(11): 3379-3385.

[2] 李琦, 文艺, 原健钟, 等. 基于GPRS 的滑坡地质灾害远程监测节点设计[J]. 科学教育家, 2008, 6: 252-253.

[3] 杨剑波, 庹先国, 王洪辉, 等. SMS+Web技术在滑坡灾害监测预警系统中的应用[A]. 第四届环境与工程地球物理国际会议, 成都, 2010.

[4] 李元臣, 张鹏祥. 基于GSM 网络短消息的远程监控设计[J]. 微计算机信息, 2008, 24(1-3): 156-158.

Software design of monitoring & warning system for infrasonic wave just before

landslide sliding

FENG Huai-sheng1, TUO Xian-guo1,2, YIN Feng3, YU Xiao-ping1

(1.School of Information Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, P.R.C.; 2.State Key Laboratory of Geohazard

Prevention & Geoenvironmental Protection, Chengdu 610059, P.R.C.; 3. School of Computer Science and Technology, Southwest

University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)

Abstract ：A monitoring and early warning system for infrasonic wave just before landslide sliding based on SMS technology is introduced in this paper. By means of GSM message which transmits infrasonic wave produced by breaking and friction when the sliding mass in geology are just before landslide sliding that the on-the-spot device for monitoring sound waves collects data to Monitoring Center. Then much work is finished in Monitoring Center such as processing, storing, displaying and reporting the monitoring data. Thereby, remote monitoring and early warning for the sliding mass are realized. Following the test, reliable operation, accurate data, high monitoring precision of the system satisfy the requirement of remote real-time monitoring.

Key words：sound waves monitoring; SMS; landslide monitoring; geologic hazard; software design