生态环境综合监测系统实施方案 精品.doc

生态环境综合监测系统 设计方案1 概述1.1 项目背景及意义南水北调工程是把中国汉江流域丰盈的水资源抽调一部分送到华北和西北地区，从而改变中国南涝北旱和北方地区水资源严重短缺局面的重大战略性工程。工程效益和社会效益巨大，将促进中国南北经济、社会与人口、资源、环境的协调发展。工程分为西、中、东三条线路，目前，东线和中线基本全线贯通，已经开始供水，逐渐发挥工程效益。南水北调工程，在中华民族崛起中发挥了不可替代的作用。但其渠道、管道、隧道等输水工程线路较长，总体上地跨长江流域、淮河流域、黄河流域和海河流域等四大流域，沿途既有平原，也有山区，因此，将不可避免的面临自然灾害的影响，并威胁南水北调工程本身安全。此外，沿线有很多工矿企业，排污口众多，在水量运送的过程中，水质将遭受到破坏，严重影响到南水北调工程效益的发挥。针对以上问题，开展面向自然灾害、水文水质等方面的监测预警，为保障南水北调工程安全及运行提供技术职称。1.2 项目内容及目标1.2.1 项目内容通过信息采集、传输、处理、发布等多种功能和软硬件的集成，构建一套面向自然灾害、水文气象、水质等的自动监测预警系统。1.2.2 项目目标通过本系统平台的构建，将实现以下主要功能：（1）灾害发生前，应实时动态监测设计风险要素的变化信息，实时把握山洪、泥石流、滑坡及桥梁隧道的基本信息。（2）灾害发生时，通过监测，判断灾害发生前兆，并根据灾害事件级别，发布预警。通过监控报警系统在最快时间内确定灾害发生的地点、大小，及时采取救援措施减少因此带来的损失；处理；通知。（3）实时监测工程调水的水质、水位、水量等信息，可及时掌握水情、水质、水量情况，为及时评估调水质量及调水效益提供支撑支持。1.3 开发原则（1）设备基础原则接口故障不影响其他系统，故障自诊断和远程维护，防潮、防腐、耐湿、抗风、防雷，保证设备能在恶劣自然环境中全天候的执行监测预警任务。（2）可靠性原则设备具有备用电源，若以太阳能为基本电源，确保其可靠。对于其它设备，要充分考虑其可能面临的应急断电问题，包含安全型继电器。（3）稳定性原则保证系统运行时间较长，一般要求7*24小时不间断运行，主要设备达到工业级标准。（4）安全性原则保证数据安全，即具有完善的数据保密系统。应分别从硬件和软件防火墙两个角度进行数据保密工作，防止受到攻击、窃取、恶意篡改等非法访问，同时提供数据自动备份功能，保护数据库本身的安全。（5）可扩展性原则本次开发的系统包括硬件和软件两大部分内容，不论是硬件还是软件平台，都应预留可扩展接口，以备和相关部门其他系统软件集成或共享。（6）可维护性原则系统性能较好，但本次开发的系统应具有可维护性，可进行设备运行状态监视、故障定位、故障智能识别及故障报警。1.4 开发依据（1） 国家有关指导文本 全国山洪灾害防治规划 中华人民共和国环境保护法 山洪灾害监测预警系统设计方案指导书 全国山洪灾害防治规划编制技术大纲 全国山洪灾害防治试点县实施方案编制大纲（2） 有关规程规范和技术标准。 水文调查规范（SL196-97） 降雨量观测规范（SL21-20XX） 水文站网规划技术导则（SL34-92） 滑坡防治工程勘查规范（DZ/T0218-20XX） 水利水电工程设计洪水计算规范（SL44-20XX） 泥石流灾害防治工程勘查规范（DZ/T0220-20XX） 崩塌、滑坡、泥石流监测规范（DZ/T0221-20XX） 信号系统与异物侵限监控系统接口技术条件运基信号20XX719号 CTCS-3级列控系统技术创新总体方案（铁运20XX73号） 地面气象观测规范（QX/T61-20XX） 中国数字强震动台网技术规程 信息技术软件生存周期过程（GB/T8566-20XX） 微型计算机通用规范（GB/T 9813-2000） 土壤墒情监测规范（SL 364-20XX）2 总体设计 针对目前南水北调工程可能面临的问题及需求，对本方案进行总体设计，总体功能分为四个主要组成部分，具体如下。（1）工程安全保障。主要是针对工程沿线经过山前、穿越隧道等可能面临的自然灾害，构建一套面向自然灾害监测预警系统，主要包括山洪监测预警、泥石流监测预警、山体滑坡监测预警、桥梁及隧道结构监测预警子系统，为南水北调工程安全保障提供技术支持。（2）工程功能保障。主要从保障南水北调工程预期功能实现的角度开展监测及预警，内容主要包括水位监测和水质监测。其中，水位是衡量水量的最基本指标，也涉及到抽水泵站两侧水头高低，是工程运行的基本保障条件；水质污染及恶化将影响到最终用户的用水问题，对工程预期功能的实现直接相关。（3）工程效益及影响。主要通过实施在线检测水量、蒸发和土壤墒情等信息，动态评估工程效益发挥情况，如通过水量监测结果评估总体供水效益，通过土壤墒情监测，评估灌溉效益，蒸发监测评估蒸发损失等。（4）系统集成。主要包括硬件集成和软件集成两个部分。将以上所有的监测预警子系统和对应的软件平台进行无缝集成，形成一套集信息采集、信息传输、信息接收及处理和灾情预警等功能于一体的平台系统，并为南水北调工程的安全、运行、后评估等提供技术支撑。本方案的逻辑框架图如下。图2-1 方案逻辑框架图3 山洪灾害监测预警系统3.1 技术项目背景我国是一个多山的国家，山丘区面积约占全国陆地面积的三分之二，东部季风性气候决定了我国大部分区域降雨在年内分布不均，汛期高度集中，以强降雨引发的山洪灾害发生最为频繁，危害很大。依据地形、地质不同，我国将山洪灾害分成东部季风区、青藏高寒区、西北干旱半干旱区三部分，其中以东部季风区影响最大。山洪灾害的防治需坚持“以防为主，防治结合”、“以非工程措施为主，非工程措施与工程措施相结合”的原则。20XX年10月，国务院批复了全国山洪灾害防治规划，要求“力争到20XX年，在山洪灾害重点防治区初步建立以监测、通信、预报、预警等非工程措施为主并与工程措施相结合的防灾减灾体系，减少群死群伤事件和财产损失。”建设山洪灾害监测预警系统是及时规避风险，避免或减少山洪灾害导致的人员伤亡和财产损失的重要措施，是有效防御山洪灾害实施指挥决策和调度以及抢险救灾的保障，在山洪灾害防治中具有举足轻重的地位。根据水利部山洪灾害监测预警系统设计方案编制工作组编制的山洪灾害监测预警系统设计方案指导书的要求，系统主要由水雨情监测系统和预警系统组成，其中预警系统又由信息汇集和查询子系统、预报决策子系统和预警子系统组成。为更好地发挥系统的防灾减灾作用，还需建立群测群防的组织体系。图3-1 山洪灾害监测预警系统框架图3.2 系统总体架构根据水利部门针对系统建设的总体要求，我们依据自身多年从事水利行业自动化和信息化系统建设的经验，结合国内外在防汛减灾方面的先进经验和技术，提出了本技术设计。山洪灾害监测预警系统由水雨情自动测报系统、预报决策系统和灾情人工和自动报警发布监控系统三部分组成，系统总体结构和主要特点介绍如下： 图3-2 灾情预警决策系统逻辑框架图3.3 系统主要特点3.3.1 无需土建的一体化雨量站为安装雨水情监测站自动监测装置，必然存在测站站房的建设要求。为降低系统建设成本，提出可以直接安装在户外的一体化雨量站的方案，以适用于无需或无法建设站房的雨水情监测站的应用。一体化雨量站将雨量计、测站RTU、通信设备、供电系统等集成在一个不锈钢的机壳内，可直接安装在户外。为此用户仅需建设一个混凝土安装基座，通过3个地脚螺栓就可以即装即用。此方法满足系统建设提出的经济实用、稳定可靠、容易实施、便于操作和推广的原则。 置于一体化雨量站机箱内的RTU以本预警系统和内置的水情测控程序为基础建立。测站功能设计完全符合水文自动测报系统技术规范（SL-61-20XX）和国家防汛抗旱指挥系统一期工程水情分中心初步设计指导书（NFCS-ICS-PD-01）的要求。图3-3 一体化雨量计示意图3.3.2 支持系统分步式建设考虑到系统建设提出的“坚持因地制宜、突出重点的原则”要求，系统可根据各省（自治区、直辖市）自然条件、经济社会状况不同，山洪灾害的成因及特点、防灾设施、工作基础等也有差别，突出重点，可按轻重缓急要求，系统的结构划分支持水情自动测报系统和灾情报警系统分别建设的要求，确保系统可逐步完善。本监测预警系统中的预报决策系统将通过与水利行业各主管单位或科研院所紧密合作的方式实现，并在水情信息接收和处理监控平台和灾情报警发布监控平台建设上保留可灵活设置的接口，以满足各种需求。3.3.3 充分利用雨水情自动监测系统资源的自动灾情预警报系统考虑到系统建设提出的“坚持以人为本，以保障人民群众生命安全为首要目标”的要求，凭借多年从事水利行业自动化和信息化工程的经验，根据国内小流域山洪灾害的局部特点、现状和防灾形势，根据当前防灾手段和通信环境落后的状况，因地制宜研发了“山洪灾害预警系统”，可大大增强预报预警信息传达到基层的及时性和可靠性，此技术方案已经在黑龙江伊春成功应用，并通过了验收。技术方案充分的利用了水情自动测报系统设备资源和通信网络，可以在灾情报警发布监控平台上将预报决策产生的灾情报警信息自动发布到相关广播设备，在本站或利用调频广播网将灾情预警、报警、警报解除等信息广播到各站点。在调频广播网覆盖范围内的各站点增设一台调频广播接收机而已。此方案可作为人工灾情报警的补充手段，提高了灾情下达的实时性、可靠性、监控性，也增加了系统建设的现代化技术含量。系统中心站采用的灾情人工和自动报警发布监控平台，除了能够支持通过电话、电报、短信将灾情报警信息发送到相关防汛负责人或责任人外，还可以支持通过水情测报通信网、移动通信网、电话通信网及调频广播网直接控制语音播放机自动发布灾情预警、灾情报警和灾情解除等信息，并支持对自动信息发布装置工作状态的实时监控。我们基于雨水情自动监测系统资源的灾情自动预警报警系统设计思想和成果作为发明创造。 图3-4 基于雨水情自动监测系统资源的设计思路 灾情自动预警报警系统是一个符合建设需求，在小流域灾情预警报警平台上发布预警报警指令，通过水雨情自动监测系统通信和测站监控设备资源或直接通过PSTN公用电话网实现自动化预警报警功能的综合性远程自动监控系统。其支持多种远程通信信道、采用先进远程控制技术、充分利用微型无线电广播网、支持多种类型语音报警功能。该系统由于充分利用了水雨情自动监测系统通信资源、SCADA系统和设备资源，所以可以看成是水雨情自动监测系统在灾情预警报报警信息发布方面的技术延伸和扩展，为各种灾情预警报警信息发布提供了一种自动化方式，可提高原有人工报警系统的可靠性和实效性，并增加系统的技术含量和先进性。小流域灾情自动预警报警系统具有两种构建模式，以满足不同的需求。（1）具有SCADA系统支持的灾情自动预警报警系统 系统基于SCADA系统建设，或利用水雨情自动测报系统的SCADA资源建设。可包括一个预警报警监控中心（灾情预警报警平台）、数个报警监控站（可由雨水情自动监测站兼任）、数个报警转播分心站。从报警监控中心到各报警监控站的远程双向数据通信可选择两种信道，互为备份；各报警监控站到所辖报警转播分站采用无线微型广播网实现，以扩大报警信息的覆盖范围。这种组网方式的优点是可靠性高，功能齐全，并能够兼容水情自动测报系统；缺点是若不能结合雨水情自动监测系统而单独建设，则相对系统造价较高。系统结构如下图所示。图3-5 系统结构图 （2）不具有SCADA系统，仅通过公用电话网实现自动报警功能 这是一种作为不具有水雨情自动监测系统资源可资利用情况下且需要具有自动化报警功能的简易自动预警报警方案；此方案通信组网和系统结构简单，建设成本低，但系统可靠性相对也较低（因为不具有SCADA系统资源，所以无法实现对现场预警报警装置工作状态和现场语音效果的实时监控）。此方案也可作为具有SCADA系统地灾情自动预警报警方案的备份报警手段与SCADA报警系统共同建设。图3-6 通过公用电话交换网的系统结构图（3） 灾情自动预警报警系统的基本功能1）系统控制中心的功能简述按照功能划分，控制中心的功能可分为决策支持子系统、警报控制子系统、数据通信子系统、监控管理子系统，以及可选的报警信息发布子系统和图像监控子系统等。- 决策支持子系统将根据水情信息、气象预报信息、洪水预报软件作业成果等综合分析后提出报警预警决策方案，经主管部门审批后，通过警报控制子系统发布预警报警信息和指令；- 警报控制子系统通过数据通信子系统和监控管理子系统实现向各报警监控站发布警报指令，监控各报警站的预警报警执行；- 数据通信子系统实现基于有、无线方式的遥测遥控数据通信网的数据双向传输功能，包括数据的传输、解码、编码等功能；- 监控管理子系统包含数据服务器，实现所有控制指令的格式转换，相关数据的数据库管理，各警报点的远程监控，了解警报点的物理位置，警报点的覆盖范围以及警报点的设备信息等等，具有日常管理功能。2）报警监控站的主要功能简述 自动警报终端能够接收有线、无线多种信道（超短波、PSTN、GPRS、CDMA、卫星）传来各种预警报警信号和指令，准确地发放各类警报；能正确将警报器、供电系统、报警控制终端RTU的工作状态及接收到的各种信号，通过数据编码和加密，回传给报警监控中心站；具有解密启动和加密传输的抗针对性攻击的能力；系统具有抗误警、虚警、漏警的能力，具备高可靠性；系统的通讯协议应具有口令保护和加密功能，防止误操作；具备对警报器的控制能力；具备在控制中心被破坏的情况下仍可以通过工手段发放警人号能力；即可以通过有线、无线双重控制；具有在一定的温度和湿度及一定的电压变化范围内正常工作的能力。 报警监控站接收到中心站预警报警指令后，能够自动控制调频广播电台进入报警状态，自动将接收的信息或预录制的报警信号或话音播发出去（包括驱动音频功放实现本地广播和被5公里半径范围内的报警转播分站的广播接收机接收并实现转播）。自动警报终端RTU能定期检测和监控设备的工作状态，并定期上报设备状态，当设备出现故障时，能迅速报告中心站。自动警报终端RTU能接收中心站指令，自动实现测试警报和广播功能效果。报警监控站将选用大功率警报器。实现了对预先录制的警报声响的直接监控,并实现对警报整体工作状态的评估和准确回示。报警站检测到各种故障状态时，采用突发方式上报，这包括： - 检测交流供电：当交流缺电时或交流恢复时，上报中心站。 - 检测广播设备加电：当广播设备加电或掉电时，上报中心站。 - 检测广播设备工作状态：当检测到音频电流时或检测不到音频电流时，上报中心站。 - 检测正在播放的预警信号：预警播放或停播时，上报中心站。 - 检测正在播放的灾警信号：灾警播放或停播状况，上报中心站。 - 检测正在播放的除警信号：除警播放或停播状态，上报中心站。 - 检测正在进行的远程测试：测试或非测试状态，上报中心站。正常工作状态下的定时检测和上报： - 报警主站电源状态（交流、直流） - 电池电压 - 广播设备加电 - 广播设备正在广播 - 正在播放预警、灾警、除警信号故障处理：当中心站发生错误报警时，报警站人工切断无线扩音机电源1分钟后，恢复供电后报警解除。手动报警功能：报警值班员可以通过报警主站广播系统对报警主站周围进行紧急广播（需加调频接收装置）。时钟校准功能：报警站能够与中心站同步数据。附加功能：报警站广播系统可以对报警站周围进行正常广播。3） 简易自动报警监控站的构成和功能 所谓简易自动报警监控站是指不具有SCADA系统支持，仅通过公用电话网实现自动预警报警功能的报警监控站。该类监控站以电话自动转接器为核心、通过公用电话网PSTN单一信道接收预警报警信息或指令的自动报警监控站。此类报警站将不具有远程控制和工作状态监控反馈功能，不具有定期检测和监控设备的工作状态功能，不具有测试警报和广播功能，不具有对警报整体工作状态的评估和准确回示等功能。但此类侧监控站在警报信息播发方面与上述的基于SCADA的报警监控站是相同的。其构成示意如下： 图3-7 不是基于SCADA的报警监控站结构示意图3.3.4 引入先进的宽带无线接入技术和产品拓宽通信网络，提出应急通信解决方案引入摩托罗拉公司先进的宽带无线接入产品（10M、20M、30M、60M、120M、300M、600M）和技术，拓宽偏远山区远程宽带无线通信能力是本技术方案的又一重大特点。（1）解决偏远地区接入公网的问题 由于小流域山洪灾情预警报系统建设主要是在一些偏远山区，而往往这些地区公用通信网接入条件较差，由此本预警系统解决方案提出了利用摩托罗拉宽带无线接入产品CANOPY延伸国家公网覆盖能力的方案，为目前尚未具备国家通信公网接入能力的地区提供一种简单、快捷的接入手段。图3-8 互联网连接示意图（2）构建无线宽带专网，实现对监测断面的实时图像监视（3）利用该产品和技术的安装简单、快捷、即装即用的特点，为灾情突发情况下国家通信公网出现故障时，提供应及远程宽带通信的备用手段。图3-9 无线宽带网结构示意图图3-10 移动信号接收设备（4）为分散办公的系统控制中心与防汛主管部门之间构建的局域网互联 山洪灾害监测预警系统控制中心一般均需建立局域网，而当由于分散办公导致控制中心无法与当地的水渠线防汛主管部门建设在同一建筑物中时，必然会存在两个建筑物之间的局域网如何互联的问题。使用CANOPY可以方便快捷地实现各局域网之间的互联。4 泥石流监测预警系统4.1 技术项目背景泥石流是发生在我国江河上游及水库库区部分区域内的两类重力侵蚀，是公认的四大地质灾害之一。泥石流成因是暴雨或强降雨引发山洪暴发，泥石与洪水混在一起形成的液固两相流，且固体物质处于超饱和状态，容重1.6t/m3以上，在水流冲力和重力作用下造成了水、土、砂、石混杂着向前涌动。泥石流灾害形成后其破坏力大，淤积河道，阻塞江河，中断交通，毁坏农田房屋，甚至摧毁城镇。 为了保护人民的生命财产必须建立泥石流监测预警系统，使自然灾害在形成初期得到预警，降低自然灾害破坏力。4.2 系统框架总体泥石流自动化监测系统是由综控中心(控制台)、地声遥测、泥位遥测、雨量遥测、有线泥位等五个子系统共同作用对泥石流活动进行监测。 图4-1 泥石流监测预警系统总体框架4.3 无线传感网络法泥石流监测使用无线传感器网络可以得到山体滑坡实时监测数据，并据此确定出现山体滑坡的危险性。由于采用无线传输的方式，无线传感器网络可以很方便的进行初期的部署，数据的传输也不会因为地形的改变而中断，因此非常适合用于山体滑坡现场的环境监测。（1）工作原理在无线传感网络获取到各个传感器的数据后，通过多传感器数据融合和专家系统的智能处理，本监测系统就可以据此判断出山体滑坡的趋势、强度和危险程度。如下图所示。 图4-2 泥石流工作原理图（2）系统结构1）监测网络架构在实际部署时，采用分层网络的架构。每个目前监测区域内的无线传感器节点组成一个子网，子网内的节点依靠 无线多跳自组织协议，通过多跳的方式把数据传递给基站。基站在进行数据预处理后，通过 GPRS网络远距离把数据发送回中心服务器。 2）监测系统构成每个目标监测区域一般由 1020 个节点构成，可依具体情况有所调整，整个项目则由数个监测区域构成，系统构成中的子网数目和网内节点数目都可以灵活调整。3） 节点物理距离每两个节点之间的距离大约是 20 至 100 米左右。4）节点数采周期数据采集间隔也可以由中心服务器灵活控制，在旱季可以调整为每 24 小时采集并传递一次数据，从而节省能量且避免大量的旱季冗余数据。而在雨季危险期，其采集间隔可以密集至 2 分钟一次，从而保证实时监测预警功能图4-3 信息采集示意图（3）节点终端 应用无线 Mesh 网络 实现灵活的自组织自愈合 每个节点都可以可靠传递数据 采用太阳能供电 无线节点不需要外部电源设施 便于布署在野外山体孔洞 配合蓄电池可使用6个月 使用外部传感器总线（ESB） 集成了4组通用接口 可以直接连接2或 3线传感器（4）数据采集系统设计数据采集系统包括数据采集、传输、存储等环节，通过传感器实时测量信息，经过传输并最终将信息发送到笔记本电脑上。示意图如下图。图4-4 数据采集示意图（5）数据发布系统1）及时发布信息给相关管理部门，为灾减灾提供响应时间。2）当发生预警时可通过MAS服务器给周边居民发送告警信息，通知群众紧急疏散3）平时可作为公众信息披露由政府定期通知群众山体健康状况数据及预警发布的流程如下图所示。图4-5 数据及预警发布流程图4.4 部分观测仪器选择 （1）泥石流报警仪部分 当泥石流形成初期，安装在前方导渠中的泥水位探头检测到来的泥水，按埋设高程分别发出报文给数据采集仪，数据采集仪发出预警音响并向预存的手机号码发送报警短信，同时数据采集仪将报文传输给计算机，计算机存贮数据并按时间和高程输出报表和绘制的图形。图4-6 泥位计探头布置示意图（2）视屏系统部分功能 当泥石流报警仪发出报警的同时视屏系统被打开，在夜晚打开搜索探照灯，人工再确认泥石流形成的态势和强度，发出报警，并开始自动录像记录。 视屏系统另一个功能是，视屏系统始终对着导渠，当导渠中有物体流动或移动时视屏系统自动开始录像，录像以文件格式存贮在数据库中，以便备查。图4-7 视频系统安装示意图（3）视觉仿真系统实时观测水渠周围的山体情况，当有山体滑坡或泥石流发生时，通过仿真系统真实反映铁道周围掉落石块的大小和位置，当石块影响正常运行时，发出警报，以便避免发生事故。（4）雨量监测部分功能 泥石流的形成都是因该地区或导渠的上游区域发生了连续暴雨或强降雨而造成，所以监测降雨量是泥石流预警系统的重要组成部分。 当降雨量达到0.5mm时雨量计即向数据采集仪自动发送报文，如果降雨量达到数据采集仪设定的报警上限将发出报警，同时报文传输给计算机，计算机存贮数据并将当日每小时降雨量以报表和图形方式显示。图4-8 成果图形示意图5 滑坡监测预警子系统5.1 技术背景20XX年5月12日，发生在汶川的特大地震灾害，牵动了每一个中华儿女的心。地震造成的伤痕可能需要中国人民花费十数年的时间去抚平。痛定思痛，在捐款捐物，尽一份微薄之力之余，我们应该思考如何利用科学手段实现更有效的防灾减震的工作。作为多年研究无线传感器网络监测系统的我们，利用先进的技术手段，实现在恶劣环境中，无人值守的，科学地检测地质灾害的前期征兆，迅速地做出灾害的态势预报，为国家防灾管理部门提供可靠及时的参考数据，也成为了近期我们的重点工作。以下是我们对无线传感器网络应用于地质灾害监测和防范领域的技术。5.2 国内外地质灾害监测现状 国外地质灾害监测的研究与实践走过了较长的过程，无论在传感器、数据传输与共享以及预测预报等领域均开展了大量的工作，监测方式已经由过去的人工测量发展到仪器仪表，并逐步实现自动化、高精度、实时性的遥测系统，目前处在一个较成熟的水平。其中美国、日本、意大利、瑞士、法国等发达国家的研究程度最高。比如，国外著名的莱卡公司根据客户的不同需求，就提出了相应的监测解决办法。这些监测方案都是采用莱卡棱镜来测量被监测物的运动变化，典型的案例是意大利水坝监测，滑坡稳定性监测；瑞士的阿尔卑斯山地形形变监测，岩石稳定性监测；南非的矿山斜坡稳定性监测等等。这些监测解决方案虽然能够很好的得到监测数据，但是也存在缺点： 造价高。莱卡棱镜属于高精密度仪器，中小型客户难以承受在监测方案中大量的使用该设备；非无人职守。采用莱卡公司的方案，专业工作人员必须定时采集数据，不能实现真正的无人职守。国内的地质灾害专业监测工作虽然起步稍晚，但是发展的水平与国外相近。以往的专业监测主要集中在交通、水利水电等重要设施领域，近年来随着技术的发展与国家基础建设的投入不断加大，地质灾害专业监测工作逐渐得以推广。目前我国对绝大多数的地质灾害仍然采取群测群防的监测手段，这反映出我国的地质灾害专业监测仍有待进一步加强。 5.12地震就是一个警示！灾难发生之后所有通信设施中断，在后期只能依靠人力对余震，山体滑坡，堰塞湖等进行监测，不光危险性高，效率低下，而且缺乏量化数据进行科学分析预测，更无法做到实时数据更新监测。但如果能够在灾区部署无线传感器网络就能有效的解决这一问题。5.3 无人值守的山体滑坡监测预警系统技术框架我国的一些不稳定的山地地貌在受到雨水侵蚀后，容易产生山体滑坡现象，这对居民生命财产安全造成巨大的威胁。相关部门也采取了相应的措施对山体滑坡进行监测和预警，现今基本都是采用有线的方式进行监测。但是若监测区域为人迹罕至的山间，道路缺乏，环境恶劣，那么有线监测网络的野外布线，电源供给等都会受到限制，使得有线系统部署起来非常困难。此外有线方式往往需要专人定时前往监测点下载数据，系统得不到实时数据，灵活性较差。我们在对地质监测的方式和需要采集的数据进行了详细分析后，提出了一个基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统技术。图5-1 山体滑坡监测预警系统结构示意图如上图所示，通过在潜在滑坡体的适当位置布置专门的监测仪器，用来监测滑坡体的表面裂缝、深层位移、倾斜变形、地下水位以及环境降雨量，这些监测仪器通过专门的数据采集装置进行自动采集并记录，再通过GPRS或GSM无线传输方式将采集的数据发送到远程的中心数据接收站，远程中心数据接收站只需要一台台式机或笔记本配合相应的通讯模块，通过配套的数据采集软件即可实现数据的现场采集、实时监控、异常测值报警的目的，从而可远程监控该滑坡体的表面裂缝开合位移、深层变形和相应的变形速率，以及环境量变化等实时状况，对动态监控滑坡体变形发展以及预测可能的破坏规模都具有非常重要的意义。 5.4 地质灾害的安全监测对于潜在的地质灾害点如可能的滑坡体或高边坡，以其变形监测为重点，即对监测对象在表面布设2个表面位移测点，同时在两个不同高程各布设一套内部变形仪器，共同监测边坡或滑坡体的位移变形或倾斜情况，实时监测其稳定情况。对处于高地下水区域的边坡或滑坡体，可以增设一个地下水位观测点。考虑到降雨对地质灾害的诱发作用，需要布置一个雨量观测点。 （1）表面位移监测 表面位移监测仪器选择依据测量范围而定：当测量范围在200mm以内时，建议采用普通裂缝计改制；测量范围更大，建议采用大量程水平位移计改制。 （2）内部变形监测 滑坡体或边坡的内部变形观测，依据其具体情况可采用垂直坡面钻孔安装多点位移计 或钻孔安装垂直测斜管配固定测斜仪。 （3）地下水监测边坡或滑坡体处于高地下水区域，地下水的变化往往对灾害点加速恶化起很大作用，因此建议在这样的地方增设地下水观测项目，布设一个测点，采用钻孔安装一支渗压计来实现地下水监测。 （4）降雨量监测滑坡体或边坡的环境量监测一般多采用降雨量作为环境的主要技术要求，可根据地形条件和周围环境的情况在合适的地方布置一个雨量监测测点。 5.5 观测仪器选择 为保证工程埋设的观测仪器、设备能够稳定可靠运行，使其真正起到工程的耳目作用，所选仪器设备不仅要有多个类似工程成功运行的实践经验，而且必须是公认的成熟、可靠的品牌产品。目前监测设备的类型很多，如差动电阻式、电容式、压阻式等。相比这些仪器，或存在长期稳定性差，或对仪器电缆要求苛刻，或传感器本身信号弱、受外界干扰大的缺点，而基康振弦式仪器测量的是频率信号，具有信号传输距离远（可以达到2千米），长期稳定性好，反应快，测量灵敏，对电缆的绝缘度要求低，便于实现自动化等特点，并且每支仪器都可以自带温度传感器，可以同时测量温度。同时，基康产品曾在国内众多大坝安全监测和地质灾害监测中发挥了非常重大的作用。 （1）表面位移传感器 表面裂缝计 采用基康仪器（北京）有限公司生产的BGK4420型表面测缝计（下图左）改装而成，该仪器常用于监测建筑物的表面变形，延长的传递杆采用不锈钢测杆。在要求量程特别大的情况下可采用该公司生产的BGK-4427型大量程位移计（图右）。图5-2 BGK4420裂缝计 图5-3 BGK4427大量程位移计（2）内部变形监测仪器 多点位移计 多点位移计用于边坡或滑坡体深层变形观测，采用基康仪器（北京）有限公司生产的BGK-A3型多点位移计，采用与坡面垂直的角度钻孔安装，孔深依据各部位地质情况现场确定。多点位移计采用三点式或四点式。图5-4 多点位计示意图测斜系统（备选） 若边坡或滑坡体布设垂直钻孔安装测斜系统，可采用基康仪器（北京）有限公司生产的BGK-6150单轴固定式测斜仪，是目前具有领先水平的微电子机械测斜系统，包括单轴MEMS型测斜仪探头、导轮、不锈钢连接杆以及底部支撑装置和顶部悬挂装置、测量电缆以及读数仪。 图5-5 BGK-6150单轴固定式测斜仪（3）地下水监测 渗压计 ，地下水的监测采用基康仪器（北京）有限公司生产的BGK4500S型渗压计（右图），基康的渗压计是目前世界上精度最高、稳定性最好的渗压计，其卓越的性能已经得到行业内专家的一致肯定。采用钻孔安装，安装方便简单。 图5-6 BGK4500S型渗压计（4）振弦测读仪及仪器电缆 在实际工程中需要配置一台读数仪，振弦式仪器的人工测读仪表采用基康仪器（北京）有限公司专门为振弦仪器配备生产的BGK-408型读数仪（右图），仪器电缆使用北京基康专门为振弦传感器配置的屏蔽电缆。图5-7 BGK-408型读数仪5.6 自动化采集系统在野外高边坡或滑坡体安装监测仪器后，由于地势险要，场地有限，现场大多无法提供便利、安全的人行通道及配套供电设施，特别是在汛期或梅雨季节需要加密监测时，现场塌方、落石及滑坡还将会威胁到监测人员的生命安全。但要获取第一手的监测数据，沿线散布的监测仪器，采用人工观测方式不仅劳动强度大、效率低，受道路条件或天气的影响，往往还不能及时获取现场观测数据。采用常规的数据采集装置由于体积大、功耗高、通讯布线难度大，在现场无电源供应的环境下也难以实现长期自动监测，因此非常有必要需要选择低功耗的数据采集设备。振弦式传感器测量单元用于测量振弦式渗压、变形传感器、气压传感器等振弦式仪器的谐振频率和电阻，并转换成相应的物理量显示或输出。振弦式传感器测量单元有8个传感器输入接口，工作时仪器依次激励各个传感器，待传感器稳定后测量其自由振荡频率，必要时按公式转换成代表压力的水深显示或输出，同时还测量振弦式传感器内置的热敏电阻并显示或输出，电阻值也可以转换成温度再显示或输出。仪器的外形如图所示，上部为8路振弦式传感器输入端子，左侧为电源及485通信接口，中部为液晶显示器和5键键盘。采集终端本身不具有防潮功能，应安装于其他具备防潮功能的机箱内，以便稳定可靠地工作。图5-8 振弦式传感器测量单元表5-1 性能指标表项 目指 标功 耗典型电流92 mA（+12V），最大120 mA工作温度40 +85存放环境40 +100频率测量分辨率0.1Hz，精度0.2Hz频率范围400Hz到5000Hz温度测量分辨率0.1，精度0.5温度测量范围-560测量完成时间N*T+1秒（注1）平均无故障工作时间5000小时振弦式传感器测量单元具有四种通信方式，即超短波通信、卫星通信、GSM短信通信、GPRS通信和直接电缆连接。（1）超短波通信 超短波通信作为水情自动测报系统最常用的通信方式，具有价格便宜、维持费用低、通信效果好、实时性强的特点，在我国得到广泛使用。按照国家无线电管理委员会的规定，专门分配给水情遥测的超短波频段为230MHZ。无线超短波通信的采用移频键控FSK调制方式，将数字信号调制为模拟信号发送出去，接收方再将模拟信号解调为数字信号，传输速率为300波特率，8位数据位，无奇偶校验，1位停止位。（2）卫星通信振弦式传感器测量单元设计了卫星接口，当采集到变化的水位，进行处理计算后变成标准的数据帧传送给卫星终端，发送给远方的卫星终端。（3）GSM、GPRS通信系统中采用GSM短信通信时，通常采用自报工作体制，当遥测终端采集到变化的数值，进行处理计算后按短信数据格式编码后传送给短信模块，短信模块就近联络GSM基站，将短信内容发送到GSM短信中心，短信中心将按时序分发短信到目的短信模块上，即与中心站计算机连接的短信模块。短信模块的通信速率为9600波特率，8位数据位，无奇偶校验，1位停止位。GSM短信中心具有存贮功能，中心站停电或故障时，遥测站发送的短信暂时存贮在短信中心，待中心站正常工作时，短信中心将逐条发送到中心站短信模块，存贮到计算机中，保证了中心站故障时，遥测信息的完整性。图5-10 INTERNET和GPRS网络连接示意图（4）直接电缆连接 当用户关心的对象在小范围内时，为了给用户节约投资，可采用直接电缆连接的方式将传感器采集的信息送入计算机，不需要任何通信设备。当信息采集点在1.0公里范围内时，在信息采集点安装多个传感器(最多16个)，用1根4芯双绞线或4芯屏蔽线将传感器的信息连接到1.0公里范围内的振弦式传感器测量单元，定时采集各个传感器的信息，自动送入计算机，存入数据库中。6 桥梁和隧道监测预警子系统6.1 技术背景 桥梁管理信息系统研究最早出现在美国，在上世纪70年代初，美国建立了世界上第一个桥梁信息系统国家桥梁档案数据库(PONTIS前身)，进行全国桥梁相关资料的收集和整理。经过30多年的发展和充实，目前PONTIS已成为能记录、存储、更新和统计所有桥梁各项数据的桥梁数据库系统，同时还能对国家公路桥梁作出评定，并对候选项目进行优先排序，为桥梁重建和维修计划提供辅助决策。另外，美国许多较大的州，如纽约州、宾州、佛罗里达州等均自行开发了适合其自身需求与制度的桥梁管理系统。与此同时，其他一些国家也开发了各具特色的桥梁管理信息系统，如丹麦的DANBRO、芬兰的国家公路署管理系统、英国的NATS、加拿大的阿尔伯塔省桥梁管理系统、日本的MICHI等。 我国的桥梁信息管理系统研究始于80年代中期，交通部、四川省、上海、北京等公路科研机构最早开始桥梁管理系统的研究工作，并开发了各自的公路桥梁管理系统，如交通部公路科研所开发的“中国公路桥梁管理系统(CBMS)”，同济大学研发的“上海市城市桥梁管理系统”，浙江大学交通工程研究所研发的“文晖大桥斜拉桥健康检测评估管理系统”等。 目前隧道管理信息系统的开发偏重于项目级管理系统，如我国的青海马平隧道的综合监控运营管理系统，成功岭高速公路隧道监控系统，秦岭终南山隧道监控系统等。此外，对隧道管理信息系统的开发结构比较单一，只要集中于隧道环境量及机电设备的监控系统上，对开发网络级的功能齐全的隧道养护与智能管理系统较少。6.2 监测方案（1） 桥梁在线监测系统桥梁监测通过对特点参数的测量，能够对桥梁整体与局部性能、工作状态做出合理评估，为桥梁养护维修和管理决策提供科学依据，确保桥梁的安全运营。基于此目标，本监测方案重点突出桥梁的结构安全与健康监测相结合，为监控评估提供第一手数据信息。监测方案结合桥梁整体与局部的结构物理与力学状态、重要部位的工作状态及所处环境条件，监测重点包括桥梁主跨在内的典型桥身段、关键桥墩及主塔、主拉索、环境量等的监测。图6-1 桥梁观测仪器布置图1）监测内容结构应力应变监测：桥墩和主塔的结构应力应变监测、桥梁的应力应变监测、扰度、倾斜监测、温度监测、桥梁支座位移监测、索力荷载监测、环境量监测、安全视频监控。2）所用设备渗压计、大量程位移计、应变计、静力水准仪、倾角计，测缝计、温度计、钢筋计、钢索计、便携式读数仪、多通道振弦采集RTU。（2） 隧道监测系统1）系统概述隧道的环境较为特殊，因此对隧道的安全性及稳定性进行监测就显得尤为重要。本监测方案充分体现结构安全与运行安全相结合的特点，非常适用于各类隧道的安全监测。监测重点包括围岩稳定、隧道结构、支护措施、火情灾害、交通监控。图6-2 隧洞观测仪器布置图2）监测内容围岩变形、支护应力与荷载、围岩地下水、隧道衬砌混凝土与外荷载监测、其他监测、周围建筑物监测、隧道火精监测、交通情况视频监控。3）所用设备渗压计、位移计、应变计，倾角计，测缝计，固定测斜仪、钢尺收敛计、钢索计、多通道振弦采集RTU。7 水质监测子系统7.1 技术背景人类的活动会使大量的工业、农业和生活废弃物排入水中，使水受到污染。目前，全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的14以上。 对于南水北调这项世界上最宏伟的跨流域调水工程来说，水质的问题将关系到整个工程的成败。以中线为例，水源地的水质保护就是它的生命线。防污治污，将直接影响到整个中线调水，治理好汉江上游水源区的污染，特别是一些污染比较严重的支流，已成为迫在眉睫问题。未来的4年，水质保护和防污治污将面临严峻考验。如果治理速度赶不上污染速度，或是滞后于污染速度，那么“一库清水向北流”的梦想就有可能化为泡影。影响：1.危害人的健康：水污染后，通过饮水或食物链，污染物进入人体，使人急性或慢性中毒。砷、铬、铵类、苯并(a)芘等，还可诱发癌症。被寄生虫、病毒或其它致病菌污染的水，会引起多种传染病和寄生虫病 。2.对工农业生产的危害：水质污染后，工业用水必须投入更多的处理费用，造成资源、能源的浪费，食品工业用水要求更为严格，水质不合格，会使生产停顿。3.水的富营养化的危害 ：在正常情况下，氧在水中有一定溶解度。溶解氧不仅是水生生物得以生存的条件，而且氧参加水中的各种氧化-还原反应，促进污染物转化降解，是天然水体具有自净能力的重要原因。随着社会的发展，环境问题越来越突出。而且自ISO14000系列标准颁布以来，国内外立即掀起了检测和认证的热潮，企业的环保意识日益加强。7.2 系统框架系统由在线自动分析仪、网络传输及监测管理系统三部分组成。在线自动分析仪对监测点位水质的PH值、电导率、浊度及细菌数等因子进行监测；RTU通讯模块负责将监测到的数据通过有线电话拨号或GSM等方式传输给监测管理系统，监测管理系统对数据进行收集、存储、查询、统计、预警，并可根据客户需求定制特殊的功能模块，集成在监测系统中，满足客户对监测结果的不同需求。主要监测对象是水源地、泵站以及蓄水池。图7-1 水质监测系统框架图7.3 系统配置数据采集器：多通道数据采集仪 （1）传感器 溶解氧分析器 电导率变送器 智能PH变送器 大肠杆菌分析变送器 浊度计（2）通讯方式 GPRS 北斗卫星（3）供电方式 市电 太阳能+蓄电池 8 土壤墒情监测系统8.1 技术背景土壤墒情监测系统用来验证南水北调工程对所经区域墒情的影响。墒，指土壤适宜植物生长发育的湿度。墒情，指土壤湿度的情况。土壤湿度是土壤的干湿程度，即土壤的实际含水量，可用土壤含水量占烘干土重的百分数表示：土壤含水量=水分重/烘干土重100%。也可以土壤含水量相当于田间持水量的百分比，或相对于饱和水量的百分比等相对含水量表示。土壤水是植物吸收水分的主要来源（水培植物除外），另外植物也可以直接吸收少量落在叶片上的水分。土壤水的主要来源是降水和灌溉水，参与岩石圈-生物圈-大气圈-水圈的水分大循环。8.2 系统框架图8-1 土壤墒情监测系统框架图土壤墒情监测系统能够实现对土壤墒情（土壤湿度）的长时间连续监测。用户可以根据监测需要，灵活布置土壤水分传感器；也可将传感器布置在不同的深度，测量剖面土壤水分情况。系统还提供了额外的扩展能力，可根据监测需求增加对应传感器，监测土壤温度、土壤电导率、土壤PH值、地下水水位、地下水水质以及空气温度、空气湿度、光照强度、风速风向、雨量等信息，从而满足系统功能升级的需要。另外这些数据，可以为农业灌溉提供参考信息。8.3 系统配置数据采集器 多通道数据采集仪 （1）传感器 土壤水分传感器 土壤温度传感器等（2）通讯方式 GPRS 北斗卫星（3）供电方式 市电 太阳能+蓄电池 9 气象监测系统9.1 技术背景气象监测系统主要用于监测南水北调工程，对经过区域附近气象环境造成的影响。9.2 系统框架图9-1 气象监测系统框架图气象实时监测系统适用于风向、风速、气温、相对湿度、气压、蒸发等多个气象要素进行全天候现场监测。系统可自动采集气象监测数据，通过GPRS无线网络平台传送至气象监测中心服务器，工作人员足不出户，即可了解到各气象监测站的实时气象监测数据。9.3 系统配置数据采集器 多通道数据采集仪 （1）传感器 风速仪 风向仪 温湿度变送器 气压计 蒸发传感器（2）通讯方式 GPRS 北斗卫星（3）供电方式 市电 太阳能+蓄电池 9.4 现场安装图片图9-2 现状安装示意图1