利用無線傳感器網(wǎng)絡提高地質災害監(jiān)測能力

2008年5月12日，發(fā)生在中國四川省汶川地區(qū)的8級特大?震災害，牽動了每一個中華兒女的心。地震災害給汶川人民的生命財產(chǎn)帶來了巨大的損傷，6萬多鮮活的生命離開了我們，無數(shù)棟房屋變成瓦礫，學校停課，工廠停工，地震造成的傷痕可能需要中國人民花費十數(shù)年的時間去撫平。

痛定思痛，在捐款捐物，盡一份普通人的微薄之力之余，如何能夠更有效的貢獻出自己的能力成為環(huán)繞于作者腦海，久久揮之不去的念頭。

作者服務于無線傳感器行業(yè)多年，對其技術及應用小有心得。在將多年與地質災害相關項目整理之后，終于有此篇文章問世。

技術概述

無線傳感器網(wǎng)絡誕生于上世紀90年代末，最初是美國軍方提出用以進行戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測的新技術，將大量的廉價傳感器節(jié)點遍布指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內的所有信息就會盡收觀察者的眼中了。

該計劃由美國加州大學伯克利分校承擔研究任務，在初期產(chǎn)品完成后由美國Crossbow科技公司負責民用推廣。

無線傳感器網(wǎng)絡相對于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡，其最明顯的特色可以用六個字來概括，即“自組織，自愈合”。自組織是指在無線傳感器網(wǎng)絡中不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡需要人為指定拓撲結構，其各個節(jié)點在部署之后可以自動探測鄰居節(jié)點并形成網(wǎng)狀的最終匯聚到網(wǎng)關節(jié)點的多跳路由，整個過程不需人為干預。同時整個網(wǎng)絡具有動態(tài)靈活性，在任何節(jié)點損壞，或加入新節(jié)點時，網(wǎng)絡都可以自動調節(jié)路由，隨時適應物理網(wǎng)絡的變化。這就是所謂的自愈合特性。

這些特點使得無線傳感器網(wǎng)絡能夠適應復雜多變的環(huán)境，去監(jiān)測人力難以到達的惡劣環(huán)境。汶川地震發(fā)生之后所有通信設施中斷，在后期只能依靠人力對余震、山體滑坡、堰塞湖等進行檢測，效率低下，且缺乏量化數(shù)據(jù)進行科學分析預測。如果在災區(qū)部署無線傳感器網(wǎng)絡就能有效解決這一問題。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點體積大多小巧，Crossbow公司的Mica系列節(jié)點僅為兩節(jié)五號電池大小，電池供電可以保證數(shù)月工作時間，不需現(xiàn)場拉線供電，非常方便在應急情況下進行靈活部署監(jiān)測并預測地質災害的發(fā)生情況。

1.山體滑坡

香港由于存在大量山地地貌，城市居民人口眾多，要求土地必須保持較高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山區(qū)附近。由于地處中國南方，地理位置決定了該地區(qū)降雨量常年偏高，尤其在每年夏季的梅雨季節(jié)，會出現(xiàn)大量的降水。不穩(wěn)定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易產(chǎn)生山體滑坡現(xiàn)象，對居民生命財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。

過去數(shù)十年內在某些極其危險地域發(fā)生了多次山體滑坡現(xiàn)象，因此政府部門試圖部署一種靈活穩(wěn)定的系統(tǒng)對山體滑坡進行監(jiān)測和預警。政府部門嘗試部署過多套有線方式的監(jiān)測網(wǎng)絡，但是由于監(jiān)測區(qū)域往往為人跡罕至的山間，缺乏道路，野外布線，電源供給等都受到限制，使得有線系統(tǒng)部署起來非常困難。此外，有線方式往往采用就近部署Datalogger的方式紀錄采集數(shù)據(jù)，需要專人定時前往監(jiān)測點下載數(shù)據(jù)，系統(tǒng)得不到實時數(shù)據(jù)，靈活性較差。

Crossbow在與地理監(jiān)測專家進行多次交流并進行數(shù)次實地考察后，Crossbow幫助地質專業(yè)公司FT與Fugro在香港青山和大嶼山地區(qū)部署了基于無線傳感器網(wǎng)絡的山體滑坡監(jiān)測方案。山體滑坡的監(jiān)測主要依靠兩種傳感器的作用，液位傳感器以及傾角傳感器。在山體容易發(fā)生危險的區(qū)域，將會沿著山勢走向豎直設置多個孔洞，如圖所示。

每個孔洞都會在最下端部署一個液位傳感器，在不同深度部署數(shù)個傾角傳感器。由于該地區(qū)的山體滑坡現(xiàn)象主要是由雨水侵蝕產(chǎn)生的，因此地下水位深度是顯示山體滑坡危險度的第一指標。該數(shù)據(jù)由部署在孔洞最下端的液位深度傳感器采集并由無線網(wǎng)絡發(fā)送。

通過傾角傳感器我們可以監(jiān)測山體的運動狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構成和侵蝕程度不同，其運動速度不同。發(fā)生這種現(xiàn)象時我們部署在不同深度的傾角傳感器將會返回不同的傾角數(shù)據(jù)。在無線網(wǎng)絡獲取到各個傾角傳感器的數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)融合處理，專業(yè)人員就可以據(jù)此判斷出山體滑坡的趨勢和強度，并判斷其威脅性大小。

山體滑坡在地震之后的災區(qū)隨處可見，尤其是交通要道兩側的山體滑坡對救援進度更是會造成巨大的威脅，相信無數(shù)人仍然記得在聽到理縣到汶川的生命線在打通后不到一天的時間就又因山體滑坡而中斷時那揪心的感覺。

2.地震監(jiān)測

地震是由地殼變化釋放能量在地表形成機械波傳遞的現(xiàn)象。因此安置在地表的振動傳感器可以用來檢測地震的發(fā)生和強度。四川汶川的地震強度8級，以及后續(xù)的各次余震都是通過地震局匯聚部署在各地的振動傳感器信息，再還原為地震中心點的振動數(shù)據(jù)得出的。

當然，地震監(jiān)測網(wǎng)絡由于部署地點確定，使用有線監(jiān)測方式是較為合適的選擇。但是在應急情況下，可以隨時部署獲取數(shù)據(jù)的無線地震監(jiān)測網(wǎng)絡也具有相當?shù)囊饬x。比如在地震之后用以監(jiān)測余震的發(fā)生，機械波的傳遞遠遠慢于無線電波，因此可以搶出寶貴的幾分鐘預警時間給救援人員后撤。

美國哈佛大學在去年部署了一套類似的應急地震監(jiān)測系統(tǒng)，主要部署在火山地區(qū)用來監(jiān)測因火山爆發(fā)而導致的地震信息。系統(tǒng)采用TelosB無線傳感器節(jié)點，搭載24位ADC用以監(jiān)測MEMS加速度計傳送的微弱振動信息。節(jié)點以火山口為中心徑向部署，間隔數(shù)百米部署一個節(jié)點。在部署完畢后可以監(jiān)測出地震沿徑向傳播各點的振動信息。

類似的系統(tǒng)在余震監(jiān)測和震后應急補充部署時將具有重要的意義。中國地震局、哈爾濱工程力學研究所、中國臺灣地震研究中心在近年都開始進行類似項目的研究。期待在不遠的將來能有類似裝備問世。