摘要:
物聯(lián)網(wǎng)作為下一個推動世界高速發(fā)展的信息通信技術(shù),將被廣泛應用到各行各業(yè)。本項目將開展物聯(lián)網(wǎng)在地質(zhì)災害領(lǐng)域的應用基礎(chǔ)研究,擬研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的地質(zhì)災害遠程實時監(jiān)檢測系統(tǒng)。研究工作計劃分為2個階段5項主要內(nèi)容。首先是基礎(chǔ)平臺建設階段,重點設計可靠、可重構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和全天候、一體化大地信息采集智能終端。其次是關(guān)鍵技術(shù)研究階段,分別針對災害發(fā)生前、發(fā)生時和發(fā)生后全周期中所涉及的主要瓶頸問題,重點研究不同類型地質(zhì)災害檢測預警技術(shù)、災害區(qū)域識別與動態(tài)跟蹤技術(shù)和避難路徑實時規(guī)劃技術(shù)等,從而實現(xiàn)對地質(zhì)災害的全天候監(jiān)測、準確預警、有效應對和科學分析。最終,設計實現(xiàn)原型系統(tǒng),服務于國家防災救災工程,降低地質(zhì)災害造成的損失。
研究意義
物聯(lián)網(wǎng),是將各種信息傳感設備,如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡。其目的是將所有的物品都與網(wǎng)絡連接在一起,以便系統(tǒng)可以自動的、實時的對物體進行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應事件,實現(xiàn)信息的高速獲取和交換,從而更徹底地消除信息孤島的存在,使得人類的生產(chǎn)生活具有更高程度的智能化。物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮,這個概念打破了之前的傳統(tǒng)思維,過去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設施和IT基礎(chǔ)設施分開:一方面是機場、公路、建筑物,而另一方面是數(shù)據(jù)中心,個人電腦、寬帶等。目前,物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到人們的日常生活并且提供了一個很好的信息網(wǎng)絡架構(gòu),如軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理,以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域,尤其在實物環(huán)境監(jiān)測方面都有了廣泛的應用,傳感器技術(shù)的發(fā)展和應用更是為物聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展提供了有力的支持。
我國地域廣袤,地勢地形多種多樣,地質(zhì)災害時有發(fā)生。國土資源部統(tǒng)計表明,2012年全國共發(fā)生地質(zhì)災害14322起,致使375人死亡失蹤,直接經(jīng)濟損失52.8億元,其中滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害是導致人員傷亡和直接經(jīng)濟損失嚴重的主要原因。隨著地質(zhì)災害防治工作的深入開展,地質(zhì)災害氣象預警預報工作也亟待推廣,因而開展關(guān)于地質(zhì)災害的監(jiān)測預警工作就顯得十分關(guān)鍵。此外,地質(zhì)災害監(jiān)測還有一個重要的目的:具體了解和掌握災害發(fā)生前地表狀態(tài)的變化過程,及時捕捉災害發(fā)生的特征信息,做出正確的分析評價,從而為易受災地區(qū)的地質(zhì)災害治理工程提供可靠資料和科學依據(jù),同時,監(jiān)測結(jié)果也是檢驗災害治理工程效果的尺度。因此,監(jiān)測既是地質(zhì)災害預警信息獲取的一種有效手段,又是地質(zhì)災害調(diào)查、研究和防治工程的重要組成部分。
針對危巖、塌方、滑坡、地面沉降、地裂縫、泥石流,甚至地震等地質(zhì)災害問題,傳統(tǒng)的方法是人工監(jiān)測,通過攜帶監(jiān)測儀器現(xiàn)場測試的方式對異動信號進行收集,獲取地質(zhì)災害發(fā)生前的相關(guān)信息。但是,由于地質(zhì)災害發(fā)生的偶然性,以及部分地區(qū)惡劣的地形環(huán)境等因素,傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式無法及時有效地反映當前的監(jiān)測情況,也就不能準確地預防自然災害。因此,建立實時的自動化智能監(jiān)測預警系統(tǒng)是十分必要的。
“基于物聯(lián)網(wǎng)的地質(zhì)災害遠程實時監(jiān)測、檢測與災難救援系統(tǒng)”是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上搭建的一個集災前監(jiān)測預警、災時管理、災后災情分析于一體的智能平臺。采用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)特殊地段地質(zhì)災害的實時監(jiān)測是一種技術(shù)上的進步。由于無線傳感器網(wǎng)絡本身的低功耗、低成本、分布式、無線性、網(wǎng)絡的自組織性,而具有較強的抗破壞能力,因而可以在基礎(chǔ)通信設施可能被毀壞的情況下,完成一定的通信任務。因此,把無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)應用到特殊地帶的滑坡、泥石流、地震等自然災害監(jiān)測預警中,利用各種傳感器實時采集信息,通過無線的方式將信息傳輸給控制中心,能夠解決布設有線監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷,而且適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡信號無法覆蓋的偏遠山區(qū)的自然災害監(jiān)測。與此同時,無線傳感器網(wǎng)絡對該系統(tǒng)的技術(shù)支持也進一步體現(xiàn)出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的深入推廣和越來越廣泛的應用。
地質(zhì)災害可以視為一種具有生命體征的危機事件,這種危機顯示出有生有死的周期性特征,可以劃分為潛伏期、顯現(xiàn)期、突發(fā)期、衰減期和終止期5 階段,并周而復始。系統(tǒng)的設計模式比一般的災害預警系統(tǒng)更加細致和智能化,全周期的智能監(jiān)測使得在地質(zhì)災害發(fā)生的各個階段段都能夠提供實時數(shù)據(jù)作為參考。其主要功能特點如下:
1)災害發(fā)生前
通過傳感器網(wǎng)絡智能終端節(jié)點(即大地信息采集終端設備,在該系統(tǒng)中稱作“大地探測器)采集大地特征數(shù)據(jù)(溫度,光照,各個方向加速度等),將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送回基站并存入數(shù)據(jù)庫同時進行可視化分析,實時地獲知某一區(qū)域的地質(zhì)形態(tài)變化情況,結(jié)合地質(zhì)災害監(jiān)測模型,做出判斷或預警。
2)災害發(fā)生時
系統(tǒng)具有一定的健壯性,在災害發(fā)生時能夠持續(xù)采集實時數(shù)據(jù),監(jiān)測地質(zhì)環(huán)境的動態(tài)變化,合理管理發(fā)布最新災情信息,同時提供可行的人員財產(chǎn)疏散撤離方案,保證災時安全救援工作順利進行。
3)災害發(fā)生后
為了防止二次災害的損失,系統(tǒng)在災后將會繼續(xù)保持工作狀態(tài),采集災后實時數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)挖掘與分析,提供災后地質(zhì)環(huán)境變化數(shù)據(jù),優(yōu)化營救方案,盡量降低二次受災的可能性,為災情處理及災后救援重建工作的安全提供了有力的保障。
系統(tǒng)是一項惠民的開發(fā)項目,它一改傳統(tǒng)的人工監(jiān)測和儀器監(jiān)測,采用智能化、自動化、全周期的數(shù)據(jù)采集以及分析處理機制,對于地質(zhì)災害的監(jiān)測、預警以及分析具有實質(zhì)性的參考價值,為地質(zhì)災害的防治、預警以及成災機理的研究提供了有力的科學依據(jù)。
研究關(guān)鍵點:
1) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
國際電聯(lián)報告提出物聯(lián)網(wǎng)主要有四個關(guān)鍵性的應用技術(shù):標簽事物的RFID,傳感器,智能技術(shù)以及納米技術(shù)。基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)中采用無線傳感器網(wǎng)絡作為通信載體,無線傳感器網(wǎng)絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡,其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息,并報告給用戶。傳感器網(wǎng)絡具有大規(guī)模、自組織、動態(tài)性、可靠性、以數(shù)據(jù)為中心等特點,這對于在未知環(huán)境中進行監(jiān)測工作是十分有利的。目前,低功耗設計、多跳自組織網(wǎng)絡的路由協(xié)議設計、建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡等技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的重點。
2) 數(shù)據(jù)融合與決策
數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指利用計算機對按時序獲得的若干觀測信息,在一定準則下加以自動分析、綜合,以完成所需的決策和評估任務而進行的信息處理技術(shù)。數(shù)據(jù)采集入庫后據(jù)具有異構(gòu)性,無法直接進行決策,需要首先對其進行挖掘,建立相應的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以便后續(xù)的決策應用,這里需要應用到一系列的領(lǐng)域知識。通過數(shù)據(jù)融合將多個傳感器檢測的信息與人工觀測事實進行科學、合理的綜合處理。可以提高狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷智能化程度。
3) 地質(zhì)災害檢測模型與算法
檢測模型是災害預警的一個核心要素,數(shù)據(jù)挖掘分析需要有檢測模型作為參考,將數(shù)據(jù)庫中的環(huán)境數(shù)據(jù)和模型的參考數(shù)據(jù)進行比對,做出預警決策,這里應用到一系列的專家知識。檢測模型的獲得是需要反復進行試驗總結(jié)的,而且對于模型的不斷完善可以得到更為一般的、具有普適性的檢測模型。
4) 漸變事件邊界識別與跟蹤
漸變事件的跟蹤問題是物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域研究的異象重要課題,主要運用于諸如地質(zhì)災害擴散、火災蔓延、有毒化學品泄露等突發(fā)災害事件的區(qū)域跟蹤方面。由于物聯(lián)網(wǎng)終端感知節(jié)點的能量和計算機能力有限,運行環(huán)境惡劣和工作周期長等特點,導致對漸變事件的跟蹤精度逐漸降低甚至丟失。因此漸變事件邊界識別與跟蹤技術(shù)要同時解決邊界節(jié)點識別與邊界動態(tài)跟蹤的準確性、數(shù)據(jù)容錯性、實時性和低能耗性等問題。