利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )提高地質(zhì)災害監測能力

2008年5月12日，發(fā)生在中國四川省汶川地區的8級特大?震災害，牽動(dòng)了每一個(gè)中華兒女的心。地震災害給汶川人民的生命財產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損傷，6萬(wàn)多鮮活的生命離開(kāi)了我們，無(wú)數棟房屋變成瓦礫，學(xué)校停課，工廠(chǎng)停工，地震造成的傷痕可能需要中國人民花費十數年的時(shí)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(wù)于無(wú)線(xiàn)傳感器行業(yè)多年，對其技術(shù)及應用小有心得。在將多年與地質(zhì)災害相關(guān)項目整理之后，終于有此篇文章問(wèn)世。

技術(shù)概述

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )誕生于上世紀90年代末，最初是美國軍方提出用以進(jìn)行戰場(chǎng)環(huán)境監測的新技術(shù)，將大量的廉價(jià)傳感器節點(diǎn)遍布指定區域，數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳回監控中心，監控區域內的所有信息就會(huì )盡收觀(guān)察者的眼中了。

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

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )相對于傳統的網(wǎng)絡(luò )，其最明顯的特色可以用六個(gè)字來(lái)概括，即“自組織，自愈合”。自組織是指在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中不像傳統網(wǎng)絡(luò )需要人為指定拓撲結構，其各個(gè)節點(diǎn)在部署之后可以自動(dòng)探測鄰居節點(diǎn)并形成網(wǎng)狀的最終匯聚到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的多跳路由，整個(gè)過(guò)程不需人為干預。同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )具有動(dòng)態(tài)靈活性，在任何節點(diǎn)損壞，或加入新節點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò )都可以自動(dòng)調節路由，隨時(shí)適應物理網(wǎng)絡(luò )的變化。這就是所謂的自愈合特性。

這些特點(diǎn)使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能夠適應復雜多變的環(huán)境，去監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(jìn)行檢測，效率低下，且缺乏量化數據進(jìn)行科學(xué)分析預測。如果在災區部署無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就能有效解決這一問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)體積大多小巧，Crossbow公司的Mica系列節點(diǎn)僅為兩節五號電池大小，電池供電可以保證數月工作時(shí)間，不需現場(chǎng)拉線(xiàn)供電，非常方便在應急情況下進(jìn)行靈活部署監測并預測地質(zhì)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附近。由于地處中國南方，地理位置決定了該地區降雨量常年偏高，尤其在每年夏季的梅雨季節，會(huì )出現大量的降水。不穩定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易產(chǎn)生山體滑坡現象，對居民生命財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。

過(guò)去數十年內在某些極其危險地域發(fā)生了多次山體滑坡現象，因此政府部門(mén)試圖部署一種靈活穩定的系統對山體滑坡進(jìn)行監測和預警。政府部門(mén)嘗試部署過(guò)多套有線(xiàn)方式的監測網(wǎng)絡(luò )，但是由于監測區域往往為人跡罕至的山間，缺乏道路，野外布線(xiàn)，電源供給等都受到限制，使得有線(xiàn)系統部署起來(lái)非常困難。此外，有線(xiàn)方式往往采用就近部署Datalogger的方式紀錄采集數據，需要專(zhuān)人定時(shí)前往監測點(diǎn)下載數據，系統得不到實(shí)時(shí)數據，靈活性較差。

Crossbow在與地理監測專(zhuān)家進(jìn)行多次交流并進(jìn)行數次實(shí)地考察后，Crossbow幫助地質(zhì)專(zhuān)業(yè)公司FT與Fugro在香港青山和大嶼山地區部署了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的山體滑坡監測方案。山體滑坡的監測主要依靠?jì)煞N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)生危險的區域，將會(huì )沿著(zhù)山勢走向豎直設置多個(gè)孔洞，如圖所示。

每個(gè)孔洞都會(huì )在最下端部署一個(gè)液位傳感器，在不同深度部署數個(gè)傾角傳感器。由于該地區的山體滑坡現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。該數據由部署在孔洞最下端的液位深度傳感器采集并由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送。

通過(guò)傾角傳感器我們可以監測山體的運動(dòng)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(dòng)速度不同。發(fā)生這種現象時(shí)我們部署在不同深度的傾角傳感器將會(huì )返回不同的傾角數據。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )獲取到各個(gè)傾角傳感器的數據后，通過(guò)數據融合處理，專(zhuān)業(yè)人員就可以據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隨處可見(jiàn)，尤其是交通要道兩側的山體滑坡對救援進(jìn)度更是會(huì )造成巨大的威脅，相信無(wú)數人仍然記得在聽(tīng)到理縣到汶川的生命線(xiàn)在打通后不到一天的時(shí)間就又因山體滑坡而中斷時(shí)那揪心的感覺(jué)。

2.地震監測

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

當然，地震監測網(wǎng)絡(luò )由于部署地點(diǎn)確定，使用有線(xiàn)監測方式是較為合適的選擇。但是在應急情況下，可以隨時(shí)部署獲取數據的無(wú)線(xiàn)地震監測網(wǎng)絡(luò )也具有相當的意義。比如在地震之后用以監測余震的發(fā)生，機械波的傳遞遠遠慢于無(wú)線(xiàn)電波，因此可以搶出寶貴的幾分鐘預警時(shí)間給救援人員后撤。

美國哈佛大學(xué)在去年部署了一套類(lèi)似的應急地震監測系統，主要部署在火山地區用來(lái)監測因火山爆發(fā)而導致的地震信息。系統采用TelosB無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，搭載24位ADC用以監測MEMS加速度計傳送的微弱振動(dòng)信息。節點(diǎn)以火山口為中心徑向部署，間隔數百米部署一個(gè)節點(diǎn)。在部署完畢后可以監測出地震沿徑向傳播各點(diǎn)的振動(dòng)信息。

類(lèi)似的系統在余震監測和震后應急補充部署時(shí)將具有重要的意義。中國地震局、哈爾濱工程力學(xué)研究所、中國臺灣地震研究中心在近年都開(kāi)始進(jìn)行類(lèi)似項目的研究。期待在不遠的將來(lái)能有類(lèi)似裝備問(wèn)世。