基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程、地質(zhì)自動(dòng)化安全監測產(chǎn)業(yè)鏈及工程應用

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程、地質(zhì)自動(dòng)化安全監測產(chǎn)業(yè)鏈及工程應用

我國地域遼闊，潛在地質(zhì)災害數量巨大，無(wú)論是自然形成或人類(lèi)活動(dòng)誘發(fā)的地質(zhì)災害還是大型工程結構自身，均需進(jìn)行安全監測，提前預測預報，減少人員和經(jīng)濟損失。目前的安全監測技術(shù)、手段或監測方法普遍存在效率不高、信息化程度低、專(zhuān)業(yè)化程度不夠、工作流程不適用、預警不及時(shí)等諸多問(wèn)題，影響了安全監測的實(shí)效性和可靠性，無(wú)法適應我國新形式下的防災減災需求。

主要技術(shù)內容：圍繞工程結構、地質(zhì)災害自動(dòng)化安全監測需求及特點(diǎn)，從節能、傳感、防護、有效預警技術(shù)幾方面著(zhù)手研究，建立底層技術(shù)支撐；以此為基礎運用電子集成、自動(dòng)化控制、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研發(fā)了一體化、自主工作的專(zhuān)業(yè)監測設備和監測執行機構，實(shí)現監測數據實(shí)時(shí)、穩定自動(dòng)獲??；基于監測數據和地理信息數據、歷史災害數據，開(kāi)發(fā)了具有對比、分析、學(xué)習能力的災害提前識別預警和項目管理為一體的綜合數據信息平臺以及基于連續-非連續（CDEM）介質(zhì)力學(xué)的安全分析方法模型。

本項目為企業(yè)自主項目，研發(fā)期間河北省科技廳、北京市科委、中國地質(zhì)調查局分別給予了立項支持。項目實(shí)施以技術(shù)內容為主線(xiàn)，攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，形成了較為完備的專(zhuān)業(yè)化、規范化、標準化的無(wú)人值守安全監測體系、技術(shù)支撐和監測系統。主要成果和創(chuàng )新如下：

1.提出了針對工程、地質(zhì)全自動(dòng)安全監測系統研發(fā)應用保障體系-321保障體系。三項底層支撐技術(shù)+兩個(gè)現場(chǎng)執行機構+一套功能完備的管理軟件系統，使本項目得以有理、有序逐步推進(jìn)。

2.攻克了野外（室外）無(wú)人值守監測設備的數據采集、超低功耗、適用工作流程、富網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫通訊、預警預報方式方法等關(guān)鍵技術(shù)難題，明確了惡劣環(huán)境下監測設備應具備的基本功能、性能，完成了自動(dòng)化監測底層技術(shù)積累。

3.針對工程、地質(zhì)無(wú)人值守永久監測特點(diǎn)，提出了專(zhuān)業(yè)化、一體化、自主工作的適用理念，研發(fā)了系列化的三十余種具有自主知識產(chǎn)權的專(zhuān)業(yè)化物聯(lián)網(wǎng)監測設備。為全自動(dòng)安全監測數據可靠、準確獲取提供了有利支持。

4.根據安全監測預報實(shí)效性的需求，將安全分析算法嵌入監測設備；提出了多途徑有效預警方式方法，研發(fā)了基于自建射頻網(wǎng)絡(luò )的區域化預警網(wǎng)絡(luò )及設備，實(shí)現現場(chǎng)數公里內的預警信息發(fā)布，同時(shí)也為防災減災科普宣傳、應急指揮提供了新的通訊渠道。

5.提出了以區域管理、項目管理、數據管理、人員管理、實(shí)時(shí)預報為主要功能的大數據安全信息平臺架構，開(kāi)發(fā)了基于地理信息與實(shí)時(shí)監測數據的時(shí)空大數據災害模型動(dòng)態(tài)識別算法和基于連續-非連續介質(zhì)力學(xué)的進(jìn)行定量化分析預警預報模塊，使災害防治由被動(dòng)防災向主動(dòng)防災轉變。

研發(fā)成果：發(fā)表論文65篇，專(zhuān)著(zhù)1冊；授權發(fā)明專(zhuān)利6項、授權實(shí)用新型專(zhuān)利22項、軟件著(zhù)作22項。

主要完成單位及創(chuàng )新推廣貢獻

河北穩控科技有限公司

總結并提出了能夠保障自動(dòng)化安全監測系統能夠穩定、可靠、高效運行的一系列技術(shù)手段和方法-“321安全監測保障體系”。提出了超低功耗技術(shù)層面解決方案、工作流程、有效預警實(shí)現方案和技術(shù)路線(xiàn)；完成了基于多種節電技術(shù)的低能耗技術(shù)、算法嵌入技術(shù)開(kāi)發(fā)，有針對性的研發(fā)了本項目中80%的工程、地質(zhì)專(zhuān)業(yè)化監測設備；提出了基于多種類(lèi)數據的綜合化信息平臺架構并搭建了基于地理信息系統和監測數據的數據管理平臺，實(shí)現了基于網(wǎng)絡(luò )的數據接收、反向控制、項目管理、網(wǎng)絡(luò )定向預警功能，完成了整個(gè)系統各個(gè)環(huán)節的雙向互動(dòng)通訊、數據發(fā)布等工作。使基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程、地質(zhì)安全監測系統具備了完整的體系結構和業(yè)務(wù)流程。在監測系統總體要求、體系組成構建、數據穩定性、可靠性和預警方式方法方面發(fā)作出了重要貢獻。

重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院

充分發(fā)揮區域和技術(shù)優(yōu)勢，針對極具代表性的長(cháng)江流域地質(zhì)災害提出了監測設備應具備的基本功能及性能；開(kāi)發(fā)了駐守人員及調查手持終端系統（群測群防電子表格），攻克了地質(zhì)環(huán)境條件復雜區域人員的持續精確定位難題；開(kāi)發(fā)了基于GIS基礎數據與監測數據融合的災害體智能識別功能模塊，提高了地質(zhì)災害預警預報的針對性和指導性；提供設備測試、驗證場(chǎng)地；在三峽庫區進(jìn)行了大量的項目實(shí)施，使本項目研發(fā)成果得以大范圍推廣應用。為本項目研發(fā)成果與區域產(chǎn)業(yè)對接應用方面做出了突出貢獻。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所

充分發(fā)揮自身學(xué)科優(yōu)勢、人才優(yōu)勢和科研優(yōu)勢的基礎，中科院力學(xué)所聯(lián)合院內外研究機構，組織滑坡災害研究團隊，在國家973、中國科學(xué)院重要方向性等項目等支持下深入參與了本項目實(shí)施過(guò)程，提出了基于監測數據及連續-非連續數值模擬的穩定性評價(jià)方法，研發(fā)了以地下深部破裂及大位移測量技術(shù)、土石混合體柔性邊界等應力加載測試技術(shù)、當前狀態(tài)評價(jià)方法為代表的一系列創(chuàng )新性成果，構建了監測預警系統，初步實(shí)現了災變體漸進(jìn)破壞過(guò)程的高相似度模擬與預測。提高了我國災害監測分析與預警水平，獲得了顯著(zhù)的社會(huì )經(jīng)濟效益，引領(lǐng)了我國地質(zhì)災害防治理論與技術(shù)的發(fā)展。

北京卓越經(jīng)緯測控技術(shù)有限公司

深入研究了本項目中監測設備的工作環(huán)境、防護等級需求，從工業(yè)產(chǎn)品和防護要求方面開(kāi)展監測設備系統集成研究，完成了監測設備環(huán)境適應性設計；深入研究并通過(guò)實(shí)驗驗證了一些公認的便于實(shí)現自動(dòng)化分析的計算方法，篩選了齋藤法、Vedlulst灰色系統理論法等二十余種安全分析、推測方法，完成了現場(chǎng)預警所需核心算法的代碼編寫(xiě)工作；采用數據模擬手段探索了基于監測數據和災變體結構的有限元計算方法；與河北穩控科技有限公司共同完成批量生產(chǎn)工作。

推廣應用及經(jīng)濟社會(huì )效益情況

應用情況：成果已得到廣泛應用，特別是華北地區和三峽庫區，基于本項目研發(fā)成果的應用已達數百個(gè)監測區域，成功預報各類(lèi)險情千余起（次），避免直接經(jīng)濟損失數十億元，起到了很好的引領(lǐng)和示范作用。