基于WSN的高速列车运营周边山体滑坡监测方案设计

基于WSN的高速列车运营周边山体滑坡监测方案设计目录一、前言..............................................................................................................................................1二、整体方案设计...........................................................................................................................2三、监测系统的构成......................................................................................................................31）传感器............................................................................................................................................42）节点的安装部署.........................................................................................................................53）无线组网.......................................................................................................................................64）数据传输.......................................................................................................................................8四、投资预算....................................................................................................................................9基于WSN的高速列车运营周边山体滑坡监测及预警方案设计一、前言1、铁路滑坡研究背景及意义滑坡在地质学中被定义为仅次于地震的第二大地质灾害。山体滑坡是我国山区地带最常见、最易发的地质灾害，能在短时间内迅速掩埋或摧毁铁路涵洞、轨道路基和桥梁场站等铁路基础设施，严重影响铁路运输安全。中国的铁路，除东部平原、浅丘地区外，大部分铁路依山傍水，均受到滑坡的严重威胁。据不完全统计，中国铁路沿线共有大中型滑坡一千余处，且分布具有不均匀性。滑坡危害严重的主要有宝成、成昆、宝天、太焦、鹰夏、川黔等干线和福建省潭龙、外福、陕西省梅七等支线，平均分布密度一般在每百公里10处左右，个别可达20处甚至更多。滑坡危害较重的有贵昆、湘黔、黔桂、湘渝等干线和云南省昆河等支线，平均分布密度为每百公里5-10处。从全国范围看，绝大多数的滑坡分布于中国的南方和西北地区，约占全国铁路滑坡总数的五分之四。在国内，从1949年以来，先后发生中断铁路运行的滑坡、泥石流灾害300多起，有33座车站被毓埋。成昆铁路铁西车站内1980年7月3日15时30分发生的滑坡，可以说是迄今为止发生在我国铁路史上最严重的滑坡灾害，被称为“铁西滑坡”。该滑坡体从长120米，高40～50米的采石场边坡下部剪切滑出。剪出口高出采石场坪台和铁路路基面10米。滑坡体填满采石场后，继续向前运动，掩埋铁路涵洞、路基，堵塞铁西隧道双线进洞口，堆积在路基上的滑坡体厚达14米，体积为220万立方米。越过铁路达25～30米，掩埋铁路长160米，中断行车40天，造成的经济损失仅工程治理费就达2300万元。2010年5月23日，沪昆铁路山体滑坡造成客车脱线事故，机车及机后第1至9位车辆脱线，中断行车18天。2013年8月2日，内昆铁路滑坡。滑坡致使西南大动脉—内昆铁路约1000米被冲毁，中断行车17天。2013年8月18日，受台风“尤特”带来的暴雨影响，京广线多处路段遭遇滑坡、泥石流等地质灾害，致广州站所有列车停运。滑坡的存在要求采用一种成本低、易于推广、有效地监测手段对于这些潜在或是正在滑动的滑坡体进行监测，以便及时采取安全预防措施，避免当大面积滑坡产生时造成难以预料的损失。高速列车运营周边山体滑坡监测及预警的研究，对于火车的安全运营、人民的生命财产安全有着十分重要的意义，可产生明显的社会效益和经济效益。对滑坡灾害的监测预报不仅是必需的，而且是可能的。我国在滑坡灾害预测预报方面已取得了显著的成绩。例如1995年1月27日下午，铁道部科学研究院西北分院黄茨滑坡监测组依据半年来获得的大量调查、监测资料，通过数次分析计算，对该滑坡发生的时间作出了成功的预报，避免了滑坡和公路间60余户居民的人员伤亡。2、铁路滑坡研究现状人类与滑坡灾害的斗争有着很悠久的历史，但是，专门的、系统的研究是从20世纪第二次世界大战以后才开始的。2.1国内铁路滑坡研究的现状我国对滑坡灾害的工程实践与科学研究，最早始于50年代初期，早在1956年，铁道部门就成立了专门的滑坡研究机构。五六十年代主要集中在个别大型滑坡工点的研究和实践，研究滑坡的地质条件，作用因素，诱发因素，发生机理，破坏模式，运动规律和有效的防治工程措施。到70年代，在大量工程实践的基础上，对滑坡灾害由被动治理转入主动预测预报，开始滑坡灾害区域规律的研究。进入八十年代，随着社会主义经济建设的高速发展，建设规模不断扩大，及山区大量开发利用，滑坡灾害对人类生存环境的危害和威胁愈来愈大，因而滑坡灾害研究空前活跃。我国铁道部门进行了滑坡调查勘探方法，综合监测预报技术和新型抗滑工程措施等多项系统的综合性研究。2.2基于无线传感器网络（WSN）的山体滑坡监测技术研究现状目前滑坡监测预警系统的监测数据主要采用有线方式传输。但是山区地理条件复杂、线路架设困难，以及供电难以保证，使基于有线技术构建的系统部署困难；并且系统内部的节点往往采用简单串联的线状部署方式，容易由节点故障引发区域失效，使整个系统的有效性、可靠性受到影响。而现有无线手段如GPS、合成孔径雷达干涉测量，需要卫星等外部设备支持，成本高、消耗大，不适合大范围推广和使用。无线传感器网络起源于美国，可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。美国商业周刊和MIT技术评论在预警未来发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响力技术和改变世界10大技术之一。作为一种由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络，它综合了传感器技术，嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式模块对信息进行处理，并通过无线通信网络或其他形式的传输网络将信息传送至远端监控中心。近几年来，随着无线传感器网络技术的不断发展，基于WSN的灾害监测系统的应用越来越广泛。无线传感器网络是一种全新的网络化信息采集、传输和处理技术，由于其具有低功耗、网络自组织、无需布线和抗毁性强等特性，特别适用于工业级的数据监测应用。同时，传感器节点成本低廉，可以实现对铁路沿线关键区域的大范围部署，保证数据采集的广度和精度，能够为山体滑坡状态监测和提前告警提供海量数据基础。无线传感器网络可以通过在检测坡体上布置大量的压力、位移、湿度等传感器节点，对区域进行实时监测，并且将传感器获得的数据进行打包，然后通过节点上的网络传输模块利用Internet、GPRS网络传输到终端，利用终端数据处理软件对传感器监测到的数据进行分析利用，可以对我们所关心各项数据进行实时动态监测，还可以通过软件编程实现预警功能。减少了大量的人力工作，使得监测预警更加全面、准确、及时。将WSN应用于山体滑坡监测已成为各国研究开发的重点，一些研究所和公司在这方面进行了大量的工作，做出了丰硕的成果和产品。印度理工学院设计的应用于山体滑坡的无线传感器分布式监测系统，该系统设计主要包括两部分：1)系统的容错能力、能量的利用效率和路由协议；2)发生山体滑坡时的分布式决策方法。为了测试系统的监测效果，设计人员模拟岩石样本的压力变化，对其进行监测，从而验证系统的监测能力，并得出系统的能量消耗、路由效率、以及决策效果。但该系统采集的监测信息少，并且没有在实际中进行验证，其在恶劣环境下可靠性有待进一步校验，系统对山体滑坡监测预报的准确度还有待证明。日本立命馆大学开发出一种自组网和自愈合的无线传感器网络网络滑坡监测系统，该系统对节点的工作模式进行以下分类：初始化模式、测量模式和紧急模式。节点根据具体的环境监测信息，自动选择工作模式，实现数据的及时可靠传输，并最终实现山体滑坡的预警预报。该系统采用加速度传感器和土壤湿度传感器监测山体信息，并对加速度积分得到速度，再次积分得到位移，由于加速度处理过程中，误差较大，不能满足山体滑坡监测中对位移的监测精度，影响系统的监测效果。美国约翰霍普金斯大学提出一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测三步预报算法：1)传感器节点监测山体区域表面位移，从而区别滑动区域和静止区域；2)滑动区域的传感器节点通过三边测量机制进行节点定位并计算节点位移；3)根据节点位移的方向和位置计算滑动面的位置，结合土壤信息，采用有限元模型预测山体是否滑坡以及滑坡的时间。虽然仿真实验表明该算法十分有效，且达到厘米级精度，但在实际的滑坡监测环境中，外界干扰较大，定位精度很难得到保证，所以该算法很难准确得到滑坡位移，其可靠性以及系统的稳定性有待进一步证明。2009年，香港科技大学几名学生共同研发出一套无线传感器网络滑坡预警系统。SangeethKumar和ManeeshaVinodiniRamesh2人研究了一种体系结构，这种结构可以通过布设在危险区域（潜在滑坡）的传感器节点进行实时监测，并能通过GPRS、Internet等网络，将数据及时传送到数据处理中心，通过滑坡模拟软件来进行危险预警。2008年2月，该系统布设在印度西南部喀拉拉邦(WesternGhatsofKerala，India)，2009年7月雨季即成功预测了滑坡灾害。在国内，只有西安交通大学计算机学院的王延颖和杨斌开发了基于WSN的山体滑坡实时监测系统。该系统专注于uC/OS-II操作系统的移植和传感器网络拓扑结构两部分，其中，拓扑结构控制的路由算法对路由选择的控制力较弱，不能精确进行路由选择，容易造成节点数据包的无效发送，浪费节点能量，路由选择是没有考虑节点的剩余能量，容易造成节点的提前死亡，影响网路的生命周期；数据的远程传输采用GSM短信方式而没有采用GPRS数据传输方式，造成数据传输延迟大、费用高、实时性差，不满足成本低、高实时性的要求，严重影响了系统的整体性能。二、整体方案设计（1）系统整体方案设计1、方案一中国的铁路，除东部平原、浅丘地区外，大部分铁路依山傍水，均受到滑坡的严重威胁。从全国范围看，绝大多数的滑坡分布于中国的南方和西北地区，约占全国铁路滑坡总数的五分之四。滑坡是指场地由于地层结构、河流冲刷、地下水活动、人工切坡及各种震动等因素的影响，致使部分或全部土体(或岩体)在重力作用下，沿着地层软弱面(或软弱带)整体向下滑动的不良地质现象。滑坡稳定性的监测涉及到一系列特定的参数及其随时间的变化量，如降雨量、土壤温湿度、地下水位及移动特征，其中最重要的两个参数是移动特征和地下水位。滑坡的移动特征则由滑动面的深度、方向