利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力

2008年5月12日，發(fā)生在中國(guó)四川省汶川地區(qū)的8級(jí)特大?震災(zāi)害，牽動(dòng)了每一個(gè)中華兒女的心。地震災(zāi)害給汶川人民的生命財(cái)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(shù)棟房屋變成瓦礫，學(xué)校停課，工廠停工，地震造成的傷痕可能需要中國(guó)人民花費(fèi)十?dāng)?shù)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(xiàn)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)線傳感器行業(yè)多年，對(duì)其技術(shù)及應(yīng)用小有心得。在將多年與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)項(xiàng)目整理之后，終于有此篇文章問(wèn)世。

技術(shù)概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生于上世紀(jì)90年代末，最初是美國(guó)軍方提出用以進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的新技術(shù)，將大量的廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)遍布指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會(huì)盡收觀察者的眼中了。

該計(jì)劃由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校承擔(dān)研究任務(wù)，在初期產(chǎn)品完成后由美國(guó)Crossbow科技公司負(fù)責(zé)民用推廣。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要人為指定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其各個(gè)節(jié)點(diǎn)在部署之后可以自動(dòng)探測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)并形成網(wǎng)狀的最終匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的多跳路由，整個(gè)過(guò)程不需人為干預(yù)。同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)靈活性，在任何節(jié)點(diǎn)損壞，或加入新節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)都可以自動(dòng)調(diào)節(jié)路由，隨時(shí)適應(yīng)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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，去監(jiān)測(cè)人力難以到達(dá)的惡劣環(huán)境。汶川地震發(fā)生之后所有通信設(shè)施中斷，在后期只能依靠人力對(duì)余震、山體滑坡、堰塞湖等進(jìn)行檢測(cè)，效率低下，且缺乏量化數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析預(yù)測(cè)。如果在災(zāi)區(qū)部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就能有效解決這一問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積大多小巧，Crossbow公司的Mica系列節(jié)點(diǎn)僅為兩節(jié)五號(hào)電池大小，電池供電可以保證數(shù)月工作時(shí)間，不需現(xiàn)場(chǎng)拉線供電，非常方便在應(yīng)急情況下進(jìn)行靈活部署監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)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(guó)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(huì)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(duì)居民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅。

過(guò)去數(shù)十年內(nèi)在某些極其危險(xiǎn)地域發(fā)生了多次山體滑坡現(xiàn)象，因此政府部門(mén)試圖部署一種靈活穩(wěn)定的系統(tǒng)對(duì)山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。政府部門(mén)嘗試部署過(guò)多套有線方式的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，但是由于監(jiān)測(cè)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(lái)非常困難。此外，有線方式往往采用就近部署Datalogger的方式紀(jì)錄采集數(shù)據(jù)，需要專人定時(shí)前往監(jiān)測(cè)點(diǎn)下載數(shù)據(jù)，系統(tǒng)得不到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，靈活性較差。

Crossbow在與地理監(jiān)測(cè)專家進(jìn)行多次交流并進(jìn)行數(shù)次實(shí)地考察后，Crossbow幫助地質(zhì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測(cè)方案。山體滑坡的監(jiān)測(cè)主要依靠?jī)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(xiǎn)的區(qū)域，將會(huì)沿著山勢(shì)走向豎直設(shè)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(shù)個(gè)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(xiǎn)度的第一指標(biāo)。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(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

通過(guò)傾角傳感器我們可以監(jiān)測(cè)山體的運(yùn)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(gòu)成和侵蝕程度不同，其運(yùn)動(dòng)速度不同。發(fā)生這種現(xiàn)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(shù)據(jù)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲取到各個(gè)傾角傳感器的數(shù)據(jù)后，通過(guò)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(shì)和強(qiáng)度，并判斷其威脅性大小。

山體滑坡在地震之后的災(zāi)區(qū)隨處可見(jiàn)，尤其是交通要道兩側(cè)的山體滑坡對(duì)救援進(jìn)度更是會(huì)造成巨大的威脅，相信無(wú)數(shù)人仍然記得在聽(tīng)到理縣到汶川的生命線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(jiān)測(cè)

地震是由地殼變化釋放能量在地表形成機(jī)械波傳遞的現(xiàn)象。因此安置在地表的振動(dòng)傳感器可以用來(lái)檢測(cè)地震的發(fā)生和強(qiáng)度。四川汶川的地震強(qiáng)度8級(jí)，以及后續(xù)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(shù)據(jù)得出的。

當(dāng)然，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由于部署地點(diǎn)確定，使用有線監(jiān)測(cè)方式是較為合適的選擇。但是在應(yīng)急情況下，可以隨時(shí)部署獲取數(shù)據(jù)的無(wú)線地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)也具有相當(dāng)?shù)囊饬x。比如在地震之后用以監(jiān)測(cè)余震的發(fā)生，機(jī)械波的傳遞遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于無(wú)線電波，因此可以搶出寶貴的幾分鐘預(yù)警時(shí)間給救援人員后撤。

美國(guó)哈佛大學(xué)在去年部署了一套類似的應(yīng)急地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要部署在火山地區(qū)用來(lái)監(jiān)測(cè)因火山爆發(fā)而導(dǎo)致的地震信息。系統(tǒng)采用TelosB無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，搭載24位ADC用以監(jiān)測(cè)MEMS加速度計(jì)傳送的微弱振動(dòng)信息。節(jié)點(diǎn)以火山口為中心徑向部署，間隔數(shù)百米部署一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在部署完畢后可以監(jiān)測(cè)出地震沿徑向傳播各點(diǎn)的振動(dòng)信息。

類似的系統(tǒng)在余震監(jiān)測(cè)和震后應(yīng)急補(bǔ)充部署時(shí)將具有重要的意義。中國(guó)地震局、哈爾濱工程力學(xué)研究所、中國(guó)臺(tái)灣地震研究中心在近年都開(kāi)始進(jìn)行類似項(xiàng)目的研究。期待在不遠(yuǎn)的將來(lái)能有類似裝備問(wèn)世。