利用无线传感器网络提高地质灾害监测能力

2008年5月12日，发生在中国四川省汶川地区的8级特大?震灾害，牵动了每一个中华儿女的心。地震灾害给汶川人民的生命财产带来了巨大的损伤，6万多鲜活的生命离开了我们，无数栋房屋变成瓦砾，学校停课，工厂停工，地震造成的伤痕可能需要中国人民花费十数年的时间去抚平。

痛定思痛，在捐款捐物，尽一份普通人的微薄之力之余，如何能够更有效的贡献出自己的能力成为环绕于作者脑海，久久挥之不去的念头。

作者服务于无线传感器行业多年，对其技术及应用小有心得。在将多年与地质灾害相关项目整理之后，终于有此篇文章问世。

技术概述

无线传感器网络诞生于上世纪90年代末，最初是美国军方提出用以进行战场环境监测的新技术，将大量的廉价传感器节点遍布指定区域，数据通过无线网络传回监控中心，监控区域内的所有信息就会尽收观察者的眼中了。

该计划由美国加州大学伯克利分校承担研究任务，在初期产品完成后由美国Crossbow科技公司负责民用推广。

无线传感器网络相对于传统的网络，其最明显的特色可以用六个字来概括，即“自组织，自愈合”。自组织是指在无线传感器网络中不像传统网络需要人为指定拓扑结构，其各个节点在部署之后可以自动探测邻居节点并形成网状的最终汇聚到网关节点的多跳路由，整个过程不需人为干预。同时整个网络具有动态灵活性，在任何节点损坏，或加入新节点时，网络都可以自动调节路由，随时适应物理网络的变化。这就是所谓的自愈合特性。

这些特点使得无线传感器网络能够适应复杂多变的环境，去监测人力难以到达的恶劣环境。汶川地震发生之后所有通信设施中断，在后期只能依靠人力对余震、山体滑坡、堰塞湖等进行检测，效率低下，且缺乏量化数据进行科学分析预测。如果在灾区部署无线传感器网络就能有效解决这一问题。无线传感器网络节点体积大多小巧，Crossbow公司的Mica系列节点仅为两节五号电池大小，电池供电可以保证数月工作时间，不需现场拉线供电，非常方便在应急情况下进行灵活部署监测并预测地质灾害的发生情况。

1.山体滑坡

香港由于存在大量山地地貌，城市居民人口众多，要求土地必须保持较高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山区附近。由于地处中国南方，地理位置决定了该地区降雨量常年偏高，尤其在每年夏季的梅雨季节，会出现大量的降水。不稳定的山地地貌在受到雨水侵蚀后，容易产生山体滑坡现象，对居民生命财产安全造成巨大的威胁。

过去数十年内在某些极其危险地域发生了多次山体滑坡现象，因此政府部门试图部署一种灵活稳定的系统对山体滑坡进行监测和预警。政府部门尝试部署过多套有线方式的监测网络，但是由于监测区域往往为人迹罕至的山间，缺乏道路，野外布线，电源供给等都受到限制，使得有线系统部署起来非常困难。此外，有线方式往往采用就近部署Datalogger的方式纪录采集数据，需要专人定时前往监测点下载数据，系统得不到实时数据，灵活性较差。

Crossbow在与地理监测专家进行多次交流并进行数次实地考察后，Crossbow帮助地质专业公司FT与Fugro在香港青山和大屿山地区部署了基于无线传感器网络的山体滑坡监测方案。山体滑坡的监测主要依靠两种传感器的作用，液位传感器以及倾角传感器。在山体容易发生危险的区域，将会沿着山势走向竖直设置多个孔洞，如图所示。

每个孔洞都会在最下端部署一个液位传感器，在不同深度部署数个倾角传感器。由于该地区的山体滑坡现象主要是由雨水侵蚀产生的，因此地下水位深度是显示山体滑坡危险度的第一指标。该数据由部署在孔洞最下端的液位深度传感器采集并由无线网络发送。

通过倾角传感器我们可以监测山体的运动状况，山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度不同。发生这种现象时我们部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据。在无线网络获取到各个倾角传感器的数据后，通过数据融合处理，专业人员就可以据此判断出山体滑坡的趋势和强度，并判断其威胁性大小。

山体滑坡在地震之后的灾区随处可见，尤其是交通要道两侧的山体滑坡对救援进度更是会造成巨大的威胁，相信无数人仍然记得在听到理县到汶川的生命线在打通后不到一天的时间就又因山体滑坡而中断时那揪心的感觉。

2.地震监测

地震是由地壳变化释放能量在地表形成机械波传递的现象。因此安置在地表的振动传感器可以用来检测地震的发生和强度。四川汶川的地震强度8级，以及后续的各次余震都是通过地震局汇聚部署在各地的振动传感器信息，再还原为地震中心点的振动数据得出的。

当然，地震监测网络由于部署地点确定，使用有线监测方式是较为合适的选择。但是在应急情况下，可以随时部署获取数据的无线地震监测网络也具有相当的意义。比如在地震之后用以监测余震的发生，机械波的传递远远慢于无线电波，因此可以抢出宝贵的几分钟预警时间给救援人员后撤。

美国哈佛大学在去年部署了一套类似的应急地震监测系统，主要部署在火山地区用来监测因火山爆发而导致的地震信息。系统采用TelosB无线传感器节点，搭载24位ADC用以监测MEMS加速度计传送的微弱振动信息。节点以火山口为中心径向部署，间隔数百米部署一个节点。在部署完毕后可以监测出地震沿径向传播各点的振动信息。

类似的系统在余震监测和震后应急补充部署时将具有重要的意义。中国地震局、哈尔滨工程力学研究所、中国台湾地震研究中心在近年都开始进行类似项目的研究。期待在不远的将来能有类似装备问世。