基本信息
- 项目名称：
- 山体滑坡自动监测预警系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 滑坡是全世界常见的自然地质灾害。针对实际需求,在滑坡体自动监测、无线局域网络传输、险情预报等方面展开了深入研究。在继承前人研究成果的基础上设计制作了“山体滑坡自动监测预警系统”。为了能够掌握滑坡孕育过程，全方位捕捉滑坡信息，同时传感器应具有精度高、反应快速高效、可广泛应用等特点，从监测滑坡原始信息着手，把“设计制作具有自主知识产权的倾角、地声、土壤含水量传感器”作为研究本课题的重点。
- 详细介绍：
- 山体滑坡是常见自然地质灾害,给国家建设和人民生命财产造成严重损失，实时监测山体状态，并发布滑坡预警信息对防灾减灾具有重要意义。 本作品是从滑坡产生的物理过程着手，在继承前人研究成果的基础上设计制作专门用于获取滑坡体变化过程物理信息的倾角、滑坡运动地声和土壤含水量三种传感器： 倾角传感器： 使用MMA7361芯片配合外围电路设计制作的倾角传感器对倾角变化十分敏感。水平放置时，传感器输出恒定，随着倾角的增大，输出电压线性增长，输出信号经放大后角度分辨力可达94mV/度。 地声传感器： 使用传振棒连接驻极体提取地声信号，并放大后实时监测地声信息。发生滑坡时产生的地声波频率在10Hz—150Hz范围，但主要集中在30Hz—80Hz。 土壤含水量传感器： 采用双线圈系，通过测量土壤的感应涡流在接受线圈上产生的电动势，确定土壤的电导率，从而得到土壤的含水量大小。根据实验，接收线圈中的电压信号随着土壤含水量的增大而减小，呈现线性关系。经过实验优化选择600kHz的交流信号作为输入信号，以获取最高的灵敏度。 三种传感器组合构成监测节点，并配套一个无线收发装置和太阳能供电装置。在滑坡体内布设多组节点，实时综合监测滑坡的孕育过程。 在邻近的，1-2公里范围内的村庄、居民点、公路、铁路、江河两岸近处及其他可能受灾区域的预警点，设置信息分析处理和预警中心。采用基于Zigbee协议的CC2530无线通讯模块组成无线局域网络，将传感器在坡体获取的监测信息传输到信息分析处理和预警中心，对多个节点的监测信息进行整体分析处理，做出预警决策，从而实现对山体滑坡的预警。 所有设备均采用太阳能供电，无需立杆送电，节省人力和资源。 创新点： 1. 原创设计三种专用传感器获取滑坡体变化过程的三种物理信息：倾角、地声及土壤含水量，充分利用现代微电子、微机电和电磁学等新技术； 2. 利用现代无线网络技术构建坡体险情信息监测网络，坡体不同监测点获取的信息自动汇总并综合分析决策预警，可实现无人值守自动预警； 3. 采用太阳能电池供电，无需立杆送电，节省人力和资源。 4. 提出滑坡预报和早期治理研究的新观念：从工程实际出发，注重生产、安装、施工等技术。 技术特点和优势： 本作品从工程实际出发，注重生产、安装、施工等技术，设计制作山体滑坡险情监测专用传感器，并采用太阳能供电和无线网络传输，避免了山区立杆送电和拉线的难题，易于工程实现，且系统造价低，长寿命，可无人值守，实现自动预警。 适应范围及推广前景 作品设计充分考虑了山区的地形特点和资源条件，安装简便，无需专业人员操作，且成本低，可广泛布设并推广应用于山区的村庄、居民区、重要铁路和公路等附近的山体，应用前景广阔。 市场价值及经济效益 我国山地面积广阔，地质灾害高发，本作品的研究成果对提高山体滑坡的早期预报和防灾减灾工作水平具有重要的社会效益意义。系统具有成本低、长寿命、安装简便、操作简单等特点，它的推广应用经济效益显著。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：山体滑坡是常见自然地质灾害,给国家建设和人民生命财产造成严重损失，实时监测山体状态，并发布滑坡预警信息对防灾减灾具有重要意义。 设计思路：本作品从信息检测着手，在继承前人研究成果基础上，选取坡体倾角、滑坡运动地声和土壤含水量三种物理量，设计制作专门用于获取滑坡体变化过程物理信息的三种传感器，组合构成监测节点，在一处坡体布设多组节点，实时综合监测滑坡的孕育过程。利用现代无线局域网络技术将传感器在坡体获取的监测信息传输到邻近1-2公里范围内的村庄或可能受灾地区，再对多个节点监测信息进行整体分析处理，做出预警决策，实现山体滑坡预警。所有设备均采用太阳能供电。 创新点：1. 原创设计三种专用传感器获取滑坡体变化过程的三种物理信息：倾角、地声及土壤含水量，充分利用现代微电子、微机电和电磁学等新技术；2. 利用现代无线局域网络构建坡体险情信息监测网络，坡体不同监测点获取信息自动汇总并综合分析决策预警，可实现无人值守自动预警；3. 太阳能电池供电，无需立杆送电，节省人力和资源；4. 提出滑坡预报和早期治理研究的新观念：从工程实际出发，注重生产、安装、施工等技术。 技术关键：1.设计制作专用传感器。注重工艺制造技术，保证长寿命，低成本； 2.无线传输系统安装工程质量保证，数据处理预警显示的现代技术。 技术指标： 传感器：倾角：0—25度，10mV/度；地声频率：15—150Hz；土壤含水量：40mV/mm 局域网：无线频率：2.4G；波特率：38400bps无遮挡：800m
科学性、先进性
- 研究从山体滑坡孕育过程入手，观测物理现象获得原始信息，在研究观念上科学地从滑坡源头做起，由信息检测深入，对滑坡关键信息进行分析处理，并在前人研究成果的基础上融合新的观点，以微机械电子、信息、计算机技术为基础，创造性设计制作三种专用于山体滑坡监测的传感器： 倾角传感器：测滑坡地段倾角的变化，由微机械电子模块构成，其电信号输出大小即反映滑坡体倾角的变化。 地声传感器：测滑动时产生的次声波转变成电信号，经处理可反映滑动地段移动倾斜时特有的声音特性。 土壤含水量传感器：测滑坡地段因雨水或地下水的浸入导致土壤中含水量的变化，泥土中含水量的多少表征了坡体下滑的难易程度。 这三种传感器采用微机械电子模块和电磁技术，构成了实现滑坡全方位监测的专用传感器。通过它们将滑坡孕育过程中的原始信息转变成电信号，并实现数字化、智能化，对滑坡变化过程全面科学地剖析，了解其本质状态，最终做出科学准确的判断。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 三种传感器构成一个节点，选取可能发生滑坡的区域根据需要布设多个节点，每个节点配套一个无线收发装置和太阳能供电装置；在邻近的，1-2公里范围内的村庄布置一套信息分析处理和预警中心。技术特点和优势: 本作品从工程实际出发，注重生产、安装、施工等技术，设计制作山体滑坡险情监测专用传感器，并采用太阳能供电和无线网络传输，避免了山区立杆送电和拉线的难题，易于工程实现，且系统造价低，长寿命，可无人值守，实现自动预警。 适应范围及推广前景: 作品设计充分考虑了山区的地形特点和资源条件，安装简便，无需专业人员操作，且成本低，可广泛布设并推广，应用于山区的村庄、居民点、重要铁路和公路等附近的山体，应用前景广阔。 市场价值及经济效益: 我国山地面积广阔，地质灾害高发，本作品的研究成果对提高山体滑坡的早期预报和防灾减灾工作水平具有重要的社会效益意义。系统具有成本低、长寿命、安装简便、操作简单等特点，它的推广应用经济效益显著。
同类课题研究水平概述
- 山体滑坡监测预报研究是科学界公认的尖端课题，国家列为十二•五长远规划。形成因素具有复杂性与多样性，因形成条件、诱发因素具有随机性和非稳定性[1]。国内外滑坡监测预报研究，分滑坡灾害的预测预报研究和监测技术研究。 一、滑坡灾害的预测预报研究 二战以后，人们才广泛开始对滑坡进行专门、系统的研究，国内外滑坡预报研究的发展，分为三个阶段： 1.采用经验-统计学方法预报阶段（20世纪80年代之前） 2.预测滑坡学形成阶段（20世纪80年代） 3.现代科技全新预报阶段（20世纪90年代以后）[2] 通常采用的方法有两类：空间预测和时间预测。空间预测从传统安全系数法到现在模糊理论综合评判法, 时间预报从斋滕法到现在人工智能理论的引入，但由于工程地质条件的复杂、自然条件的变化以及人类工程活动等因素的随机性和不可控制性, 所以对滑坡做出准确可靠的预报还是十分困难的。 二、滑坡灾害的监测技术研究 滑坡监测分变形监测,物理与化学场监测和诱发因素监测三类。变形监测主要监测坡体形变；物理与化学场监测包括应力监测、地声监测、放射性元素测量等；诱发因素监测用以监测滑坡的主要诱发因素,包括气象监测、地下水动态监测等[3]。 近年来监测方法及仪器取得了长足进步, 现代物理, 特别是电子技术的成就, 已广泛应用于地质、水文测量仪器仪表中, 有多点位移计、应力计、雨量计及测斜仪等。20 世纪80 年代中期出现全站仪, 利用全站仪导线和电磁波测距三角高程方法进行变形监测。但上述方法都需要人到现场观测, 工作量大,很难实现无人值守[4]。国内滑坡监测多为水文和地质部门设长期观测站，普遍缺点是仪器贵重，需专人执守，且连续观测能力较差，需要定期实地采集数据和处理。 国内外也有利用仿生传感器[5]监测技术以及融合了GPS全球定位、时域反射测试技术TDR等新兴技术的大范围滑坡监测。一些国内外学者认为光纤传感器系统具有广泛应用前景，但现有技术还存在不足：传感光纤对多种信号敏感，其中温度与其待测量分量不易准确分离；光纤传感器封装埋入地下技术等具体问题还有待解决[6]。因此，虽然它覆盖面积广，但工程量大，不易普及实现。 参考文献见论文文档中的参考文献。
