整理自中弘泰科公众号技术文章。点击配图可查看原图。

连续降雨后,一处滑坡隐患点的土壤含水量开始上升,位移变化也逐渐加快。

对项目负责人和现场值班人员来说,接下来需要弄清楚几件事:哪些位置出现了异常?变化是否持续?预警依据是什么?信息有没有送到责任人手里?

中弘泰科安全监测预警云平台,围绕这些实际工作,把监测数据、风险研判、分级预警和处置跟踪连接起来。

下面以“尖山营滑坡体”30天的模拟监测过程为线索,走一遍这套流程。

本文结合平台演示界面介绍功能设计。场景、监测数值及预警过程均为模拟展示;具体应用结合现场设备、数据条件和项目预案配置。

01 一张地图,找到需要关注的隐患点

打开监控总览,先看到各隐患点的空间分布和当前预警状态。

在演示场景中,尖山营滑坡体显示为橙色。点开地图标记,可以进一步查看隐患类型、监测点和设备数量、设备在线情况,以及周边受威胁对象等信息。

进入隐患点总览后,还能沿着具体监测点继续查看数据。

这套查看路径对应着不同岗位的工作需要:管理人员掌握项目整体状态,值班人员定位需要关注的位置,技术人员进一步查看异常对应的设备和测项。

从项目全局到一个监测点,风险状态与具体数据在同一条查看路径上衔接。

图 01 查看隐患点状态,逐层进入监测点详情。图中为模拟场景。
图 01 查看隐患点状态,逐层进入监测点详情。图中为模拟场景。

02 多源数据联动,看清变化的过程

把时间拨回模拟场景的前半段。

一次降雨后,含水量短暂上升,随后逐步回落,位移没有出现明显加速。在这一阶段,演示场景未满足所配置的预警条件,平台持续记录变化。

随后,连续降雨带来了不同的过程:含水量持续升高,地表位移开始加快,深部监测也出现了需要关注的变化。

这些信息需要放在一起看。

平台通过同一时间轴呈现降雨、含水量、地表位移和深部位移等数据,方便技术人员对照:变化先出现在哪里,哪些指标随后发生响应,当前趋势是否仍在持续。

深部监测还提供了另一个观察角度。通过位移随深度变化的剖面,可以关注不同深度的变形情况,再与地表监测相互参照。

多源联动的价值,是把分散的监测结果组织起来,为现场研判提供可对照的线索。

图 02 在共同时间轴上,对照降雨与不同位置的位移变化。图中为模拟数据。
图 02 在共同时间轴上,对照降雨与不同位置的位移变化。图中为模拟数据。

关联分析还可以把“雨量—地表位移”“雨量—深部位移”“地下水位—深部位移”等要素配对,观察响应滞后与变化的一致性。图中的相关系数 r、拟合指标 R²和滞后时间,用来辅助理解变化关系;是否构成预警,仍需按照已配置的触发条件判断。

图 03 对照变化过程、相关指标与响应滞后。图中均为模拟数据,相关性用于辅助研判。
图 03 对照变化过程、相关指标与响应滞后。图中均为模拟数据,相关性用于辅助研判。

03 预警规则:配置、回放与追溯

随着模拟场景中的异常变化持续,预警状态由黄色发展到橙色。等级变化的背后,是具体的监测条件、持续过程和规则配置。

规则能配置什么?

平台规则设计覆盖六类条件:

条件类型 判断什么 配置思路
数值阈值 当前值是否越过上限或下限 含水量、水位、倾角等与项目阈值比较
变化量 一段时间内累计变化多少 位移或裂缝开度在指定窗口内的增量
变化速率 变化是否加快 按1小时、6小时、24小时等窗口计算
连续变化与持续条件 异常是否持续 配置连续数据包、观察窗口或满足时长
多条件组合 多项条件是否共同满足 用“且/或”组合位移、含水量、水位等
雨强—历时条件 较强降雨持续了多久 基于实测雨量,配置雨强与持续时间

例如,可将“含水量超过项目阈值”“位移速率超过项目阈值”和“持续满足一段时间”组合为一条规则,再配置相应的蓝、黄、橙、红等级及通知动作。阈值和持续时间由现场条件、历史数据及项目预案共同确定。

一条规则,连起对象、条件与响应

规则配置页面展示了作用监测点、指标和单位、比较方式、组合条件、持续时长、触发等级、重发间隔及通知策略。规则关联监测点,设备更换后仍可沿着监测点关系维护对应规则。

以下三张连续界面截图保留预警规则页面从顶部到底部的内容,覆盖规则列表、全部模板、模型说明以及完整配置流程。

图 04 原页面连续截图之一:全部7条规则及组合条件设置。阈值、次数和项目名称均为演示内容。
图 04 原页面连续截图之一:全部7条规则及组合条件设置。阈值、次数和项目名称均为演示内容。

模板复用,配置后先看历史表现

页面列出了滑坡多参数联动、降雨型滑坡和危岩崩塌等模板,便于根据已安装测项选择起点,再调整指标、阈值和持续时长。

规则配置还包括历史回放:用指定时段的数据试跑,检查可能产生的触发次数、触发时刻和通知量;修改记录保留版本,便于核查和回滚。截图中的回放次数和使用数量均为演示值。

图 05 原页面连续截图之二:三类模板、持续条件、等级动作、历史回放及保存流程,保留与上下屏的重叠内容。
图 05 原页面连续截图之二:三类模板、持续条件、等级动作、历史回放及保存流程,保留与上下屏的重叠内容。

预报降雨、区域参考雨量与现场实测雨量需标清来源。天气信息用于补充趋势研判;现场触发条件使用哪些观测值,应按项目方案核验,不能把格点估算值直接当作现场实测值。截图中的天气关注项和数值用于展示配置方式。

模型是否可用,先检查数据条件

预警模型库展示算法名称、用途、参数完整性和当前可用状态。以斋藤法为例,当加速段数据不足时,页面提示暂不计算,待满足条件后再启用。截图中的“连续加速段≥7天”是演示配置,不是通用标准要求。

图 06 原页面连续截图之三:完整保留切线角、斋藤法、参数完整性及防抖说明。
图 06 原页面连续截图之三:完整保留切线角、斋藤法、参数完整性及防抖说明。

规则的价值,不只在于触发一个等级,还在于让条件可配置、触发过程可回看、修改记录可追溯。

04 算法如何参与研判,结果如何解释

先把速率算清楚

平台设计按真实时间间隔计算位移速率:v =(本次位移-上次位移)÷ 实际时间差。常规上报与异常加报的间隔不同,计算时保留时间戳,并统一指标单位。

进入模型前,还需检查缺测、异常尖峰、设备状态和数据有效性,避免将单次异常读数直接解释为持续变形。

改进切线角:识别变形阶段

改进切线角方法通过同量纲化处理,让位移随时间变化的趋势能够用可比较的角度表达。平台设计先确定等速段基准速率 v₀,再将累计位移 S 转换为 T = S / v₀,计算 α = arctan(ΔT / Δt)。在相同计算窗口下,也可理解为比较当前速率与基准速率的关系。

方法参考许强等关于改进切线角与滑坡预警判据的研究。演示界面采用以下分级表达:

改进切线角 α 演示阶段 对应等级
约45° 等速变形 蓝色·注意
45°<α<80° 初加速 黄色·警示
80°≤α<85° 中加速 橙色·警戒
α≥85° 加加速/临滑阶段 红色·警报

这些区间用于说明模型和演示分级。实际应用需核验变形机制、等速段基准、计算窗口及现场响应预案;角度判据不能脱离适用条件直接套用。相关阶段划分也见《新华滑坡变形演化规律与预警判据》。

图 07 完整保留模型读数、判据表、演变曲线及方法出处。角度与分级为模拟演示,需结合项目条件使用。
图 07 完整保留模型读数、判据表、演变曲线及方法出处。角度与分级为模拟演示,需结合项目条件使用。

斋藤法与反速度法:提供时间趋势参考

斋藤法基于加速蠕变过程估计可能的破坏时间;反速度法(INV)则分析速率倒数 1/v 随时间的变化。在满足近似线性加速特征时,可用 1/v = a·t + b 外推与时间轴的交点 t_f = −b/a。

外推结果随数据质量、拟合窗口和现场条件变化,应结合新数据持续更新,并以时间范围表达。反速度法的数据处理及适用限制可参见 Carlà 等的应用指南。

在平台设计中,白盒规则和改进切线角参与预警等级判定;斋藤法、规划中的INV分析用于辅助研判,AI用于解释信息和整理报告,均不直接决定预警等级。

稳定性与不确定性:让输入依据可追溯

具备相应地质资料和监测条件时,平台设计结合无限边坡模型分析安全系数 Fs:综合有效黏聚力、内摩擦角、坡角、滑面深度、土体重度及孔隙水压力,比较抗滑能力与下滑作用。

蒙特卡洛方法则在给定参数分布下重复取样,观察不同参数组合对应的 Fs;Fs<1的样本数 ÷ 总样本数,反映这一模型和假设下的失稳比例。它不能仅凭重复抽样,就直接证明“未来24小时发生滑坡的概率”;时间性判断还需要时变输入和现场验证。

预警理由页面把水位、含水量、位移变化与相关分析结果放在一起,方便技术人员核查本次研判依据。

图 08 将等级变化与监测指标、分析结果和时间联系起来查看。贡献分解为演示结果。
图 08 将等级变化与监测指标、分析结果和时间联系起来查看。贡献分解为演示结果。
图 09 完整保留原始演示卡片。23.5%及其区间为模拟展示值,不代表已经验证的24小时失稳预报能力;现场响应按项目预案执行。
图 09 完整保留原始演示卡片。23.5%及其区间为模拟展示值,不代表已经验证的24小时失稳预报能力;现场响应按项目预案执行。

关联分析与趋势推演:把变化过程连起来

关联分析可通过有效降雨量累计、不同滞后时间下的相关计算,帮助观察“降雨后多久出现响应”。平台设计中的有效降雨量采用 Eₜ = Pₜ + k·Eₜ₋₁,其中 Pₜ 为当期降雨量,k 为可配置的衰减系数。

后续趋势研判还可结合预报降雨、入渗与水量平衡简化计算,以及位移趋势外推。此类结果在图中用预测区和虚线区分,随实测数据更新;相关关系和趋势外推共同服务于专业研判。

一条预警应当讲得清:哪里发生了变化,命中了什么条件,依据来自哪些数据。

05 关注异常变化,也关注后续趋势

现场监测还需要关注发生在常规上报间隔内的变化。

对于具备设备端超限加报能力的裂缝计等设备,当变化达到设定条件时,可以主动加报异常数据,供平台及时接收和评估。具体加报机制与时效,按设备型号及现场通信条件确定。

在界面中,这类加报事件可以与常规数据、预警时间放在一起查看,方便回看异常出现的过程。

与此同时,平台在趋势分析中区分历史监测数据、预报降雨和趋势外推结果。

历史曲线用于了解已经出现的变化,预报降雨提供后续环境信息,趋势外推则展示在相应假设下可能的发展方向。随着新数据到来,研判也需要持续更新。

这些信息可为安排现场核查、巡查和应急准备提供参考,具体处置结合现场情况和项目预案执行。

图 10 红色空心圆标记一次模拟加报事件,便于回看异常变化。
图 10 红色空心圆标记一次模拟加报事件,便于回看异常变化。

06 从收到预警,到跟进处置

预警形成后,关键信息还要及时送达现场,处置过程也需要持续跟踪。

在演示的手机页面中,责任人可以查看隐患点位置、预警等级、触发原因和建议关注事项,并进行签收。

通知与处置流程设计还包括:按预警等级配置接收人员和通知通道,记录发送与回执状态,并跟踪签收进度。对于超时未确认的情况,可以按项目配置安排再次提醒或升级通知。

配置现场广播设备时,相应的通知与设备回执也纳入跟踪范围。

预警中心将这些过程组织成时间线,便于查看:

  • 预警何时触发,依据是什么;
  • 通知发给了谁,当前回执状态如何;
  • 哪位责任人已经签收;
  • 处置进行到哪一步,解除是否完成相应复核。

监测人员、项目负责人和现场责任人,可以围绕同一条预警跟进各自的工作。

图 11 完整呈现手机端预警信息与签收进度。图中为模拟场景,具体处置按项目预案执行。
图 11 完整呈现手机端预警信息与签收进度。图中为模拟场景,具体处置按项目预案执行。

07 根据现场条件,配置合适的分析能力

不同项目的监测目标和设备配置各不相同。

有的点位重点关注降雨和地表位移,有的还布设了深部位移、土壤含水量、地下水位和裂缝监测设备。可获得的数据不同,能够开展的分析也会有所区别。

平台按已接入的监测要素组织相应的数据展示、规则配置和关联分析。涉及进一步的稳定性分析时,还需要具备相应的地质资料、模型参数和数据条件。

对于当前数据条件尚不支持的分析,界面会提示所需条件,便于项目人员了解当前能看什么,以及后续需要补充哪些资料和设备。

08 标准与方法来源,明确各自的用途

监测工作、数据组织、通信和设备检测各有对应的技术要求;算法研究提供分析方法,具体项目再确定阈值、参数及响应流程。原文引用的相关标准如下,并附官方查询链接;具体项目采用前应核对适用版本。

相关标准规范

  • DZ/T 0460—2023《地质灾害自动化仪器监测预警规范》:作为自动化仪器监测预警工作的技术参考。2024年1月1日实施。官方信息
  • DZ/T 0442—2023《地质灾害监测预警数据库建设规范》:作为监测预警数据组织与数据库建设的参考。2023年11月1日实施。官方信息
  • DZ/T 0450—2023《地质灾害监测数据通信技术要求》:作为监测数据通信和平台对接的参考。2024年1月1日实施。官方信息
  • DZ/T 0439—2023《地质灾害监测预警设备检测技术要求》:作为配套监测预警设备检测工作的参考。2023年8月1日实施。官方信息

以上为本文技术参考,具体项目适用标准及符合性需结合建设范围逐项确认。项目早期资料中还参考了《地质灾害普适型仪器监测预警规范(报批稿)》;报批稿按其原有版本属性保留,正式项目引用需核对现行发布文本。

算法与研究文献

  • 许强、曾裕平、钱江澎等,2009:《一种改进的切线角及对应的滑坡预警判据》,《地质通报》28(4):501—505。DOI与出处
  • 许强、董秀军、李为乐,2019:《基于天—空—地一体化的重大地质灾害隐患早期识别与监测预警》,《武汉大学学报(信息科学版)》44(7):957—966。参考其专业监测与分级综合预警思路。期刊原文
  • Saito,1969:关于三级蠕变与斜坡破坏时间预测的研究;Fukuzono,1985:关于斜坡破坏时间预测与反速度方法的研究。文献信息及方法关系见下列指南的引言与参考文献。
  • Carlà等,2017:反速度法在告警阈值设置及滑坡、结构失稳预测中的应用指南,《Landslides》14:517—534,DOI:10.1007/s10346-016-0731-5。期刊原文

把标准依据、算法方法和项目参数写清楚,预警结果才更便于理解、复核与应用。

让监测信息,服务于每一步现场工作

回看这段模拟监测过程,平台串起了几个具体环节:

地图定位 → 多源监测 → 风险研判 → 分级预警 → 通知签收 → 处置跟踪。

对管理人员,重点是掌握需要关注的隐患点和处置进展;对技术人员,重点是查看变化过程和研判依据;对现场责任人,重点是及时获得信息,并按预案跟进。

这是中弘泰科安全监测预警云平台的建设思路:让监测结果便于查看,让预警依据便于核查,让现场处置有过程可跟踪。

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