贺卫中1，李 博2，王建国2
（1.陕西省地质环境监测总站，陕西西安 710054；2.西安工业大学，陕西西安 710055）
摘 要：本文分析了国内外关于地质灾害监测的研究现状，构建了一种基于GPRS通信的地灾监测硬件系统架构，提高了地灾监测系统在恶劣环境中的可部署性；设计和开发了一套应用于地灾监测的软件系统。该软件系统采用三层架构模式，相比于传统的两层C/S结构，提高了系统的灵活性和可扩展性。实际应用结果表明，该系统可以较好地满足自动监测地灾数据的应用需求。
关键词：地灾；三层架构；自动监测
0 引 言
我国地质环境复杂，地质灾害（可简称为“地灾”）频发。从地质灾害的行政区域分布看，包括台湾省在内的31个省（市、自治区），除上海市基本无灾害活动外，其他省（市、自治区）均有不同程度的灾害活动。其中，陕西省属于5个极严重灾害省之一。而秦巴山区是陕西综合发展农林牧渔业等重要的生产基地。同时，也是陕西省地质灾害最严重的地区之一。地质灾害的频繁发生，已造成巨额的经济损失和大量的人员伤亡，严重地制约了地方经济的可持续发展，威胁着人民群众生命财产安全。如2015年8月，陕西山阳县山体滑坡，造成65人死亡或失踪。陕西秦巴山区的地质灾害主要类型是滑坡、崩塌、泥石流。灾难到来时，城镇被瞬间淹没，无数鲜活的生命顷刻消失，财产损失更是无法计算。
党中央和国务院十分重视地质灾害的防治与救援。2011年，国务院就先后颁布了《山洪地质灾害防治规划》《国务院关于加强地质灾害防治工作的决定》，明确了在我国地质灾害易发区建立地质灾害调查评价体系、监测预警体系、防治工程体系和应急体系的任务。2015年4月，以“城市化与地质灾害防治”为主题的全国地质灾害与防治战略学术论坛在甘肃省兰州市举办。
1 国内外研究现状
近年来，发达国家已经越来越重视地灾的实时监测，例如美国、欧洲、日本等都建立了滑坡泥石流实时监测系统，开发了相应的集数据采集、传输、处理、分析和管理于一体的监测预警系统。其中，日本在该领域的研制方面处于国际领先地位。他们以小规模地区的泥石流预报系统为主，通过对上游泥石流形成区降雨量进行统计分析，确定临界雨量值和临界雨量报警线，然后对上游雨量进行实时监测数据采集、演算和比较判别，自动发出报警信号，再辅助采用分布式监测传感器和视频传感器对泥石流进行监控和预警。美国地质调查局对一些重点滑坡进行实时监测，运用地面伸缩仪、倾斜仪、地声监测、地下水压力传感器和雨量计等进行实时监测。
我国建立的群测群防网络基本上覆盖了全国位于山区丘陵的县、市，在四川雅安、华蓥山地区、大渡河上游，云南哀牢山地区，福建泉州，陕西延安等地开展了地质灾害自动监测预警示范系统建设。在滑坡泥石流实时监测系统方面也进行了一系列的研究，在传感器方面，已经研制和应用了地面位移、地裂缝、地下位移、土壤含水率、地下水位（水压力）和水温、地声等多种监测传感器。我国现有滑坡泥石流实时监测系统的通信传输主要采用无线短信、ZIGBEE、GPRS和北斗一号卫星通信等方式，并在三峡库区和四川雅安等地开展了无线宽带通信传输的试验研究。这些技术和系统的应用在地灾的防治方面发挥了重要的作用，每年避免上千起地灾发生。
作者简介：贺卫中（1966—），男，陕西丹凤人，高级工程师，从事地质灾害调查与防治工作
但是，与国外相比，我国在滑坡泥石流灾害实时监测预警方面起步较晚，在监测数据宽带通信传输、智能传感器、监测预警模型和信息系统开发、相应的技术标准制定等方面还存在差距。群测群防监测手段大多采用人工收集方式，存在数据收集不及时、信息覆盖面不足等缺点。因此，为有效避免人员伤亡和财产损失，及时获取临灾信息，并进行预警十分重要。我们研制的地质灾害监测值守系统通过在一些监测点部署传感器，实时获取相关的地灾参数信息，并进行处理和预警，为地灾的防治提供技术支撑。
2 系统架构设计
地质灾害监测值守系统由5个部分组成，分别是前段传感网络、数据采集处理站（DCS：Data Collection Station）、数据传输网络、后台数据处理服务器和信息发布客户端。系统架构如图1所示。
图1 系统架构示意图
前段传感网络：由一些传感器组成，如裂变计、形变计、雨量计、位移仪、含水率测定仪等。这些传感器可以根据具体监测参数的需要而配置与部署。它们能够感知被监测对象，通常以模拟信号的方式输出监测结果。
数据采集处理站（DCS）：该设备是监测的核心设备之一，主要起数据的采集和处理作用。它们一般部署在距离监测点较近的地方，接收传感器感知的信息，并对这些感知信息进行数字化处理。功能较为强大的DCS还可以暂存、计算和处理监测到的数据，并能接收系统服务器端发来的指令，按照指令要求提供相应的服务。
数据传输网络：负责监测数据以及指令信息的传输。一般采用GPRS网络和Internet或者专用网络。传输媒介可以是有线或者无线，也可以是二者的结合。由于地灾监测点一般处于环境比较恶劣的地方，因此一般采用有线和无线相结合的方式。将监测数据通过无线网络传输到中心控制室（服务器），而中心控制室与各信息发布的客户端之间一般采用有线或者无线网络。
后台数据处理服务器：主要负责采集、存储和处理相关区域（如县、市等）的地灾监测数据。它与DCS之间一般通过GPRS交互，服务器的守护进程实时接收DCS发送来的监测数据，并对监测数据进行存储和处理。服务器还可以向DCS发送一些指令，如点测指令、召测指令、远程操作设置指令等。
信息发布客户端：主要负责监测数据信息的发布。同时为用户提供监测数据的检索、报表、趋势分析、预警等功能。它一般通过Internet或专用网络与后台数据处理服务器交互。
3 软件系统设计
地质灾害监测值守系统的软件系统主要负责数据的采集、处理、检索、趋势分析和预警。一般采用B/S或C/S架构。其中，服务器端的主要功能是：①接收数据采集处理站DCS发来的数据；②存储数据库；③转发客户端发送的各种命令（包括远程设备设置命令、设备较时命令、点测命令、召测命令等）；④响应客户端的需求（如响应客户端的数据需求、响应开关报警器）；⑤各种命令以命令列表的形式存储、定时转发；⑥声光色报警；⑦短信预警。
客户端的主要功能是：①监测点的配置（如配置市、县，安装位置，所属站号，站类型等）；②远程设备参数设置（如IP地址、采集周期、站地址等）；③数据管理（数据浏览、报表、趋势分析等）；④向服务器发送开关报警器命令；⑤权限管理和用户管理（省、市、县三级用户）；⑥数据实时显示。
软件系统采用三层架构设计，把系统的界面、业务、数据分离，各个层次各司其职。这样做的优点是使项目结构更清楚。系统能够高效、灵活地修改业务逻辑，添加新的设备类型、修改界面等，即实现了“高内聚，低耦合”的思想。图2为三层架构图。
图2 地灾监测系统三层架构图
3.1 表示层（UI：User Interface）
表示层也就是用户界面，承担着向用户显示问题模型、接受用户操作、I/O交互的作用。用户界面层应该尽可能地与业务逻辑分离、与数据模型分离。也就是说比较好的UI层在更换业务逻辑以及数据模型时不用做过多的修改就可以使用。
3.2 业务逻辑层（BLL：Business Logical Layer）
业务逻辑层在体系架构中的位置很关键，它处于数据访问层与表示层中间，起到了数据交换中承上启下的作用。业务逻辑层负责对用户界面层输入的数据进行有效性的验证，处理数据，根据业务逻辑层调用数据访问层相应的方法。或者从UI层接收数据，处理后再送回UI层。
在地灾监测系统中，考虑到系统的可扩展性、易维护性，将一些功能相似的算法单独抽取出来使用策略模式进行封装。这样做也有利于在开发过程中分工合作。BLL层的主要结构如图3所示。
图3 业务逻辑层类图
基类BllBase中定义了通用的数据验证方法，来处理数据合法性的业务逻辑，例如判断输入是否为数字，是否为站号，是否为中文等。
用户类Users和测站类Station类继承基类，并且分别拥有自己的业务逻辑处理方法，例如用户信息的增删改查，用户权限及登录的控制。
数据处理站类继承出5个设备类，它们分别有自己的对相应数据的操作方法，在数据分析和处理时可以方便地对某种设备的数据进行操作。同时数据处理类中定义了一个类型为Count的接口Count－Flow（）来进行降雨量计算，而接口Count不实现任何功能，只定义了方法名CountFlow（），具体的计算过程由一个具体的算法类继承该接口实现，例如在GLSCount类和LadderCount类中的CountFlow（）方法中实现了具体的计算过程。
例如计算显示降雨量时，首先实例化一个Flow类的对象flow，flow可以通过父类获取和操作站信息（站址，所属区域等），当需要使用算法时，可以通过父类的Set＿Count（）实例化某一个特定的算法接口，并且通过Get＿Count（）得到接口的返回值。这样将算法封装起来，并且使它们可以互相替换。实现了一种替代继承的方法，既保持了继承的优点（代码重用）还比继承更灵活（算法独立，可以任意扩展）。而且避免程序中使用多重条件转移语句，使系统更灵活，并易于扩展。
3.3 数据库访问层（DAL：Data Access Layer）
数据访问层主要是定义和维护数据的完整性、安全性，它影响逻辑层的请求，负责对所有数据库访问的操作。有时候也称为是持久层，也可以访问二进制文件、文本文档或是XML文档。简单的说法就是实现对数据表的Select，Insert，Update，Delete的操作。
DAL层主要分为两部分，一部分是屏蔽不同数据库操作差异，另一部分就是数据库访问。在这里通过简单工厂的方法来实现不同数据库连接的操作。其类图如图4所示。
图4 数据访问层类图
4 应用实例
我们开发的地质灾害监测值守系统在陕西省岚皋县已经安装运行。该系统前段传感网络由裂变计、形变计、雨量计组成。
自己设计开发的数据采集处理站（DCS）有5种类型，即地裂站、形变站、地裂雨量站、形变雨量站、地裂形变雨量站。这些DCS具有一发四收的功能，能接收传感器感知的信息，并对这些感知信息进行数字化处理，同时还可以暂存、计算和处理监测到的数据，并能接收和响应系统服务器端发来的指令。
数据传输网络采用GPRS网络和Internet。其中，DCS与服务器之间通过GPRS交互，服务器与信息发布客户端之间通过Internet交互。
后台数据处理服务器：主要负责采集、存储和处理相关区域（如县、市等）的地灾监测数据。服务器的守护进程实时接收DCS发送来的监测数据，并对监测数据进行存储和处理。服务器还可以向DCS发送一些指令，如点测指令、召测指令、远程操作设置指令等。
信息发布客户端：主要负责监测数据信息的发布，同时为用户提供监测数据的检索、报表、趋势分析、预警等功能。
系统主界面如图5所示。数据趋势分析如图6所示。
图5 系统主界面
图6 数据趋势分析
5 结 论
及时获取地质灾害监测数据并预警，能够有效减轻甚至避免地灾对群众的危害。本文研究的地质灾害监测值守系统构建了一种基于GPRS通信的地灾监测硬件系统架构，提高了地灾监测系统在恶劣环境中的可部署性。设计和开发一套应用于地灾监测的软件系统，提高了系统的灵活性和可扩展性，能够克服传统群测群防监测手段中的诸多弊端。实际应用结果表明，该系统可以较好地满足自动监测地灾数据的应用需求。
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