第22卷第1期2021年1月
电气技术
Electrical Engineering
V ol.22 No.1
Jan. 2021
张同伟李凌瑛
（云南电网公司迪庆供电局，云南迪庆 674400）
摘要为降低地质灾害对供电线路的影响，需要对山体滑坡进行连续观测，获取地质情况变动的动态信息。传统监测方法在耗费大量人力和物力的同时难以保证可靠性。为实现在线监测地质变动情况，本文提出了一种基于北斗高精度定位系统的地质灾害监测方法。通过北斗高精定位技术和无线通信技术，实现地质情况的在线监测，支撑电力设备运维人员及时准确实施灾害预防及救援措施，为地质灾害预警系统建设提供了借鉴。
关键词：北斗系统；地质灾害；在线监测；山体滑坡
Construction of geological disaster monitoring system
based on Beidou system
ZHANG Tongwei LI Lingying
(Diqing Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Corporation, Diqing, Yunnan 674400)
Abstract In order to reduce the influence of geological disasters on power supply lines, it is necessary to continuously observe the landslides and obtain the dynamic information of geological changes. Traditional monitoring method consumes a lot of manpower and material resources, but it is difficult to ensure the reliability. In order to realize on-line monitoring of geological changes, a geological disaster monitoring method based on high-precision Beidou Positioning System is proposed. Through the Beidou high-precision positioning technology and wireless communication technology, the online monitoring of the geological conditions is realized. It will support the operation and maintenance personnel of power equipment implement disaster prevention and rescue measures timely and accurately. It provides a reference for the construction of geological disaster early warning system.
Keywords：Beidou system; geological disaster; online monitoring; landslide
0 引言
迪庆州位于云南西北部的滇、藏、川三省区的交界地带，总面积达23 870km2。迪庆州是一个地域面积辽阔，且山体滑坡、覆冰、泥石流等自然灾害多发的地区。背板制作
2017年6月29日，迪庆州德钦县升平镇发生泥石流灾害，淤泥达200m3。2018年8月2日，迪庆州境内国道G215线香格里拉尼西—维西塔城段，吉仁河桥头香格里拉岸附近发生山体滑坡灾害，滑坡土方量约6km3，路面阻断长度达60m。坐落在这些地区的电网设备经常遭受地形沉降灾害，导致电网设备严重受损。
目前，迪庆供电局输电线路长达 2 160km，其中241.26km处于覆冰区，140km处于重覆冰段。为提高迪庆电网泥石流、山体滑坡灾害的防治能力，减少灾害导致的人员伤亡和电网资产损失，急需科学有效的预防机制。在灾害发生前，及时准确地实施预防及救援措施，使灾害造成的电网损失降到最低，对确保电网安全运行有着重大的意义。
文献[1]结合北斗导航系统与无线传感网络测量技术对泥石流监测系统进行了设计，能够实现基于BP神经网络构建的预警模块的灾害评估。文献[2]对地质灾害数据的收集与分析系统的关键技术进行了研究， 设计了采集终端、数据传输与处理分析系统。文献[3]设计了搭载高精度北斗接收机的边坡监视系统。文献[4]提出了边坡在线监测系统自适应的多代理分层嵌套实现方法，提高了在线监测网络的
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可靠性。文献[5]以汉十高速某填方高边坡为例，通过实时监测数据分析监测点累积位移和位移速率，判断边坡的稳定性。
山体滑坡监测需要一种可以进行连续观测的手段以获得地质现象及环境的动态信息。若采用传统人员巡视的方法监测，则将耗费大量人力物力，而且实施可靠程度难以保证。
随着可视化技术的发展，视频或者图像获取其形态、纹理等影响特征，能宏观、真实地显示地貌特征，而图像识别法受地表覆盖物影响较大，图像识别的方法难以准确监测地质灾害初期的地表形变量变化[6]。
针对这一情况，基于我国北斗卫星导航系统，结合自主研发的高精度北斗监测设备，开发出一套低成本、高精度的地面位移、沉落和偏移实时监测系统。基于现代传感器技术和无线通信技术，实现对地质灾害的实时监测，支撑供电公司设备运维人员及时准确地实施灾害预防及救援措施，提高电网灾害防治能力，减少灾害导致的人员伤亡和电网资产损失，保障电网安全运行。
本文以迪庆州基于北斗系统的地质灾害监测系统建设为着手点，分析了系统目标、建设方案、技术路线、部署方式和运行情况，为地质灾害预警系统的开发与实施提供了借鉴。
1 北斗高精度定位技术
通过北斗系统可以提升输电系统在线监测水平。文献[7]利用北斗系统对时功能来改进电流差动保护对时功能。文献[8]基于北斗系统对时功能设计了特高压直流电流互感器现场校准装置，为输电系统的控制、保护和测量提供保障。文献[9]对北斗定位系统在输电线路地质灾害预警中的应用展开研究，对北斗定位系统的业务应用进行了梳理与分析。文献[10]对北斗定位性能进行分析评估，表明其定位性能能够满足地质灾害的预警需求。文献[11]提出了利用北斗定位系统进行毫米级定位的方法，表明北斗系统可以实现水平1mm、高程2mm以内的定位精度。
北斗高精度毫米级后处理平台主要涉及数据源包括观测数据、监测点观测数据以及星历、精密星历。基于业务数据的安全性以及资源专有性的考虑，单独搭建专有服务系统，将参与解算的参考站观测数据以及星历和精密星历数据解算引擎部署到局内机房，包括解算任务的调度、解算引擎、监控、管理等都在客户的专有服务系统上完成。
北斗高精度毫米级后处理依托云南地区国家北斗地基增强系统的北斗卫星定位地基增强站，通过云端一体化监测终端及后处理的高精定位差分算法，以开放应用程序编程接口（open application program
ming interface, Open API）方式提供毫米级位置计算服务，实现高精度监测。基于北斗高精度的防灾减灾监测系统，可实现对滑坡、沉降、泥石流等地质灾害的监测，自动、连续地监测因地表沉降、地质灾害、洪水等引起的电网铁塔位移和倾斜变化。
北斗高精定位技术可以实现定位点高精度二维倾角信息的数据采集。通过对定位点倾角信息进行连续观测，可以对定位点的滑坡、沉降状况进行判断。
2 系统建设
2.1 建设目标
地质灾害监测系统建设目标如下：
1）构建基于北斗系统的防灾减灾平台。以轻量可视化的地理信息系统（geographic information system, GIS）技术平台为基础，构建基于北斗卫星系统的集灾害数据采集、数据传输、数据处理及预警、数据展现于一体的防灾减灾平台。
2）实现灾害的实时监测。在迪庆供电局范围内选取重点管控的变电站、线路、杆塔，分别完成监测点的安装部署，实现地表位移、倾斜、深部位移、水雨震情、视频图像等信息的实时在线监测及预警；提供防灾减灾的辅助决策。基于灾害监测数据、电网基础信息、位置信息等，开展地质灾害的统
计、分析、预测等应用，提供灾害的关联分析报告，支撑迪庆供电局防灾减灾的辅助决策。
2.2 功能划分
1）地质灾害监测数据采集与存储。通过安装的地质灾害监测终端进行监测点周边的位移、沉降、水雨情、视频图像等信息实时监测、采集与传输，及时获取地质灾害数据，并进行数据的存储处理，支撑分析应用。
2）地质灾害预警。在GIS地图上展现迪庆供电局范围内安装的灾害监测终端位置，实时展示地质灾害监测数据，对超过位移、沉降阈值的终端及监测终端周边受影响的变电站、线路、杆塔进行分析
2021年1月张同伟等基于北斗系统的地质灾害监测系统建设101
预警。
3）地质灾害历史回溯。选择时间范围，依次查看地质灾害监测对应的灾害影响变电站、线路、杆塔信息，展现地质灾害监测的变化趋势。
4）地质灾害预测。通过历史地质灾害监测数据的分析挖掘，出监测数据的变化规律，进行灾害的预测分析，提供防灾减灾决策依据。
5）地质灾害统计分析。按年、月、日统计地质灾害监测点周边受影响的杆塔和线路信息，支持统计报表的查询和导出应用。
2.3 技术路线
基于北斗系统的地质灾害监测系统总体架构主要由数据层、服务层及展现应用层组成，如图1所示。
数据抽取
排放因子
图1总体架构
图1中，数据层从资产、GIS、监测终端等获取数据，包括变电站、线路、杆塔台账数据以及地质灾害监测数据等。
服务层由数据服务、图形引擎、报表服务、计算服务等构成。
展现层包括实时预警、灾害回溯、灾害预测和综合分析。
基于北斗系统的地质灾害监测系统技术架构主要由数据层、服务层、网络层、展现层4层构成，如图2所示。
图2系统技术架构
3 部署与运行情况
3.1 系统部署
根据迪庆供电局电网设备分布，针对滑坡高风险点，部署监测点，实时获取监测数据，实现了灾害的实时预警和分析，支撑供电局运维人员开展电网设备的防灾减灾工作，使灾害造成的电网损失降到最低，以确保电网安全运行。
基于北斗系统的地质灾害监测系统网络结构包括外网、内网隔离区（demilitarized zone, DMZ）以及内网安全Ⅲ区。网络传输系统部署示意图如图3所示。
硬件平台资源需求：
1）应用服务器。128G内存及以上，1T存储及以上，统一应用云南电网公司云电智云平台软硬件资源，统一数据存储，统一应用构建。
图3网络传输系统部署示意图
102 电气技术第22卷第1期
2）GIS服务器。128G内存及以上，2T存储及以上。
3）数据库服务器。128G内存及以上，2T存储及以上。
4）地质灾害监测终端。具备位移、沉降的实时监测及数据传输。
3.2 监测点选点安装
对临近公路的四处输电线路易发地质灾害区段进行了监测设备的安装施工，共安装监测设备4套，监测易发地质灾害区段4处。各监测点情况如下：1）S237省道146km处监测点。此处位于澜沧江左岸，受澜沧江水流侵蚀，岸边区域出现大规模地基下沉现象，公路路面塌陷严重，严重影响过往车辆安全，给周边输电线路造成重大安全隐患。
2）G353宁福线3 790km+500km处监测点。此处位于澜沧江右岸，上边坡山体经常性发生泥石流灾害，严重影响道路交通安全，也为输电线路安全运行带来了不稳定因素。
3）214国道2 036km处。此处紧邻悬崖，下边坡由于地质不稳定等因素，经常发生滑坡塌方现象，现场路面还出现大面积下沉。
4）214国道2 193km处。此处紧邻山坡谷口，夏季受雨水冲刷，易出现滚石和泥石流现象，严重时可能造成交通受阻、电力线路运行中断等。
3.3 典型监测数据分析
自2019年12月1日起，陆续安装各隐患点监测设备，各监测点监测数据实时发送至地质灾害预警平台。平台对各个监测点倾斜数据进行实时监测。当发生自然灾害，致使监测点出现倾斜、沉降、滑坡等现象时，系统自动预警并记录。
监测点的安装方式如图4所示。整体结构由钢制构架固定于边坡平台处。北斗天线位于钢制构架顶端，其通过与北斗导航定位卫星数据交互来实现定位功能。钢制构架两侧安装太阳能电池板，为监测终端提供能源供应。控制箱内配备有储能电池和无线通信模块。储能与太阳能电池板的间歇式出力配合，为监测终端提供持续能源供应。无线通信模块将监测终端得到的数据上传至北斗监测平台。
图4监测点的安装方式
图5为监测点地理信息显示界面。系统将监测点地理信息映射到地图中，方便运维人员掌控监测点地理位置信息。
图5监测点地理信息显示界面
2021年1月张同伟等基于北斗系统的地质灾害监测系统建设103
图6所示为237国道146km处监测点2019年12月的气象数据。目前监测的气象数据包括风速和降雨量信息。在查询周期内，风速不超过4m/s，未出现降雨，故雨量趋势曲线图无任何信息。气象监测信息为地质灾害预警提供了辅助判据。
测试56（a）风速趋势曲线图
（b）雨量趋势曲线图
图6237国道146km处监测点2019年12月气象数据图7所示为237国道146km处监测点2019年12月的测
量数据。测量数据为两个相互垂直方向的倾斜率信息。受昼夜温差影响，监测元件测量存在温度漂移，倾斜率数据呈现周期性变化，尤其在线路垂向方向上变化尤为显著。对4个监测点数据进行分析，倾斜率变化数据不超过3‰。数据波动变化幅值较小，速率较慢，不影响地质灾害情况的准确判别。
图7237国道146km处监测点2019年12月测量数据
4 结论
通过在地质灾害多发地带安装具有北斗高精定位功能的监测终端，实现了监测点的倾斜量测量，为地质灾害的实时监测与预警提供了有效技术手段。
通过构建数据传输网络与数据分析平台，可以对分散监测点测量数据进行实时获取，集中监测，实现了监测点地理信息、历史数据的综合展示，为地质灾害的综合分析和判断提供了有效手段。
迪庆州的地质灾害系统建设为输电线路地质灾害监测提供了实时、准确的山体位移信息，提高了设备运维的自动化水平。在降低运维人员工作强度的同时，提高了监测的连续性与准确性，具有一定的推广应用价值。
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收稿日期：2020-06-04
修回日期：2020-07-03
作者简介
张同伟（1983—），男，云南省迪庆州人，本科，助理工程师，主要从事电网自动化、调度自动化专业管理工作。
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