多對象多場景自動化監(jiān)測預(yù)警平臺研發(fā)及實踐

　　摘要：針對自動化監(jiān)測技術(shù)在多對象多場景工程應(yīng)用中缺乏規(guī)范化、標準化、系統(tǒng)化和信息孤島等突出現(xiàn)象，研發(fā)了“地質(zhì)災(zāi)害與工程結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測預(yù)警平臺”(以下簡稱“融合平臺”)。平臺利用3S、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等技術(shù)，采用SOA架構(gòu)，將多源異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)和地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)體及各種工程結(jié)構(gòu)的多對象、多場景監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一融合在一個平臺中進行處理、存儲和管理，實現(xiàn)了多行業(yè)、跨領(lǐng)域自動化監(jiān)測預(yù)警的融合和各安全責(zé)任主體之間的數(shù)據(jù)共享。探索了一套符合監(jiān)測對象特性的預(yù)測預(yù)報數(shù)學(xué)模型，將灰色系統(tǒng)、AI深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等模型應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害與工程結(jié)構(gòu)安全自動化監(jiān)測的分析與預(yù)測。迎合了多層級預(yù)警預(yù)報管理和定制服務(wù)的需求，設(shè)置了不同預(yù)警等級標準及相應(yīng)指標。此外，平臺建立了自動化監(jiān)測設(shè)備管理分類和維護體系;設(shè)計了監(jiān)測時報、日報和月報三種標準報表格式，實現(xiàn)了監(jiān)測成果自動化、標準化和快速化輸出。

　　關(guān)鍵詞：多對象;多場景;自動化監(jiān)測;預(yù)警;融合平臺

　　近二十年來，自動化監(jiān)測技術(shù)作為一門新型的應(yīng)用技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害“早期識別、預(yù)警預(yù)報、主動防治”和工程結(jié)構(gòu)施工安全及運行健康監(jiān)控等領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展[1]。但是，由于自動化監(jiān)測技術(shù)是測量傳感器技術(shù)、計算機編程技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)、無線通訊技術(shù)、預(yù)警預(yù)報技術(shù)等多分支技術(shù)的高度聚合，這些分支技術(shù)既相對獨立又相互影響。因此，自動化監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展既是這些分支技術(shù)快速發(fā)展推動的結(jié)果又受制于這些分支技術(shù)發(fā)展的水平。許多研發(fā)平臺的學(xué)者們圍繞自動化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在監(jiān)測設(shè)備、無線組網(wǎng)和通訊、數(shù)據(jù)處理與分析、預(yù)警預(yù)報、工程應(yīng)用等方面提出了很好的思想和作出了重要貢獻。

　　1自動化監(jiān)測存在的幾個主要問題

　　眾觀引言中的介紹，自動化監(jiān)測存在如下幾個主要問題：

　　(1)未實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入統(tǒng)一管理平臺。不同廠商傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入格式不同，難以兼容、不便管理，明顯存在“一對一”和“多對多”現(xiàn)象。(2)多對象、多場景自動化監(jiān)測預(yù)警預(yù)報不能在一個管理平臺實現(xiàn)。存在管理繁瑣，集約化程度低，信息孤島等突出現(xiàn)象。不能實現(xiàn)多行業(yè)、跨領(lǐng)域自動化監(jiān)測預(yù)警預(yù)報的融合和各安全責(zé)任主體之間的數(shù)據(jù)共享，城市安全管理和應(yīng)急處置能力。(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)展示單調(diào)，不能利用已有數(shù)據(jù)對監(jiān)測對象進行趨勢性預(yù)判。無法實現(xiàn)提前預(yù)測從而達到智能預(yù)警。

　　(4)管理模式僵化，不能到預(yù)警預(yù)報的多層級管理體系和滿足定制服務(wù)功能需求。不能響應(yīng)不同監(jiān)測對象預(yù)警等級和閾值的需求，不能規(guī)范包含專家輔助決策系統(tǒng)的預(yù)警處置流程，不能實現(xiàn)快速、及時、多通道的信息發(fā)布和預(yù)警處置。(5)不能科學(xué)管理海量監(jiān)測設(shè)備管理和快速有效維護。(6)難以實現(xiàn)監(jiān)測全過程成果輸出的自動化、標準化和快速化。(7)海量數(shù)據(jù)來源多、類型多，數(shù)據(jù)追索難、存儲難。譬如數(shù)據(jù)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)，航拍數(shù)據(jù)，三維地質(zhì)數(shù)據(jù)，工程地質(zhì)數(shù)據(jù)，紙質(zhì)數(shù)據(jù)等等來源。(8)監(jiān)測設(shè)備和工作缺乏規(guī)范化和標準化。

　　2“融合平臺”建設(shè)歷程及路徑

　　2.1建設(shè)歷程

　　針對上述系列問題，“融合平臺”的研發(fā)和建設(shè)歷程分為三個階段：第一個階段為“一對一”階段，此階段是借用平臺階段;第二個階段為“多對多”階段，此階段為關(guān)鍵研發(fā)階段;第三個階段為“多對一”階段，此階段為修改、調(diào)試到正式上線運行階段。

　　2.2建設(shè)路徑

　　根據(jù)“融合平臺”建設(shè)目標和發(fā)展歷程中的階段性特征，筆者設(shè)計了如下平臺架構(gòu)和建設(shè)路徑：首先，設(shè)計一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動化監(jiān)測預(yù)警預(yù)報平臺架構(gòu)。其次，緊扣自動化監(jiān)測技術(shù)的四個環(huán)節(jié)，即：數(shù)據(jù)采集的自動化、傳輸?shù)淖詣踊�、處理的自動化、管理和�?yīng)用(即，預(yù)警預(yù)報的自動化)。

　　依照上述四個環(huán)節(jié)的遞次關(guān)系，既各自獨立又相互銜接地建設(shè)“感、傳、知、用”四大功能模塊，路徑如下：第一步，利用高精度、低功耗智能傳感器和量測設(shè)備對監(jiān)測對象的精確感知，將監(jiān)測對象的物理量及其變化量測出來并以規(guī)定格式通過有線或無線發(fā)送到數(shù)據(jù)采集箱，完成數(shù)據(jù)采集。第二步，利用IoT物聯(lián)網(wǎng)，通過短信、北斗衛(wèi)星短報文、3/4/5G無線數(shù)據(jù)、WiFi中繼、光纖專線等雙向傳輸技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集箱和接收終端之間的傳輸完成數(shù)據(jù)傳輸。第三步，利用開源集群云計算平臺進行分布式存儲、處理、計算、分析和共享完成數(shù)據(jù)處理。第四步，利用預(yù)警預(yù)報模型、機器學(xué)習(xí)AI(人工智能)、圖像可視化比對等手段進行智能化預(yù)警預(yù)報完成數(shù)據(jù)應(yīng)用。

　　3“融合平臺”功能展示及創(chuàng)新總結(jié)

　　3.1功能展示

　　根據(jù)“融合平臺”的建設(shè)項目及功能要求，劃分為個一級功能模塊，15個二級功能模塊，30個三級功能模塊。其中，一級功能模塊分別為：實時監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、監(jiān)測預(yù)警模塊、系統(tǒng)管理模塊、大屏系統(tǒng)模塊。

　　3.2創(chuàng)新總結(jié)

　　為應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害和工程事故發(fā)生的多樣性、復(fù)雜性，尤其是突發(fā)性，及時、快速、自動地對災(zāi)害體的穩(wěn)定狀態(tài)和變化趨勢做出判斷、預(yù)測及預(yù)警，以建設(shè)“界面友好、功能強大、便于操作、預(yù)警預(yù)報準確”的多對象多場景下自動化監(jiān)測平臺為目標，“融合平臺”實現(xiàn)了如下技術(shù)突破和管理創(chuàng)新：

　　(1)技術(shù)上的三個突破：

　　1)創(chuàng)建了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)自動化監(jiān)測預(yù)警預(yù)報的統(tǒng)一管理平臺。為改變不同廠商傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)接入難以兼容、不便管理的局面，強力推進不同廠商傳感器數(shù)據(jù)接入標準的統(tǒng)一化和標準化措施，完成了自動化監(jiān)測預(yù)警平臺從“一對一”、“多對多”到“多對一”的時空跨越;開啟了多廠商多設(shè)備數(shù)據(jù)采集的標準化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖倩�新時代;2)創(chuàng)建了地質(zhì)災(zāi)害體和工程結(jié)構(gòu)的多對象、多場景自動化監(jiān)測預(yù)警的統(tǒng)一管理中心。利用SOA架構(gòu)，將地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和各種工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測融合在一個平臺中，實現(xiàn)了多行業(yè)、跨領(lǐng)域自動化監(jiān)測預(yù)警融合和各安全責(zé)任主體之間的數(shù)據(jù)共享，從而顯著提高了城市安全管理和應(yīng)急處置能力。

　　3)創(chuàng)建了一套符合監(jiān)測對象特性的監(jiān)測策略、數(shù)據(jù)處理、預(yù)測預(yù)報數(shù)學(xué)模型的自動化監(jiān)測預(yù)警預(yù)報體系。首次提出針對余泥渣土填埋場的雷達陰影恢復(fù)地形方法，實現(xiàn)填埋場填土過程非接觸的三維測量。創(chuàng)新性地將灰色系統(tǒng)、AI深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等模型應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害與工程結(jié)構(gòu)安全自動化監(jiān)測的分析與預(yù)測，從而顯著提升了預(yù)警預(yù)報的準確性和可靠性。“融合平臺”將灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型、AI深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、支持向量機等模型應(yīng)用于深圳市某基坑支護工程的自動化監(jiān)測實測值和預(yù)測值的對比圖。

　　(2)管理上的三個創(chuàng)新：

　　1)創(chuàng)建了多層級監(jiān)測預(yù)警管理體系和定制服務(wù)功能。設(shè)置了多層級權(quán)限管理中心，從而響應(yīng)了監(jiān)測預(yù)警層級管理的需要，以及響應(yīng)了不同監(jiān)測對象預(yù)警等級和閾值的需求;規(guī)范了包含專家輔助決策系統(tǒng)的預(yù)警處置流程，實現(xiàn)了快速、及時、多通道的信息發(fā)布和預(yù)警處置。分別是“融合平臺”創(chuàng)建的邊坡災(zāi)害、周邊環(huán)境簡單的基坑工程和周邊存在隧道或地鐵的基坑工程的自動化監(jiān)測預(yù)警預(yù)報等級劃分標準及相關(guān)特征指標。

　　2)創(chuàng)建了自動化監(jiān)測設(shè)備管理分類和維護體系。針對海量監(jiān)測設(shè)備管理和維護的復(fù)雜性和艱巨性，建立了自動化監(jiān)測設(shè)備管理分類方法，實現(xiàn)了監(jiān)測設(shè)備的模塊化管理和精準維護體系。

　　3)創(chuàng)新性地實現(xiàn)了監(jiān)測全過程成果輸出的自動化和標準化。根據(jù)預(yù)警預(yù)報時間間隔要求和自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率，平臺設(shè)置了監(jiān)測時報、日報和月報三種標準報表格式，實現(xiàn)了監(jiān)測成果(文字報告和報表)自動化、標準化和快速化輸出。

　　4“融合平臺”工程應(yīng)用及成效

　　4.1工程應(yīng)用

　　“融合平臺”已經(jīng)在百余項邊坡工程、基坑工程、棄土場工程、地鐵隧道工程和房屋工程等自動化監(jiān)測中推廣應(yīng)用10。這些類型工程代表如：深圳市寶安區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點實時影像動態(tài)自動化監(jiān)測、深圳市福田區(qū)香蜜湖鴻新花園西北側(cè)擋墻(南天電力)邊坡自動化監(jiān)測、深圳市大鵬新區(qū)陶柏莉花園二期南側(cè)邊坡?lián)岆U工程自動化監(jiān)測、深圳地鐵14號線工區(qū)布吉站基坑自動化監(jiān)測、深圳市受納場自動化安全監(jiān)測設(shè)備采購及安裝(新屋圍受納場安全監(jiān)測分項工程)、深圳市地鐵10號線工程盾構(gòu)施工福民新村自動化監(jiān)測，等等工程。

　　4.2應(yīng)用成效

　　近三年來，“融合平臺”成功實現(xiàn)了多次預(yù)警預(yù)報，最大程度地避免或減輕了災(zāi)害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，部分成功預(yù)警預(yù)報的實例如下：(1)2017年月23日13時42分，當(dāng)深圳市地鐵20號線會展北站基坑深部19處水平位移累計最大值達到了32.01mm，超過了報警值32mm，平臺立即發(fā)布了警情，我局監(jiān)控中心及時發(fā)出預(yù)警信息，有關(guān)各方及時趕赴現(xiàn)場進行處置，保證了基坑的安全。(2)2018年月15日，深圳市南山區(qū)平山垃圾填埋場自動化監(jiān)測表面水平位移累計最大值達到62.074mm，超過報警值20mm，觸發(fā)預(yù)警平臺報警，經(jīng)實地調(diào)查為果樹種植擾動，導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生變化。

　　結(jié)論

　　(1)論文針對自動化監(jiān)測技術(shù)在多對象多場景工程應(yīng)用中缺乏規(guī)范化、標準化、系統(tǒng)化和信息孤島等突出現(xiàn)象，介紹了“融合平臺”建設(shè)歷程及建設(shè)路徑、模塊功能和突破創(chuàng)新。(2)創(chuàng)建了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)自動化監(jiān)測預(yù)警智能平臺，從規(guī)范多廠商和海量設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出格式統(tǒng)一化入手，采用SOA架構(gòu)，實現(xiàn)了多對象、多場景的監(jiān)測數(shù)據(jù)在同一平臺中的高度融合和運維管理。(3)針對監(jiān)測預(yù)警層級管理和監(jiān)測對象區(qū)別預(yù)警的定制服務(wù)需要，設(shè)置了多層級權(quán)限管理中心和多種預(yù)警預(yù)測等級，提出并制定了對應(yīng)的預(yù)警閾值選取原則，滿足了各層級各安全責(zé)任主體之間數(shù)據(jù)共享的及時性和互通性需求，并通過建立監(jiān)測設(shè)備分類和管理體系，實現(xiàn)了監(jiān)測設(shè)備的模塊化管理和快速精準維護。(4)“融合平臺”集成灰色系統(tǒng)、Al深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等模型，構(gòu)建了一套符合監(jiān)測對象特性的監(jiān)測策略、數(shù)據(jù)處理、預(yù)測預(yù)報的應(yīng)用體系，滿足了地質(zhì)災(zāi)害與工程結(jié)構(gòu)安全自動化監(jiān)測預(yù)警需求，顯著提升了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和工程事故的應(yīng)急處置能力。(5)根據(jù)預(yù)警預(yù)報時間間隔要求和自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率能力，平臺設(shè)置了時報、日報和月報三種標準報表格式，實現(xiàn)了監(jiān)測成果自動化、標準化和快速化輸出。

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　　作者：金亞兵，楊傲

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