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静为安 动则疑

2020-06-10 11:26:12    来源: 中国自然资源报    作者:卢晓莹

当前我国大部分地区迎来持续强降雨天气,进入主汛期,导致地质灾害频发。自然资源部日前在全国9个省(市、区)推广的地质灾害监测预警新装备——地灾普适型监测预警设备将面临严峻的实战考验。

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监测“动力学”+“形变”等指标,综合各项监测数据变化情况,实现自动化、全天候、全方位、智能化高精度预警

3月31日入汛以来,受连续降雨影响,广东省梅州市兴宁市先声村一处削坡建房地质灾害隐患点出现垮塌迹象。4月24日起,一处监测设备捕捉到多次监测数据变化,当天早晨检测到监测数值超过报警阈值,随后监测预警平台发出红色警示信息,并通过APP通知到值班人员,值班人员第一时间安排技术人员赴现场查勘并指挥撤离。由于监测设备在崩塌发生前2小时及时预警,人员及财产及时撤离,没有造成任何伤亡和损失。

能提前2小时发出有效预警信息的设备是什么来头呢?据当地工作人员介绍,本次项目中运用的监测设备叫“微芯桩”。该监测预警设备由中关村智连灾害感知科学研究院自主研发,具有传感、采集、传输、分析、推送一体化1秒响应的监测预警智能传感,由于监测灵敏、预测准确,才得以在崩塌发生之前及时发出警示信息。

其实,微芯桩正是自然资源部推广的地灾普适型监测预警设备之一。此前,微芯桩已在湖北省宜昌市进行了普适型监测设备的示范点建设。受宜昌市自然资源和规划局以及湖北省地质环境总站的委托,该院已在秭归县谭家湾滑坡处共安装了8套微芯桩、3套微芯链、6套土壤湿度计和3套水位计,通过高频监测滑坡体的倾角与振动加速度等各项指标,捕捉崩塌体稍纵即逝的变化,在危险来临之前及时发出预警信息。

安全失稳预警理论模型+主动态势感知传感技术,微芯卫士传感系列产品已达到国际领先水平,并在多项应用中成功预警

入选自然资源部地灾普适型监测预警设备,并且成功预警滑坡,微芯桩背后到底有怎样的秘密?

原来,微芯桩作为智能传感终端,是通过多种集成MEMS传感技术采集监测对象的动力学和运动学指标,进而综合计算被监测对象的固有动力学控制指标和运动姿态控制指标。其背后是更强大的云计算平台——安全态势感知平台,该平台基于强大的人工智能、大数据、云计算等新技术,融合了边坡失稳动力学模型以及多维度微芯卫士监测数据,以AI技术为基础,基于灾害预警预测模型快速分析地质灾害安全风险等级、预测灾害发生、分析成灾范围。微芯桩传感和安全态势感知云平台共同筑起强大的安全监测分析预警能力,将各类安全参数升级为智慧决策,提供多维度的安全事件监测防控、智能分析、预测预警、统一指挥、应急处置和评估,让安全保障管理者拥有更强的决策力、洞察力和优化力,为民众提供自动化、全天候、全方位、智能化、高精度的预警,最大程度保障人民群众生命和财产安全。

微芯桩只是该院自主研发的“微芯卫士传感”系列产品之一。除此之外,该院还拥有其他覆盖不同行业以及不同场景需求的安全监测预警产品,涵盖微芯方、微芯串、微芯链、微芯球、微芯墒,深度覆盖自然灾害防灾、城市公共安全、行业产业安全等多个领域。

据悉,微芯卫士产品经专家鉴定为国际领先水平,并且在多项应用案例中成功预警。仅去年的200个监测项目中,微芯卫士系统已成功预警20起险情灾情,无一漏报,成功率100%,避免了重大安全事故及经济损失。在四川省甘孜州猴子岩水库安全预警工作中,微芯桩产品成功预警避险8次,预警成功率达到100%,确保了丹巴70万人交通要道通畅;深圳市鹿丹村基坑安装的17个微芯桩提前46小时成功预警基坑地面塌陷和基坑突水,使周边多栋高层住宅破坏险情得以避免;该产品持续监测西藏昌都县金沙江滑坡形成的堰塞湖,为政府决策提供了有力数据支持。

“微芯卫士本身就是‘医生’,可以迅速对地质灾害等安全情况作出诊断,能够进行态势判断,而不是只会‘量体温’‘做检查’‘给数值’。”中关村智连灾害感知科学研究院院长谢谟文教授说。

建立全面覆盖+快速排查的技术体系,以及广泛分布且低成本的地网感知系统,着力解决灾害 “在哪里”“何时发生”

微芯卫士成效显著的背后,是强大理论体系的支撑。微芯桩的内涵,是基于边坡失稳动力学理论构建的安全度模型。该模型是谢谟文团队基于20多年的理论研究沉淀,于国际上首次提出的、能更贴切描述边坡动态失稳过程的模型。目前,这套理论书籍将由科学出版社出版发行。

谢谟文介绍,基于静力学的极限平衡理论和以位移—环境量为主的监测方法在实际应用中难以描述边坡失稳的动态变化过程,且无法实现早期预警。其团队首次融合牛顿力学中的静力学、动力学和运动学理论,构建了边坡失稳早期预警理论体系及预警模型,很好地解决了无法对边坡灾害进行早期预警的技术难题。正是基于该理论,配套“微芯云”物联网平台这一应用载体,“微芯桩”智能微动态势感知传感产品才得以实现主动采集、边缘计算、无线传输和实时响应这一预警过程,实现了地质灾害早期预警的目的。

在谢谟文看来,地灾防治需要通过专业化的技术手段来使地质灾害监测预警“傻瓜化”。而有了“傻瓜式”的技术就可以实现社会化管理,即与群测群防相结合,从而增加群众的“眼睛”和“触手”。谢谟文建议,未来地灾防治应该建立两大核心体系:一是建立全面覆盖+快速排查的检测技术手段,解决地灾隐患“在哪里”的问题;二是依赖地面微动感知技术,建立广泛分布且低成本的地网感知系统,解决“何时发生”的问题。

据悉,该院的“微芯”系列监测预警设备已全方位应用在北京冬季奥运会安全保障工作中。从赛事中心的工程安全监测到赛场周边天空地地质灾害安全保障,从冬奥重要交通联络线安全预警到赛场配套设置全程监测,该院以“微芯”系列态势感知智能监测终端为核心布设形成覆盖赛场的智能物联网,结合卫星遥感、航空遥感、5G网络、物联网等前沿技术,实现地质灾害点的全方位、无死角监测预警,构建科技冬奥、智慧冬奥、安全冬奥。

与此同时,科研团队正在推进研发低成本的地表感知体系,未来他们将从专业模型、数据采集到分析技术出发实现产品的芯片化。在此基础之上,地灾监测预警设备将朝着小型化、自动化、智能化、经济性迈进,从而实现监测范围的广泛分布,最终建成一个无疏漏的安全态势感知网,让民众随时随地随心都能感知安全。

“我们的理论体系总结来讲就是6个字——静为安、动则疑,当物体没有受到外力作用而保持静止或者匀速时候,物体处于稳定状态,可以认为是安全的,这就是‘静为安’;当物体受到突然的冲击力而运动时,其运动形式可以分为振动、形变、位移等。但是已经运动的物体真正会发生灾害的可能性有多高?这是我们疑惑的地方,需要进一步判断,这就是‘动则疑’。”谢谟文介绍说。

自然资源部地灾普适型监测预警设备的标准,就是围绕突发性地灾“防”的核心需求,走“规模化”道路,通过发展集成化、模块化、芯片化的途径提高性价比,降低研发成本,力争突破监测预警设备推广的瓶颈。微芯系列监测预警设备的理论研究与实践应用,正是契合了这一趋势。

未来,中关村智连灾害感知科学研究院将持续以“灾害点在哪里”以及“灾害什么时候发生”这两个方向作为攻关目标,投入更多科研力量,加速“微芯”产品的革新与成果转化,实现防灾减灾工作向灾前预警预报延伸,为我国防灾减灾工作研发新产品、搭建新体系、开辟新思路。

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