崩塌监测仪在线监测方案

项目背景与行业痛点

崩塌是山区公路、铁路、高陡边坡、矿山、采石场、景区以及居民点周边常见的地质灾害类型之一。危岩体在长期风化、卸荷、降雨入渗、冻融循环、地震振动、工程施工及自身重力等因素作用下，可能逐渐出现裂隙扩展、姿态变化、局部松动以及最终失稳崩落。

与缓慢滑坡不同，部分危岩体从明显异常到快速失稳的时间可能较短。仅依靠人工巡查和定期测量，往往难以连续记录夜间、恶劣天气以及无人巡查时段的微小姿态变化和振动过程。

高陡岩质边坡还存在监测点分散、安装位置危险、人工到达困难等问题。频繁安排工作人员靠近危岩体进行测量，不仅维护成本较高，还可能增加现场作业风险。

另一方面，危岩体状态变化并不能简单通过单一参数进行判断。岩体可能首先表现为倾斜变化，也可能受到落石、施工、车辆、爆破或其他环境振动影响产生动态响应，因此需要同时获取姿态和振动特征，并结合裂缝、降雨以及现场地质条件进行综合分析。

崩塌监测仪采用MEMS感知技术，将监测设备固定于具有代表性的危岩体或潜在崩塌体表面，连续获取倾角、加速度、振动频率和振幅等参数，在设备端进行滤波和特征提取，通过LoRa无线网络将数据传输至通信基站，再由基站通过4G网络上传远程监测平台，实现危岩体状态长期在线监测。

建设目标与监测目标

崩塌在线监测系统以“危岩识别、姿态感知、振动监测、边缘处理、无线组网、远程传输、趋势分析、异常提示”为总体技术路线，对具有代表性的危岩体进行长期自动监测。

项目主要实现以下目标：

• 连续监测危岩体倾角变化；
• 监测危岩体加速度变化；
• 监测振动频率；
• 监测振动幅度；
• 记录危岩体长期姿态变化过程；
• 识别异常振动事件；
• 建立危岩体初始姿态基准；
• 分析倾角累计变化趋势；
• 分析倾角变化速率；
• 实现设备端数据滤波和特征提取；
• 通过LoRa建立多监测点无线传感网络；
• 通过4G基站实现远程数据回传；
• 支持太阳能或高密度锂亚电池供电；
• 实现远程设备状态管理；
• 为危岩崩塌风险分析提供连续监测数据。

需求分析

1. 危岩姿态连续监测需求

危岩体发生倾覆、滑移或局部松动时，其空间姿态可能发生变化。通过连续倾角监测，可获得传统人工定期测量无法完整记录的长期变化过程。

2. 振动动态监测需求

危岩体可能受到爆破、施工、车辆、落石、地震以及局部岩体破裂等动态作用，因此需要通过加速度、振动频率和振幅等参数记录动态响应。

3. 多点无线组网需求

一个高陡边坡通常存在多个独立危岩单体。如果每个监测点分别配置蜂窝通信设备，会增加系统功耗和通信管理复杂度，因此可通过LoRa组成区域无线传感网络，再由统一基站进行公网回传。

4. 复杂地形通信需求

高陡边坡和山区可能存在岩壁遮挡、沟谷阻隔以及非视距通信问题，需要根据现场LoRa链路测试结果合理布置基站和中继节点。

5. 野外独立供电需求

危岩监测点通常难以提供稳定市电，需要根据现场光照、设备功耗和维护周期选择太阳能或高密度锂亚电池供电。

6. 低维护需求

部分危岩监测点安装和维护作业具有一定危险性，因此系统应减少不必要的现场操作，通过远程状态监测及时发现通信、供电和设备运行异常。

7. 多参数综合研判需求

振动异常或单次倾角变化不能直接等同于即将发生崩塌，需要结合裂缝、降雨、地质调查、工程活动以及现场巡查进行综合分析。

总体解决方案

崩塌在线监测系统由MEMS倾角与加速度单元、振动采集单元、嵌入式处理器、LoRa无线模块、太阳能或高密度锂亚电池供电系统、LoRa通信基站或中继、4G通信网络以及远程监测管理平台组成。

监测设备通过可靠锚固方式安装在危岩体或潜在崩塌体具有代表性的部位。设备安装稳定后建立初始姿态基准，并持续采集倾角、加速度和振动特征。

嵌入式处理器在设备端完成基础数据处理、滤波和特征提取，减少无效数据和环境干扰对远程监测系统的影响。

多个崩塌监测仪可通过LoRa构成星型无线传感网络。当受地形遮挡或通信距离影响时，可通过中继节点扩展为树形网络。

监测数据首先通过LoRa发送至现场通信基站，再由基站通过4G公网发送至远程监测平台，实现多个危岩监测点的集中管理。

对于综合地质灾害监测项目，可进一步接入裂缝监测仪、压电雨量监测站、GNSS位移设备以及联网云喇叭等设备，形成“降雨诱因—裂缝变化—危岩姿态—振动异常—综合研判—预警发布”的监测体系。

系统架构设计

系统总体采用监测感知层、边缘处理层、LoRa传感网络层、4G回传层、平台应用层和风险分析层六层架构。

监测感知层

通过MEMS倾角、加速度及振动采集单元获取危岩体姿态和动态响应数据。

边缘处理层

嵌入式处理器在现场完成数据采集、滤波、筛选以及振动特征提取，为无线传输和平台分析提供有效数据。

LoRa传感网络层

多个危岩监测节点通过LoRa与通信基站建立无线连接，可采用星型组网，并根据现场条件通过中继形成树形网络。

4G回传层

现场基站汇集各监测节点数据，通过4G网络上传远程服务器或监测平台。

平台应用层

平台负责实时数据展示、历史趋势、设备状态、报警记录、地图点位以及监测档案管理。

风险分析层

结合倾角、振动、加速度、裂缝、降雨以及现场巡查信息进行综合分析，为危岩风险研判和现场处置提供数据支撑。

监测内容与监测方法

监测内容	监测方法	主要用途
危岩倾角	MEMS倾角传感	识别岩体姿态变化
加速度	MEMS加速度监测	记录岩体动态响应
振动频率	振动信号采集与特征提取	分析振动特征变化
振幅	振动信号分析	评价振动强弱变化
累计倾角变化	当前值与初始基准比较	分析长期姿态变化
倾角变化速率	时间序列计算	识别持续或加速变化
振动事件	加速度及振动特征分析	识别异常动态事件
设备状态	通信及平台状态监测	辅助判断设备运行情况

技术原理与算法模型

1. MEMS倾角监测原理

MEMS传感单元感知重力方向与设备坐标系之间的关系，通过内部信号处理获得设备安装姿态。由于监测设备与危岩体刚性固定，当危岩体发生倾斜或姿态变化时，设备倾角数据随之变化。

2. 相对倾角变化

设备安装并稳定后建立初始姿态基准，后续监测值与初始值进行比较，可得到危岩体相对倾角变化：

Δθ = θt - θ0

其中，Δθ为相对倾角变化量，θt为当前监测倾角，θ0为安装稳定后的初始基准倾角。

3. 倾角变化速率

为了分析危岩体姿态变化的发展速度，可计算一定时间窗口内的平均倾角变化速率：

Vθ = (θ2 - θ1) / (t2 - t1)

持续同方向变化以及变化速率增加，相比孤立的单次数据跳变更值得关注，但仍需要结合其他监测参数和现场情况进行判断。

4. 加速度监测

MEMS加速度单元连续感知设备及危岩体动态运动。当危岩受到冲击、振动或发生快速运动时，可产生相应加速度变化。

5. 振动频率分析

系统通过采集振动信号并进行特征提取，获得振动频率信息。不同外部激励和岩体动态过程可能表现出不同的振动特征，可作为异常事件分析的辅助数据。

6. 振幅分析

振幅反映一定时间窗口内振动响应的强弱。平台可结合振幅、频率、加速度以及事件持续时间分析异常振动过程。

7. 本地滤波与数据筛选

设备在前端完成基础滤波和数据筛选，可减少部分环境噪声及无效数据传输。具体滤波参数和事件判定方式应根据项目配置及现场运行数据确定。

8. 多参数关联分析

危岩体监测不应只分析单一倾角或振动指标。可将倾角、振动频率、振幅、加速度与裂缝位移、降雨过程以及现场工程活动进行统一时间轴分析。

系统功能设计

• 危岩体倾角在线监测；
• 加速度在线监测；
• 振动频率监测；
• 振幅监测；
• 初始姿态基准建立；
• 累计倾角变化分析；
• 倾角变化速率分析；
• 异常振动事件识别；
• 本地数据滤波；
• 本地特征提取；
• LoRa无线传感网络；
• LoRa星型组网；
• LoRa中继树形组网；
• 4G基站数据回传；
• 太阳能供电扩展；
• 高密度锂亚电池供电；
• 远程设备状态监测；
• 实时数据展示；
• 历史趋势查询；
• 报警记录管理；
• 地图点位管理扩展；
• 断点补传扩展；
• 远程配置扩展；
• 多平台数据转发扩展。

硬件组成与配置方案

设备组成	主要功能	配置建议
崩塌监测仪	危岩姿态及振动综合监测	核心配置
MEMS倾角与加速度单元	监测倾角及动态加速度	设备集成
振动采集单元	采集振动频率和振幅特征	设备集成
嵌入式处理器	数据处理、滤波及特征提取	设备集成
LoRa无线模块	监测节点与基站无线通信	设备集成
LoRa中继	扩展复杂地形无线覆盖	按现场链路配置
4G通信基站	汇集LoRa节点数据并通过4G上传	联网系统配置
太阳能供电系统	野外长期能源供应	按项目配置
高密度锂亚电池	低功耗独立供电	按项目配置
裂缝监测仪	监测危岩裂缝位移变化	综合监测项目建议配置
压电雨量监测站	监测降雨强度及累计雨量	综合监测项目建议配置
联网云喇叭	现场预警信息发布	预警项目按需配置
远程监测平台	数据展示、分析、报警及设备管理	核心系统配置

核心设备参数

参数项目	技术参数
产品型号	S-CGBT01
产品类型	崩塌监测仪
监测对象	危岩体、潜在崩塌体
监测参数	倾角、振动频率、振幅、加速度
传感原理	MEMS
传感网络	LoRa
回传方式	LoRa基站通过4G上传
组网方式	星型网络，可通过中继构成树形网络
供电方式	太阳能或高密度锂亚电池
量程	按项目配置清单确定
测量精度	按项目配置清单确定
数据上报周期	按项目配置清单确定

说明：现有产品资料未给出倾角、加速度、振动频率及振幅的具体量程、精度和数据上报周期，因此本方案不虚构相关参数，实际项目以合同技术配置清单为准。

LoRa无线组网与4G回传设计

1. 星型组网

在基站无线覆盖条件较好的区域，多个崩塌监测仪可直接与LoRa基站通信，形成“多个监测节点—一个基站”的星型网络。

2. 树形扩展组网

对于高陡边坡、沟谷或存在岩体遮挡的区域，可根据现场通信测试结果增加LoRa中继节点，将远端监测设备数据转发至基站，形成树形网络。

3. 4G公网回传

LoRa基站汇集各危岩监测节点数据，再通过4G网络上传远程服务器。这样可避免每个危岩监测节点分别配置独立4G通信链路。

4. 通信覆盖测试

由于危岩体通常位于复杂山区，理论无线通信距离不能直接替代现场测试。项目实施阶段应对每个监测点开展LoRa链路测试，并根据岩壁遮挡、高差、距离和天线安装条件确定基站及中继位置。

软件平台与数据展示

崩塌在线监测平台用于集中管理多个危岩监测点，可通过地图方式展示危岩位置、设备在线状态和异常状态。

单个监测点可展示实时倾角、加速度、振动频率、振幅以及历史变化趋势，并建立危岩监测电子档案。

电子档案可记录危岩编号、地理位置、岩体照片、安装位置、设备编号、安装方向、初始姿态、地质调查信息以及维护记录。

倾角数据可通过长期趋势曲线展示，使管理人员观察危岩体是否存在持续同方向姿态变化。

振动数据可按照事件和时间序列进行展示。当监测到明显振动变化时，可查看对应时间段的振动频率、振幅及加速度特征。

平台可根据项目配置提供报警阈值、地图定位、设备状态、断点补传、远程配置以及多平台数据转发等功能。

数据分析与智能应用

危岩姿态趋势分析

以设备安装稳定后的倾角作为基准，持续计算危岩体相对姿态变化，识别长期稳定、缓慢变化、阶段性变化以及持续变化过程。

倾角变化速率分析

通过计算不同时间窗口内倾角变化速率，可分析危岩体姿态变化是否出现加快趋势。

异常振动事件分析

当振动频率、振幅或加速度出现明显异常时，可建立振动事件记录，并分析事件发生时间、持续时间和特征变化。

倾角—振动联合分析

单次振动异常可能来源于车辆、施工、爆破、落石等外部作用。若振动事件发生后危岩倾角保持原有基线，风险含义与振动后出现持续姿态变化的情况并不相同，因此可将振动和倾角进行联合分析。

降雨—危岩姿态关联分析

将实时雨强、累计雨量与危岩倾角变化置于统一时间轴，可观察强降雨或持续降雨过程中危岩姿态是否发生变化。

裂缝—倾角关联分析

对于存在明显控制裂缝的危岩体，可同时部署裂缝监测设备。当裂缝持续张开并伴随危岩倾角变化时，可为现场风险研判提供更多监测依据。

多参数综合分析

可综合分析降雨、裂缝、倾角、振动、加速度以及现场巡查信息，建立从外部诱因到危岩响应的完整监测数据链。

预警机制与决策支撑

崩塌监测预警不宜简单采用“某一次振动超过阈值即判断危岩即将崩塌”的方式。振动可能来源于多种环境因素，需要结合危岩姿态、裂缝变化、降雨过程和现场环境综合判断。

项目初期应根据地质调查结果建立危岩监测档案，并通过一段时间连续运行掌握正常环境下倾角、振动和加速度的基础变化范围。

在积累基础数据后，可根据项目技术要求建立倾角累计变化、倾角变化速率、振动事件、异常持续时间以及多参数组合等风险关注规则。

例如，当出现单次明显振动但倾角没有持续变化时，可优先核查是否存在施工、车辆、爆破或落石等外部事件；当危岩倾角出现持续同方向变化，并伴随裂缝扩展或其他参数异常时，则应提高关注程度并开展现场核查。

对于降雨型危岩隐患点，可进一步结合实时雨强、累计雨量和前期降雨过程分析降雨条件下危岩状态变化。

典型业务流程为：

连续监测 → 本地滤波与特征提取 → LoRa传输 → 4G回传 → 平台趋势分析 → 异常事件识别 → 倾角与振动联合分析 → 裂缝及降雨关联 → 风险提示 → 数据复核 → 现场巡查 → 专业研判 → 相应处置。

监测报警属于风险提示，不能替代现场核查、专业判定或政府预警发布。

项目实施方案

1. 地质调查与危岩识别

安装前应结合现场地质调查确定危岩体位置、规模、岩性、结构面、控制裂缝、可能失稳模式以及潜在影响区域，选择具有监测代表性的危岩单体。

2. 监测位置选择

设备应固定于稳定且能够代表危岩体运动的位置。安装点应避免选择严重风化、表面松动或容易发生局部剥落的位置。

3. 岩面处理

安装前清理表面松动岩屑，根据岩性、岩体完整程度以及现场条件采用适宜的锚固方式，使传感器与被测岩体形成可靠连接。

4. 安装方向记录

设备安装完成后，应记录传感器安装方向、设备坐标方向、初始倾角和现场照片。后续设备拆装或重新固定后，应重新建立姿态基准。

5. LoRa链路测试

逐点测试危岩监测仪与基站之间的LoRa通信质量。存在遮挡或链路不稳定时，应调整基站、天线位置或增加中继节点。

6. 4G网络测试

测试通信基站所在地4G网络质量以及与远程平台之间的数据传输稳定性。

7. 供电系统设计

根据现场光照条件、设备功耗和维护周期选择太阳能或高密度锂亚电池方案。太阳能系统应避免长期阴影遮挡。

8. 初始基线建立

设备安装并稳定运行后建立初始姿态和振动背景基线，不宜直接以安装过程中的瞬时数据作为正式基准。

9. 联合监测设备部署

对于降雨影响明显的危岩点，可配置雨量监测；存在明显控制裂缝时，可配置裂缝监测仪。重要危岩点还可根据项目要求配置其他位移监测手段。

10. 报警规则配置

结合危岩地质条件、初始监测数据、历史变形情况和项目技术要求设置风险关注规则，并根据长期运行数据持续优化。

11. 系统联调

完成监测仪、LoRa网络、通信基站、4G链路和远程平台联合测试，检查数据完整性、时间一致性、设备状态和报警功能。

运维服务保障

• 定期检查监测设备在线状态；
• 检查设备与岩体固定是否牢固；
• 检查安装区域是否出现新的松动或剥落；
• 检查LoRa无线链路状态；
• 检查4G基站通信状态；
• 检查太阳能或电池供电状态；
• 检查倾角长期趋势是否存在异常漂移；
• 检查异常振动事件与现场活动是否对应；
• 强降雨后重点检查危岩监测数据；
• 爆破、施工或地震等事件后重点复核数据；
• 设备重新安装后重新建立初始姿态基准；
• 持续异常时及时安排现场专业核查；
• 建立安装、维护、报警、断电、通信异常和现场核查记录。

项目优势与方案价值

危岩体直接感知

监测设备直接固定于危岩体表面，连续获取危岩自身倾角和动态振动特征，相比仅依赖远距离人工巡查，可形成连续监测数据。

姿态与振动多参数监测

同时监测倾角、振动频率、振幅和加速度，可从静态姿态变化和动态振动响应两个维度描述危岩状态。

设备端数据处理

设备具备本地滤波和特征提取能力，可在前端对监测数据进行基础处理后再通过无线网络传输。

LoRa多节点组网

多个危岩监测点可共享LoRa传感网络和4G通信基站，适合高陡边坡多个危岩单体的分布式监测。

支持复杂地形中继

除星型网络外，可通过LoRa中继构成树形网络，为沟谷、岩壁遮挡等复杂地形提供组网扩展方式。

灵活野外供电

支持太阳能或高密度锂亚电池，可根据安装环境、日照和维护条件选择适合的能源方案。

远程集中管理

现场监测数据通过基站4G回传平台，可集中查看多个危岩点实时状态、历史趋势和报警记录。

适合综合地灾监测

可与裂缝、雨量以及其他地质灾害监测设备组合，从单一危岩状态监测扩展为多参数综合监测体系。

应用场景

• 危岩体在线监测；
• 潜在崩塌体监测；
• 高陡岩质边坡监测；
• 山区公路危岩监测；
• 高速公路边坡崩塌监测；
• 铁路沿线危岩监测；
• 铁路高陡边坡监测；
• 矿山边坡监测；
• 露天矿危岩监测；
• 采石场边坡监测；
• 景区危岩监测；
• 峡谷栈道上方危岩监测；
• 居民点上方危岩监测；
• 山区村镇崩塌隐患点监测；
• 地质灾害隐患点自动化监测。

效益分析

风险发现效益

通过长期连续记录危岩倾角和振动变化，可缩短仅依赖人工巡查发现异常状态的时间，为现场核查提供连续数据依据。

人员安全效益

监测设备安装完成后可自动采集和远程传输数据，减少工作人员频繁靠近高陡危岩区域进行人工测量的需求。

多参数分析效益

倾角、振动频率、振幅和加速度同步监测，相比单一参数能够提供更加完整的危岩状态信息。

组网建设效益

多个监测节点通过LoRa接入统一基站，可减少每个危岩监测节点分别建设公网通信链路的需求。

运行管理效益

平台统一展示多个监测点数据、设备状态和报警记录，有助于管理人员安排重点巡查和设备维护。

数据资产效益

长期积累危岩倾角、振动、加速度、裂缝及降雨数据，可逐步建立单体危岩长期监测档案，为风险分析、工程治理以及治理效果评价提供历史数据。

标准规范与技术依据

崩塌在线监测涉及地质灾害监测、无线通信、户外供电、防雷接地以及监测平台等多个技术环节，实际工程应根据项目所在地、应用行业和建设要求执行现行有效的相关标准、规范及技术文件。

• GB/T 4208《外壳防护等级（IP代码）》；
• 地质灾害监测预警项目相关技术要求；
• 工程测量及地质调查相关技术要求；
• 无线电通信相关技术要求；
• 户外监测设备防雷与接地相关技术要求；
• 项目数据通信、平台接入及验收技术要求。

具体监测参数、精度、报警指标以及验收方式应根据危岩类型、项目技术要求和合同配置确定。标准引用不代表设备整机已经取得对应认证。

典型应用案例

山区公路高陡边坡危岩崩塌在线监测

某山区公路一侧为高陡岩质边坡，局部发育卸荷裂隙和独立危岩体。传统管理方式主要依靠人工巡查，但由于边坡高度较大，部分危岩位置难以近距离观察，强降雨和夜间时段也难以及时开展现场检查。

项目可根据地质调查结果对边坡危岩体进行编号，在具有代表性的重点危岩体上分别安装崩塌监测仪，连续采集倾角、振动频率、振幅和加速度。

多个危岩监测节点通过LoRa组成无线传感网络，并在视野和通信条件相对较好的位置设置通信基站。对于被岩壁遮挡的监测点，可根据现场通信测试增加LoRa中继。

基站汇集各危岩监测节点数据后，通过4G网络上传远程监测平台。平台建立每个危岩单体的监测档案，并持续记录倾角和振动变化。

项目可同时在边坡区域配置一体式压电雨量监测站，并在主要控制裂缝位置安装裂缝监测仪，从而同时获取降雨、裂缝、危岩姿态和振动数据。

强降雨发生后，平台首先记录实时雨强和累计雨量变化，同时观察危岩倾角和裂缝是否出现持续响应。如果出现明显振动事件，则进一步查看事件前后的倾角、裂缝和加速度变化。

若只是出现单次振动而危岩姿态保持稳定，可结合道路施工、车辆、落石等现场信息进行核查；若危岩倾角持续同方向变化，同时伴随裂缝扩展或其他监测参数异常，则进入重点关注并安排现场专业核查。

对于配置联网云喇叭等预警设备的项目，在达到项目规定的预警发布条件并完成相应授权流程后，可进一步联动现场预警终端，对相关区域人员进行风险提示。

以上内容为典型应用场景设计，不代表具体已建项目业绩。实际项目效果应根据地质调查、设备安装记录、连续运行数据、报警核查、现场巡查以及项目验收资料进行评价。

参考文献

[1] GB/T 4208，《外壳防护等级（IP代码）》。

[2] 地质灾害监测预警项目相关技术要求。

[3] 无线电通信及防雷接地相关技术要求。

[4] 项目工程测量、地质调查及数据平台接入技术要求。

说明：本方案用于崩塌监测在线项目的方案设计与技术交流。具体MEMS量程、测量精度、振动频率范围、振幅范围、采样周期、上报周期、LoRa通信参数、供电方式、报警阈值、基站及中继数量，应根据现场地质条件、危岩规模、通信环境、监测目标和项目合同配置清单确定。