轟!一陣巨響之下,位于陜西某山區(qū)居民聚居點的 10 萬平方的黃土坡一傾而下。幸運的是,早在 6~7 小時前,地質災害監(jiān)測預警平臺——這一當地高校長安大學研發(fā)試點的系統(tǒng)已經發(fā)出紅色預警,使得群眾得以及時避險。
這一 “教科書級”的滑坡災前監(jiān)測預警發(fā)生在 2021 年 1 月 27 日。而就在之后的 1 月 29 日,地災監(jiān)測又從新一屆 “全國地質工作會議”傳來好消息——我國成功研制出滑坡儀和智能預警系統(tǒng),已有效預警 15 起地災!這一消息當天即登上央視新聞。
在天災面前,生命何其渺小脆弱。2010 年甘肅舟曲特大泥石流,造成 1557 人遇難、284 人失蹤;2017 年四川茂縣滑坡中,100 多人被埋。崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷…… 種種突如其來的地質災害,猝不及防將生命畫上句點,令多少無辜的家庭遭受沉重的打擊。但在北斗高精定位、天 - 地窄帶物聯、人工智能、云計算、新型微機電傳感等新興技術的協作下,那些沉痛的故事也許不會再上演。
▲2017 年的四川茂縣滑坡中被掩埋的人生存希望極低
以智能地災監(jiān)測預警系統(tǒng)為代表的新技術應用能為災情防控做什么?背后有什么樣的技術邏輯和產業(yè)真相?我們對此進行了深入探討。
我國第一代滑坡儀和智能預警系統(tǒng)誕生,已預警 15 起地災
湖南鳳凰,降雨持續(xù),一日三巡查的百名測群防員有了新幫手,地災普適型監(jiān)測預警設備將促成災情實時預警。貴州晴隆,暴雨天氣,相關部門監(jiān)測到隱患點裂縫位移變形(速率:13~15cm/0.5h)加快,立馬疏散群眾 131 戶 572 人,成功避險儀器滑坡災害。湖北秭歸,入汛,滑坡預警設備及時捕捉到地形錯動信息,促使相關部門發(fā)布黃色預警,從而有效保障了三峽庫區(qū)群眾和航道安全……
▲湖北某地泥石流災害現場
這些案例背后都離不開一大黑科技,那就是由自然資源部中國地質調查局聯合 20 多家高校、科研院所成功研發(fā)了我國第一代滑坡儀和智能預警系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能實時采集與滑坡、泥石流等地災的相關的地形變化、降雨量等數據,在地災發(fā)生前就及時向管理員發(fā)出明確預警信號,輔助應急救災。
▲某企業(yè)的滑坡塌方監(jiān)測解決方案示意圖
這套系統(tǒng)也正在真實地為受滑坡、泥石流等災害困擾地山區(qū)人們排憂解難。中國地質調查局地質環(huán)境監(jiān)測院首席科學家殷躍平說:“目前,這套系統(tǒng)已經完成貴州、甘肅、云南九省、市系統(tǒng)對接和數據實時同步工作,并對重慶云陽團包滑坡、貴州晴隆等地質災害險情實現成功預警?!睋ぃ撛O備目前在全國 2512 處完成試驗,預警 15 起地質災害,避免 366 人可能因災傷亡。同時,官方編制的《地質災害專群結合監(jiān)測預警技術指南》也已新鮮出爐,等于為全國地災防控在發(fā)展方向和操作標準方面提供了 “說明書”。
端管云三大環(huán)節(jié),解決兩大防災痛點
2018 年 11 月,自然資源部召開地災監(jiān)測預警科技創(chuàng)新研討會,提出突破監(jiān)測預警技術的瓶頸,啟動地災監(jiān)測預警普適型設備研發(fā)與適用工作的大幕拉開,兩年后,一套地災監(jiān)測預警物聯網解決方案現在已經落地成型。該系統(tǒng)旨在解決兩大地災防治痛點:“地災隱患在哪里?”、“什么時間可能發(fā)生?”根據央視新聞報道,這套預警系統(tǒng)分為前端和后端,融合應用了北斗高精定位、天 - 地窄帶物聯、人工智能、新型微機電傳感、云計算等多學科技術。
這套系統(tǒng)運作主要包括三大流程:1、前端采集數據。在前端,通過普適型地災監(jiān)測設備采集降雨與地表形變等數據,進行數據采集。這是對應物聯網架構中的 “感知”環(huán)節(jié)。2、網絡傳輸數據。在網絡層,實時傳輸監(jiān)測預警數據,到達每個省的中心站,以及國家監(jiān)測預警站。這是物聯網架構中的 “聯網”環(huán)節(jié)。3、后端數據集成。在后端,通過數據算法模型進行監(jiān)測預警,向監(jiān)測人員的手機、PC 等終端平臺發(fā)布藍、黃、橙、紅多種等級的預警信號。這是物聯網架構中的 “集成”環(huán)節(jié)。
總體來說,滑坡儀與智能監(jiān)測預警系統(tǒng)連接起來,形成一整套 AIoT 地災監(jiān)測系統(tǒng)。對應三大預警步驟,需要部署數據采集設備、數據傳輸管道、數據集成平臺三大類技術產品,這也成為北斗高精定位、天 - 地窄帶物聯、人工智能、云計算等技術落地的載體。
端側數據采集:研發(fā)普適性設備,80 萬元設備只需 10 萬
“過去要用 80 萬元監(jiān)測設備才行,現在只需要花 10 萬元就能搞定。”來自甘肅的地質環(huán)境監(jiān)測工作人員說。不僅成本大大降低,設備的簡易度也大為提升。“之前做滑坡災害深部位移監(jiān)測程序繁多、設備體積大。現在使用普適型傾角儀,所有監(jiān)測設備集成一體,只需從地表往下戳進 60 厘米左右的樁就能進行監(jiān)測?!庇勺匀毁Y源部中國地質調查局下屬媒體傳播可知,采用普適型設備集成度高、功能優(yōu)化,并借助物聯網傳輸技術,可將方案綜合成本降低 50% 以上。在這樣一種自上而下的數字化、智能化變革推力下,在地災監(jiān)測這一新興的垂直市場,一大批市場化企業(yè)如雨后春筍般出現在這一新興領域。我們調查看到,包括北斗云、江偉時代、千尋位置、江云智能、國信華源、米度測控、穩(wěn)控科技、中移物聯網、國杰信息等眾多行業(yè)科技玩家紛紛入局,從普適型地災監(jiān)測設備切入,參與地災監(jiān)測數字化、自動化變革事業(yè)發(fā)展進程。
從技術出發(fā)來講,國內地災檢測儀具正在發(fā)生歷史性變革。對于主要地災監(jiān)測來說,滑坡和塌方主要以監(jiān)測位移、裂縫、加速度、傾角等地形變化和降雨量為主;泥石流則主要監(jiān)測雨量和泥位。由于涉及復雜的地質因素和動力學原理,監(jiān)測儀具舉足輕重。傳統(tǒng)的地災監(jiān)測儀具和方法存在許多弊端。
根據領域重要論文解讀,常見的山體滑坡主要方法有重力測量法、特殊大地測量法、地下水監(jiān)測法、液體靜力水準測量、常規(guī)大地測量法、地下鉆孔傾斜法、近影攝影測量法等。它們都有共同的弊端:受氣候條件及地形影響,不能持續(xù)監(jiān)測、自動化程度低、人力投入大、數據難以及時處理且監(jiān)測周期長等。
為了應對傳統(tǒng)地災監(jiān)測設備的弊端,中國地質調查局地質環(huán)境監(jiān)測院牽頭開始研發(fā)普適型的地災監(jiān)測設備,是對端側地災監(jiān)測設備的一次變革。根據該部門最新發(fā)布的《地質災害專群結合監(jiān)測預警技術指南》,有六種普適型地災監(jiān)測預警設備可供部署:普適型雨量計:采用新型光電式、壓電式傳感器,體積小,維護簡單。土壤含水率計:無須標定,探測范圍大,采用多參數一體化設計,尺寸小,可在 15 分鐘內完成安裝。傾角計和振動加速度計:內置電池可不間斷供電 2~3 年,已形成微芯樁、變形樁等多參數一體化監(jiān)測預警設備,易安裝易維護。裂縫計:加大量程、窄帶物聯網和遠程控制,設備待機功耗降低 50%,對于加速變形階段的采集能力明顯提升。普適型 GNSS:將監(jiān)測精度由毫米級調整為亞厘米級,增加一體化預埋箱方式,運行功耗與綜合成本顯著降低。
▲普適型加速度 / 傾角傳感器具有便攜性、高集成特點
管道數據傳輸:北斗衛(wèi)星挑大梁
值得一提的是,無論是開篇提到的中國地質調查局領頭研發(fā)的第一代滑坡儀和智能預警系統(tǒng),還是長安大學預警大坍塌的 “教科書級”案例,我們都發(fā)現了同一個字眼——北斗。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在地災監(jiān)測預警中作用于管道——數據傳輸環(huán)節(jié)。
當下,將北斗用于地災監(jiān)測,這一理念已有廣泛認知認可度。以四川中科川信聯合中國科學院、成都理工大學共同研制開發(fā)的 “北斗智慧云公共監(jiān)測平臺”為例,目前該系統(tǒng)已經部署全國監(jiān)測點位 3411 處,僅在四川地區(qū),已多次成功預警阿壩州滑坡。而以 “北斗云”命名的地災監(jiān)測普適型設備廠商北斗云,已率先成為這一新興領域的頭部玩家,占據大量市場。
在滑坡、泥石流多發(fā)的山地,往往位于地理條件復雜的偏遠地區(qū),很多網絡受限,甚至線路架設、電力供給都成問題,因此如何傳輸數據成為一大關鍵問題。
根據《地質災害專群結合監(jiān)測預警技術指南》,在地災檢測中主要的數據傳輸方式包括窄帶自組網數據傳輸、蜂窩物聯網數據傳輸、衛(wèi)星數據傳輸、寬帶自組網數據傳輸。以北斗、窄帶物聯網衛(wèi)星為代表的衛(wèi)星通訊方式,憑借全球化無死角、全天候覆蓋、低時延等優(yōu)勢,成為地災監(jiān)測中的理想選擇。
在地災發(fā)生前,區(qū)域的傳感器發(fā)生沉降或偏移時,北斗衛(wèi)星能夠感知到其地形變化,將數據傳輸到后臺系統(tǒng),與其它監(jiān)測數據結合起來進行全天候全自動在線監(jiān)測預警。當下,在我國北斗商業(yè)化應用如火如荼發(fā)展之際,地災監(jiān)測領域成為這一市場的一大承接地帶。
地災監(jiān)測預警的大腦,云計算與人工智能的用武之地
當地災信息經由數據采集終端、數據傳出管道傳輸到后臺系統(tǒng),如何實現更自動化、智能化的災情及時監(jiān)測預警?人工智能與云計算技術有了用武之地。從行業(yè)格局來看,地災監(jiān)測作為一個碎片化場景,還鮮少看到我們常見的 AI 獨角獸加注,但是,也能看到已有行業(yè)科技玩家和科技巨頭率先砸下 “一錘子”。
比如,2020 年 5 月,Baidu 也攜手成都高新減災所發(fā)布 “AI + 災害預警”,打造多災種預警團隊和技術體系;2020 年 1 月,華為云也與深圳市氣象局宣布與合作,共同研創(chuàng)更精準的災害性天氣預測模型,從地災監(jiān)測的兩大要素中的降雨量因素切入領域。這些廠商們 AI 的輸出,無一不基于其作為云服務商背后的云產品。
▲華為云 AI 通過深度學習預測未來 2 小時內每公里內的天氣變化情況
而在行業(yè)科技玩家領域,以北京的某公司推出的 “山境”為例,正是通過學習過去山體傾斜的數據,預測未來一段時間山體傾斜變化的趨勢,并通過逐步完善的預測模型,實現山體滑坡預警。
▲山境機器學習預測山體傾斜趨勢
深度學習需要的海量數據從哪來?是深度學習落地災情監(jiān)測的一大關鍵問題。對此,相關部門及先行企業(yè)已經開始建立生態(tài),尋求應對方法。本文開頭中提到的滑坡儀和智能預警系統(tǒng),就通過在全國 9 省的 2512 處完成實驗,積累人工智能模型訓練所需的數據。
中國地質調查局地質環(huán)境監(jiān)測院首席科學家殷躍平說:“去年我們監(jiān)測了兩千處,今年我們要安裝兩萬兩千多處監(jiān)測預警點,重點是在地震山區(qū)和高山峽谷區(qū)進行監(jiān)測預警,這樣我們會有大量樣本。所以下一步,在機器學習人工智能預警方面,將會有明顯的提升。”
市場化企業(yè)也在做同樣的事情,以東方生態(tài)為例,該公司也在全國范圍內建立地質災害開放性監(jiān)測網絡,首期招募 25 個合作滑坡監(jiān)測點無償提供 “山境”。
結語:賦能碎片化行業(yè)場景,AIoT 技術還有很長的路要走
盡管自上世紀 90 年代以來,我國已摸清 28.6 萬處地災隱患點,降低地災傷亡人數,但全國每年 80% 新發(fā)地災都發(fā)生在已圈定的隱患點范圍之外。從地災監(jiān)測這一場景的數字化、智能化終端、管道及系統(tǒng),我們看到北斗、人工智能、新型傳感等新技術已經開始被規(guī)模化應用,正在改變我們應對緊急災情的方式和效率。對于人工智能算法技術而言,如何在碎片化的行業(yè)場景中發(fā)揮真實價值是一大核心議題。以地災監(jiān)測這一完整的 AIoT 場景為例,數、端、管、云的協同是一項極具行業(yè)特色的復雜工程。要想在這樣的碎片化場景、復雜工程中起跳,AIoT 技術產業(yè)還有很長的路要走。
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