基于物聯(lián)網的邊坡工程穩(wěn)定性評價方法及系統(tǒng)開發(fā)

陳 旺，張社榮，潘 飛

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072)

基于物聯(lián)網的邊坡工程穩(wěn)定性評價方法及系統(tǒng)開發(fā)

陳 旺，張社榮，潘 飛

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072)

針對目前邊坡監(jiān)測存在的時效性差、數據散亂、影響施工等問題，將物聯(lián)網技術引入邊坡監(jiān)測中，探討了基于物聯(lián)網的監(jiān)測信息采集和傳輸的方法。以監(jiān)測信息為研究對象，以動態(tài)的評價指標體系為基礎，結合層次分析法和模糊數學理論，建立邊坡穩(wěn)定性綜合評價模型。利用C#編程語言，以SQL Server 2008為數據庫平臺，開發(fā)了邊坡穩(wěn)定評價系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應用于實際工程，分析結果符合實際情況。

邊坡工程；物聯(lián)網；系統(tǒng)開發(fā)；監(jiān)測信息；模糊綜合評價；AHP

0 引 言

隨著我國工程建設的不斷深入和發(fā)展，不可避免地遇到很多復雜的邊坡穩(wěn)定性分析問題。針對這些問題，通過科學、簡便的方法，準確、及時地給出穩(wěn)定性分析結果具有重要的現實意義。邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)和力學參數在開挖、降雨及自身內部巖土力學的作用下是不斷變化的[1]。通過儀器監(jiān)測可以了解影響邊坡穩(wěn)定指標的狀態(tài)和發(fā)展趨勢，監(jiān)控和保障邊坡的安全施工和運行。然而，由于目前邊坡監(jiān)測的繁雜性、人員水平參差不齊等原因，導致邊坡監(jiān)測存在諸多問題，如時效性差、數據缺失散亂、規(guī)范程度低、影響施工等。這些問題加大了利用監(jiān)測數據分析邊坡穩(wěn)定性的難度，也阻礙了邊坡工程信息化管理的建設。因此，實現監(jiān)測的智能化和基于監(jiān)測數據的快速、準確穩(wěn)定性評價是邊坡工程發(fā)展的現實需求。

本文分析了邊坡監(jiān)測數據物聯(lián)網實時采集與無線傳輸平臺的搭建，以監(jiān)測數據為對象，研究了利用AHP和模糊數學理論進行邊坡穩(wěn)定分析的方法，利用C#編程語言開發(fā)了基于物聯(lián)網實時采集的監(jiān)測數據的邊坡穩(wěn)定性綜合評價系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應用于實際工程，分析結果符合實際情況。

1 物聯(lián)網

1.1 物聯(lián)網的概念及發(fā)展

物聯(lián)網[2]是指利用一些信息傳感技術，依據確定的協(xié)議，把一切物品與互聯(lián)網結合起來，通過信息的共享交流，以實現物品智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。2005年，國際電信聯(lián)盟(ITU)正式確立“物聯(lián)網”的概念，并在官方報告[3]中闡述了物聯(lián)網基本的特點、技術以及今后的挑戰(zhàn)和機遇。此后，物聯(lián)網的發(fā)展相繼引起了一些發(fā)達國家的重視，我國也在2010年《政府工作報告》中正式將其列為戰(zhàn)略性新型領域予以重點關注和推進。目前，物聯(lián)網技術已經運用到城市建設、交通、農業(yè)、物流等行業(yè)，獲得了良好的經濟效益和社會效益。

1.2 監(jiān)測信息物聯(lián)網平臺

目前，邊坡監(jiān)測相對成熟的是基于有線網絡的信息采集技術，但該方法后期處理量大，無法保證信息的時效性，并且對施工有一定程度的影響。利用物聯(lián)網的相關技術，搭建監(jiān)測信息的實時采集和無線傳輸平臺，可以有效解決上述問題。該平臺利用無線傳感網絡進行數據傳輸，大大降低了對邊坡施工的影響；采集的監(jiān)測數據按照規(guī)定的格式直接存入數據庫服務器，減少了后期整理的工作量，保證了信息的時效性。

根據物聯(lián)網的三層體系結構——感知層、網絡層以及應用層進行平臺的搭建(見圖1)。感知層是基礎，代表了物聯(lián)網的全面感知。該層由各種類型的監(jiān)測傳感器、微控制器、ZigBee模塊等構成，負責邊坡監(jiān)測信息的采集和獲取。微控制器首先解析監(jiān)控中心發(fā)出的指令，然后對相應的監(jiān)測傳感器發(fā)出采集命令；監(jiān)測信息采集完畢之后，由ZigBee模塊發(fā)送到網絡層進行無線傳輸。網絡層負責信息的無線傳輸，首先接收感知層的ZigBee模塊發(fā)出的信號，然后通過短距離無線通信技術將接收的信號發(fā)送至3G/4G網絡。對比目前常見的短距離無線通信技術，如ZigBee、藍牙、Wi-Fi等，由于ZigBee具有低復雜性、低速率、近距離以及低成本的特點，可以將其應用于該平臺。最后，監(jiān)控中心接收信號，并將信號轉換后導入數據庫服務器，完成邊坡監(jiān)測信息的可靠傳輸。由于檢測傳感器自身精度、環(huán)境因素、網絡傳輸的不穩(wěn)定等原因，數據庫中原始的監(jiān)測數據可能存在一些誤差和缺失。因此，應用層要先利用開發(fā)的系統(tǒng)處理原始監(jiān)測數據，然后才能進行邊坡的穩(wěn)定性分析評價。

圖1 邊坡工程物聯(lián)網監(jiān)測信息采集與傳輸平臺體系結構

2 邊坡穩(wěn)定性評價

2.1 評價方法

作為一種能夠有效解決多指標、多因素評價問題的方法，模糊綜合評價的基礎是模糊數學理論[4]。依據模糊關系合成原理，把界限不清晰、難以定量的因素定量化表示，然后綜合分析。邊坡穩(wěn)定性模糊綜合分析評價流程見圖2。模糊綜合評價的具體方法為：

(1)確定邊坡穩(wěn)定性分析的所有可能的評價等級以及等級的判別標準。

(2)根據各個監(jiān)測分析量的特點，確立恰當的隸屬度計算函數。

(3)將通過物聯(lián)網實時采集的監(jiān)測數據代入隸屬度函數，計算各個監(jiān)測分析量對于評價等級集合的隸屬度向量，組成隸屬度矩陣R。

(4)綜合監(jiān)測傳感器的信息，建立評價的指標層次體系，并且需要針對監(jiān)測傳感器的變化不斷更新該體系。

(5)利用層次分析法分別確定各個層次指標相對于上一層次控制指標的權重，每個層次均可形成權重向量A。

(6)從最底層開始計算，得到的向量B=A×R可以作為上一層次某個指標對評價等級集合的隸屬度向量。依此方法，可以得到上一層次所有指標隸屬度向量，再次組成隸屬度矩陣，結合該層權重向量再次計算。按此層層遞進，得到邊坡穩(wěn)定性評價的隸屬度向量，依據最大隸屬度原則確定評價結果。

圖2 邊坡穩(wěn)定性模糊綜合分析評價流程

2.2 評價指標層次體系的建立

評價指標體系是利用監(jiān)測信息綜合分析邊坡穩(wěn)定性的基礎，體現了監(jiān)測設計的層次。采集平臺監(jiān)測類型可分為變形、支護應力以及滲流等。針對不同的監(jiān)測類型又有不同的監(jiān)測項目，如變形監(jiān)測可分為表面變形監(jiān)測及內部變形監(jiān)測；支護應力監(jiān)測可分為錨桿監(jiān)測和錨索監(jiān)測。依據上述的層次體系及監(jiān)測傳感器的位置等信息，建立評價指標層次體系(見圖3)。同時，需要考慮該體系的動態(tài)更新，使之符合邊坡實際監(jiān)測情況。尤其是在邊坡的施工過程中，會不斷增加監(jiān)測傳感器的個數和種類。

圖3 邊坡穩(wěn)定性綜合分析評價指標層次體系

2.3 各層次指標權重的確定

評價指標層次體系中的不同元素對于邊坡穩(wěn)定的影響程度各異，只有準確地給出各元素的權重才能保證評價的準確性。層次分析法[5- 6]結合定性分析與定量分析，將人們對各個指標相對重要性的主觀判斷數量化，然后經過一系列的數學處理，最后得出各指標權重，具有較大的可信度。該方法的具體步驟如下：

(1)通過專家集體評分的方法，構建某一層指標對上一層控制指標相對重要性的判斷矩陣(aij)n×n，該矩陣是層次分析法的關鍵。選擇研究邊坡穩(wěn)定方面的專家，通過兩兩比較的方法打分形成判斷矩陣，打分依據是1- 9標度法[7]。

(2)判斷打分表中元素是否符合以下3個要求：①aij>0；②aij=1/aij；③aij=1。如果打分表符合上述條件，則計算矩陣的特征向量，歸一化處理后得到權重向量。

(3)檢驗矩陣各個元素之間的協(xié)調性，如果不滿足，重新調整判斷矩陣后繼續(xù)計算。

2.4 評價等級與分級標準的擬定

依據邊坡穩(wěn)定程度，共設置4個等級狀態(tài)：1級代表邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；2級代表較穩(wěn)定狀態(tài)；3級代表較不穩(wěn)定狀態(tài)；4級代表不穩(wěn)定狀態(tài)。4個邊坡穩(wěn)定級別確定之后，以此為基礎為評價體系中的最底層指標制定分級標準。根據各個指標的特點，一般有以下3種方法：

(1)經驗法。①依據相關的規(guī)定規(guī)范確定；②利用專家團的豐富經驗確定。

(2)數理統(tǒng)計法[8]。包括典型小概率法、置信區(qū)間法以及最大熵法，這3種方法都是以大量實際監(jiān)測數據為基礎。在使用小概率法時，首先要利用最大熵原理求出表征監(jiān)測數據概率分布的密度函數。

(3)數值模擬法。主要針對的是位移監(jiān)測指標。以有限元強度折減法為基礎，求得表征變形測點位移和折減系數關系的曲線，曲線突變點即為分級標準。

3 系統(tǒng)開發(fā)及工程應用

3.1 系統(tǒng)開發(fā)

依據邊坡穩(wěn)定性綜合評價方法，以Visual Studio 2010為開發(fā)平臺、SQL Server 2008為數據庫平臺，以C#為編程語言，開發(fā)邊坡穩(wěn)定性評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)是物聯(lián)網平臺的應用層，總體構架見圖4，共分為3個層次。

圖4 系統(tǒng)總體構架

系統(tǒng)主界面見圖5。監(jiān)測數據采集與處理模塊主要是控制物聯(lián)網監(jiān)測信息的采集，處理錄入數據庫的初始信息，以便系統(tǒng)后續(xù)的評價；評價模型模塊主要功能是根據最新的監(jiān)測傳感器的情況動態(tài)更新評價指標層析體系，計算指標權重；分級標準模塊主要功能是確定評價級別和級別劃分標準；綜合評價模塊主要功能是選取最新的監(jiān)測數據，利用更新完成的評價模型進行分析計算，給出最終的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 系統(tǒng)主界面

3.2 工程應用

某施工期水電站樞紐所在區(qū)域屬于高山深谷地帶，岸坡陡峻，地質地形條件復雜。為實時掌握邊坡在復雜環(huán)境因素中的穩(wěn)定狀態(tài)，保證工程安全，對邊坡進行基于物聯(lián)網的智能監(jiān)控，利用系統(tǒng)分析其穩(wěn)定狀態(tài)。目前，該邊坡的監(jiān)測傳感器有內部變形(17臺)、表面變形(36臺)以及錨索受力(22臺)3類，系統(tǒng)中代號分別為M、TP、PR。

利用監(jiān)測傳感器的接口，開發(fā)數據采集功能，在系統(tǒng)中可以控制采集的方式和采集周期等。原始的監(jiān)測數據進入數據庫之后，需要利用系統(tǒng)進行處理，主要是識別和消除誤差，估計缺失值。監(jiān)測傳感器信息采集控制界面見圖6。

圖6 監(jiān)測傳感器信息采集控制界面

隨著該邊坡的施工，增加了2臺錨索受力測點、2臺內部變形測點以及1臺表面變形測點，需要以此對指標體系進行更新，并且重新計算受影響層次的權重向量，圖7是監(jiān)測斷面B 的5臺表面變形測點的權重分析。

圖7 評價模型更新界面

在系統(tǒng)中分別以綠、藍、黃、紅4種顏色代表邊坡的評價結果從穩(wěn)定到不穩(wěn)定的4種狀態(tài)。以表面變形傳感器的位移指標為例，利用系統(tǒng)中的典型小概率法求得綠、藍、黃、紅4種等級之間的分界值分別為46.5、51.2 mm和56.6 mm。分級標準計算界面見圖8。

利用上述的系統(tǒng)功能，在完成分析評價前的準備工作之后，以最新采集的監(jiān)測數據為基礎，通過系統(tǒng)對邊坡的穩(wěn)定性進行分析評價。此次評價的結果為綠色等級，表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，與邊坡實際狀況相吻合。邊坡綜合評價結果界面見圖9。

圖8 分級標準計算界面

圖9 邊坡綜合評價結果界面

4 結 論

(1)針對邊坡監(jiān)測存在的問題，基于物聯(lián)網的相關理論，提出了邊坡工程的物聯(lián)網信息采集平臺體系結構，為該平臺的搭建提供了參考。

(2)以模糊綜合評價理論和層次分析法為基礎，基于Visual Studio 2010和SQL Server 2008平臺，利用C#編程語言，針對物聯(lián)網采集的監(jiān)測數據，開發(fā)了綜合評價系統(tǒng)，實現了邊坡穩(wěn)定性快速、準確的分析評價。

(3)以某正在施工的水電站邊坡為例，利用開發(fā)的系統(tǒng)進行邊坡穩(wěn)定分析評價，評價結果與實際狀況相吻合，證明該系統(tǒng)是一個可靠的邊坡穩(wěn)定分析輔助工具。

[1]張金龍， 徐衛(wèi)亞， 金海元， 等. 大型復雜巖質高邊坡安全監(jiān)測與分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2009， 28(9)： 1819- 1827．

[2]胡永利， 孫艷豐， 尹寶才. 物聯(lián)網信息感知與交互技術[J]. 計算機學報， 2012， 35(6)： 1147- 1163．

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[4]宋曉秋. 模糊數學原理與方法[M]. 徐州： 中國礦業(yè)大學出版社， 1999．

[5]程理民， 吳江， 張玉林. 運籌學模型與方法[M]. 北京： 清華大學出版社， 2000．

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(責任編輯楊 健)

Stability Evaluation Method and System Development for Slope Engineering Based on the Internet of Things

CHEN Wang, ZHANG Sherong, PAN Fei

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

For solving the problems of poor timeliness, scattered data and affecting construction existing in current slope monitoring, the Internet of Things technology (IOT) is introduced in slope monitoring to study the data collection and transmission methods. A fuzzy comprehensive model for analyzing monitoring information is established with the foundation of dynamic index system and combining AHP with fuzzy mathematics theory. Based on Microsoft C# and SQL Server 2008 database, the system of slope stability evaluation is developed. The application of system in actual project shows that the analysis result is in line with actual situation．

slope engineering; the Internet of things; system development; monitoring information; fuzzy comprehensive evaluation; AHP

2015- 09- 30

國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金(51321065)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目(13JCYBJC19400)；河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放基金(2014491211)

陳旺(1992—)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為水工結構工程．

TU454；TP391.9

A

0559- 9342(2015)12- 0036- 04