基于云物聯(lián)技術的公路邊坡在線安全監(jiān)測系統(tǒng)

焦菊茹

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

在線監(jiān)測系統(tǒng)相比人工檢測有著安全性能高、能獲取海量連續(xù)數(shù)據(jù)、預告警等許多優(yōu)點，但同樣也存在需完善和發(fā)展的地方。在線監(jiān)測系統(tǒng)是一個涉及面廣、采集項目繁多、設備種類差異較大的現(xiàn)狀，多種設備在一個系統(tǒng)中同時運行，需通過合理布置，統(tǒng)籌的設計與管理，才能使該系統(tǒng)健康、高效地運轉。

1 邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)設計要點

邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計要緊密結合邊坡實際情況，結合相關技術的最新發(fā)展，注重系統(tǒng)的實用性、可靠性、先進性、可操作性、易維護性、完整性和可擴容性等幾個原則；本系統(tǒng)在線安全監(jiān)測與云計算有機結合，將基于云物聯(lián)技術的在線健康監(jiān)測系統(tǒng)，分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層3個層面，如圖1所示。

1.1 在線安全監(jiān)測層面

a）感知層 結合所需監(jiān)測項目的特征，感知層主要完成的工作包括：傳感器選型與布點、現(xiàn)場總線布設、采集設備組網(wǎng)等。

b）網(wǎng)絡層 在實際項目中，為了滿足安心云的整體系統(tǒng)功能，一般采用兩種遠距離傳輸方式：一種是將采集到的數(shù)據(jù)利用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通過DTU進行遠程無線傳輸；另一種則在現(xiàn)場設立工作站，通過工作站再將數(shù)據(jù)借助有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、專網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)介質(zhì)進行傳輸。

圖1 邊坡安全在線監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

c）應用層 應用層的工作分為結構物服務和用戶服務兩個層次。在結構物服務層實現(xiàn)鎮(zhèn)江數(shù)據(jù)中心和南昌數(shù)據(jù)中心雙地容災，實現(xiàn)了一方出現(xiàn)停電、故障等情況，數(shù)據(jù)依然能夠正常接收、計算、存儲，保證了數(shù)據(jù)和系統(tǒng)應用的穩(wěn)定、可靠。用戶服務層則包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報表推送、預告警、三方數(shù)據(jù)接口等智能化應用。

1.2 系統(tǒng)自診斷功能

本系統(tǒng)在設計過程中，加入了系統(tǒng)自診斷功能的開發(fā)，該系統(tǒng)具有對自身排查的功能，維護人員可以依據(jù)排查結果對系統(tǒng)進行有目的的維護，在節(jié)約時間的同時也保證了整個系統(tǒng)的長期運行。系統(tǒng)自診斷功能從3個層次對系統(tǒng)進行判斷并給出相應處理建議，分為傳感器層次自診斷、采集層次自診斷、通信層次自診斷。

a）傳感器層次自診斷 系統(tǒng)會在采集數(shù)據(jù)前對傳感器進行測試判斷，根據(jù)軟件接收回來的命令進行判斷是否出現(xiàn)傳感器短路、斷路等現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^軟件提示的異常類型和處理方法進行相應的處理。

b）采集層次自診斷 采集層次自診斷是系統(tǒng)自診斷的另一個重要部分，主要是通過設備本身判斷完成，當設備執(zhí)行采集操作時，如果設備某模塊存在異常，無法完成此次操作，將返回一個異常報告，提示操作人員設備存在異常，需要按照異常類型和排查方法處理異常，直至異常排查完成，同時排查期間不影響其他采集設備及整套系統(tǒng)的運行。

c）系統(tǒng)層次自診斷 通信正常是數(shù)據(jù)采集和遠程控制的保障，對于系統(tǒng)通信異常的檢測，主要由上位機軟件完成操作，上位機軟件從通訊系統(tǒng)的上端—下端—遠端采集設備逐步進行命令測試，根據(jù)返回的數(shù)據(jù)幀判斷通信故障出現(xiàn)的層次，如果通信出現(xiàn)異常或總線上出現(xiàn)干擾信號，則需要重新連接，做好防干擾措施。利用系統(tǒng)自診斷功能監(jiān)測系統(tǒng)的自身安全，及時反饋監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況給操作人員，以保障安全與安全監(jiān)控預警系統(tǒng)良好地發(fā)揮作用。

2 系統(tǒng)在寧武高速邊坡中的實踐與效果

2.1 監(jiān)測概括

福建省寧武高速公路全長203 km，2012年7月底全線動工建設。寧武高速仙巖隧道左側高邊坡開挖后第三、四級坡面為全風化石英片巖；左側邊坡根據(jù)實際測量地面線進行開挖放樣后，實際開挖坡面比原設計增加兩級高度，現(xiàn)邊坡共9級80 m，為超高邊坡。針對實際需求，監(jiān)測系統(tǒng)主要設計為包括表面位移監(jiān)測子系統(tǒng)、深層監(jiān)測子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、應力監(jiān)測子系統(tǒng)、系統(tǒng)防雷與供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、監(jiān)控中心系統(tǒng)。其中所有子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端——前端數(shù)據(jù)處理器布置在邊坡監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，用于在線實時采集各監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)信息；值班室與邊坡數(shù)據(jù)終端之間采用有線光纖通信模式。監(jiān)控中心系統(tǒng)設在省高指值班室內(nèi)，用于數(shù)據(jù)實時自動采集、分析、顯示、綜合預警、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)Web數(shù)據(jù)發(fā)布等。

現(xiàn)場各監(jiān)測布點示意圖如圖2。

圖2 YK120+516、YK120+600間邊坡監(jiān)測布點圖

2.2 軟件系統(tǒng)框架

經(jīng)過大量邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)研，并且在實際邊坡監(jiān)測系統(tǒng)相關經(jīng)驗的指導下，針對邊坡的特點，編制了軟件系統(tǒng)設計指導意見。設計指導意見中提出了系統(tǒng)設計的內(nèi)容、特點功能等具體要求，并提出了系統(tǒng)的設計原則。制定了系統(tǒng)功能原理框架（如圖3）、軟件總體框架（如圖 4）及流程圖（如圖 5）、實時監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖等框圖（如圖6）。

圖3 系統(tǒng)功能原理框架

圖4 軟件總體框架

圖5 軟件流程圖

圖6 實時監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

寧武邊坡健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)建立充分利用了施工監(jiān)控的有關監(jiān)測儀器設備，特別是監(jiān)控預埋的振弦式應變傳感器，根據(jù)存活的情況，選擇重要部位作為健康監(jiān)測系統(tǒng)的測點。

邊坡健康與安全監(jiān)控預警系統(tǒng)的整個數(shù)據(jù)傳輸結構根據(jù)功能可分為3層:數(shù)據(jù)采集層、中間傳輸層及中心網(wǎng)絡層。結構示意圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸結構示意圖

數(shù)據(jù)采集層主要負責將各種傳感器的輸出信號經(jīng)預處理后傳輸至相應的數(shù)據(jù)采集設備；中間傳輸層負責將數(shù)據(jù)采集設備所采集數(shù)字信號傳輸至上層處理系統(tǒng)；而中心網(wǎng)絡層則為監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存儲提供了一個網(wǎng)絡平臺。根據(jù)總體設計方案，數(shù)據(jù)采集層與中間傳輸層之間的界面劃分在數(shù)據(jù)采集設備端，由于各監(jiān)測子系統(tǒng)所使用的設備不同，導致兩層之間的傳輸介質(zhì)各種各樣，主要有抗干擾屏蔽電纜、串行通信線纜等。中間傳輸層與中心網(wǎng)絡層的界面劃分在監(jiān)控中心的網(wǎng)絡交換機上，兩層之間的傳輸介質(zhì)可以為單?；蚨嗄９饫|，為充分利用現(xiàn)有資源，采用單模光纜。數(shù)據(jù)采集層的設備主要包括：傳感器、信號調(diào)理設備、A/D轉換設備、數(shù)據(jù)采集設備以及傳輸線纜。

邊坡健康監(jiān)測系統(tǒng)中，電纜是必不可少的，電纜傳輸也成為現(xiàn)場通信中最優(yōu)先的選擇。與電纜相比，光纜具有抗干擾、防串擾、帶寬高、衰減低、保密性好的特點，其材質(zhì)耐腐蝕、重量輕且不會短路。但由于電子設備都采用電信號，傳輸需光電轉換，所用設備價格較高，短距傳輸不夠經(jīng)濟。所以光纜一般作為現(xiàn)場計算機與管理中心服務器間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴史绞?。與有線傳輸相比，無線傳輸無需布線，即省去了線纜的維護成本，也使其傳輸距離幾乎不受限制。但其傳輸速率較低，易受電磁干擾、串擾，保密性也最差。無線傳輸受環(huán)境影響較大，尤其是密閉空間，雖然不論現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸與遠程通信都可采用無線技術，但一般都作為備選方案，在不易布線并且數(shù)據(jù)量較小的情況下選用，例如邊坡附近無管理中心，服務器可能置于異地，只能采用無線接入Internet。

本系統(tǒng)通過成熟的GPRS/GSM網(wǎng)絡，通過靈活地控制設備的采集制度，進行遠程控制。

GPRS DTU無線傳輸采用高性能工業(yè)級嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，超大內(nèi)存，內(nèi)嵌自主知識產(chǎn)權的TCP/IP協(xié)議棧。為用戶提供高速、穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)終端實時在線、多種協(xié)議轉換的虛擬專用網(wǎng)絡。把DTU設備連接在PC或者采集儀上，此時數(shù)據(jù)庫或采集設備里面采集到的數(shù)據(jù)通過DTU里面移動手機卡GPRS功能把數(shù)據(jù)傳送到Internet網(wǎng)絡上。從而用戶可以通過登錄網(wǎng)站查看采集到的數(shù)據(jù)。在應用之前先進行數(shù)據(jù)中心的IP和端口及其他參數(shù)的設置，之后串口和采集器串口對接，可實現(xiàn)雙向透明傳輸數(shù)據(jù)。

3 結論

a）本次實踐驗證了所設計的在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，收集了大量實時數(shù)據(jù)，實時把握邊坡本體的活動狀態(tài)，實時有效地評定了邊坡的穩(wěn)定性。

b）為運營、維護、管理提供決策依據(jù)，可以使得既有邊坡支護工程的技術改造決策更加科學、改造技術方案的設計更加合理、經(jīng)濟。

c）為滑坡研究中的未知問題研究提供了新的契機，由于邊坡活動狀態(tài)及其環(huán)境所得的信息不僅是滑坡理論研究和試驗室調(diào)查的補充，而且可以提供有關滑坡行為與環(huán)境規(guī)律最真實的信息。邊坡健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的邊坡檢測和安全評估新技術的應用，而且被賦予了監(jiān)控與評估、驗證和研究發(fā)展三方面的意義。