基于Android的山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)與應(yīng)用

黃　健，左得奇，肖金武

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

隨著西部大開發(fā)的推進(jìn)，高速公路建設(shè)在西南山區(qū)得到了快速發(fā)展。但是該區(qū)域又是我國地質(zhì)條件最為復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育，且對(duì)山區(qū)公路、通行車輛及人員的安全威脅最大的地區(qū)。如2012年6月28日，四川涼山冕寧縣一段省道發(fā)生巖石崩塌災(zāi)害，直接造成2輛車被埋，死亡7人；2016年7月27日，在建的雅康高速天全段發(fā)生一處滑坡，直接造成8根橋墩垮塌，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)500萬元以上?？梢?，山區(qū)公路建設(shè)、運(yùn)營過程中，針對(duì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及安全預(yù)警顯得尤為重要。

邊坡穩(wěn)定性分析是一個(gè)多因素的綜合評(píng)價(jià)過程[1-4]，常用的方法有模糊綜合評(píng)價(jià)法[7]、綜合指數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[4]。多因子權(quán)重的大小則常采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[1-2]、相互作用關(guān)系矩陣法[4]等來確定?？紤]到山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過程中所涉及的多因素具有明顯的不確定性及難以量化等特點(diǎn)，本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合山區(qū)典型公路邊坡的具體特征，建立邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分別利用灰色關(guān)聯(lián)分析法與綜合指數(shù)法構(gòu)建了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法，并針對(duì)目前普遍使用智能手機(jī)的現(xiàn)象，結(jié)合智能手機(jī)終端與高德地圖服務(wù)，進(jìn)一步利用Android二次開發(fā)技術(shù)，綜合集成地圖、氣象、公路邊坡等數(shù)據(jù)，研發(fā)了集定位、導(dǎo)航、邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及實(shí)時(shí)預(yù)警提示功能為一體的山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅方便了大眾，更為地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)研究提供了一條新的途徑。

1　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

1. 1　建立邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

邊坡穩(wěn)定性影響因素多，一般可分為控制因素和誘發(fā)因素兩類。邊坡形態(tài)(高度、坡度)、地質(zhì)條件(巖性、風(fēng)化程度)和巖體結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面組合、結(jié)構(gòu)面形態(tài))是控制邊坡穩(wěn)定狀況的關(guān)鍵因素，而水的作用(降雨、地下水)以及地震、人類工程活動(dòng)是邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)因素[3-4]。因此，綜合已有的研究成果，本文建立了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖1。

圖1　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1　　　　Evaluation index system for stability analysis of road slope in mountain area

1. 2　評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

本文以安徽湯屯高速公路近40處邊坡詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)作為樣本，利用半定量專家取值法實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的量化[4]，如巖體強(qiáng)度指標(biāo)取值詳見表1。基于此，以邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為參考數(shù)列，P1～P5為比較數(shù)列，計(jì)算關(guān)聯(lián)度，并對(duì)其加權(quán)平均后得到各指標(biāo)的權(quán)重，即{k1,k2,k3,k4,k5}={19.571 5,19.529 0,19.689 1,20.307 2,20.903 2}。

表1　巖體強(qiáng)度指標(biāo)(P3)取值[4]Table 1　Index of rockmass intensity (P3)[4]

1. 3　建立邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法

本文利用綜合指數(shù)法建立了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法，即計(jì)算邊坡不穩(wěn)定指數(shù)(?)，其中降雨作為誘發(fā)因素，并考慮對(duì)結(jié)構(gòu)面與巖體結(jié)構(gòu)類型指標(biāo)進(jìn)行修正。邊坡不穩(wěn)定指數(shù)?的計(jì)算公式為

式中:Pi為指標(biāo)i的取值；ki為指標(biāo)i的權(quán)重；φi為指標(biāo)i的降雨修正系數(shù)，φ1，2，3=1.0，φ4，5=1.5。

根據(jù)上述方法，利用收集的40處典型邊坡樣本數(shù)據(jù)，通過對(duì)邊坡不穩(wěn)定指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分，得到了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性的等級(jí)區(qū)間，見表2。

表2　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性的等級(jí)區(qū)間Table 2　　　　Rating intervals of road slope stability in mountain area

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)方法的可靠性，利用該方法對(duì)安徽黃桃塔高速公路沿線邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，其推測結(jié)果與定性評(píng)價(jià)結(jié)果吻合度可達(dá)80%以上，表明所建立的邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法具有可靠性，也為軟件平臺(tái)研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

2　基于Android的山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研發(fā)

Android是基于Linux內(nèi)核，采用Java語言編寫的主要應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備終端的一套開源系統(tǒng)。由于其市場占有率高，應(yīng)用程序開發(fā)難度不大，因此得到了廣大用戶的歡迎，并且開發(fā)出了諸多優(yōu)秀的應(yīng)用軟件，如奧維互動(dòng)地圖等。利用該技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)山區(qū)公路邊坡信息化管理，而且還可以結(jié)合實(shí)時(shí)的降雨數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)山區(qū)公路邊坡安全預(yù)警功能，保障行駛中的車輛及人員安全。

2. 1　系統(tǒng)的架構(gòu)

山區(qū)公路邊坡安全快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)(MS_APP)由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)傳輸層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用層組成，見圖2。數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)了山區(qū)公路邊坡基礎(chǔ)屬性信息、氣象降雨數(shù)據(jù)和高德地圖平臺(tái)；業(yè)務(wù)邏輯層主要實(shí)現(xiàn)邊坡不穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算、空間信息服務(wù)及導(dǎo)航規(guī)劃功能；應(yīng)用層則是在邏輯層分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)邊坡安全提示與預(yù)警。

圖2　　　　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)(MS_APP)的架構(gòu)Fig.2　　　　System architecture of fast evaluation system for road slope stability in mountain area (MS_APP)

2. 2　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)，見圖3。針對(duì)山區(qū)公路邊坡具有線狀分布的特點(diǎn)，利用高德地圖平臺(tái)提供的地圖服務(wù)，通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航、路線規(guī)劃等基礎(chǔ)功能。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化地圖模塊，加載邊坡點(diǎn)位、屬性及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果等信息，實(shí)現(xiàn)用戶交互式操作、終端與服務(wù)器的實(shí)時(shí)同步等功能。

圖3　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)圖Fig.3　Dataflow design graph of MS_APP system

用戶登陸系統(tǒng)后，可以實(shí)時(shí)查看所在范圍內(nèi)的邊坡點(diǎn)信息，包括坐標(biāo)、類型等；服務(wù)器端通過調(diào)用實(shí)時(shí)天氣信息，利用建立的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，自動(dòng)分析此時(shí)邊坡的穩(wěn)定狀況，實(shí)時(shí)推送給用戶，并在系統(tǒng)界面動(dòng)態(tài)顯示。

2. 3　系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能模塊涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)包括邊坡穩(wěn)定性狀況動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和空間地圖實(shí)時(shí)同步。

邊坡穩(wěn)定性狀況動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模塊主要是基于前述建立的計(jì)算方法，指標(biāo)數(shù)據(jù)源自現(xiàn)場調(diào)查，通過將其錄入數(shù)據(jù)庫后，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)量化處理，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的邊坡不穩(wěn)定指數(shù)。針對(duì)降雨條件下的修正，則是通過調(diào)用高德地圖平臺(tái)提供的Weather類進(jìn)行降雨工況的邊坡不穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算，得到實(shí)時(shí)的邊坡穩(wěn)定性狀況，并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，便于動(dòng)態(tài)調(diào)用顯示。

空間地圖實(shí)時(shí)同步模塊主要是通過調(diào)用高德地圖平臺(tái)提供的二次開發(fā)類庫中的Amap類、Location類、Search類、Navimap類，分別實(shí)現(xiàn)路線規(guī)劃與顯示、定位、周邊搜索及實(shí)時(shí)提醒功能。當(dāng)用戶啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行車輛行駛路線導(dǎo)航功能時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)取沿線邊坡當(dāng)前穩(wěn)定性信息，并以紅色標(biāo)示、語音通報(bào)等方式反饋給用戶，便于用戶知曉此時(shí)公路邊坡的穩(wěn)定性，及時(shí)作出相應(yīng)的決策與措施。

2. 4　系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

為了檢驗(yàn)山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，本文以105省道某典型山區(qū)公路邊坡為應(yīng)用測試案例進(jìn)行檢測。該邊坡為變質(zhì)砂巖組成的緩傾順向坡，其穩(wěn)定性差，強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生整體失穩(wěn)。該邊坡基本地質(zhì)信息見表3。

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與展示效果見圖4。其中，圖4(a)、(b)主要是地圖導(dǎo)航功能的實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過輸入起點(diǎn)與終點(diǎn)來確定行車路線，完成路線規(guī)劃；圖4(c)為用戶進(jìn)入導(dǎo)航功能模塊后，系統(tǒng)自動(dòng)搜索當(dāng)前位置周邊500 m范圍內(nèi)的已有邊坡信息，并以相應(yīng)的顏色進(jìn)行標(biāo)示，即：紅色對(duì)應(yīng)邊坡穩(wěn)定性極差、橙色對(duì)應(yīng)邊坡穩(wěn)定性差、黃色對(duì)應(yīng)邊坡穩(wěn)定性一般、藍(lán)色對(duì)應(yīng)邊坡穩(wěn)定性良好，當(dāng)用戶行駛車輛進(jìn)入邊坡位置150 m范圍之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過語音播報(bào)的形式告知

表3　某邊坡基本地質(zhì)信息Table 3　Geology information of a slope

圖4　系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用 Fig.4　Realization and application of the software functionalities

用戶；圖4(d)為當(dāng)前用戶正在通過一處危險(xiǎn)等級(jí)的邊坡，即系統(tǒng)測試案例，系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)語音提示用戶，前方存在一處穩(wěn)定性極差的邊坡，需要注意安全。

由此可見，該系統(tǒng)可以輔助用戶進(jìn)行行駛路線的規(guī)劃，幫助用戶提前選擇安全性較高的路線通行；如果必須通行具有一定危險(xiǎn)性的路段，在行駛過程中系統(tǒng)會(huì)動(dòng)態(tài)給予提示或預(yù)警，在一定程度上保障了通行車輛及人員的安全。

3　結(jié)　論

本文通過對(duì)已有研究成果的總結(jié)，重點(diǎn)考慮西南山區(qū)公路邊坡的特點(diǎn)，選取具有代表性的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法與綜合指數(shù)法建立了邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法，并在此基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代智能手機(jī)終端平臺(tái)Android二次開發(fā)技術(shù)以及高德地圖平臺(tái)空間數(shù)據(jù)服務(wù)等資源，綜合集成邊坡信息、實(shí)時(shí)氣象降雨信息、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果等數(shù)據(jù)，研發(fā)了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性狀況的快速評(píng)價(jià)、存儲(chǔ)及同步個(gè)人終端等功能，便于用戶在出行之前進(jìn)行安全路線規(guī)劃，為行駛在山區(qū)公路上的通行車輛提供了一定的安全保障。

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