基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術的高速公路邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)應用研究

陸衛(wèi)東

（上海浦海測繪有限公司，上海 210399）

0 引言

我國高速公路、高鐵等交通設施的建設發(fā)展，改變了其穿越地區(qū)的原有地貌構造，產生了較多邊坡結構。邊坡因其獨特結構，普遍具有較高的風險性，通常采用錨桿框架、掛網(wǎng)等措施進行安全防護，但邊坡長期受到雨水沖刷，不可避免會產生位移變形，當變形量較大時，則會產生安全隱患，甚至造成邊坡失穩(wěn)。為對邊坡安全狀態(tài)進行實時掌握，需采用一定的技術方法對邊坡變形信息進行準確獲取［1］，實時監(jiān)控邊坡變形情況，預防安全事故發(fā)生。傳統(tǒng)監(jiān)測方法多采用人工測量方式，監(jiān)測人員手持全站儀、水準儀、測斜儀等儀器設備，對邊坡進行安全監(jiān)測［2］，費時費力，數(shù)據(jù)生產周期長，監(jiān)測成果具有一定的滯后性，時效性較差。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術的發(fā)展為邊坡安全實時監(jiān)控提供了新的技術手段，以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，將各個類型的底層監(jiān)測元件和監(jiān)測傳感器緊密相連，輔以多傳感器融合技術、邊緣解算技術、無線通信技術、云解算技術等，構建邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)，實時獲取邊坡安全數(shù)據(jù)，保障邊坡結構及周邊環(huán)境安全。

相較于傳統(tǒng)人工監(jiān)測，邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)具有全天候、時效性高、無需人工干預等優(yōu)勢，通過在邊坡高風險位置安裝自動化監(jiān)測設備，如GNSS 接收機、雨量計、自動化測斜儀等，依據(jù)預先設定的規(guī)則對監(jiān)測點原始數(shù)據(jù)進行高頻率采集，利用邊緣解算對原始數(shù)據(jù)進行去噪、過濾，剔除異常值，然后通過多方式組網(wǎng)將原始觀測數(shù)據(jù)遠端發(fā)送至云端，由云網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)檢校、平差處理、擬合計算等，最終由專業(yè)監(jiān)測云平臺對外進行監(jiān)測成果可視化展示［3］。邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)需要具備實時預警功能，當邊坡變形速率或累計變形量超過預先設定的限值時，需在第一時間將預警信息推送給相關負責人，便于及時采取措施，以防發(fā)生邊坡安全事故。

本次研究在充分獲取邊坡安全監(jiān)測需求的前提下，設計開發(fā)邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)架構和作業(yè)原理進行詳細闡述，驗證自動化監(jiān)測系統(tǒng)在邊坡監(jiān)測中的可行性及優(yōu)勢，并采用某邊坡工程監(jiān)測項目對自動化監(jiān)測系統(tǒng)的成果準確性進行分析，進一步驗證其自動化監(jiān)測成果的可靠性，為高邊坡安全監(jiān)測提供切實可行的解決方案。

1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 需求分析

邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)旨在解決邊坡常規(guī)人工監(jiān)測頻率低、時效性差等問題，在保證監(jiān)測數(shù)據(jù)精度滿足要求的前提下，采用一定技術方法將數(shù)據(jù)采集、解析等過程自動化，降低人工投入，提高監(jiān)測效率。本次研究通過多方調研及實際應用等方式，匯總業(yè)主及監(jiān)測人員對邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的真實需求，以期解決邊坡監(jiān)測現(xiàn)存問題。本次研究搜集匯總的邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)需求如下：

1）方便安裝實施。邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝實施應盡量做到簡捷、方便，盡可能降低現(xiàn)場設備安裝時間，減少現(xiàn)場實施工作強度，且設備安裝應有作業(yè)規(guī)范參考，不得出現(xiàn)危險作業(yè)。

2）降低環(huán)境影響。自動化監(jiān)測設備的安裝不得損壞邊坡現(xiàn)場及周邊生態(tài)環(huán)境，應盡量使用小型化監(jiān)測設備［4］，降低對生態(tài)環(huán)境影響，且自動化監(jiān)測設備應采用環(huán)保材料，不得對環(huán)境造成污染。

3）成果準確安全。邊坡監(jiān)測的核心在于獲取準確可靠的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，無論采取何種監(jiān)測方法，需確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準確可靠；同時自動化監(jiān)測系統(tǒng)需具有較高的安全性，監(jiān)測數(shù)據(jù)應支持多方式備份，便于追蹤溯源。

4）簡易操作流程。自動化監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)設置、配置更改、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)下載等操作應簡單便捷，人機交互直觀方便，無需操作人員具有較強的專業(yè)性，只要經(jīng)簡單培訓后，即可對自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行日常運維及數(shù)據(jù)查閱等。

1.2 設計原則

邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)應從以上統(tǒng)計需求出發(fā)，在確保監(jiān)測成果高效準確的前提下，最大程度提升系統(tǒng)使用人員的操作便捷性，系統(tǒng)主要設計原則如下：

1）一致性。邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)設計應滿足規(guī)范要求，系統(tǒng)結構、數(shù)據(jù)存儲、變量命名、函數(shù)接口等均應具有較高的一致性，便于系統(tǒng)各板塊間邏輯交互及系統(tǒng)規(guī)范化管理，同時方便后續(xù)對自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行維護與升級。

2）安全性。自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取邊坡空間絕對位置、氣象條件等基礎地理數(shù)據(jù)信息，故系統(tǒng)設計開發(fā)過程中需確保數(shù)據(jù)成果具有較高的安全性，且在邊坡長期監(jiān)測過程中，自動化監(jiān)測系統(tǒng)需具有較高的穩(wěn)定性及可靠性。

3）便捷性。邊坡位移自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，盡量使用小型化監(jiān)測設備，確保安裝過程較為方便快捷，便于作業(yè)人員進行快速安裝，且使用環(huán)保材料，以減少對現(xiàn)場生態(tài)環(huán)境的影響；軟件部分尤其是監(jiān)測云平臺，須具備友好的交互界面，簡單直觀，滿足非專業(yè)人員使用操作需求。

4）兼容性。邊坡安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)需具有較高的兼容性，支持多源數(shù)據(jù)交互存儲，便于與其他自動化監(jiān)測系統(tǒng)或監(jiān)測云平臺進行數(shù)據(jù)對接。

1.3 系統(tǒng)架構

邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)整體而言包含硬件和軟件兩大板塊，硬件板塊主要是指安裝在現(xiàn)場的傳感器、采集器、天線模塊及電源裝置等，負責數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸；軟件板塊主要是對現(xiàn)場自動化監(jiān)測設備進行行為控制，并對其采集的原始數(shù)據(jù)進行解析計算，然后進行可視化展示如圖1 所示。依據(jù)監(jiān)測對象的不同，邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)又可劃分為多個子系統(tǒng)，如，地表位移監(jiān)測子系統(tǒng)、內部位移監(jiān)測子系統(tǒng)、降雨量監(jiān)測子系統(tǒng)、裂縫監(jiān)測子系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)綜合利用傳感器、采集器、云平臺等軟硬件模塊，形成獨立監(jiān)測站，綜合獲取解析邊坡變形情況。

圖1 邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)整體架構

2 工程項目應用

2.1 項目概況

本次研究以某高速公路邊坡為研究對象，采用自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)對其進行變形監(jiān)測。該高速公路邊坡位于地形起伏較大的山地區(qū)域，邊坡相對較長，最大高度約為45 m；邊坡主要巖體有軟巖及較軟巖，局部地區(qū)存在硬質巖。該邊坡為六級邊坡，一到三級邊坡的坡比為1∶0.75，四到六級邊坡的坡比為1∶1，各級邊坡均采用防護措施進行安全防護，其中，一級、四級和五級邊坡防護形式為錨桿框架梁，二級和三級邊坡為錨索框架，六級邊坡采用掛雙網(wǎng)噴有機基材進行安全防護，安全系數(shù)相對較高。但邊坡高度相對較高時，危險系數(shù)也高，一旦發(fā)生較大變形會導致高速公路發(fā)生破壞，引發(fā)交通事故，故需要對其進行跟蹤監(jiān)測，獲取邊坡變形信息。

2.2 邊坡地表位移自動化監(jiān)測子系統(tǒng)

本次研究采用GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)對邊坡地表位移進行全天候實時監(jiān)測［5］，其原理為利用BDS導航定位衛(wèi)星獲取邊坡上布設的GNSS 監(jiān)測站和穩(wěn)定區(qū)域內基準站之間的相對空間位置信息，以獲取大量原始觀測數(shù)據(jù)為基礎，對其進行去噪、平差、擬合等處理，生成較為準確可靠的坐標數(shù)據(jù)，將每次監(jiān)測坐標與監(jiān)測點初值進行對比作差即可得到該點位累計變化量。本次研究在高速公路邊坡主要風險區(qū)域布設了4 個地表位移自動化監(jiān)測點，點位分布如圖2（a）所示；GNSS 接收機采用太陽能供電，以立桿形式安裝，組織形式如圖2（b）所示。

GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)所獲取的邊坡變形數(shù)據(jù)為X、Y、Z三個方向的累計變化量，其中，X、Y方向的合位移即為平面位移，Z方向的變化量即為垂直方向位移。本次研究選取BD03 和BD04 監(jiān)測點2019 年12 月3 日至2020 年2 月3 日共計兩個月的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析研究，如圖3 所示。

圖3 GNSS 自動化監(jiān)測點累計位移-時間曲線圖

由圖3 可知：BD03、BD04 監(jiān)測點累計位移變化可分為兩個階段：兩個自動化監(jiān)測點在2019 年12月3 日到2020 年1 月12 日間變形特征較為顯著，平面及垂直方向變形速率較大；其中，BD03 監(jiān)測點水平位移變形速率最高可達17.8 mm/d，垂直方向變形速率最高可達10.3 mm/d；BD04 監(jiān)測點水平位移變形速率最高可達4.1 mm/d，垂直方向變形速率最高可達13.4 mm/d；累計變形值大幅度增加，處于快速變形階段。2020 年1 月12 日至2020 年2 月3 日間，監(jiān)測點變形速率大大降低，位移-時間曲線呈現(xiàn)漸變收斂狀態(tài)，監(jiān)測點水平位移和垂直位移均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，累計變形值緩慢增加，表示監(jiān)測點處于緩慢勻速變形階段。

本次自動化監(jiān)測周期內，BD03 監(jiān)測點水平方向累計變形量為196.9 mm，平均變形速率為3.3 mm/d，垂直方向累計變形量為45.0 mm，平均沉降速率為0.8 mm/d；BD04 監(jiān)測點水平方向累計變形量為71.3 mm，平均變形速率為1.2 mm/d，垂直方向累計變形量為18.6 mm，平均沉降速率為0.3 mm/d。監(jiān)測點累計位移量相對較大，邊坡變形監(jiān)測規(guī)范一級預警要求水平位移不大于40 mm，垂直方向位移不大于35 mm，因此兩個監(jiān)測點均觸發(fā)一級預警，并通知到相應負責人，采取相關措施加強邊坡安全防護。

2.3 邊坡內部位移自動化監(jiān)測子系統(tǒng)

GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)是對邊坡地表位移變形進行實時監(jiān)測，無法獲取邊坡內部深層結構變形特征。本次研究采用固定式測斜儀對邊坡內部位移進行自動化監(jiān)測，通過在監(jiān)測點位置鉆孔埋設測斜管，將固定式測斜儀按照1 m 間距逐段連接，安裝至測斜管內；采用RS485 總線進行數(shù)據(jù)近場傳輸，匯聚到地表數(shù)據(jù)采集箱內，進行邊緣解算并遠端發(fā)送至云端；內部位移自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用太陽能和蓄電池聯(lián)合供電方式，以鋼立柱形式進行安裝。本次自動化監(jiān)測布設了2 個內部位移監(jiān)測斷面，共計6 個自動化監(jiān)測點，測點編號為ZK05～ZK07、ZK11～ZK13。

邊坡內部位移自動化監(jiān)測是以高精度三軸傾角計為基礎，對邊坡內部結構不同深度X、Y、Z方向的傾角變化進行高精度監(jiān)測，并將其轉換為各方向位移量（Δx，Δy，Δu，）從而對邊坡內部結構位移變形進行跟蹤監(jiān)測。本次研究選擇ZK05 監(jiān)測點進行數(shù) 據(jù)分析，測孔各深度累計位移-時間曲線，如圖4 所示。

圖4 ZK05 監(jiān)測點各深度累計位移曲線

由圖4 可知：截至2020 年5 月3 日，ZK05 監(jiān)測點累計變形值較大，各方向均已超過一級預警60 mm 要求，變形速率相對較大且無收斂趨勢。監(jiān)測點主要變形深度為邊坡內部1～27 m 位置，其中1～7 m 位置變形最為顯著；7～27 m 位置變形逐漸減緩，隨深度增加，累計變形逐漸減小；27～45 m 位置累計變形相對較小，基本可忽略不計。該內部位移測孔在靠近地表位置發(fā)生較大變形，已在第一時間通知到相關負責人，并采用一定措施進行加強防護，后續(xù)該監(jiān)測點逐漸趨于穩(wěn)定，無較大變形發(fā)生。

2.4 降雨量自動化監(jiān)測子系統(tǒng)

當降雨量較大時會對邊坡安全產生一定影響，本次研究采用翻斗式雨量計對邊坡區(qū)域降雨量進行自動化監(jiān)測，選擇2020 年1 月14 日—2020 年2月15 日降雨量數(shù)據(jù)進行分析研究如圖5 所示。其中，1 月15 日、1 月23 日、1 月24 日、2 月06 日和2月15 日降雨量較大，均超過20 mm，對比以上時間點GNSS 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，降雨量較大時后續(xù)BD03 和BD04 地表位移監(jiān)測點也出現(xiàn)較大變形，因此當降雨量較大時，后續(xù)一段時間內邊坡位移容易發(fā)生較大變形，邊坡安全風險相對較大，需要通知到相關負責人，持續(xù)關注監(jiān)測點變形信息，如，存在較大安全隱患，及時啟動應急預案，加強邊坡安全防護，杜絕安全事故發(fā)生。

圖5 降雨量自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 結語

高邊坡安全是近年來備受關注的地質災害風險問題，需采用一定技術方法對高邊坡變形特征及趨勢進行跟蹤監(jiān)控。本文以物聯(lián)網(wǎng)傳感技術為基礎，充分融合北斗衛(wèi)星導航定位、無線通信、云解算等技術，從高邊坡監(jiān)測需求出發(fā)，設計開發(fā)邊坡自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)，并成功應用于某山區(qū)高速公路邊坡監(jiān)測項目。通過對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析研究，結合邊坡實際變形特征，驗證了邊坡自動化監(jiān)測成果的可靠性，為高風險邊坡全天候高精度監(jiān)測提供了可靠的技術方案。