物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的應(yīng)用研究

摘 要：由于當前人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測效果不佳，為此研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的應(yīng)用。首先利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)部署不同傳感器完成邊坡數(shù)據(jù)采集。然后，提取邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測獨立樹的訓(xùn)練樣本，并對獨立樹進行約束輸出集合數(shù)據(jù)。通過傳感器采集邊坡數(shù)據(jù)并使用GPS定位技術(shù)對邊坡邊界進行測量和標記。運用GIS工具將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與邊坡數(shù)據(jù)疊加以建立合適的彈性結(jié)構(gòu)模型。利用加權(quán)算法搜索不同節(jié)點的最優(yōu)解，獲取準確監(jiān)測數(shù)據(jù)后計算不同傳感器之間的置信距離。最后，通過比較閾值附近的模糊程度，實現(xiàn)信息融合并實現(xiàn)同步監(jiān)測。測試結(jié)果表明，經(jīng)過12期的觀測，邊坡變形量監(jiān)測與實際值之間的濾波殘差結(jié)果均在0～0.4 mm，符合預(yù)期設(shè)定的精度目標，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；黃土邊坡；穩(wěn)定性監(jiān)測；GPS定位；GIS；加權(quán)算法

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-0-03

0 引 言

隨著我國邊坡工程的發(fā)展與完善，邊坡穩(wěn)定性問題引起不斷關(guān)注[1]。在邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測過程中，將邊坡位移變化量傳輸?shù)较鄳?yīng)的顯示器上，可以更加直觀對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行觀測，減少工程施工的危害，為人工黃土邊坡施工提供重要依據(jù)。此舉不僅提升了監(jiān)測的有效性，還能降低施工難度。現(xiàn)階段，邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測方法主要針對長期進行人工巡查，監(jiān)測設(shè)備有限，監(jiān)測頻次低、信息反饋不及時等問題。由于監(jiān)測位置不當，使得滑坡推力下降等數(shù)據(jù)無法及時監(jiān)測，難以獲得穩(wěn)定性保障，導(dǎo)致結(jié)果不符合預(yù)期[2]。因此，在接下來的研究中結(jié)合實際工程案例，闡述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的具體應(yīng)用方法，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的其他應(yīng)用進行展望，為相關(guān)研究提供參考與借鑒。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)部署傳感器

運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將不同的傳感器進行部署[3]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用上文構(gòu)建的配置結(jié)構(gòu)，從邊緣服務(wù)器中提取數(shù)據(jù)，并利用該數(shù)據(jù)進行模型訓(xùn)練。在邊緣層，由云計算核心層來分配任務(wù)，保證在訓(xùn)練結(jié)束后，模型可以自動完成對數(shù)據(jù)的檢測[4]。接下來，建立邊坡異常監(jiān)控模型，設(shè)置邊緣層的服務(wù)器數(shù)目為k，并將任務(wù)分配給各服務(wù)器。將設(shè)置在邊坡位置的服務(wù)器設(shè)為Z=（1， 2， ...， k），并設(shè)定終端設(shè)備與邊坡位置服務(wù)器之間的傳送帶寬。在此基礎(chǔ)上，建立了一種用于邊坡穩(wěn)定監(jiān)測的獨立樹[5]，并對其加以限制，其約束條件如下：

（1）

式中：x為服務(wù)器中需要訓(xùn)練的獨立樹的數(shù)量；Zmax為最大值。將數(shù)據(jù)集進行節(jié)點填充，并在數(shù)據(jù)集中任意選擇一個屬性q，將數(shù)據(jù)放在當前節(jié)點的子節(jié)點中，剩下的節(jié)點依次排列[6]?；贖TTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，對存儲數(shù)據(jù)進行處理。邊坡服務(wù)器數(shù)量計算公式為：

（2）

式中：y為獨立樹樣本數(shù)值。子節(jié)點重復(fù)生成新的子節(jié)點，直至滿足終止條件。文中選取了一系列任務(wù)，對不同的序列進行了交換，得到了一個新的定位?；谧罴雅鋵Σ呗裕陋毩浣?。設(shè)置樹的高度，得到坡服務(wù)器中獨立樹結(jié)構(gòu)數(shù)量。綜上，完成邊坡監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)部署。

1.2 人工黃土邊坡穩(wěn)定性分析

運用GIS工具進行邊坡空間分析，將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與邊坡數(shù)據(jù)疊加，構(gòu)建合適的彈性結(jié)構(gòu)模型。將測量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點云數(shù)據(jù)，使用摩爾-庫侖屈服準則對其進行轉(zhuǎn)換：

（3）

式中：δ1為最大主應(yīng)力；δ2為最小應(yīng)力；λ為內(nèi)粘力；o為摩擦角度。由于黃土邊坡在降雨條件下穩(wěn)定性會發(fā)生一定變化，可能導(dǎo)致形成破裂面的位置改變，從而影響對黃土邊坡穩(wěn)定性的評價。因此，在施工過程中，結(jié)合對人工黃土邊坡穩(wěn)定性的研究，選擇合適的邊坡坡率。同時，考慮水位變化，在降雨過程中隨著降雨持續(xù)時間和滲入程度的變化，邊坡的穩(wěn)定性也會發(fā)生變化。因此，我們設(shè)定一定的邊界條件：左右為水平滑動約束，上下為自由邊界。使用STM主機對不合格的數(shù)據(jù)進行篩選，以得到邊坡在自然狀態(tài)下的土層參數(shù)結(jié)果。為確保施工期間的安全，考慮到各種因素的影響，采用MySQL數(shù)據(jù)庫對施工期進行安全監(jiān)測。根據(jù)變形監(jiān)測測點布置原則，在邊坡上布置單點位移計。從自錨桿端頭位置開始，依次間隔布置應(yīng)力計，每根錨桿上布置一定數(shù)量的鋼筋應(yīng)力計，并將測力計安裝在孔口墊板上。以此來完成監(jiān)測設(shè)備布置，以獲取更為準確的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測邊坡數(shù)據(jù)

運用傳感器進行信息采集時，為提高監(jiān)測精度，需要覆蓋整個邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測區(qū)域，并及時采集所有基準點相關(guān)數(shù)據(jù)。首先設(shè)置N個節(jié)點，然后將消息傳遞給簇頭，對簇頭進行信息融合，最后將消息傳遞給網(wǎng)關(guān)。運用加權(quán)算法搜索不同節(jié)點所對應(yīng)的最優(yōu)解，獲得最佳監(jiān)測數(shù)據(jù)[7]。故第r個節(jié)點的輸出方程為：

（4）

式中：α為加權(quán)估計值。根據(jù)上述內(nèi)容，設(shè)計輔助函數(shù)來計算加權(quán)估計值，并建立方程組計算最優(yōu)加權(quán)因子的估計誤差，從中得到最小值結(jié)果[8]。通過濾波方式，可以獲取最小值節(jié)點的數(shù)值，其中節(jié)點值越小，權(quán)重越大。因此，在測量過程中使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠獲得更真實的數(shù)據(jù)。在這種情況下，節(jié)點傳輸有效數(shù)據(jù)，并且設(shè)置監(jiān)測子網(wǎng)中的簇數(shù)為b，利用關(guān)系矩陣法處理簇間數(shù)據(jù)。假設(shè)簇頭節(jié)點輸出的數(shù)據(jù)為g，符合Gaus分布，對不同傳感器之間的置信距離進行計算，以得到傳輸距離，其計算公式為：

（5）

式中：g為置信距離。在此基礎(chǔ)上，計算各傳感器的可信距離。隨著數(shù)值的減小，各傳感器間距逐漸減小。為分析監(jiān)控的有效性，需要將可信度引入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成關(guān)聯(lián)矩陣，再將其轉(zhuǎn)化為節(jié)點的量測閾值[9]。比較計算的傳輸距離與閾值的關(guān)系，在閾值范圍內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)精準監(jiān)測。因此，根據(jù)計算結(jié)果獲得傳感器在邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的信息結(jié)果并輸出[10]，以有效降低網(wǎng)絡(luò)能耗，使得信息融合，實現(xiàn)同步監(jiān)測。

2 實驗測試與分析

2.1 實驗準備

使用高精度位移傳感器監(jiān)測邊坡位移。高靈敏應(yīng)力傳感器監(jiān)測到拉力的變化后，將信號發(fā)送到數(shù)據(jù)采集箱，數(shù)據(jù)采集箱通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鹘K端。對于整個邊坡而言，內(nèi)部埋設(shè)錨索應(yīng)力等不同類型的監(jiān)測點。選取合適的間距布置導(dǎo)線，在山體坡面上布置位移傳感器和應(yīng)力傳感器，將邊坡納入監(jiān)控區(qū)域。根據(jù)工程實際情況，確定位移計等設(shè)備的固定位置，鉆孔后使用膨脹螺栓固定，另一端則固定在鋼索導(dǎo)線上，記錄測力計的編號。同時，觀察信號電纜是否有破損。運用GEO有限單元分析軟件對黃土邊坡進行數(shù)值模擬與分析。為提高監(jiān)測精度，需要運用文中設(shè)計的監(jiān)測模型對邊坡變形數(shù)據(jù)集進行觀測。觀測點示意圖如圖2所示。

實際邊坡變形量為1 150.32 mm，計算經(jīng)過文中監(jiān)測模型監(jiān)測的變形量與實際值的濾波殘差結(jié)果，預(yù)期目標在0.5 mm范圍內(nèi)為較合理的精度。

2.2 結(jié)果與分析

根據(jù)現(xiàn)場和施工情況，在邊坡東側(cè)布置15個監(jiān)測點，對不同監(jiān)測點的累積位移形變量進行觀測，得到具體形變量結(jié)果如圖3所示。

在不同時間內(nèi)，由圖中結(jié)果可以得到邊坡監(jiān)測的形變量數(shù)據(jù)。運用文中監(jiān)測方法進行12期的邊坡變形量結(jié)果觀測，經(jīng)過計算后，得到的殘差值見表1所列。

通過表中數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過12期觀測，邊坡變形量監(jiān)測與實際值之間的濾波殘差結(jié)果均在0～0.4 mm，符合預(yù)期設(shè)定的精度目標，說明運用文中監(jiān)測方法能夠準確監(jiān)測邊坡變形。監(jiān)測模型具有一定的可靠性，對邊坡的變形趨勢可以進行長期預(yù)測。

3 結(jié) 語

通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的應(yīng)用創(chuàng)新，利用多種傳感器對邊坡進行實時監(jiān)測，24小時實時傳輸雨量、裂縫等施工現(xiàn)場具體數(shù)據(jù)，加快了施工總體進度，從而實現(xiàn)了對邊坡地質(zhì)災(zāi)害的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測。但該設(shè)計還在成本結(jié)算、工期分配方面存在不足，在今后的研究中，將利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對采集的各種數(shù)據(jù)進行處理，提取出有用的邊坡位移信息。通過對大量數(shù)據(jù)進行分析，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，通過公路邊坡安全監(jiān)測平臺發(fā)出警示信息，減少邊坡失穩(wěn)事故造成的財力物力損失，實現(xiàn)對邊坡的動態(tài)監(jiān)測，提高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的準確性。

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作者簡介：喬 龍（1992—），男，陜西咸陽人，本科，工程師，研究方向為巖土工程。