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

焦菊茹

（中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011）

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比人工檢測(cè)有著安全性能高、能獲取海量連續(xù)數(shù)據(jù)、預(yù)告警等許多優(yōu)點(diǎn)，但同樣也存在需完善和發(fā)展的地方。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)涉及面廣、采集項(xiàng)目繁多、設(shè)備種類差異較大的現(xiàn)狀，多種設(shè)備在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行，需通過合理布置，統(tǒng)籌的設(shè)計(jì)與管理，才能使該系統(tǒng)健康、高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 邊坡在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

邊坡在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要緊密結(jié)合邊坡實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)技術(shù)的最新發(fā)展，注重系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性、先進(jìn)性、可操作性、易維護(hù)性、完整性和可擴(kuò)容性等幾個(gè)原則；本系統(tǒng)在線安全監(jiān)測(cè)與云計(jì)算有機(jī)結(jié)合，將基于云物聯(lián)技術(shù)的在線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層面，如圖1所示。

1.1 在線安全監(jiān)測(cè)層面

a）感知層 結(jié)合所需監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的特征，感知層主要完成的工作包括：傳感器選型與布點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線布設(shè)、采集設(shè)備組網(wǎng)等。

b）網(wǎng)絡(luò)層 在實(shí)際項(xiàng)目中，為了滿足安心云的整體系統(tǒng)功能，一般采用兩種遠(yuǎn)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(luò)通過DTU進(jìn)行遠(yuǎn)程無線傳輸；另一種則在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(jìn)行傳輸。

圖1 邊坡安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

c）應(yīng)用層 應(yīng)用層的工作分為結(jié)構(gòu)物服務(wù)和用戶服務(wù)兩個(gè)層次。在結(jié)構(gòu)物服務(wù)層實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)江數(shù)據(jù)中心和南昌數(shù)據(jù)中心雙地容災(zāi)，實(shí)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(jì)算、存儲(chǔ)，保證了數(shù)據(jù)和系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定、可靠。用戶服務(wù)層則包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表推送、預(yù)告警、三方數(shù)據(jù)接口等智能化應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)自診斷功能

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)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(duì)自身排查的功能，維護(hù)人員可以依據(jù)排查結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有目的的維護(hù)，在節(jié)約時(shí)間的同時(shí)也保證了整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。系統(tǒng)自診斷功能從3個(gè)層次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行判斷并給出相應(yīng)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(huì)在采集數(shù)據(jù)前對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試判斷，根據(jù)軟件接收回來的命令進(jìn)行判斷是否出現(xiàn)傳感器短路、斷路等現(xiàn)象。可以通過軟件提示的異常類型和處理方法進(jìn)行相應(yīng)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(gè)重要部分，主要是通過設(shè)備本身判斷完成，當(dāng)設(shè)備執(zhí)行采集操作時(shí)，如果設(shè)備某模塊存在異常，無法完成此次操作，將返回一個(gè)異常報(bào)告，提示操作人員設(shè)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(shí)排查期間不影響其他采集設(shè)備及整套系統(tǒng)的運(yùn)行。

c）系統(tǒng)層次自診斷 通信正常是數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制的保障，對(duì)于系統(tǒng)通信異常的檢測(cè)，主要由上位機(jī)軟件完成操作，上位機(jī)軟件從通訊系統(tǒng)的上端—下端—遠(yuǎn)端采集設(shè)備逐步進(jìn)行命令測(cè)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(hào)，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(cè)系統(tǒng)的自身安全，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況給操作人員，以保障安全與安全監(jiān)控預(yù)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(shí)踐與效果

2.1 監(jiān)測(cè)概括

福建省寧武高速公路全長(zhǎng)203 km，2012年7月底全線動(dòng)工建設(shè)。寧武高速仙巖隧道左側(cè)高邊坡開挖后第三、四級(jí)坡面為全風(fēng)化石英片巖；左側(cè)邊坡根據(jù)實(shí)際測(cè)量地面線進(jìn)行開挖放樣后，實(shí)際開挖坡面比原設(shè)計(jì)增加兩級(jí)高度，現(xiàn)邊坡共9級(jí)80 m，為超高邊坡。針對(duì)實(shí)際需求，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)為包括表面位移監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、深層監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū)域內(nèi)，用于在線實(shí)時(shí)采集各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)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(shè)在省高指值班室內(nèi)，用于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、分析、顯示、綜合預(yù)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)Web數(shù)據(jù)發(fā)布等。

現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖如圖2。

圖2 YK120+516、YK120+600間邊坡監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖

2.2 軟件系統(tǒng)框架

經(jīng)過大量邊坡在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)研，并且在實(shí)際邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下，針對(duì)邊坡的特點(diǎn)，編制了軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見。設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見中提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、特點(diǎn)功能等具體要求，并提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

寧武邊坡健康與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立充分利用了施工監(jiān)控的有關(guān)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，特別是監(jiān)控預(yù)埋的振弦式應(yīng)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(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)。

邊坡健康與安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)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(luò)層。結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)將各種傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后傳輸至相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；中間傳輸層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集設(shè)備所采集數(shù)字信號(hào)傳輸至上層處理系統(tǒng)；而中心網(wǎng)絡(luò)層則為監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。根據(jù)總體設(shè)計(jì)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(shè)備端，由于各監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)所使用的設(shè)備不同，導(dǎo)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(luò)層的界面劃分在監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，兩層之間的傳輸介質(zhì)可以為單模或多模光纜，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(shè)備主要包括：傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及傳輸線纜。

邊坡健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，電纜是必不可少的，電纜傳輸也成為現(xiàn)場(chǎng)通信中最優(yōu)先的選擇。與電纜相比，光纜具有抗干擾、防串?dāng)_、帶寬高、衰減低、保密性好的特點(diǎn)，其材質(zhì)耐腐蝕、重量輕且不會(huì)短路。但由于電子設(shè)備都采用電信號(hào)，傳輸需光電轉(zhuǎn)換，所用設(shè)備價(jià)格較高，短距傳輸不夠經(jīng)濟(jì)。所以光纜一般作為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)與管理中心服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)方式。與有線傳輸相比，無線傳輸無需布線，即省去了線纜的維護(hù)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?dāng)_，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(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程通信都可采用無線技術(shù)，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(wù)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(luò)，通過靈活地控制設(shè)備的采集制度，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

GPRS DTU無線傳輸采用高性能工業(yè)級(jí)嵌入式處理器，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，超大內(nèi)存，內(nèi)嵌自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(shí)時(shí)在線、多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。把DTU設(shè)備連接在PC或者采集儀上，此時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)或采集設(shè)備里面采集到的數(shù)據(jù)通過DTU里面移動(dòng)手機(jī)卡GPRS功能把數(shù)據(jù)傳送到Internet網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用之前先進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的IP和端口及其他參數(shù)的設(shè)置，之后串口和采集器串口對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)雙向透明傳輸數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

a）本次實(shí)踐驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，收集了大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)把握邊坡本體的活動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)有效地評(píng)定了邊坡的穩(wěn)定性。

b）為運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、管理提供決策依據(jù)，可以使得既有邊坡支護(hù)工程的技術(shù)改造決策更加科學(xué)、改造技術(shù)方案的設(shè)計(jì)更加合理、經(jīng)濟(jì)。

c）為滑坡研究中的未知問題研究提供了新的契機(jī)，由于邊坡活動(dòng)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(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以提供有關(guān)滑坡行為與環(huán)境規(guī)律最真實(shí)的信息。邊坡健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的邊坡檢測(cè)和安全評(píng)估新技術(shù)的應(yīng)用，而且被賦予了監(jiān)控與評(píng)估、驗(yàn)證和研究發(fā)展三方面的意義。