基于物聯網傳感技術的高速公路邊坡自動化安全監測系統應用研究

陸衛東

（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展，改變了其穿越地區的原有地貌構造，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。為對邊坡安全狀態進行實時掌握，需采用一定的技術方法對邊坡變形信息進行準確獲取［1］，實時監控邊坡變形情況，預防安全事故發生。傳統監測方法多采用人工測量方式，監測人員手持全站儀、水準儀、測斜儀等儀器設備，對邊坡進行安全監測［2］，費時費力，數據生產周期長，監測成果具有一定的滯后性，時效性較差。物聯網傳感技術的發展為邊坡安全實時監控提供了新的技術手段，以物聯網技術為基礎，將各個類型的底層監測元件和監測傳感器緊密相連，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測系統，實時獲取邊坡安全數據，保障邊坡結構及周邊環境安全。

相較于傳統人工監測，邊坡自動化安全監測系統具有全天候、時效性高、無需人工干預等優勢，通過在邊坡高風險位置安裝自動化監測設備，如GNSS 接收機、雨量計、自動化測斜儀等，依據預先設定的規則對監測點原始數據進行高頻率采集，利用邊緣解算對原始數據進行去噪、過濾，剔除異常值，然后通過多方式組網將原始觀測數據遠端發送至云端，由云網關進行數據檢校、平差處理、擬合計算等，最終由專業監測云平臺對外進行監測成果可視化展示［3］。邊坡自動化安全監測系統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，以防發生邊坡安全事故。

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

1 自動化監測系統設計

1.1 需求分析

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

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

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

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

4）簡易操作流程。自動化監測系統參數設置、配置更改、數據查詢、數據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性，只要經簡單培訓后，即可對自動化監測系統進行日常運維及數據查閱等。

1.2 設計原則

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

1）一致性。邊坡自動化監測系統設計應滿足規范要求，系統結構、數據存儲、變量命名、函數接口等均應具有較高的一致性，便于系統各板塊間邏輯交互及系統規范化管理，同時方便后續對自動化監測系統進行維護與升級。

2）安全性。自動化監測系統能夠獲取邊坡空間絕對位置、氣象條件等基礎地理數據信息，故系統設計開發過程中需確保數據成果具有較高的安全性，且在邊坡長期監測過程中，自動化監測系統需具有較高的穩定性及可靠性。

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

4）兼容性。邊坡安全自動化監測系統需具有較高的兼容性，支持多源數據交互存儲，便于與其他自動化監測系統或監測云平臺進行數據對接。

1.3 系統架構

邊坡自動化安全監測系統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場的傳感器、采集器、天線模塊及電源裝置等，負責數據采集和數據傳輸；軟件板塊主要是對現場自動化監測設備進行行為控制，并對其采集的原始數據進行解析計算，然后進行可視化展示如圖1 所示。依據監測對象的不同，邊坡自動化安全監測系統又可劃分為多個子系統，如，地表位移監測子系統、內部位移監測子系統、降雨量監測子系統、裂縫監測子系統等，各子系統綜合利用傳感器、采集器、云平臺等軟硬件模塊，形成獨立監測站，綜合獲取解析邊坡變形情況。

圖1 邊坡自動化安全監測系統整體架構

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，采用自動化安全監測系統對其進行變形監測。該高速公路邊坡位于地形起伏較大的山地區域，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噴有機基材進行安全防護，安全系數相對較高。但邊坡高度相對較高時，危險系數也高，一旦發生較大變形會導致高速公路發生破壞，引發交通事故，故需要對其進行跟蹤監測，獲取邊坡變形信息。

2.2 邊坡地表位移自動化監測子系統

本次研究采用GNSS 自動化監測系統對邊坡地表位移進行全天候實時監測［5］，其原理為利用BDS導航定位衛星獲取邊坡上布設的GNSS 監測站和穩定區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據為基礎，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據，將每次監測坐標與監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域布設了4 個地表位移自動化監測點，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 自動化監測系統所獲取的邊坡變形數據為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測數據進行分析研究，如圖3 所示。

圖3 GNSS 自動化監測點累計位移-時間曲線圖

由圖3 可知：BD03、BD04 監測點累計位移變化可分為兩個階段：兩個自動化監測點在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，監測點變形速率大大降低，位移-時間曲線呈現漸變收斂狀態，監測點水平位移和垂直位移均處于基本穩定狀態，累計變形值緩慢增加，表示監測點處于緩慢勻速變形階段。

本次自動化監測周期內，BD03 監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。監測點累計位移量相對較大，邊坡變形監測規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，因此兩個監測點均觸發一級預警，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測子系統

GNSS 自動化監測系統是對邊坡地表位移變形進行實時監測，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測，通過在監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 總線進行數據近場傳輸，匯聚到地表數據采集箱內，進行邊緣解算并遠端發送至云端；內部位移自動化監測系統采用太陽能和蓄電池聯合供電方式，以鋼立柱形式進行安裝。本次自動化監測布設了2 個內部位移監測斷面，共計6 個自動化監測點，測點編號為ZK05～ZK07、ZK11～ZK13。

邊坡內部位移自動化監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測。本次研究選擇ZK05 監測點進行數 據分析，測孔各深度累計位移-時間曲線，如圖4 所示。

圖4 ZK05 監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，后續該監測點逐漸趨于穩定，無較大變形發生。

2.4 降雨量自動化監測子系統

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域降雨量進行自動化監測，選擇2020 年1 月14 日—2020 年2月15 日降雨量數據進行分析研究如圖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 自動化監測數據發現，降雨量較大時后續BD03 和BD04 地表位移監測點也出現較大變形，因此當降雨量較大時，后續一段時間內邊坡位移容易發生較大變形，邊坡安全風險相對較大，需要通知到相關負責人，持續關注監測點變形信息，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，杜絕安全事故發生。

圖5 降雨量自動化監測數據

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控。本文以物聯網傳感技術為基礎，充分融合北斗衛星導航定位、無線通信、云解算等技術，從高邊坡監測需求出發，設計開發邊坡自動化安全監測系統，并成功應用于某山區高速公路邊坡監測項目。通過對自動化監測數據進行分析研究，結合邊坡實際變形特征，驗證了邊坡自動化監測成果的可靠性，為高風險邊坡全天候高精度監測提供了可靠的技術方案。