基于RIA/JavaScript技术的高速公路滑坡监测预警系统

孔金玲，杨笑天，赵之胜，赵绍兵，吴哲超

(1.长安大学地球科学与资源学院，陕西　西安　710054；2.陕西路桥集团有限公司，陕西　西安　710075；3.陕西基础地理信息中心，陕西　西安　710054)



基于RIA/JavaScript技术的高速公路滑坡监测预警系统

孔金玲1，杨笑天1，赵之胜2，赵绍兵3，吴哲超1

(1.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安710054；2.陕西路桥集团有限公司，陕西西安710075；3.陕西基础地理信息中心，陕西西安710054)

为了对高速公路工程处治滑坡进行有效的监测与预警，以陕西省“渭南—玉山高速公路”和“铜川—旬邑高速公路”两个示范工程获得的滑坡治理和监测数据为基础，采用RIA/JavaScript技术，基于ArcGIS Server平台，开发了高速公路滑坡监测预警系统，实现了对滑坡治理监测信息的系统管理、有效组织、空间查询和统计分析等功能；系统集成了线性回归预测模型、灰色预测模型GM(1,1)及不同工程处治类型(抗滑桩支挡结构和锚索框架支挡结构)滑坡预警模型，构建了预警预报判据，实现工程处治滑坡定性、定量相结合的综合预测预报和预警发布。本系统能为工程处治滑坡的稳定性分析与评价、滑坡监测与综合预警预报提供决策支持，对工程处治滑坡失稳造成的灾害进行及时的预测、预防，有效保障高速公路的运营安全。

道路工程；监测预警系统；RIA/JavaScript技术；工程处治滑坡；高速公路

0　引言

高速公路修建期间，由于地质条件复杂，高速公路不可避免要穿越山区地带，常需要对公路沿线的高边坡、滑坡进行不同类型的工程处治，如采用削坡+挡土墙、抗滑桩、抗滑桩+锚索和锚索+框架等。工程处治滑坡在施工期及运行期的稳定性直接影响高速公路的建设投资、工程进度和运营安全。高速公路工程处治滑坡的管理、维护、实时动态监测、稳定性评价及预警预报已引起了相关部门的重视[1-3]，成为高速公路安全运营的关键。滑坡工程治理和监测过程中涉及到大量空间和非空间数据，对这些数据进行系统、科学的管理与分析是工程处治滑坡稳定性评价、预警预报的基础和保障[4-6]。

图1　高速公路滑坡监测预警系统总体体系架构Fig.1　Overall framework of monitoring and warning system for landslides along expressway

JavaScript是目前主要的一种RIA客户端开发技术[7]，采用RIA/JavaScript技术建立Web系统，能够实现客户端的部分计算，减轻对服务器的运行需求，较好地均衡服务器负载，使系统生动灵活、功能强大、交互更具人性化、用户体验更丰富。鉴于目前实际需求，本文根据高速公路工程处治滑坡的特点，采用RIA/JavaScript技术，基于WebGIS和ArcGIS Server平台，结合Geodatabase和SQL Server数据库，建立高速公路滑坡监测预警系统，实现对滑坡监测信息的系统管理、有效组织、空间查询和统计分析等功能；建立基于监测数据的滑坡稳定性预测模型、不同治理设计验算方法的滑坡稳定性预警模型和预警指标及等级划分信息，系统可为工程处治滑坡的稳定性评价及预警预报提供决策支持。

1　系统设计

1.1系统总体设计

基于RIA/JavaScript技术的高速公路滑坡监测预警系统依据开放性面向服务的体系架构(Service-Oriented Architecture，SOA)设计理念[8-10]，采用REST(Representational State Transfer)结构体系[11-12]，用户可方便地调用各种服务资源，实现系统的远程维护和数据共享，提高滑坡监测信息管理的时效性；基于网络平台和计算机软硬件的支撑，依据标准规范体系，将滑坡监测数据发布成WFS、WCS和WMS等标准服务，以Web Service的形式提供给用户，进行滑坡监测数据的查询浏览、统计分析和预测预报；结合知识库实现滑坡的预警及预警产品的制作发布。系统的总体体系架构如图1所示。

系统采用基础支撑层、数据层、服务层和应用层的4层架构体系，其中：

基础支撑层是系统正常稳定、安全可靠运行的保证。该层由若干软件系统和服务集群、存储设施、路由设施、安全设施等硬件系统组成。其中，地理信息系统平台软件和数据库管理软件采用目前市场主流软件ArcGIS 10.1和SQL Server 2008。

数据层是依据标准的技术规范构建的地理信息资源体系，采用分级部署，它是系统建设的核心。数据层由滑坡基础信息数据、滑坡工程信息数据、滑坡监测数据、滑坡预报预警模型数据和基础地理空间数据组成。

服务层主要完成将滑坡基础信息数据、滑坡工程信息数据、滑坡监测数据、滑坡预报预警模型数据和基础地理空间数据资源对外发布成WMS、WCS、WFS等标准服务，以Web Service的方式向用户提供数据共享服务。

应用层主要完成系统用户管理、数据库管理、监测数据采集、滑坡预测分析、预警信息发布等功能。

1.2数据库设计

数据库是建设高速公路滑坡监测预警系统的核心。数据库主要内容如表1所示，利用统一编码技术将Geodatabase管理的滑坡空间数据和SQL Server管理的滑坡工程治理、监测等非空间数据进行对应关联，实现空间数据和非空间数据的一体化存储、管理、查询和分析。

表1　高速公路滑坡监测预警数据库主要内容Tab.1　Main contents of monitoring and warning database for landslides along expressway

续表1

1.3系统功能设计

建设高速公路滑坡监测预警系统的目标是管理滑坡治理监测数据，并基于不同类型预测预警模型实现处治滑坡的稳定性评价、预警预报和发布，为相关人员和部门及时准确地提供滑坡动态变形、滑动的时间、地点和强度等信息，辅助防灾减灾的有关决策。系统的主要功能包括地图操作、图层控制、空间查询、信息查询、视频监控、统计分析、预警分析和系统维护等，如表2所示。

表2　高速公路滑坡监测预警系统主要功能Tab.2　Main functions of monitoring and warning system for landslides along expressway

续表2

2　高速公路滑坡的预警预报方法

2.1基于治理设计验算方法的滑坡形变预警模型

根据不同处治类型的滑坡稳定性评价指标，基于收集的滑坡基本信息，依据抗滑桩桩身应力、锚索锚固段的预应力损失、锚索张拉段的应力，得出抗滑桩的剪力、弯矩和锚索的预应力和锚固段的变形，反算出滑坡的下滑力，与原设计滑坡下滑力进行对比分析，建立不同处治方案的滑坡形变预警模型，同时利用大量滑坡监测数据对滑坡形变预警模型进行验证。不同工程处治类型滑坡预警模型包括抗滑桩支挡结构预警模型和锚索框架支挡结构预警模型。

(1)抗滑桩支挡结构预警模型

针对C30混凝土浇注的抗滑桩，基于弹性桩计算方法“m”法[13]，通过分析推理得到抗滑桩支挡结构预警模型，模型如式(1)、(2)所示：

(1)

当i取0和1时得：

(2)

式中：y为抗滑桩桩顶位移；x1为桩身弯矩；x2为滑面处的地基系数；x3为抗滑桩锚固段长度；x4为抗滑桩悬臂段长度；x5为抗滑桩桩宽；x6为抗滑桩桩高；x7为滑面以下的地基系数随深度增加的比例系数；p0,p1,…,p73为模型拟合系数，可利用1stOpt软件拟合获得。

当实时监测的抗滑桩桩顶位移y实测<0.8y时，抗滑桩桩体结构正常；当实时监测的抗滑桩桩顶位移y实测≥0.8y时，抗滑桩桩体结构已破坏或即将破坏，此时发布红色预警。

(2)锚索框架支挡结构预警模型

锚索框架支挡结构预警指标有极限锚固应力Pcr和框架梁结构位移极限值ycr，Pcr和ycr值的计算模型如下所述：

1)Pcr计算模型

基于框架梁上锚索应力监测数据，针对不同的情况，将相关参数以及框架梁能承受的最大弯矩代入模型，计算极限锚固应力Pcr。

①H1=H2≠0，即锚索对称分布。

(3)

②H1≠H2，假设H1

H2≤Hp:

H1>Hp：

Pcr=min{Mmax/f1(H1),Mmax/f1(H2)}。

(4)

其中：

(5)

(6)

式中，Hp表示自由端长度临界值，主要与基床系数、剪切模量、惯性矩和锚索间距有关；H1，H2为格构梁两端自由段长度；h为框架梁截面高度；γ和ρ为中间参数；j为计算截面左侧集中荷载的个数；λ为特征系数，λ=(kb/(4EI))1/4；B为锚索间距；L为格构梁长度；G为剪切模量；E为混凝土弹性模量；I为截面惯性矩；n为格构梁上锚索节点个数；api=H1+(i-1)B，i=1，2，3，…，n；Mmax由格构梁结构及配筋决定，由设计值计算出；θ为框架梁初始转角；y为框架梁初始位移与锚固力的比值。

当实测最大锚固应力P实测

2)ycr计算模型

基于框架梁位移监测数据，首先确定梁上最大位移值，然后根据具体情况，将相关参数及框架梁能承受的最大弯矩代入模型，计算框架梁结构位移的极限值ycr。

①H1=H2≠0，即锚索对称分布。

(7)

②H1≠H2，假设H1>H2，即锚索分布不对称。

(8)

其中：

(9)

式中，f1(x)，Fx(x)如式(5)、(6)所示；k为地基抗力系数，又称基床系数；b为框架梁截面宽度；B，L，G，H1，H2，n，Mmax，γ，ρ，j，λ，E，I，api，θ，y参数与前面定义一致。

当实测最大位移(垂直于梁的最大位移)y

2.2预警指标及等级划分

高速公路工程处治滑坡预警指标主要有降雨量、地表位移、深部位移和结构(抗滑桩、挡墙、格构)位移等。基于预警指标实时监测值，以及由预测模型计算的预测值，结合预警等级进行滑坡预警预报。滑坡预警等级分为三级，具体内容如表3所示。

2.3高速公路滑坡综合预测预报技术流程

高速公路滑坡综合预测预报是该系统的核心功能，其基于“定性判断+定量判别”模式。依据收集到的滑坡基本信息，采用抗滑桩支挡结构预警模型和锚索框架支挡结构预警模型，结合已有的滑坡预警判据和专家经验知识，建立滑坡预警预报判据库。根据滑坡工程治理和监测过程中涉及的大量空间监测数据，利用线性回归预测模型和灰色预测模型GM(1,1)进行预测，获得滑坡形变预测信息。针对不同预警指标，将监测值或预测信息与滑坡预警预报判据进行对比分析、定性判断与定量判别相结合，确定预警等级，实现工程处治滑坡的综合预警和发布。高速公路滑坡综合预测预报技术流程如图2所示。

表3　预警等级划分表Tab.3　Classification of warning levels

图2　高速公路滑坡综合预测预报技术流程图Fig.2　Technique flowchart of comprehensive prediction and forecast of landslides along expressway

高速公路工程处治滑坡受到人为外界因素的干扰影响较大，导致滑坡监测数据存在一定的误差，需要采用等间距、滤波、平滑和插值处理及多点、多源信息的融合，来提高滑坡监测预警的精度。利用预处理的监测数据，基于预测模型和预警判据的定量预报，结合专家经验知识为依据的定性预报，实现工程处治滑坡综合预测预报和预警发布，提高了工程处治滑坡的预警水平，对工程处治滑坡失稳造成的灾害进行及时的预测、预防，有效保障高速公路运营安全。

3　高速公路滑坡监测预警系统的实现

本文以陕西省“渭南-玉山高速公路”和“铜川-旬邑高速公路”两个示范工程为应用实例，其中，“渭玉高速”示范工程治理和监测设计方案如图3所示。滑坡体采用“抗滑桩+锚索”治理措施，在二级边坡平台布置了24根桩径不同的抗滑桩，桩间距为6 m，平台之间建立了锚索框架，坡体均匀布置地表位移监测点29个，深部位移监测点4个，为滑坡预测预警提供实时监测数据。

图3　 “渭南—玉山高速公路”滑坡示范工程治理和监测设计方案Fig.3　Design scheme of treatment and monitoring of “Weinan-Yushan expressway” landslide demonstration project

利用获得的滑坡治理和监测数据，在RIA/JavaScript、ArcGIS Server、Internet、REST和SQL Server等多种技术平台的支持下，构建了高速公路滑坡监测预警系统，用户利用浏览器可访问系统，通过地图操作、图层控制、空间查询、信息查询、视频监控、统计分析、预测预报和系统维护等操作，完成相关目标任务。限于篇幅，本文仅介绍系统的几个主要功能。

3.1信息查询

信息查询主要包括对滑坡工程治理、监测和预警模型等数据的查询。以桩顶位移监测数据查询为例，可以查询滑坡编码、监测点编码、监测点经纬度、桩顶位移量、监测时间和备注详细信息，查询结果如图4所示。

3.2统计分析

统计分析实现对滑坡监测数据(应力、地表位移、桩顶位移、深部位移、裂缝形变、地下水位和降雨量)按时间递增序列的统计分析，形成各种类型的统计图(散列点、折线图、曲线图、柱状图)，直观反映滑坡监测数据的时序变化趋势和规律。

3.3预测预警

实现高速公路工程处治滑坡定性、定量相结合的综合预警预报分析，对工程处治滑坡的变形趋势、滑动时间、地点和强度做出预测预报，通过系统平台和手机短信、微信等方式发送给相关用户，以便及时核实并做好防范措施。图5是基于灰色预测模型GM(1,1)预测的地表位移数据与后续实测数据拟合结果，拟合系数R2=0.830 3。同时，根据实时监测地表位移数据和预测的地表位移数据进行曲线拟合，得到变形速率时间曲线，通过观察曲线规律或采用切线角法确定变形阶段，对照预警等级划分表，确定预警等级并发布。

图4　桩顶位移监测信息查询界面Fig.4　Query interface of pile top displacement monitoring information

图5　地表位移预测值与实测值的拟合结果(单位:mm)Fig.5　Fitting result of predicted and measured values of surface displacement(unit:mm)

4　结论

本文以陕西省“渭南-玉山高速公路”和“铜川-旬邑高速公路”两个示范工程获得的滑坡治理和监测数据为基础，采用RIA/JavaScript技术，基于ArcGIS Server平台，结合Geodatabase和SQL Server数据库，通过对系统的总体结构、数据库、功能模块、综合预警流程和开发关键技术的设计与研究，建立了高速公路滑坡监测预警系统，实现对滑坡监测信息的管理、查询和分析，工程处治滑坡的稳定性分析与评价以及滑坡预警预报和信息发布等功能。该系统集成了线性回归预测模型、灰色预测模型GM(1,1)及不同工程处治类型(抗滑桩支挡结构和锚索框架支挡结构)的滑坡预警模型，实现工程处治滑坡定性、定量相结合的综合预测预报和预警发布，提高了工程处治滑坡的预警水平。通过在滑坡处治示范工程监测预警中的实际应用，表明该系统能够为工程处治滑坡的稳定性分析与评价、滑坡监测与综合预警预报提供有效、科学的决策支持，对工程处治滑坡失稳造成的灾害进行及时的预测、预防，有效保障高速公路运营安全；并且可以远程进行系统维护和数据管理，提高了滑坡监测信息管理的时空效率，体现了“互联网+” 大背景下，高速公路滑坡监测预警的新模式、新方法。

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Monitoring and Warning System for Landslides along Expressway Based on RIA/JavaScript Technology

KONG Jin-ling1, YANG Xiao-tian1, ZHAO Zhi-sheng2, ZHAO Shao-bing3, WU Zhe-chao1

(1. School of Earth Science and Resources, Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710054, China; 2. Shaanxi Road & Bridge Group Co., Ltd., Xi’an Shaanxi 710075, China; 3. Shaanxi Geomatics Center, Xi’an Shaanxi 710054, China)

In order to achieve effective monitoring and warning for treated landslides along expressway, a monitoring and warning system is developed based on the landslide treatment and monitoring data collected from “Weinan-Yushan expressway” and “Tongchuan-Xunyi expressway” demonstration projects. The system adopts RIA/JavaScript technology to realize the functions of scientific management, effective organization, spatial query and statistical analysis for monitoring information of the landslides based on ArcGIS server platform. The linear regression forecasting model, the grey forecasting model GM(1,1) and the landslide warning models for different engineering treatment types (including anti-slide pile retaining structure and anchor cable framework retaining structure) are integrated in the system to perform the qualitative and quantitative comprehensive forecast and warning for treated landslides. The result shows that the system can provide decision-making support for analyzing and evaluating stability, monitoring and comprehensive warning and forecasting for treated landslides, and can timely predict and monitor the hazards induced by instability of treated landslides to ensure expressway safe operation.

road engineering; monitoring and warning system; RIA/JavaScript technology; treated landslide; expressway

2016-04-13

国家自然科学基金项目(41272246)；省级国有资本经营预算科技创新专项资金项目(2013gykc-018)；陕西省交通运输厅科研项目(13-28K)。

孔金玲(1964-)，女，甘肃兰州人，教授.(jlkong@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.10.008

U416.1+4

A

1002-0268(2016)10-0044-09