基于云物联技术的公路边坡在线安全监测系统

焦菊茹

（中国交通通信信息中心，北京 100011）

在线监测系统相比人工检测有着安全性能高、能获取海量连续数据、预告警等许多优点，但同样也存在需完善和发展的地方。在线监测系统是一个涉及面广、采集项目繁多、设备种类差异较大的现状，多种设备在一个系统中同时运行，需通过合理布置，统筹的设计与管理，才能使该系统健康、高效地运转。

1 边坡在线监测系统设计要点

边坡在线监测系统的设计要紧密结合边坡实际情况，结合相关技术的最新发展，注重系统的实用性、可靠性、先进性、可操作性、易维护性、完整性和可扩容性等几个原则；本系统在线安全监测与云计算有机结合，将基于云物联技术的在线健康监测系统，分为感知层、网络层和应用层3个层面，如图1所示。

1.1 在线安全监测层面

a）感知层 结合所需监测项目的特征，感知层主要完成的工作包括：传感器选型与布点、现场总线布设、采集设备组网等。

b）网络层 在实际项目中，为了满足安心云的整体系统功能，一般采用两种远距离传输方式：一种是将采集到的数据利用分组数据网络通过DTU进行远程无线传输；另一种则在现场设立工作站，通过工作站再将数据借助有线网、无线网、专网等互联网介质进行传输。

图1 边坡安全在线监测系统框架图

c）应用层 应用层的工作分为结构物服务和用户服务两个层次。在结构物服务层实现镇江数据中心和南昌数据中心双地容灾，实现了一方出现停电、故障等情况，数据依然能够正常接收、计算、存储，保证了数据和系统应用的稳定、可靠。用户服务层则包括数据查询、数据分析、报表推送、预告警、三方数据接口等智能化应用。

1.2 系统自诊断功能

本系统在设计过程中，加入了系统自诊断功能的开发，该系统具有对自身排查的功能，维护人员可以依据排查结果对系统进行有目的的维护，在节约时间的同时也保证了整个系统的长期运行。系统自诊断功能从3个层次对系统进行判断并给出相应处理建议，分为传感器层次自诊断、采集层次自诊断、通信层次自诊断。

a）传感器层次自诊断 系统会在采集数据前对传感器进行测试判断，根据软件接收回来的命令进行判断是否出现传感器短路、断路等现象。可以通过软件提示的异常类型和处理方法进行相应的处理。

b）采集层次自诊断 采集层次自诊断是系统自诊断的另一个重要部分，主要是通过设备本身判断完成，当设备执行采集操作时，如果设备某模块存在异常，无法完成此次操作，将返回一个异常报告，提示操作人员设备存在异常，需要按照异常类型和排查方法处理异常，直至异常排查完成，同时排查期间不影响其他采集设备及整套系统的运行。

c）系统层次自诊断 通信正常是数据采集和远程控制的保障，对于系统通信异常的检测，主要由上位机软件完成操作，上位机软件从通讯系统的上端—下端—远端采集设备逐步进行命令测试，根据返回的数据帧判断通信故障出现的层次，如果通信出现异常或总线上出现干扰信号，则需要重新连接，做好防干扰措施。利用系统自诊断功能监测系统的自身安全，及时反馈监测系统的运行状况给操作人员，以保障安全与安全监控预警系统良好地发挥作用。

2 系统在宁武高速边坡中的实践与效果

2.1 监测概括

福建省宁武高速公路全长203 km，2012年7月底全线动工建设。宁武高速仙岩隧道左侧高边坡开挖后第三、四级坡面为全风化石英片岩；左侧边坡根据实际测量地面线进行开挖放样后，实际开挖坡面比原设计增加两级高度，现边坡共9级80 m，为超高边坡。针对实际需求，监测系统主要设计为包括表面位移监测子系统、深层监测子系统、环境监测子系统、应力监测子系统、系统防雷与供电系统、通讯系统、监控中心系统。其中所有子系统的数据采集终端——前端数据处理器布置在边坡监测区域内，用于在线实时采集各监测站点的数据信息；值班室与边坡数据终端之间采用有线光纤通信模式。监控中心系统设在省高指值班室内，用于数据实时自动采集、分析、显示、综合预警、数据存储及数据Web数据发布等。

现场各监测布点示意图如图2。

图2 YK120+516、YK120+600间边坡监测布点图

2.2 软件系统框架

经过大量边坡在线监测系统调研，并且在实际边坡监测系统相关经验的指导下，针对边坡的特点，编制了软件系统设计指导意见。设计指导意见中提出了系统设计的内容、特点功能等具体要求，并提出了系统的设计原则。制定了系统功能原理框架（如图3）、软件总体框架（如图 4）及流程图（如图 5）、实时监测系统拓扑图等框图（如图6）。

图3 系统功能原理框架

图4 软件总体框架

图5 软件流程图

图6 实时监测系统拓扑图

2.3 数据传输

宁武边坡健康与安全监测系统建立充分利用了施工监控的有关监测仪器设备，特别是监控预埋的振弦式应变传感器，根据存活的情况，选择重要部位作为健康监测系统的测点。

边坡健康与安全监控预警系统的整个数据传输结构根据功能可分为3层:数据采集层、中间传输层及中心网络层。结构示意图如图7所示。

图7 数据传输结构示意图

数据采集层主要负责将各种传感器的输出信号经预处理后传输至相应的数据采集设备；中间传输层负责将数据采集设备所采集数字信号传输至上层处理系统；而中心网络层则为监控中心的数据处理及数据存储提供了一个网络平台。根据总体设计方案，数据采集层与中间传输层之间的界面划分在数据采集设备端，由于各监测子系统所使用的设备不同，导致两层之间的传输介质各种各样，主要有抗干扰屏蔽电缆、串行通信线缆等。中间传输层与中心网络层的界面划分在监控中心的网络交换机上，两层之间的传输介质可以为单模或多模光缆，为充分利用现有资源，采用单模光缆。数据采集层的设备主要包括：传感器、信号调理设备、A/D转换设备、数据采集设备以及传输线缆。

边坡健康监测系统中，电缆是必不可少的，电缆传输也成为现场通信中最优先的选择。与电缆相比，光缆具有抗干扰、防串扰、带宽高、衰减低、保密性好的特点，其材质耐腐蚀、重量轻且不会短路。但由于电子设备都采用电信号，传输需光电转换，所用设备价格较高，短距传输不够经济。所以光缆一般作为现场计算机与管理中心服务器间的数据传输的标准方式。与有线传输相比，无线传输无需布线，即省去了线缆的维护成本，也使其传输距离几乎不受限制。但其传输速率较低，易受电磁干扰、串扰，保密性也最差。无线传输受环境影响较大，尤其是密闭空间，虽然不论现场数据传输与远程通信都可采用无线技术，但一般都作为备选方案，在不易布线并且数据量较小的情况下选用，例如边坡附近无管理中心，服务器可能置于异地，只能采用无线接入Internet。

本系统通过成熟的GPRS/GSM网络，通过灵活地控制设备的采集制度，进行远程控制。

GPRS DTU无线传输采用高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，超大内存，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速、稳定可靠、数据终端实时在线、多种协议转换的虚拟专用网络。把DTU设备连接在PC或者采集仪上，此时数据库或采集设备里面采集到的数据通过DTU里面移动手机卡GPRS功能把数据传送到Internet网络上。从而用户可以通过登录网站查看采集到的数据。在应用之前先进行数据中心的IP和端口及其他参数的设置，之后串口和采集器串口对接，可实现双向透明传输数据。

3 结论

a）本次实践验证了所设计的在线监测系统的可靠性和稳定性，收集了大量实时数据，实时把握边坡本体的活动状态，实时有效地评定了边坡的稳定性。

b）为运营、维护、管理提供决策依据，可以使得既有边坡支护工程的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计更加合理、经济。

c）为滑坡研究中的未知问题研究提供了新的契机，由于边坡活动状态及其环境所得的信息不仅是滑坡理论研究和试验室调查的补充，而且可以提供有关滑坡行为与环境规律最真实的信息。边坡健康监测不只是传统的边坡检测和安全评估新技术的应用，而且被赋予了监控与评估、验证和研究发展三方面的意义。