基于Android的山区公路边坡稳定性快速评价与应用

黄　健，左得奇，肖金武

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

随着西部大开发的推进，高速公路建设在西南山区得到了快速发展。但是该区域又是我国地质条件最为复杂，地质灾害最为发育，且对山区公路、通行车辆及人员的安全威胁最大的地区。如2012年6月28日，四川凉山冕宁县一段省道发生岩石崩塌灾害，直接造成2辆车被埋，死亡7人；2016年7月27日，在建的雅康高速天全段发生一处滑坡，直接造成8根桥墩垮塌，直接经济损失达500万元以上。可见，山区公路建设、运营过程中，针对边坡的稳定性评价及安全预警显得尤为重要。

边坡稳定性分析是一个多因素的综合评价过程[1-4]，常用的方法有模糊综合评价法[7]、综合指数法、神经网络法等[4]。多因子权重的大小则常采用灰色关联分析法[1-2]、相互作用关系矩阵法[4]等来确定。考虑到山区公路边坡稳定性评价过程中所涉及的多因素具有明显的不确定性及难以量化等特点，本文在总结已有研究成果的基础上，结合山区典型公路边坡的具体特征，建立边坡稳定性评价指标体系，分别利用灰色关联分析法与综合指数法构建了山区公路边坡稳定性快速评价方法，并针对目前普遍使用智能手机的现象，结合智能手机终端与高德地图服务，进一步利用Android二次开发技术，综合集成地图、气象、公路边坡等数据，研发了集定位、导航、边坡稳定性动态评价及实时预警提示功能为一体的山区公路边坡稳定性快速评价系统。该系统的应用不仅方便了大众，更为地质灾害防灾减灾研究提供了一条新的途径。

1　山区公路边坡稳定性评价方法

1. 1　建立边坡稳定性评价指标体系

边坡稳定性影响因素多，一般可分为控制因素和诱发因素两类。边坡形态(高度、坡度)、地质条件(岩性、风化程度)和岩体结构(结构面产状、结构面组合、结构面形态)是控制边坡稳定状况的关键因素，而水的作用(降雨、地下水)以及地震、人类工程活动是边坡失稳的诱发因素[3-4]。因此，综合已有的研究成果，本文建立了山区公路边坡稳定性评价指标体系，见图1。

图1　山区公路边坡稳定性评价指标体系Fig.1　　　　Evaluation index system for stability analysis of road slope in mountain area

1. 2　评价指标权重的确定

本文以安徽汤屯高速公路近40处边坡详细调查数据作为样本，利用半定量专家取值法实现指标的量化[4]，如岩体强度指标取值详见表1。基于此，以边坡稳定状态为参考数列，P1～P5为比较数列，计算关联度，并对其加权平均后得到各指标的权重，即{k1,k2,k3,k4,k5}={19.571 5,19.529 0,19.689 1,20.307 2,20.903 2}。

表1　岩体强度指标(P3)取值[4]Table 1　Index of rockmass intensity (P3)[4]

1. 3　建立边坡稳定性快速评价方法

本文利用综合指数法建立了山区公路边坡稳定性快速评价方法，即计算边坡不稳定指数(ϖ)，其中降雨作为诱发因素，并考虑对结构面与岩体结构类型指标进行修正。边坡不稳定指数ϖ的计算公式为

式中:Pi为指标i的取值；ki为指标i的权重；φi为指标i的降雨修正系数，φ1，2，3=1.0，φ4，5=1.5。

根据上述方法，利用收集的40处典型边坡样本数据，通过对边坡不稳定指数进行等级划分，得到了山区公路边坡稳定性的等级区间，见表2。

表2　山区公路边坡稳定性的等级区间Table 2　　　　Rating intervals of road slope stability in mountain area

为了进一步检验方法的可靠性，利用该方法对安徽黄桃塔高速公路沿线边坡进行了稳定性评价，其推测结果与定性评价结果吻合度可达80%以上，表明所建立的边坡稳定性快速评价方法具有可靠性，也为软件平台研发奠定了理论基础。

2　基于Android的山区公路边坡稳定性快速评价系统的研发

Android是基于Linux内核，采用Java语言编写的主要应用在移动设备终端的一套开源系统。由于其市场占有率高，应用程序开发难度不大，因此得到了广大用户的欢迎，并且开发出了诸多优秀的应用软件，如奥维互动地图等。利用该技术不仅可以实现山区公路边坡信息化管理，而且还可以结合实时的降雨数据，实现山区公路边坡安全预警功能，保障行驶中的车辆及人员安全。

2. 1　系统的架构

山区公路边坡安全快速评价系统(MS_APP)由数据库、数据传输层、业务逻辑层、应用层组成，见图2。数据库主要存储了山区公路边坡基础属性信息、气象降雨数据和高德地图平台；业务逻辑层主要实现边坡不稳定指数计算、空间信息服务及导航规划功能；应用层则是在逻辑层分析结果的基础上，实现边坡安全提示与预警。

图2　　　　山区公路边坡稳定性快速评价系统(MS_APP)的架构Fig.2　　　　System architecture of fast evaluation system for road slope stability in mountain area (MS_APP)

2. 2　系统的总体设计

山区公路边坡稳定性快速评价系统数据流设计，见图3。针对山区公路边坡具有线状分布的特点，利用高德地图平台提供的地图服务，通过二次开发实现定位、导航、路线规划等基础功能。在此基础上，进一步优化地图模块，加载边坡点位、属性及动态稳定性评价结果等信息，实现用户交互式操作、终端与服务器的实时同步等功能。

图3　山区公路边坡稳定性快速评价系统数据流设计图Fig.3　Dataflow design graph of MS_APP system

用户登陆系统后，可以实时查看所在范围内的边坡点信息，包括坐标、类型等；服务器端通过调用实时天气信息，利用建立的边坡稳定性评价方法，自动分析此时边坡的稳定状况，实时推送给用户，并在系统界面动态显示。

2. 3　系统的关键技术

根据系统总体设计要求，实现相应的功能模块涉及的主要关键技术包括边坡稳定性状况动态评价和空间地图实时同步。

边坡稳定性状况动态评价模块主要是基于前述建立的计算方法，指标数据源自现场调查，通过将其录入数据库后，系统自动实现指标量化处理，并计算对应的边坡不稳定指数。针对降雨条件下的修正，则是通过调用高德地图平台提供的Weather类进行降雨工况的边坡不稳定指数计算，得到实时的边坡稳定性状况，并存储于数据库中，便于动态调用显示。

空间地图实时同步模块主要是通过调用高德地图平台提供的二次开发类库中的Amap类、Location类、Search类、Navimap类，分别实现路线规划与显示、定位、周边搜索及实时提醒功能。当用户启动系统进行车辆行驶路线导航功能时，系统自动调取沿线边坡当前稳定性信息，并以红色标示、语音通报等方式反馈给用户，便于用户知晓此时公路边坡的稳定性，及时作出相应的决策与措施。

2. 4　系统功能的实现与应用

为了检验山区公路边坡稳定性快速评价系统的可靠性和实用性，本文以105省道某典型山区公路边坡为应用测试案例进行检测。该边坡为变质砂岩组成的缓倾顺向坡，其稳定性差，强降雨条件下极易发生整体失稳。该边坡基本地质信息见表3。

系统功能的实现与展示效果见图4。其中，图4(a)、(b)主要是地图导航功能的实现，用户可以通过输入起点与终点来确定行车路线，完成路线规划；图4(c)为用户进入导航功能模块后，系统自动搜索当前位置周边500 m范围内的已有边坡信息，并以相应的颜色进行标示，即：红色对应边坡稳定性极差、橙色对应边坡稳定性差、黄色对应边坡稳定性一般、蓝色对应边坡稳定性良好，当用户行驶车辆进入边坡位置150 m范围之内时，系统会通过语音播报的形式告知

表3　某边坡基本地质信息Table 3　Geology information of a slope

图4　系统功能的实现与应用 Fig.4　Realization and application of the software functionalities

用户；图4(d)为当前用户正在通过一处危险等级的边坡，即系统测试案例，系统以动态语音提示用户，前方存在一处稳定性极差的边坡，需要注意安全。

由此可见，该系统可以辅助用户进行行驶路线的规划，帮助用户提前选择安全性较高的路线通行；如果必须通行具有一定危险性的路段，在行驶过程中系统会动态给予提示或预警，在一定程度上保障了通行车辆及人员的安全。

3　结　论

本文通过对已有研究成果的总结，重点考虑西南山区公路边坡的特点，选取具有代表性的边坡稳定性评价指标，利用灰色关联分析法与综合指数法建立了边坡稳定性快速评价方法，并在此基础上，利用现代智能手机终端平台Android二次开发技术以及高德地图平台空间数据服务等资源，综合集成边坡信息、实时气象降雨信息、边坡稳定性评价结果等数据，研发了山区公路边坡稳定性快速评价系统，实现了边坡稳定性状况的快速评价、存储及同步个人终端等功能，便于用户在出行之前进行安全路线规划，为行驶在山区公路上的通行车辆提供了一定的安全保障。

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