基于云平台的智能健康监测系统在路基边坡中的应用

程 斌 林贤光

(武汉城市职业学院 湖北 武汉：430064)

长期以来，我国路基边坡的安全监测技术一直是公路修筑维护中的一个薄弱环节，边坡失稳造成滑坡的安全事故时有发生，对人们的生命安全和财产安全都造成巨大的损失。为了减少和防止各种边坡事故的发生，保证人们的生命安全、减少财产损失，有必要对路基边坡进行全生命周期的健康监测，实时掌握边坡的运营状态[1]。同时，对边坡进行健康监测，通过数据的反馈，可以为优化调整工程处理措施提供分析决策的基础参数和依据，可以积累相关成果和经验，总结提高类似工程建设的技术水平。

1 路基边坡智能健康监测系统简介

对于公路边坡安全监测，目前国内采用的方法主要为常规的人工观测和日常巡查。常规监测人为因素产生的测量误差大，受气候环境影响大，监测数据的时效性差，不能及时检测到事故发生的临界变化，不能确定事故发生的准确时间，从而不能准确分析事故相关的外部诱导因素[2]。

边坡智能健康监测系统可以对岩土体内部沉降、倾斜、表面位移、表面沉降等进行连续监测，及时捕捉边坡形状变化的特征信息，通过有线或无线方式将监测数据及时发送到监测中心，并结合地表监测的雨量、位移等信息，由专用的计算机数据分析软件处理，对边坡的整体稳定性做出判断，快速做出诸如山体边坡崩塌、滑坡等灾害发生的预警预报，更加准确、有效地监测灾情发生，减少人员、财产损失。同时可以识别支护结构的损伤程度评定支护结构的安全、可靠性与耐久性；验证边坡支护结构设计建造理论与方法，完善相关设计施工技术规程，提高边坡工程设计水平和安全可靠度，保障结构的使用安全，具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景[3]。

1.1 云平台主要功能

云平台融合了物联网技术和大数据背景，通过对结构物进行在线安全监测，实现了对结构物远程监控、实时测量、实时报警、自动化分析、海量数据存储备份等一体化服务[4]，可以对结构物日常养护和管理发挥重大作用。云平台超大的存储空间，可容纳桥、隧道、边坡等多种结构物的监测数据，将所有结构物的监测数据统一管理，实现由单体简单监测向区域集群平台监测发展。

1.2 结构拓扑图

结构物拓扑图描述现场监测点线缆和网络设备的布局以及数据传输时所采用的路径，见图1。主机界面显示各监测点的位置和健康状态，传感器的颜色会随着出现告警信息而改变，绿色代表健康，蓝色为四级预警、紫色为三级预警、橙色为二级预警、红色为一级预警。

图1 边坡在线监测拓扑图

1.3 平台监测流程

(1)平台接收到数据并根据前期配置的阈值范围对其进行判别，如果所测数据落在阈值范围内，会发生相应等级的告警信息，以短信或邮件的形式推送给相关人员，可以及时的对结构物进行相应的处理，避免突发事故的发生；

(2)平台智能化分析数据，以趋势图形式直观地呈现监测结果，同时可以进行数据对比、查看关联因素的数据趋势图；

(3)针对不同的监测因素生成相应的报表，以报表的形式将数据存储备份，便于提取查看，后期会有专业的人士对结构进行安全评估。

2 应用案例

2.1 项目简介

丹江口二级公路某段挖方路堑(K12+50～K12+200)，边坡高度在20m以上，地层为缓倾角砂岩与泥岩互层为主，节理发育，陡倾的节理为主，见图2。边坡的工程概况如下：

(1) 自然边坡高度70余米，坡度20°至60°；(2) 开挖最大高度30m，坡度45°至70°；(3) 地质条件复杂：红层软硬相间(主要由棕红色细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩组成)，深部裂缝和周围滑坡发育，较软岩中，一般发育2 组裂隙,呈“X”形，软岩以风化裂隙为主，岩体呈碎块状镶嵌结构；(4) 岩层倾角平缓，开挖后拱部易顺层剥落、掉块甚至小坍塌，侧壁易失稳；(5) 地下水类型为基岩裂隙水，有渗水。雨季时，围岩裂隙渗水严重，局部呈小股状流水；(6) 采用锚索和混凝土拱形骨架护坡进行边坡防护。

图2 边坡现场图

2.2 监测内容

影响边坡稳定性的主要因素可分为三类：(1)工程地质环境因素，包括地形地貌特征、地下水状态、水文地质条件等因素；(2)岩体结构条件，包括岩体结构特性和岩体结构面特征；(3)各种触发因素，包括降雨等。在影响边坡稳定性的各种因素中，前两类因素属于内因，是地质因素，是边坡失稳发生的地质基础和物质基础条件因素；后一类是外因，是非地质因素，是发生边坡失稳的触发因素[5]。

对于已建边坡的监测主要以触发因素为主，高边坡的监测必须包含表层位移和深部位移。当地下水较为发育时，还需要对降雨量和地下水位进行监测，持续高水位会增大孔隙水渗透压力，边坡长时间被水浸泡，会造成边坡失稳。故对本项目边坡进行以下监测：

(1)温湿度、降雨量(环境)监测。掌握边坡区域环境参数情况,有温湿度变化较大、较大降雨时进行报警。

(2)地下水位的监测利用地下水位监测来确定地下水的位置，判断地下水位情况，降水是否合适。如果降水过快，地下水位较深的时候会引起周边地表下沉。

(3)边坡不均匀沉降的监测。高边坡不均匀沉降容易造成边坡失稳滑移。

(4)边坡表面位移监测。掌握边坡整体表面位置的变化及其变化速率(包括平面位移和垂直沉降)，确定边坡整体位移变形的情况，是确定边坡稳定性重要指标之一[6]。

(5)边坡内部位移监测。掌握边坡内部的位移变化及其变化速率，结合表面综合位移信息可确定边坡整体位移变形情况。为于边坡稳定性评价提供重要的数据参考。

(6)锚索受力的监测。在锚索张拉时，将测力计安装在锚索上，通过对测力计观测数据的计算，可了解锚索锚固力变化情况，为判断被锚固对象的受力状态及提供依据，从而保证工程的安全性。

2.3 监测方案

(1)传感器选择

分别对结构物进行监测因素、DTU、传感器、阈值等参数进行配置，详见表1。

表1 不同监测因素对应传感器及布置位置

(2)热点图配置

边坡结构及传感器的布置，见图3。

图3 边坡热点图

2.4 传感器布置

(1)传感器布设位置

根据所测的监测因素，选择相应的传感器，监测点的数量和疏密程度根据边坡规模的大小及重要性来确定，布设4个横断面，断面间距为40m，见图4。

(2)数据传输方式

数据的传输采用传统的无线DTU的传输方式，数据采集和传输采用传感器以485传输方式传输，这种传感器直接与DTU相连，将采集的数据通过DTU传输到云平台上[7]，见图5。

2.5 监测频率

监测频率初设每30min监测1次，雨季及变形量增大、变形速率加快时，可加大监测频率，并可根据需要，人工设置时间段进行采集。

2.6 数据分析

(1)数据实时显示和预警

根据所采集的历史数据，可以进行以下智能分析：

①同一监测因素同一监测点不同时间段的数据。图6为某一点表面位移在不同时间段监测数据的对比图，该图为测斜管不同深度相对于地表观测点的水平位移变化情况，能反应边坡水平方向整体变化趋势。

②同一监测因素同一时间段不同监测点的数据对比。 图7为地下水位在同一时间内在测点1和测点2的监测数据对比图，该图为边坡上同一断面不同测点地下水位高度变化情况，能反应边坡地表沉降趋势。

图4 边坡在线监测布置示意图

图5 监测流程图

图6 某一点表面位移在不同时间段监测数据的对比图(水平方向)

图7 地下水位在同一时间内在测点1和测点2的监测数据对比图

③不同监测因素数据关联。图8为表面位移在X、Y轴和关联因素内部位移在X、Y、Z轴的趋势图。

该图为考虑各种因素后边坡表面上某一测点水平方向与竖直方向位移变化趋势和同一断面不同测点边坡内部位移变化趋势。

图8 表面位移在X、Y轴和关联因素内部位移在X、Y、Z轴的趋势图

通过对不同时间段的监测数据分析求其关联维数，可以用来判断监测对象所受的影响因素的个数，判断其值是否相同，如果不相同，则说明这两个时间段内同一个监测对象所受的影响因素有所改变，监测对象的状态也必将发生改变，从而可以判断监测对象的变化状态，这也为变形分析提供了可靠的理论依据。通过数据的分析,决策管理人员能够及早发现问题，及时采取措施将事故消灭在萌芽状态，提高坡体安全性和可控性。同时提供了预警功能，可根据现行规范、规程设置预警阀值，当坡体位移超过预警阀值时，系统自动报警。

(2)报表管理

数据可以通过趋势图比较直观的查看，同时也可以生成报表，不同的监测因素选择相应的报表模板，数据以报表的形式存储，方便以后提取数据，并对结构进行安全评估[8]，见图9。

图9 安全评估流程图

3 结语

云系统应用于该公路边坡稳定性远程自动化在线的监测，取得了较好的效果。该系统可实现无人值守24h连续监测和预警。系统所获得的位移、索力、降雨量和温湿度数据全面、可靠，而且具有足够的精度。通过系统运行效果来看，能够准确监测该边坡的实时状态信息，对该边坡的变化情况有详细的监测记录，为管理单位提供了重要的数据，为合理管理和安排养护、保养计划提供依据。