劉文慶

（安徽省交通投資集團有限責任公司，合肥 230088）

1 前言

隨著我國國民經濟持續(xù)發(fā)展，以公路、鐵路等為主體的基本建設取得了快速的發(fā)展。公路作為線形構筑物本身所具有的特殊性，在修筑過程中會穿越各種地質體，遇到各種不良地質現象，不可避免地形成各種類型邊坡［1]。為了反映邊坡巖土真實力學效應、檢驗設計施工的可靠性和治理后邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡監(jiān)測顯得尤為必要，這對于保障人民生命財產安全、公路運營期的安全也具有重要意義。

采用動態(tài)化、信息化的思維，利用邊坡施工前期監(jiān)測成果指導后繼工程施工，成為當前邊坡安全監(jiān)測的研究趨勢［2]，這就對監(jiān)測數據的分析、處理效率提出了更高的要求。傳統(tǒng)的監(jiān)測信息獲取主要依賴于手工監(jiān)測，獲取速度慢，并且監(jiān)測信息管理靠人工管理、分散儲存，數據管理效率低，數據中的錯誤不能及時校正，不利于監(jiān)測信息的有效分析。通常監(jiān)測信息的分析要經過數據收集、向上報告、專家分析、向下傳達的復雜過程，分析周期長，難以充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的效用［3]。本論文充分依托于皖南山區(qū)已經建成通車的兩條高速公路（湯屯高速、黃塔桃高速）沿線重點邊坡的監(jiān)測，結合自動化監(jiān)測儀器所獲取的監(jiān)測數據，開發(fā)相應的程序實現監(jiān)測數據自動入庫與監(jiān)測數據后期處理等工作，為山區(qū)公路邊坡的安全管理及其應急決策提供了技術支持。

2 邊坡監(jiān)測概況

湯屯高速公路和黃塔桃高速公路主要穿行于皖南山區(qū)，邊坡主要分布于公路沿線河谷兩岸構造剝蝕丘陵－低山區(qū)、低山、中山區(qū)。該區(qū)地質構造較為發(fā)育，主要有褶皺構造和斷層，其中湯屯高速公路穿過休寧斷陷盆地。研究區(qū)四季分明，雨量充沛，6月、7月份降雨最為集中且降雨強度大，降雨持續(xù)時間長，容易發(fā)生暴雨，引發(fā)滑坡等地質災害。根據已有的研究成果［4]和該研究區(qū)的地層巖性，湯屯高速公路和黃塔桃高速公路沿線重點邊坡分布如圖1所示。

本文選取具有代表性的湯屯高速公路Ⅱ－7高邊坡作為無線自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實踐對象，II－7高邊坡在斷面AK3＋785上布置2套位移計、1臺100T級錨索測力計；在AK3＋740剖面布置1套位移計和1臺100 T級錨索測力計；在AK3＋830剖面布置1套位移計和1臺100T級錨索測力計，以AK3＋785作為主要監(jiān)測剖面。各剖面的儀器布設位置見圖2所示，監(jiān)測儀器安裝埋設詳細情況如下表1所示。

圖1 湯屯高速和黃塔桃高速沿線重點邊坡Fig.1 Slopes along Tangtun and Huangtatao highways

圖2 Ⅱ－7高邊坡監(jiān)測儀器布置剖面圖Fig.2 Monitoring instr u ment layout at SlopeⅡ－7

表1 Ⅱ－7邊坡監(jiān)測儀器布設情況Table 1 Monitoring instr u ment layout at SlopeⅡ－7

3 監(jiān)測數據的采集和處理

3.1 無線自動化監(jiān)測

監(jiān)測儀器通過GPRS無線數據傳輸模塊，將現場監(jiān)測儀器所獲取的實時監(jiān)測數據傳回監(jiān)測數據匯集平臺。GPRS無線數據傳輸是基于公眾移動通訊平臺及Inter net的一種解決方案，只要現場有手機信號并開通GPRS服務的地方，即可通過Inter net接入對現場監(jiān)測儀器進行管理及數據采集。用戶只需要接入互聯網，與中心服務器連接，即可實現對現場監(jiān)測儀器的控制和數據自動采集，還可以對現場監(jiān)測儀器進行控制、采集頻率等參數的修改以及數據的采集等相關操作，其優(yōu)點是不受通訊距離及地形的限制，可實現真正意義上的遠程遙測及管理，從而達到無線化自動監(jiān)測的目的（圖3）。

圖3 GPRS無線數據傳輸示意圖Fig.3 Wireless data trans mission schemes based on GPRS

3.2 監(jiān)測數據處理

邊坡穩(wěn)定性受到各種因素綜合影響，故邊坡的變形監(jiān)測數據也就是各種影響因素隨機疊加的結果。監(jiān)測數據是否準確，將直接影響對邊坡穩(wěn)定性評價及預測的正確性。長期監(jiān)測結果序列是一個包含多種頻率成分的時間序列，變形信息則是隱藏在其中的弱信號，監(jiān)測數據處理的目的就是要在眾多頻率混合的序列中，提取有用的形變信號［5]。所以在使用監(jiān)測數據之前，需要先對其進行相應的處理，使得處理之后的監(jiān)測數據能在最大程度上反映邊坡實際的穩(wěn)定性狀態(tài)，同時也使預測結果更加接近邊坡真實的發(fā)展趨勢。

常用的邊坡監(jiān)測數據的處理方法主要有：

（1）插值處理

理論上，邊坡變形的位移曲線是連續(xù)的，但是，如果由于剔除了錯誤的監(jiān)測值，或者由于某種原因（如監(jiān)測儀器斷電、網絡傳輸失敗、監(jiān)測數據匯聚平臺出現故障等）出現數據丟失，使得某個時間點的監(jiān)測數據丟失，這時就需要對監(jiān)測值序列進行插值處理，添加合理的監(jiān)測值。地統(tǒng)計學中主要采用反距離權重插值法（inverse distance weighted，IDW）、徑向基函數插值法（radial basis function，RBF）、普通克里格方法（ordinary kriging，OK）［6]。

（2）監(jiān)測數據的修勻

如果邊坡監(jiān)測數據在某些時間點出現跳躍，可以很明顯的判定為錯誤的監(jiān)測記錄，則必須對這些記錄進行處理，消除因偶然因素產生的錯誤。目前，常用的方法是三點移動平均法。其具體方法是：如果（x0，y0）、（x1，y1）、（x2，y2）為相鄰的3個數據，則中間的一個監(jiān)測數據修正為：

（3）常規(guī)濾波處理

常規(guī)濾波包含均勻濾波和非均勻濾波處理，非均勻濾波處理主要方法是卡爾曼濾波。

（4）數據“消噪”

監(jiān)測儀器所獲得的原始監(jiān)測數據，由于受到外界因素的干擾（如監(jiān)測儀器本身的問題、傳感器連接超時或者網絡傳輸的延遲等），往往會出現監(jiān)測值突變的情況，即監(jiān)測數據存在“噪音”，當“噪音”太大時，監(jiān)測數據就難以真實地反應邊坡的實際情況，此時就需要對邊坡監(jiān)測數據進行相應的處理，以消除“噪音”的影響。累加生成法（Accumulated Generating Operation，AGO）即是一種常見的“消噪”的預處理方法［7]。

相關研究表明，對原始監(jiān)測數據進行一次AGO累加處理，就能達到監(jiān)測數據“消噪”的要求。具體算法如下公式所示：

（5）等間距處理

有些數據分析模型要求監(jiān)測數據具有等間距（通常為等時間間距）的特點，這時就需要對不等間距的監(jiān)測數據采取等間距處理。具體實現思路如下［8]：

假設原始監(jiān)測數據中相鄰監(jiān)測數據采集的時間間隔為：Δti＝ti＋1－ti（i＝1，2，…，n），通過對各個時間段的時間間隔Vti進行累加得到其平均值，得到原始監(jiān)測數據的平均時間間隔，當i＝1時；當i＝n時；當i＝2，3…，n－1時，利用插值處理則有

通過該方法處理后的監(jiān)測數據則具有等間隔的特性，以滿足相關計算模型的需求。

3.3 監(jiān)測數據自動遷移

為了獲取全面的監(jiān)測數據，邊坡監(jiān)測項目中使用了多種監(jiān)測儀器，但是監(jiān)測站監(jiān)測儀器采用多家公司的產品，儀器型號眾多，接口不一，每種監(jiān)測儀器所獲取的數據格式也不一樣，并且其監(jiān)測數據都是存儲在Access文件數據庫中。由于Access數據庫的局限性，其數據在安全、性能及遠程管理等方面達不到系統(tǒng)的要求。為了實現不同類型的監(jiān)測數據的統(tǒng)一管理，保障數據的安全，則需要對所獲取的監(jiān)測數據進行相應的處理，統(tǒng)一數據格式。

本系統(tǒng)采用B／S（Browser／Server）模式，在Windows 2008 R2 64 Bit平臺下，利用 Arc GIS Server 9.3作為空間數據管理與發(fā)布工具，使用Microsoft SQL Server 2005管理邊坡基本屬性數據和監(jiān)測儀器獲取的實時監(jiān)測數據。開發(fā)平臺為Microsoft Visual Studio 2005＋SP1，采用C＋＋、ASP.NET 2.0、AJAX、XML以及JavaScript腳本語言等多種編程技術，運用三層架構模式對該系統(tǒng)進行開發(fā)。

根據監(jiān)測數據的特征，建立相應的數據文字字典，并在此基礎上，開發(fā)了一套“監(jiān)測數據自動入庫系統(tǒng)”的系統(tǒng)服務軟件（Monitor Data Transfer），實時獲取原始監(jiān)測數據，并對數據進行異常自動處理，將處理后的數據按照預設的方式導入Microsoft SQL Server或Oracle數據表中，并基于此以實現在系統(tǒng)中實時繪制監(jiān)測數據的時程曲線，詳細流程如下圖4所示。

圖4 監(jiān)測數據處理流程Fig.4 Monitoring data processing flow

該軟件可以實現數據的手動轉移，也可以設置為系統(tǒng)服務，如圖5和圖6。實時監(jiān)視Access數據庫的變化，自動獲取并存儲監(jiān)測儀器采集的監(jiān)測數據，體現了監(jiān)測手段和監(jiān)測儀器自動化的特點。

4 監(jiān)測數據實時分析應用

圖5 監(jiān)測數據自動入庫系統(tǒng)Fig.5 Automatic warehousing system of monitoring data

圖6 設置監(jiān)測數據遷移模式Fig.6 Setting patterns of monitoring data migration

結合監(jiān)測數據自動入庫系統(tǒng)，自動處理異常數據，并將數據自動存入SQL數據庫中，采用B／S模式，開發(fā)了監(jiān)測數據分析系統(tǒng)。為了顯示不同類型的圖示，系統(tǒng)中采用Fusion Charts（InfoSoft Global公司產品，用于制作數據動畫圖表）組件，通過自定義的Charts靜態(tài)類，運用 AJAX、XML、JavaScript等技術，在Web For m中異步調用監(jiān)測數據并繪制相應的時程曲線，如繪制多點位移計的時程曲線，日降雨量、月降雨量和累計降雨量，錨索測力計的錨固力和時間之間的時程曲線等圖形，根據監(jiān)測數據的不同類型，可以展示出折線圖、曲線圖、柱狀圖、餅狀圖等多種圖示，以便更準確更直觀地表述監(jiān)測數據所包含的信息。

為了簡化顯示圖形時候的操作，提取了通用的獲取圖形數據的方法，將圖形分為單系列圖形（如雨量計、應力計等）、多系列圖形（如多點位移計等）以及多類型組合圖形三大類。

圖7 降雨量與累計降雨量組合圖Fig.7 Combination of rainfall and cumulative rainfall

圖7至圖10為Ⅱ－7邊坡部分監(jiān)測結果展示。圖7、圖8為雨量柱狀圖，并展示了累計降雨量，圖9為多點位移計展示方式。在監(jiān)測數據的后期分析中，可以將不同監(jiān)測儀器返回的監(jiān)測數據疊加到同一張圖上顯示，分析各個監(jiān)測儀器數據變化趨勢的相互關系，即監(jiān)測數據聯合分析功能，以此反應雨量與邊坡變形的關系，如圖10所示，為錨索測力計和雨量計的監(jiān)測值疊加后的結果。

圖8 日降雨量監(jiān)測數據柱狀圖Fig.8 Histogram of monitoring data of daily rainfall

圖9 多點位移計監(jiān)測數據折線圖Fig.9 Line chart of multipoint displacement monitoring data

圖10 錨固力和雨量組合圖Fig.10 Combination figure of anchorage force and rainfall

5 結論

（1）公路建設日益向工程地質條件復雜的山區(qū)推進，導致建設過程中開挖形成大量工程邊坡，這些邊坡具有量多面廣、穿越地質單元多、穩(wěn)定性問題突出的特點，對公路邊坡進行監(jiān)測、管理和應急決策方面的研究尤為必要。

（2）針對邊坡監(jiān)測中多種監(jiān)測儀器數據格式不統(tǒng)一的問題，本文結合已有研究成果，實現了基于GPRS的無線自動化監(jiān)測，開發(fā)了監(jiān)測數據自動入庫系統(tǒng)，實現了不同類型監(jiān)測數據的統(tǒng)一管理。在此基礎上通過對系統(tǒng)獲取的實時監(jiān)測數據的自動化分析處理，可生成降雨量、降雨時間和邊坡變形的關系曲線，并提供多種展示方式，使技術人員能夠更真實直觀地利用監(jiān)測數據，以便結合邊坡的幾何特征、地層巖性和巖體結構等進行綜合分析，為公路邊坡安全管理及應急決策提供重要的技術支撐。

（3）該無線自動化監(jiān)測系統(tǒng)在湯屯、黃塔桃高速公路邊坡的動態(tài)監(jiān)測過程中，對坡體的變形進行動態(tài)觀測，為該邊坡的優(yōu)化設計工作以及支護措施的施工工序等提供了數據支撐，同時獲得了大量寶貴的監(jiān)測數據，對邊坡的穩(wěn)定性評價及安全預警皆起到了良好的指導作用，達到了預期目的和效果。

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