劉文慶

（安徽省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，合肥 230088）

1 前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，以公路、鐵路等為主體的基本建設(shè)取得了快速的發(fā)展。公路作為線形構(gòu)筑物本身所具有的特殊性，在修筑過(guò)程中會(huì)穿越各種地質(zhì)體，遇到各種不良地質(zhì)現(xiàn)象，不可避免地形成各種類(lèi)型邊坡［1]。為了反映邊坡巖土真實(shí)力學(xué)效應(yīng)、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)施工的可靠性和治理后邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡監(jiān)測(cè)顯得尤為必要，這對(duì)于保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、公路運(yùn)營(yíng)期的安全也具有重要意義。

采用動(dòng)態(tài)化、信息化的思維，利用邊坡施工前期監(jiān)測(cè)成果指導(dǎo)后繼工程施工，成為當(dāng)前邊坡安全監(jiān)測(cè)的研究趨勢(shì)［2]，這就對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、處理效率提出了更高的要求。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息獲取主要依賴(lài)于手工監(jiān)測(cè)，獲取速度慢，并且監(jiān)測(cè)信息管理靠人工管理、分散儲(chǔ)存，數(shù)據(jù)管理效率低，數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤不能及時(shí)校正，不利于監(jiān)測(cè)信息的有效分析。通常監(jiān)測(cè)信息的分析要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)收集、向上報(bào)告、專(zhuān)家分析、向下傳達(dá)的復(fù)雜過(guò)程，分析周期長(zhǎng)，難以充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效用［3]。本論文充分依托于皖南山區(qū)已經(jīng)建成通車(chē)的兩條高速公路（湯屯高速、黃塔桃高速）沿線重點(diǎn)邊坡的監(jiān)測(cè)，結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器所獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后期處理等工作，為山區(qū)公路邊坡的安全管理及其應(yīng)急決策提供了技術(shù)支持。

2 邊坡監(jiān)測(cè)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(gòu)造剝蝕丘陵－低山區(qū)、低山、中山區(qū)。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，主要有褶皺構(gòu)造和斷層，其中湯屯高速公路穿過(guò)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(qiáng)度大，降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，容易發(fā)生暴雨，引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)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(diǎn)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(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)踐對(duì)象，II－7高邊坡在斷面AK3＋785上布置2套位移計(jì)、1臺(tái)100T級(jí)錨索測(cè)力計(jì)；在AK3＋740剖面布置1套位移計(jì)和1臺(tái)100 T級(jí)錨索測(cè)力計(jì)；在AK3＋830剖面布置1套位移計(jì)和1臺(tái)100T級(jí)錨索測(cè)力計(jì)，以AK3＋785作為主要監(jiān)測(cè)剖面。各剖面的儀器布設(shè)位置見(jiàn)圖2所示，監(jiān)測(cè)儀器安裝埋設(shè)詳細(xì)情況如下表1所示。

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

圖2 Ⅱ－7高邊坡監(jiān)測(cè)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(cè)儀器布設(shè)情況Table 1 Monitoring instr u ment layout at SlopeⅡ－7

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和處理

3.1 無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)儀器通過(guò)GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器所獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)。GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是基于公眾移動(dòng)通訊平臺(tái)及Inter net的一種解決方案，只要現(xiàn)場(chǎng)有手機(jī)信號(hào)并開(kāi)通GPRS服務(wù)的地方，即可通過(guò)Inter net接入對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行管理及數(shù)據(jù)采集。用戶(hù)只需要接入互聯(lián)網(wǎng)，與中心服務(wù)器連接，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器的控制和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，還可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行控制、采集頻率等參數(shù)的修改以及數(shù)據(jù)的采集等相關(guān)操作，其優(yōu)點(diǎn)是不受通訊距離及地形的限制，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程遙測(cè)及管理，從而達(dá)到無(wú)線化自動(dòng)監(jiān)測(cè)的目的（圖3）。

圖3 GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.3 Wireless data trans mission schemes based on GPRS

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(cè)數(shù)據(jù)也就是各種影響因素隨機(jī)疊加的結(jié)果。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，將直接影響對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)的正確性。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果序列是一個(gè)包含多種頻率成分的時(shí)間序列，變形信息則是隱藏在其中的弱信號(hào)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(hào)［5]。所以在使用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之前，需要先對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，使得處理之后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能在最大程度上反映邊坡實(shí)際的穩(wěn)定性狀態(tài)，同時(shí)也使預(yù)測(cè)結(jié)果更加接近邊坡真實(shí)的發(fā)展趨勢(shì)。

常用的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(cuò)誤的監(jiān)測(cè)值，或者由于某種原因（如監(jiān)測(cè)儀器斷電、網(wǎng)絡(luò)傳輸失敗、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)出現(xiàn)故障等）出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，使得某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失，這時(shí)就需要對(duì)監(jiān)測(cè)值序列進(jìn)行插值處理，添加合理的監(jiān)測(cè)值。地統(tǒng)計(jì)學(xué)中主要采用反距離權(quán)重插值法（inverse distance weighted，IDW）、徑向基函數(shù)插值法（radial basis function，RBF）、普通克里格方法（ordinary kriging，OK）［6]。

（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的修勻

如果邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在某些時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)跳躍，可以很明顯的判定為錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)記錄，則必須對(duì)這些記錄進(jìn)行處理，消除因偶然因素產(chǎn)生的錯(cuò)誤。目前，常用的方法是三點(diǎn)移動(dòng)平均法。其具體方法是：如果（x0，y0）、（x1，y1）、（x2，y2）為相鄰的3個(gè)數(shù)據(jù)，則中間的一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正為：

（3）常規(guī)濾波處理

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

（4）數(shù)據(jù)“消噪”

監(jiān)測(cè)儀器所獲得的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由于受到外界因素的干擾（如監(jiān)測(cè)儀器本身的問(wèn)題、傳感器連接超時(shí)或者網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t等），往往會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)值突變的情況，即監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在“噪音”，當(dāng)“噪音”太大時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就難以真實(shí)地反應(yīng)邊坡的實(shí)際情況，此時(shí)就需要對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)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(jiàn)的“消噪”的預(yù)處理方法［7]。

相關(guān)研究表明，對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次AGO累加處理，就能達(dá)到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)“消噪”的要求。具體算法如下公式所示：

（5）等間距處理

有些數(shù)據(jù)分析模型要求監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有等間距（通常為等時(shí)間間距）的特點(diǎn)，這時(shí)就需要對(duì)不等間距的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采取等間距處理。具體實(shí)現(xiàn)思路如下［8]：

假設(shè)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中相鄰監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為：Δti＝ti＋1－ti（i＝1，2，…，n），通過(guò)對(duì)各個(gè)時(shí)間段的時(shí)間間隔Vti進(jìn)行累加得到其平均值，得到原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均時(shí)間間隔，當(dāng)i＝1時(shí)；當(dāng)i＝n時(shí)；當(dāng)i＝2，3…，n－1時(shí)，利用插值處理則有

通過(guò)該方法處理后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則具有等間隔的特性，以滿(mǎn)足相關(guān)計(jì)算模型的需求。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)遷移

為了獲取全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，邊坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中使用了多種監(jiān)測(cè)儀器，但是監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)儀器采用多家公司的產(chǎn)品，儀器型號(hào)眾多，接口不一，每種監(jiān)測(cè)儀器所獲取的數(shù)據(jù)格式也不一樣，并且其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)在Access文件數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于Access數(shù)據(jù)庫(kù)的局限性，其數(shù)據(jù)在安全、性能及遠(yuǎn)程管理等方面達(dá)不到系統(tǒng)的要求。為了實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，保障數(shù)據(jù)的安全，則需要對(duì)所獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。

本系統(tǒng)采用B／S（Browser／Server）模式，在Windows 2008 R2 64 Bit平臺(tái)下，利用 Arc GIS Server 9.3作為空間數(shù)據(jù)管理與發(fā)布工具，使用Microsoft SQL Server 2005管理邊坡基本屬性數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)儀器獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Microsoft Visual Studio 2005＋SP1，采用C＋＋、ASP.NET 2.0、AJAX、XML以及JavaScript腳本語(yǔ)言等多種編程技術(shù)，運(yùn)用三層架構(gòu)模式對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特征，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)文字字典，并在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一套“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)系統(tǒng)”的系統(tǒng)服務(wù)軟件（Monitor Data Transfer），實(shí)時(shí)獲取原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常自動(dòng)處理，將處理后的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的方式導(dǎo)入Microsoft SQL Server或Oracle數(shù)據(jù)表中，并基于此以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)繪制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)程曲線，詳細(xì)流程如下圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Monitoring data processing flow

該軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的手動(dòng)轉(zhuǎn)移，也可以設(shè)置為系統(tǒng)服務(wù)，如圖5和圖6。實(shí)時(shí)監(jiān)視Access數(shù)據(jù)庫(kù)的變化，自動(dòng)獲取并存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)儀器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了監(jiān)測(cè)手段和監(jiān)測(cè)儀器自動(dòng)化的特點(diǎn)。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析應(yīng)用

圖5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)系統(tǒng)Fig.5 Automatic warehousing system of monitoring data

圖6 設(shè)置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遷移模式Fig.6 Setting patterns of monitoring data migration

結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)系統(tǒng)，自動(dòng)處理異常數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)自動(dòng)存入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用B／S模式，開(kāi)發(fā)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。為了顯示不同類(lèi)型的圖示，系統(tǒng)中采用Fusion Charts（InfoSoft Global公司產(chǎn)品，用于制作數(shù)據(jù)動(dòng)畫(huà)圖表）組件，通過(guò)自定義的Charts靜態(tài)類(lèi)，運(yùn)用 AJAX、XML、JavaScript等技術(shù)，在Web For m中異步調(diào)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)的時(shí)程曲線，如繪制多點(diǎn)位移計(jì)的時(shí)程曲線，日降雨量、月降雨量和累計(jì)降雨量，錨索測(cè)力計(jì)的錨固力和時(shí)間之間的時(shí)程曲線等圖形，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不同類(lèi)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(zhǔn)確更直觀地表述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所包含的信息。

為了簡(jiǎn)化顯示圖形時(shí)候的操作，提取了通用的獲取圖形數(shù)據(jù)的方法，將圖形分為單系列圖形（如雨量計(jì)、應(yīng)力計(jì)等）、多系列圖形（如多點(diǎn)位移計(jì)等）以及多類(lèi)型組合圖形三大類(lèi)。

圖7 降雨量與累計(jì)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(cè)結(jié)果展示。圖7、圖8為雨量柱狀圖，并展示了累計(jì)降雨量，圖9為多點(diǎn)位移計(jì)展示方式。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的后期分析中，可以將不同監(jiān)測(cè)儀器返回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)疊加到同一張圖上顯示，分析各個(gè)監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的相互關(guān)系，即監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合分析功能，以此反應(yīng)雨量與邊坡變形的關(guān)系，如圖10所示，為錨索測(cè)力計(jì)和雨量計(jì)的監(jiān)測(cè)值疊加后的結(jié)果。

圖8 日降雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)柱狀圖Fig.8 Histogram of monitoring data of daily rainfall

圖9 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(jié)論

（1）公路建設(shè)日益向工程地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)推進(jìn)，導(dǎo)致建設(shè)過(guò)程中開(kāi)挖形成大量工程邊坡，這些邊坡具有量多面廣、穿越地質(zhì)單元多、穩(wěn)定性問(wèn)題突出的特點(diǎn)，對(duì)公路邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理和應(yīng)急決策方面的研究尤為必要。

（2）針對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)中多種監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的問(wèn)題，本文結(jié)合已有研究成果，實(shí)現(xiàn)了基于GPRS的無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，開(kāi)發(fā)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同類(lèi)型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析處理，可生成降雨量、降雨時(shí)間和邊坡變形的關(guān)系曲線，并提供多種展示方式，使技術(shù)人員能夠更真實(shí)直觀地利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便結(jié)合邊坡的幾何特征、地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行綜合分析，為公路邊坡安全管理及應(yīng)急決策提供重要的技術(shù)支撐。

（3）該無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在湯屯、黃塔桃高速公路邊坡的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，對(duì)坡體的變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，為該邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作以及支護(hù)措施的施工工序等提供了數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)獲得了大量寶貴的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及安全預(yù)警皆起到了良好的指導(dǎo)作用，達(dá)到了預(yù)期目的和效果。

［1]黃玉鵬.高速公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究［J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2007，26（8）：26－28.

［2]韓龍，肖碧，徐世春.公路邊坡防治動(dòng)態(tài)信息化的重要性［J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（增2）：2725－2730.

［3]呂建紅，袁寶遠(yuǎn).邊坡監(jiān)測(cè)與快速反饋分析［J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，27（6）：98－102.

［4]趙建軍.公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用研究［D].四川：成都理工大學(xué)，2007.

［5]石雙忠，岳東杰.基于小波消噪技術(shù)的時(shí)序分析法用于GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理［J].現(xiàn)代測(cè)繪，2006，29（4）：17－19.

［6]田雷，董德明，魏強(qiáng)，等.3種空間插值方法在道路塵中Pb監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理中的應(yīng)用比較［J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2011，49（5）：964－968.

［7]韓直.指數(shù)與對(duì)數(shù)累加生成法在灰色預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1995，8（增1）：52－57.

［8]羅佑新.數(shù)據(jù)處理的等間距化 GM（1，1）模型與方法［J].機(jī)床與液壓，2005，（6）：148－149.