徐 行

(紹興市交通投資集團(tuán)有限公司， 浙江 紹興 312099)

0 引言

我國(guó)高速公路總里程15萬(wàn)km，隨著交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要發(fā)布，全國(guó)在新建、舊改高速公路方面紛紛布局智慧高速的新基建建設(shè)和示范，試驗(yàn)5G、北斗、車路協(xié)同技術(shù)等新技術(shù)，構(gòu)建了智慧高速的框架體系，但對(duì)高速公路的邊坡(高邊坡)智慧化管理甚少考慮. 而邊坡的穩(wěn)定性影響高速公路是否安全運(yùn)營(yíng)，因此，如何通過(guò)新型技術(shù)手段，改進(jìn)和支撐現(xiàn)有以人工巡查為主的邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)管理方式是非常有必要的. 高速公路高邊坡智慧化管理現(xiàn)存的主要問(wèn)題包括：

1)信息化水平低，監(jiān)測(cè)手段單一

全國(guó)各地高速公路信息化建設(shè)很少考慮邊坡的信息化建設(shè)，基本以人工巡檢為主，偶有建設(shè)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-4]，但僅基于相應(yīng)的傳感器，很難準(zhǔn)確分析邊坡的穩(wěn)定性. 邊坡管理還處于傳統(tǒng)一坡一檔的紙質(zhì)管理，甚至有的邊坡處于無(wú)基本資料情況，對(duì)日常管理帶來(lái)很大不便.

2)缺乏穩(wěn)定性分析模型，監(jiān)測(cè)精度低

目前國(guó)內(nèi)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很少考慮邊坡自身的穩(wěn)定性模型[5-7]，僅基于傳感器數(shù)據(jù)，擬定相應(yīng)的預(yù)警閾值，多方面因素未考慮融合，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)精度不高，系統(tǒng)的可用性低.

1 邊坡智慧化管理解決方法與技術(shù)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)邊坡的在線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、智能預(yù)警和智慧化管理，通過(guò)建設(shè)高速公路邊坡智能監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)邊坡信息的數(shù)字化管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)的管理和智能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析[8-10]. 該系統(tǒng)由邊坡信息管理子系統(tǒng)、邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警子系統(tǒng)3部分構(gòu)成.

邊坡信息管理子系統(tǒng)：利用BIM引擎和3DGIS引擎建立邊坡的數(shù)字孿生模型，完成對(duì)邊坡信息的管理，如邊坡編號(hào)、坡高、坡長(zhǎng)、坡率、平臺(tái)寬度等，同時(shí)可對(duì)邊坡的歷史監(jiān)測(cè)信息、歷史災(zāi)害信息、致災(zāi)孕災(zāi)要素等信息進(jìn)行統(tǒng)一管理. 系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案專家?guī)?，?duì)于未設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的邊坡，通過(guò)對(duì)輸入的邊坡信息進(jìn)行智能分析，輸出邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方案；對(duì)于已設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的邊坡，可評(píng)估監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的合理性，并給出優(yōu)化措施.

邊坡?tīng)顟B(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)：該系統(tǒng)包括邊坡表面變形監(jiān)測(cè)模塊、邊坡內(nèi)部形變監(jiān)測(cè)模塊、邊坡應(yīng)變應(yīng)力監(jiān)測(cè)模塊、邊坡周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊. 結(jié)合使用全站儀、靜力水準(zhǔn)儀、雨量計(jì)、滲壓計(jì)等多種傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段和高清視頻攝像頭、無(wú)人機(jī)航拍等新型監(jiān)測(cè)手段，采用多態(tài)融合的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)各種結(jié)構(gòu)化，半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)詳實(shí)的全時(shí)空邊坡?tīng)顟B(tài)監(jiān)測(cè).

邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警子系統(tǒng)：該系統(tǒng)針對(duì)不同類型的邊坡建立不同的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定分析法對(duì)邊坡的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估. 采用智能算法將評(píng)估結(jié)果與安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，給出邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警和處理方案.

邊坡智慧化管理技術(shù)架構(gòu)2+3模式，即安全保障體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，1個(gè)感知體系平臺(tái)、1個(gè)數(shù)據(jù)中臺(tái)層、終端應(yīng)用層3大層次，總體架構(gòu)如圖1所示：

圖1 高速公路高邊坡智慧化管理技術(shù)架構(gòu)

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是支撐整個(gè)系統(tǒng)的硬件和常用軟件，提供了計(jì)算環(huán)境、存儲(chǔ)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、監(jiān)測(cè)信息采集手段. 硬件分為通用硬件和專用硬件，通用硬件即服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)等；專用硬件是指監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括GPS、靜力水準(zhǔn)儀、邊坡地滑儀、滲壓計(jì)、無(wú)人機(jī)等. 常用的軟件包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等.

1.2 數(shù)據(jù)中臺(tái)層

數(shù)據(jù)中臺(tái)層是整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行的“容器”，為各種數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)以及應(yīng)用服務(wù)提供基于容器的虛擬化環(huán)境，是整個(gè)系統(tǒng)的核心支撐. 數(shù)據(jù)中臺(tái)由服務(wù)支撐層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)組件層組成.

1.3 終端應(yīng)用層

終端應(yīng)用層主要提供邊坡信息管理、邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警功能. 邊坡信息管理主要是以BIM引擎和3DGIS引擎為依托，建立起邊坡的數(shù)字孿生模型，對(duì)邊坡各類信息和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案等進(jìn)行管理，同時(shí)輔助人工巡檢管理. 邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是通過(guò)表面監(jiān)測(cè)、內(nèi)部監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，結(jié)合高清攝像頭、無(wú)人機(jī)、人工智能等新型監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡全方位立體式的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè). 邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警主要完成邊坡?tīng)顟B(tài)預(yù)測(cè)、邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析、邊坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)告警處理等功能. 根據(jù)不同的邊坡類型，系統(tǒng)可智能地提供狀態(tài)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出預(yù)警和推送應(yīng)對(duì)方案.

2 管理流程

將邊坡的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)(坡長(zhǎng)、坡高、坡率、平臺(tái)寬度、坡角等)和地理信息數(shù)據(jù)等輸入系統(tǒng)，利用BIM引擎和3DGIS引擎建立邊坡數(shù)字孿生模型. 邊坡的數(shù)字孿生模型是通過(guò)輸入的數(shù)據(jù)映射出的1個(gè)數(shù)字實(shí)體，可通過(guò)邊坡的數(shù)字實(shí)體對(duì)邊坡進(jìn)行管理. 設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案專家?guī)?，通過(guò)大量數(shù)據(jù)積累結(jié)合人工智能對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方案進(jìn)行模擬推演. 對(duì)于沒(méi)有設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的邊坡，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案專家?guī)炜筛鶕?jù)邊坡信息數(shù)據(jù)的輸入給出布設(shè)建議；對(duì)于已設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的邊坡，可評(píng)估現(xiàn)有布設(shè)方案，給出優(yōu)化建議. 針對(duì)不同的邊坡類型，設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè). 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡表面、內(nèi)部、應(yīng)力應(yīng)變并獲得數(shù)據(jù)，融合管理傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)和高清攝像頭、無(wú)人機(jī)拍攝的視頻圖像數(shù)據(jù)，建立邊坡?tīng)顟B(tài)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)預(yù)警分析系統(tǒng)確定邊坡目前的安全級(jí)別，針對(duì)不同的安全級(jí)別發(fā)出預(yù)警，同時(shí)推送相應(yīng)的應(yīng)急處置預(yù)案. 具體流程如圖2所示.

圖2 高速公路高邊坡智慧化管理流程

3 實(shí)踐分析

3.1 4個(gè)實(shí)踐邊坡基本情況

S9蘇臺(tái)高速臺(tái)向K112+170-K112+310邊坡，長(zhǎng)度為140 m，邊坡最大高度48 m，屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，覆蓋層為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土，地層至上而下為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖[11]. 鑒湖樞紐D匝道DK0+100-401邊坡，長(zhǎng)度為301 m，最大高度45.6 m，屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，覆蓋層為第四系殘坡積碎石土，地層至上而下為碎石土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖. S24紹諸高速諸向K12+232-435邊坡，長(zhǎng)度203 m，邊坡高度36.8 m，邊坡傾向142°，屬類土質(zhì)邊坡，屬于風(fēng)化剝蝕丘陵區(qū)，表部位殘坡積含角礫粉質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)松散，厚度2～4 m，邊坡主體為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，呈砂土狀，局部土夾石. S24紹諸延伸線紹向K75+642-860邊坡，長(zhǎng)度218 m，最大高度38 m，邊坡巖體破碎，風(fēng)化極其強(qiáng)烈，泥質(zhì)砂巖易風(fēng)化、軟化崩解，泥質(zhì)含量高，飽水后強(qiáng)度降低，施工過(guò)程中多次發(fā)生淺層滑崩.

3.2 高邊坡智慧化管理手段

搭建自動(dòng)化智能化的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，完成后以直觀的云平臺(tái)邊坡信息管理界面，通過(guò)新型監(jiān)測(cè)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)邊坡實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并融合先進(jìn)的數(shù)字孿生模型、GIS+BIM+LOT新型監(jiān)測(cè)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、多源數(shù)據(jù)、人工智能算法等技術(shù)手段，建立起一套科學(xué)化、信息化、數(shù)字化、智能化和智慧化的管理系統(tǒng)，為邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù). 同時(shí)，基于系統(tǒng)平臺(tái)，后續(xù)可接入多個(gè)邊坡組網(wǎng)監(jiān)測(cè).

圖3 紹興市高速公路高邊坡監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)

系統(tǒng)實(shí)施后，可提高邊坡監(jiān)測(cè)頻率，通過(guò)分級(jí)預(yù)警和響應(yīng)機(jī)制，人工例行巡查數(shù)據(jù)上傳，通過(guò)系統(tǒng)比對(duì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，快速處理和治理，可大量節(jié)省養(yǎng)護(hù)成本.

以S24紹諸延伸線紹向K75+642-860邊坡為例，復(fù)用沿線范圍內(nèi)的北斗地面基準(zhǔn)站，以三角網(wǎng)形狀布設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)GNSS天線6對(duì)，環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器2對(duì)，深部測(cè)斜儀5組，擋土墻應(yīng)力測(cè)斜儀4組，表面位移數(shù)據(jù)每1 h采集一次上傳一次，深部位移每1 min上傳一次數(shù)據(jù)，擋土墻應(yīng)力每1 min上傳1次數(shù)據(jù)，具體布設(shè)如圖4所示. 通過(guò)表面位移、深部位移、擋土墻應(yīng)力、環(huán)境數(shù)據(jù)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合分析邊坡的穩(wěn)定性，形成預(yù)警規(guī)則和機(jī)制，當(dāng)邊坡有可能失穩(wěn)，則推送預(yù)警信息至相應(yīng)的管理員，并就近派人員巡檢，并將巡檢現(xiàn)場(chǎng)情況通過(guò)APP端上傳，并按對(duì)應(yīng)的預(yù)警級(jí)別進(jìn)行處置.

圖4 設(shè)邊布設(shè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在未使用智慧化管理系統(tǒng)前，因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，發(fā)生坍塌，影響高速正常運(yùn)行的同時(shí)，塌方治理和恢復(fù)花費(fèi)近500萬(wàn)元，直接或間接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)千萬(wàn)元. 使用智慧化管理手段，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)整治，節(jié)省養(yǎng)護(hù)費(fèi)用數(shù)百萬(wàn)元. 通過(guò)邊坡監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)，將邊坡基本資料和日常管理數(shù)字化，形成邊坡數(shù)字化檔案，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性分析，生成預(yù)警規(guī)則和預(yù)警機(jī)制，發(fā)現(xiàn)異常實(shí)時(shí)推送預(yù)警信息，并形成邊坡畫(huà)像，依據(jù)畫(huà)像進(jìn)行巡檢，并通過(guò)移動(dòng)端APP上傳檢查數(shù)據(jù)，生成邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和巡檢歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，為邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)精度提升奠定基礎(chǔ).

4 結(jié)束語(yǔ)

紹興高速采用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、人工智能、5G等先進(jìn)技術(shù)，建設(shè)了高速公路高邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)，并選取4個(gè)典型的高邊坡進(jìn)行示范應(yīng)用，此4個(gè)邊坡類型基本代表了紹興區(qū)域的高邊坡類型.

通過(guò)布設(shè)表面位移、深部位移、地下水、溫濕度、降雨量、應(yīng)力等傳感器，實(shí)時(shí)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，結(jié)合建立的各個(gè)邊坡的三維模型和檢測(cè)設(shè)備模型，融合實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，生成各個(gè)邊坡的數(shù)字孿生模型，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性和安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，生成預(yù)警規(guī)則和預(yù)警信息，實(shí)時(shí)掌握邊坡動(dòng)態(tài)變化信息. 高速公路高邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)投入使用后，可通過(guò)APP實(shí)時(shí)掌握邊坡動(dòng)態(tài)信息，當(dāng)有異常時(shí)，及時(shí)分析異常引起的原因并采取處置措施，如臺(tái)風(fēng)引起強(qiáng)降雨導(dǎo)致K75+642-860邊坡地下水位急劇上升，引起深部位移異常變動(dòng)，巡檢和應(yīng)急管理根據(jù)實(shí)時(shí)變化啟動(dòng)管理預(yù)案，預(yù)防滑坡崩解，降低危害程度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警，應(yīng)急處置聯(lián)動(dòng)，保障高速運(yùn)營(yíng)安全. 通過(guò)高速公路高邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)，增強(qiáng)高速公路管理數(shù)字化，規(guī)避了巡檢偷懶的問(wèn)題，解決了因巡檢頻率而導(dǎo)致邊坡動(dòng)態(tài)信息不及時(shí)的問(wèn)題. 通過(guò)高速公路高邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)，不僅可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡?tīng)顟B(tài)，同時(shí)還可形成邊坡檔案和畫(huà)像，通過(guò)技術(shù)手段減少巡檢人力成本，還可通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，分析邊坡實(shí)際情況，及時(shí)、分步養(yǎng)護(hù)，達(dá)到提高養(yǎng)護(hù)效率，降低養(yǎng)護(hù)成本的目標(biāo).