基于天地一体化多源状态感知技术的高速公路关键基础设施监控预警研究

李晓勇

(安徽省交控建设管理有限公司)

1.工程概要

本课题依托G4211 宁芜高速皖苏界至芜湖枢纽段改扩建工程开展，宁芜改扩建工程是国家高速公路网的重要组成部分，是落实长三角一体化发展规划纲要和长江经济带发展规划纲要的重点项目，工程全线采用双向八车道高速公路标准改扩建，主要采用两侧加宽为主、部分路段单侧加宽的扩建方式。

与此同时，该项目也是《安徽省交通强国建设试点实施方案》试点任务“科技引领，推动智慧交通技术应用转型升级试点”中“智慧交通建设”专栏的重点工程之一，通过宁芜智慧高速公路的试点建设，推动新技术与交通运输融合发展，推进交通运输行业科技化、智能化、精准化、协同化管理。

本项目依托G4211 宁芜改扩建项目，积极落实交通运输部相关制度要求和发展规划，结合安徽省高速公路管养现状和智慧高速需求，开展基于天地一体化的关键基础设施多源状态感知技术研究，研究建立智慧高速关键基础设施全天候状态感知体系，以实现智慧高速沿线重点边坡、特大桥、尾矿库等关键基础设施的运营环境、荷载和结构受力指标全天候智能感知预警与诊断评估，保障高速公路关键基础设施全寿命期安全运行，提高智慧管养决策能力。

池祁边坡所处地貌为低山区，路线以路堑形式穿越坡脚。地面高程约120.0～240.0m，原始地面坡角30°左右，坡面植被较发育，上覆地层碎石土和全风化粉砂岩，坡脚中风化基岩零星出露，地形总体较缓（如图1）。

图1 高边坡侧面图

根据主线改扩建方案，黄梅山隧道改路堑。考虑保通需要，既有道路右侧设临时保通线。保通线长2.188 公里，整体式路基宽度23 米，设计速度60 公里/小时。

保通线位于马鞍山市当涂县银塘镇境内，海拔37.63～80.90m，相对高差约43.37m。地貌单元为沿江丘陵平原，微地貌单元为丘陵低山，由于黄梅山铁矿的开采，矿区内人工堆积的废矿渣、碎石土以及开挖形成的矿坑杂乱分布，较大的改变了原有地形，总体为两端低中间高，山体边坡现状基本稳定。本次监测段落为保通线穿越沉淀池尾矿库段，桩号为JK44+150-JK44+250（如图2）。

图2 黄梅山保通线位置图

2.地表协作感知方案

公路边坡地质灾害多源监测数据在时间、空间上有着不同的特性：InSAR 卫星数据在空间上呈面状分布、范围大、采集周期较长、监测内容单一；北斗卫星及传感器监测数据在空间上呈点状分布、采集频率快、监测内容多样。为提高公路地质灾害监测水平，提出基于天地一体的协调化智慧感知体系，针对高路监测区域，利用协同处理技术，在整体层面基于遥感影像获取公路沿线带获取潜在灾害隐患的范围及变形差异，实现区域性地质灾害隐患普查；在局部层面基于北斗和无线传感网技术对公路地质灾害多要素定点实时监测，实现特定区域的动态核查，形成全面立体、长期持续的公路地质灾害多维网络化监测网络，为公路地质灾害预警提供数据支撑。

宁芜高速关键基础设施协同化智慧感知方案由外场监控传感器子系统、采集与传输子系统、数据处理与存储子系统、用户界面及预警评估子系统组成。系统架构如图3、4。

图3 关键基础设施多源智慧化协同感知监测方案示意图

图4 关键基础设施多源智慧化协同感知监测方案系统架构

协同化智慧感知方案充分结合InSAR 监测覆盖范围大、形变监测精度高和地表采集频率快、监测内容多样的特点，制定了一套经济可行的高速公路协同智慧化感知方案，方案技术路线如图5。

图5 协同智慧感知方案布设原则图

协同化智慧感知方案主要依据工点的重要性等级划分结果结合工点自身的特征确定地表协作感知方案的布设，所依赖的原则主要有以下几点：

（1）依据重要性评估结果确定传感器布设的内容和数量；即对于重要性等级评估为高的工点，规范中定性为“应测”的监测内容均应开展测量，同时监测断面的间距取规范推荐的中值；对于重要性等级评估为中的工点，规范中定性为“应测”的监测内容根据工点实际状况评估予以删减，同时监测断面间距取规范推荐的最大值；对于重要性等级评估为低的工点，无需开展地表协作感知。

（2）依据工点实际状况确定监测内容；监测内容的确定除了依据工点的重要性等级外，还需根据工点的实际状况确定。对于工点稳定判别中起决定性作用的支护结果需作为必测内容，对于工点稳定判别起辅助性作用的结果依据重要性等级结果作为选测内容。

（3）工点内部非均匀布设；结合InSAR 解译结果和地质勘察结果，综合布设地表协作感知网，对于历史沉降变形大和钻孔揭露存在复杂地质的工点局部加强布设，对于历史沉降变形小和钻孔揭露地质条件简单的区域减少布设。

依据规范确定的原地表感知方案如图6，图中共设置3个监测断面（K57+070，K57+098，K57+120），每个监测断面上均设有3 个监测点。

图6 原地表感知方案

通过分析边坡支护完成后的InSAR 数据发现边坡变形规律如图7、8。

图7 高边坡InSAR 变形图

图8 高边坡断层位置图

结合InSAR 解译变形结果和现场勘查资料可以发现，坡体可能沿着断层和岩层节理方向由上至下，由大桩号一侧向小桩号一侧变形，通过分析将边坡的监测方案调整至如图9 所示。

图9 现有地表感知方案

3.多源数据融合预警模型研究基本原理

本多源数据融合预警模型基本原理为主要通过决策级融合进行多源异构数据融合处理分析，决策级融合的融合对象是各个监测内容的个体决策，融合过程如图10 所示。

图10 多源异构数据决策级融合原理图

如图10 所示，通过各个监测内容的数据，在融合之前先完成各自的决策和识别工作，随后将这些决策进行融合，最终获得具有整体一致性的决策结果。在决策层，数据传输量小，鲁棒性好，对单项监测内容依赖小，且具有较好的容错性。多源异构融合预警模型的建立最关键的两步是单因素决策和多因素融合，其中单因素决策主要依赖现有监测规范推荐值进行判定，为实现公路工点地质灾害监测预警的高效、及时性，单因素决策会在规范推荐值的基础上根据工点自身的特点进行调整和优化。多因素融合中的每个因子分别对应工点不同类型的监测数据，包括：雨量、位移（包括：位移计和北斗位移监测）、土压力、锚杆应力等，并应根据每个工点的岩体、土体、结构等属性参数，构建每个因子（监测数据）与警告系数之间的关系式，得到该边坡所对应的警告系数（Fs）预警阈值区间。

4.天地一体化多源状态感知技术应用场景

天地一体化多源状态感知技术应用场景主要包括对症勘设、边坡施工监测、预压期沉降检查、靶向管养等。

4.1 对症勘设

“对症勘设”是指通过InSAR 解译老路沉降数据，筛选出沉降偏大的路段对路线设计和勘察布孔进行指导，其工作路线如图11 所示。

图11 对症勘设工作路线图

整个“对症勘设”过程中，路线调整需遵循如下原则：

（1）根据InSAR 解译结果微调路线，再根据钻孔资料判断是否有必要大范围调整。

（2）路线微调过程须确保工程造价不增加或少量增加。

（3）大范围调整路线明确钻孔揭露地质无法进行处理或处理成本偏高。

整个“对症勘设”过程中，钻孔布设需要遵循如下原则：

（1）沉降异常部位加强布孔。

实验在F环岛先均匀布置10个检测器节点标记为A组,每个节点的通信模块中拨码选择为00,设置为固定周期传输。A组每个检测器节点旁边同时再布置一个检测节点并标记为B组,B组10个节点通信模块中拨码选择为01,设置为变周期数据传输,变周期数据采样温度阈值设置为εc=0.5 ℃,CO2浓度阈值设置为εt=15×10-6。变周期数据传输模式只有当前后两次采集到的数据差大于相应阈值范围时,才进行当前采集数据的传输。A、B二组检测器节点硬件相同,但是在数据传输方式上不同。每个检测器的基本采样周期设置为2 min,每10个检测节点为一组搭配一个网关进行组网,运行监测软件进行实验。

（2）沉降正常位置在满足规范要求的前提下适当减少布孔。

（3）沉降异常部位附近有其它钻孔，可在不影响特殊构造物勘察的前提下，调整该孔坐标。

（4）勘察布孔随路线优化同步调整。

4.2 边坡施工监测

边坡施工监测主要通过解译坡体后缘（无人为扰动区域）变形来分析边坡开挖过程中是否存在坡体失稳风险，图12 为葛羊山边坡开挖过程中坡体后缘沉降云图及时序曲线。

图12 “葛羊山边坡”重点区形变区域范围

从图中可以看出，边坡整体较为稳定，在大桩号一侧，距离坡体后缘约240，变形异常区域与坡面平面位置如图13所示。

图13 变形异常区与坡面平面位置图

4.3 预压期沉降检查

预压期沉降检查主要通过D-InSAR 技术求解预压期前和预压期后路基沉降，筛选出其中沉降偏大的位置供建设方和监理方进行重点抽查。

4.4 靶向管养

靶向管养是在道路开通运行之后，综合分析InSAR 沉降和地表感知系统，对公路沿线异常工点进行筛选，并将相应的坐标提供到养护中心，指导养护人员重点巡查。

本文主要针对保通线开展“靶向管养”应用研究，保通线沿线InSAR 解译结果如图14 所示。

图14 保通线沿线InSAR 数据解译结果

从图14 中可以看出保通线沿线存在1 处异常沉降点，该点变形主要发生在2021.02-2022.05，经养护部门现场巡查发现，引起该处变形主要原因为取土，现场取土照片如图15 所示。

图15 保通线异常沉降部位卫星图

保通线运营至今共向养护部门发送2 处重点巡查部位，详细信息如表1 所示。

表1 “靶向管养”重点巡视部位

4.5 监测预警成果

监测预警主要涵盖两部分内容，分别为红线范围内监测和红线范围外监测，本文主要叙述在红线范围内的天地监测预警试点监测。

5.结论

结合工程实例对多源状态感知技术的关键基础设施监控预警进行了研究。验证了InSAR 技术在公路工程地灾风险源识别中的应用研究。通过基于InSAR-地表传感的公路工程关键基础设施协同智慧化感知方案研究及基于天地一体化多源状态感知技术的关键基础设施监控预警模型研究及预警平台开发，帮助管养单位实现了对症勘设和靶向管养，制定精准、经济、合理的养护措施，为开展科学决策和智慧康养提供依据。