基于天地一體化多源狀態(tài)感知技術(shù)的高速公路關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警研究

李曉勇

(安徽省交控建設(shè)管理有限公司)

1.工程概要

本課題依托G4211 寧蕪高速皖蘇界至蕪湖樞紐段改擴建工程開展，寧蕪改擴建工程是國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分，是落實長三角一體化發(fā)展規(guī)劃綱要和長江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃綱要的重點項目，工程全線采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)改擴建，主要采用兩側(cè)加寬為主、部分路段單側(cè)加寬的擴建方式。

與此同時，該項目也是《安徽省交通強國建設(shè)試點實施方案》試點任務(wù)“科技引領(lǐng)，推動智慧交通技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)型升級試點”中“智慧交通建設(shè)”專欄的重點工程之一，通過寧蕪智慧高速公路的試點建設(shè)，推動新技術(shù)與交通運輸融合發(fā)展，推進交通運輸行業(yè)科技化、智能化、精準(zhǔn)化、協(xié)同化管理。

本項目依托G4211 寧蕪改擴建項目，積極落實交通運輸部相關(guān)制度要求和發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合安徽省高速公路管養(yǎng)現(xiàn)狀和智慧高速需求，開展基于天地一體化的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施多源狀態(tài)感知技術(shù)研究，研究建立智慧高速關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施全天候狀態(tài)感知體系，以實現(xiàn)智慧高速沿線重點邊坡、特大橋、尾礦庫等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的運營環(huán)境、荷載和結(jié)構(gòu)受力指標(biāo)全天候智能感知預(yù)警與診斷評估，保障高速公路關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施全壽命期安全運行，提高智慧管養(yǎng)決策能力。

池祁邊坡所處地貌為低山區(qū)，路線以路塹形式穿越坡腳。地面高程約120.0～240.0m，原始地面坡角30°左右，坡面植被較發(fā)育，上覆地層碎石土和全風(fēng)化粉砂巖，坡腳中風(fēng)化基巖零星出露，地形總體較緩（如圖1）。

圖1 高邊坡側(cè)面圖

根據(jù)主線改擴建方案，黃梅山隧道改路塹。考慮保通需要，既有道路右側(cè)設(shè)臨時保通線。保通線長2.188 公里，整體式路基寬度23 米，設(shè)計速度60 公里/小時。

保通線位于馬鞍山市當(dāng)涂縣銀塘鎮(zhèn)境內(nèi)，海拔37.63～80.90m，相對高差約43.37m。地貌單元為沿江丘陵平原，微地貌單元為丘陵低山，由于黃梅山鐵礦的開采，礦區(qū)內(nèi)人工堆積的廢礦渣、碎石土以及開挖形成的礦坑雜亂分布，較大的改變了原有地形，總體為兩端低中間高，山體邊坡現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。本次監(jiān)測段落為保通線穿越沉淀池尾礦庫段，樁號為JK44+150-JK44+250（如圖2）。

圖2 黃梅山保通線位置圖

2.地表協(xié)作感知方案

公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害多源監(jiān)測數(shù)據(jù)在時間、空間上有著不同的特性：InSAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在空間上呈面狀分布、范圍大、采集周期較長、監(jiān)測內(nèi)容單一；北斗衛(wèi)星及傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)在空間上呈點狀分布、采集頻率快、監(jiān)測內(nèi)容多樣。為提高公路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測水平，提出基于天地一體的協(xié)調(diào)化智慧感知體系，針對高路監(jiān)測區(qū)域，利用協(xié)同處理技術(shù)，在整體層面基于遙感影像獲取公路沿線帶獲取潛在災(zāi)害隱患的范圍及變形差異，實現(xiàn)區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害隱患普查；在局部層面基于北斗和無線傳感網(wǎng)技術(shù)對公路地質(zhì)災(zāi)害多要素定點實時監(jiān)測，實現(xiàn)特定區(qū)域的動態(tài)核查，形成全面立體、長期持續(xù)的公路地質(zhì)災(zāi)害多維網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

寧蕪高速關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同化智慧感知方案由外場監(jiān)控傳感器子系統(tǒng)、采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與存儲子系統(tǒng)、用戶界面及預(yù)警評估子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3、4。

圖3 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施多源智慧化協(xié)同感知監(jiān)測方案示意圖

圖4 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施多源智慧化協(xié)同感知監(jiān)測方案系統(tǒng)架構(gòu)

協(xié)同化智慧感知方案充分結(jié)合InSAR 監(jiān)測覆蓋范圍大、形變監(jiān)測精度高和地表采集頻率快、監(jiān)測內(nèi)容多樣的特點，制定了一套經(jīng)濟可行的高速公路協(xié)同智慧化感知方案，方案技術(shù)路線如圖5。

圖5 協(xié)同智慧感知方案布設(shè)原則圖

協(xié)同化智慧感知方案主要依據(jù)工點的重要性等級劃分結(jié)果結(jié)合工點自身的特征確定地表協(xié)作感知方案的布設(shè)，所依賴的原則主要有以下幾點：

（1）依據(jù)重要性評估結(jié)果確定傳感器布設(shè)的內(nèi)容和數(shù)量；即對于重要性等級評估為高的工點，規(guī)范中定性為“應(yīng)測”的監(jiān)測內(nèi)容均應(yīng)開展測量，同時監(jiān)測斷面的間距取規(guī)范推薦的中值；對于重要性等級評估為中的工點，規(guī)范中定性為“應(yīng)測”的監(jiān)測內(nèi)容根據(jù)工點實際狀況評估予以刪減，同時監(jiān)測斷面間距取規(guī)范推薦的最大值；對于重要性等級評估為低的工點，無需開展地表協(xié)作感知。

（2）依據(jù)工點實際狀況確定監(jiān)測內(nèi)容；監(jiān)測內(nèi)容的確定除了依據(jù)工點的重要性等級外，還需根據(jù)工點的實際狀況確定。對于工點穩(wěn)定判別中起決定性作用的支護結(jié)果需作為必測內(nèi)容，對于工點穩(wěn)定判別起輔助性作用的結(jié)果依據(jù)重要性等級結(jié)果作為選測內(nèi)容。

（3）工點內(nèi)部非均勻布設(shè)；結(jié)合InSAR 解譯結(jié)果和地質(zhì)勘察結(jié)果，綜合布設(shè)地表協(xié)作感知網(wǎng)，對于歷史沉降變形大和鉆孔揭露存在復(fù)雜地質(zhì)的工點局部加強布設(shè)，對于歷史沉降變形小和鉆孔揭露地質(zhì)條件簡單的區(qū)域減少布設(shè)。

依據(jù)規(guī)范確定的原地表感知方案如圖6，圖中共設(shè)置3個監(jiān)測斷面（K57+070，K57+098，K57+120），每個監(jiān)測斷面上均設(shè)有3 個監(jiān)測點。

圖6 原地表感知方案

通過分析邊坡支護完成后的InSAR 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)邊坡變形規(guī)律如圖7、8。

圖7 高邊坡InSAR 變形圖

圖8 高邊坡斷層位置圖

結(jié)合InSAR 解譯變形結(jié)果和現(xiàn)場勘查資料可以發(fā)現(xiàn)，坡體可能沿著斷層和巖層節(jié)理方向由上至下，由大樁號一側(cè)向小樁號一側(cè)變形，通過分析將邊坡的監(jiān)測方案調(diào)整至如圖9 所示。

圖9 現(xiàn)有地表感知方案

3.多源數(shù)據(jù)融合預(yù)警模型研究基本原理

本多源數(shù)據(jù)融合預(yù)警模型基本原理為主要通過決策級融合進行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理分析，決策級融合的融合對象是各個監(jiān)測內(nèi)容的個體決策，融合過程如圖10 所示。

圖10 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)決策級融合原理圖

如圖10 所示，通過各個監(jiān)測內(nèi)容的數(shù)據(jù)，在融合之前先完成各自的決策和識別工作，隨后將這些決策進行融合，最終獲得具有整體一致性的決策結(jié)果。在決策層，數(shù)據(jù)傳輸量小，魯棒性好，對單項監(jiān)測內(nèi)容依賴小，且具有較好的容錯性。多源異構(gòu)融合預(yù)警模型的建立最關(guān)鍵的兩步是單因素決策和多因素融合，其中單因素決策主要依賴現(xiàn)有監(jiān)測規(guī)范推薦值進行判定，為實現(xiàn)公路工點地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的高效、及時性，單因素決策會在規(guī)范推薦值的基礎(chǔ)上根據(jù)工點自身的特點進行調(diào)整和優(yōu)化。多因素融合中的每個因子分別對應(yīng)工點不同類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括：雨量、位移（包括：位移計和北斗位移監(jiān)測）、土壓力、錨桿應(yīng)力等，并應(yīng)根據(jù)每個工點的巖體、土體、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)，構(gòu)建每個因子（監(jiān)測數(shù)據(jù)）與警告系數(shù)之間的關(guān)系式，得到該邊坡所對應(yīng)的警告系數(shù)（Fs）預(yù)警閾值區(qū)間。

4.天地一體化多源狀態(tài)感知技術(shù)應(yīng)用場景

天地一體化多源狀態(tài)感知技術(shù)應(yīng)用場景主要包括對癥勘設(shè)、邊坡施工監(jiān)測、預(yù)壓期沉降檢查、靶向管養(yǎng)等。

4.1 對癥勘設(shè)

“對癥勘設(shè)”是指通過InSAR 解譯老路沉降數(shù)據(jù)，篩選出沉降偏大的路段對路線設(shè)計和勘察布孔進行指導(dǎo)，其工作路線如圖11 所示。

圖11 對癥勘設(shè)工作路線圖

整個“對癥勘設(shè)”過程中，路線調(diào)整需遵循如下原則：

（1）根據(jù)InSAR 解譯結(jié)果微調(diào)路線，再根據(jù)鉆孔資料判斷是否有必要大范圍調(diào)整。

（2）路線微調(diào)過程須確保工程造價不增加或少量增加。

（3）大范圍調(diào)整路線明確鉆孔揭露地質(zhì)無法進行處理或處理成本偏高。

整個“對癥勘設(shè)”過程中，鉆孔布設(shè)需要遵循如下原則：

（1）沉降異常部位加強布孔。

實驗在F環(huán)島先均勻布置10個檢測器節(jié)點標(biāo)記為A組,每個節(jié)點的通信模塊中撥碼選擇為00,設(shè)置為固定周期傳輸。A組每個檢測器節(jié)點旁邊同時再布置一個檢測節(jié)點并標(biāo)記為B組,B組10個節(jié)點通信模塊中撥碼選擇為01,設(shè)置為變周期數(shù)據(jù)傳輸,變周期數(shù)據(jù)采樣溫度閾值設(shè)置為εc=0.5 ℃,CO2濃度閾值設(shè)置為εt=15×10-6。變周期數(shù)據(jù)傳輸模式只有當(dāng)前后兩次采集到的數(shù)據(jù)差大于相應(yīng)閾值范圍時,才進行當(dāng)前采集數(shù)據(jù)的傳輸。A、B二組檢測器節(jié)點硬件相同,但是在數(shù)據(jù)傳輸方式上不同。每個檢測器的基本采樣周期設(shè)置為2 min,每10個檢測節(jié)點為一組搭配一個網(wǎng)關(guān)進行組網(wǎng),運行監(jiān)測軟件進行實驗。

（2）沉降正常位置在滿足規(guī)范要求的前提下適當(dāng)減少布孔。

（3）沉降異常部位附近有其它鉆孔，可在不影響特殊構(gòu)造物勘察的前提下，調(diào)整該孔坐標(biāo)。

（4）勘察布孔隨路線優(yōu)化同步調(diào)整。

4.2 邊坡施工監(jiān)測

邊坡施工監(jiān)測主要通過解譯坡體后緣（無人為擾動區(qū)域）變形來分析邊坡開挖過程中是否存在坡體失穩(wěn)風(fēng)險，圖12 為葛羊山邊坡開挖過程中坡體后緣沉降云圖及時序曲線。

圖12 “葛羊山邊坡”重點區(qū)形變區(qū)域范圍

從圖中可以看出，邊坡整體較為穩(wěn)定，在大樁號一側(cè)，距離坡體后緣約240，變形異常區(qū)域與坡面平面位置如圖13所示。

圖13 變形異常區(qū)與坡面平面位置圖

4.3 預(yù)壓期沉降檢查

預(yù)壓期沉降檢查主要通過D-InSAR 技術(shù)求解預(yù)壓期前和預(yù)壓期后路基沉降，篩選出其中沉降偏大的位置供建設(shè)方和監(jiān)理方進行重點抽查。

4.4 靶向管養(yǎng)

靶向管養(yǎng)是在道路開通運行之后，綜合分析InSAR 沉降和地表感知系統(tǒng)，對公路沿線異常工點進行篩選，并將相應(yīng)的坐標(biāo)提供到養(yǎng)護中心，指導(dǎo)養(yǎng)護人員重點巡查。

本文主要針對保通線開展“靶向管養(yǎng)”應(yīng)用研究，保通線沿線InSAR 解譯結(jié)果如圖14 所示。

圖14 保通線沿線InSAR 數(shù)據(jù)解譯結(jié)果

從圖14 中可以看出保通線沿線存在1 處異常沉降點，該點變形主要發(fā)生在2021.02-2022.05，經(jīng)養(yǎng)護部門現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)，引起該處變形主要原因為取土，現(xiàn)場取土照片如圖15 所示。

圖15 保通線異常沉降部位衛(wèi)星圖

保通線運營至今共向養(yǎng)護部門發(fā)送2 處重點巡查部位，詳細信息如表1 所示。

表1 “靶向管養(yǎng)”重點巡視部位

4.5 監(jiān)測預(yù)警成果

監(jiān)測預(yù)警主要涵蓋兩部分內(nèi)容，分別為紅線范圍內(nèi)監(jiān)測和紅線范圍外監(jiān)測，本文主要敘述在紅線范圍內(nèi)的天地監(jiān)測預(yù)警試點監(jiān)測。

5.結(jié)論

結(jié)合工程實例對多源狀態(tài)感知技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警進行了研究。驗證了InSAR 技術(shù)在公路工程地災(zāi)風(fēng)險源識別中的應(yīng)用研究。通過基于InSAR-地表傳感的公路工程關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同智慧化感知方案研究及基于天地一體化多源狀態(tài)感知技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警模型研究及預(yù)警平臺開發(fā)，幫助管養(yǎng)單位實現(xiàn)了對癥勘設(shè)和靶向管養(yǎng)，制定精準(zhǔn)、經(jīng)濟、合理的養(yǎng)護措施，為開展科學(xué)決策和智慧康養(yǎng)提供依據(jù)。