基于云物聯技術的公路邊坡在線安全監測系統

焦菊茹

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

在線監測系統相比人工檢測有著安全性能高、能獲取海量連續數據、預告警等許多優點，但同樣也存在需完善和發展的地方。在線監測系統是一個涉及面廣、采集項目繁多、設備種類差異較大的現狀，多種設備在一個系統中同時運行，需通過合理布置，統籌的設計與管理，才能使該系統健康、高效地運轉。

1 邊坡在線監測系統設計要點

邊坡在線監測系統的設計要緊密結合邊坡實際情況，結合相關技術的最新發展，注重系統的實用性、可靠性、先進性、可操作性、易維護性、完整性和可擴容性等幾個原則；本系統在線安全監測與云計算有機結合，將基于云物聯技術的在線健康監測系統，分為感知層、網絡層和應用層3個層面，如圖1所示。

1.1 在線安全監測層面

a）感知層 結合所需監測項目的特征，感知層主要完成的工作包括：傳感器選型與布點、現場總線布設、采集設備組網等。

b）網絡層 在實際項目中，為了滿足安心云的整體系統功能，一般采用兩種遠距離傳輸方式：一種是將采集到的數據利用分組數據網絡通過DTU進行遠程無線傳輸；另一種則在現場設立工作站，通過工作站再將數據借助有線網、無線網、專網等互聯網介質進行傳輸。

圖1 邊坡安全在線監測系統框架圖

c）應用層 應用層的工作分為結構物服務和用戶服務兩個層次。在結構物服務層實現鎮江數據中心和南昌數據中心雙地容災，實現了一方出現停電、故障等情況，數據依然能夠正常接收、計算、存儲，保證了數據和系統應用的穩定、可靠。用戶服務層則包括數據查詢、數據分析、報表推送、預告警、三方數據接口等智能化應用。

1.2 系統自診斷功能

本系統在設計過程中，加入了系統自診斷功能的開發，該系統具有對自身排查的功能，維護人員可以依據排查結果對系統進行有目的的維護，在節約時間的同時也保證了整個系統的長期運行。系統自診斷功能從3個層次對系統進行判斷并給出相應處理建議，分為傳感器層次自診斷、采集層次自診斷、通信層次自診斷。

a）傳感器層次自診斷 系統會在采集數據前對傳感器進行測試判斷，根據軟件接收回來的命令進行判斷是否出現傳感器短路、斷路等現象。可以通過軟件提示的異常類型和處理方法進行相應的處理。

b）采集層次自診斷 采集層次自診斷是系統自診斷的另一個重要部分，主要是通過設備本身判斷完成，當設備執行采集操作時，如果設備某模塊存在異常，無法完成此次操作，將返回一個異常報告，提示操作人員設備存在異常，需要按照異常類型和排查方法處理異常，直至異常排查完成，同時排查期間不影響其他采集設備及整套系統的運行。

c）系統層次自診斷 通信正常是數據采集和遠程控制的保障，對于系統通信異常的檢測，主要由上位機軟件完成操作，上位機軟件從通訊系統的上端—下端—遠端采集設備逐步進行命令測試，根據返回的數據幀判斷通信故障出現的層次，如果通信出現異常或總線上出現干擾信號，則需要重新連接，做好防干擾措施。利用系統自診斷功能監測系統的自身安全，及時反饋監測系統的運行狀況給操作人員，以保障安全與安全監控預警系統良好地發揮作用。

2 系統在寧武高速邊坡中的實踐與效果

2.1 監測概括

福建省寧武高速公路全長203 km，2012年7月底全線動工建設。寧武高速仙巖隧道左側高邊坡開挖后第三、四級坡面為全風化石英片巖；左側邊坡根據實際測量地面線進行開挖放樣后，實際開挖坡面比原設計增加兩級高度，現邊坡共9級80 m，為超高邊坡。針對實際需求，監測系統主要設計為包括表面位移監測子系統、深層監測子系統、環境監測子系統、應力監測子系統、系統防雷與供電系統、通訊系統、監控中心系統。其中所有子系統的數據采集終端——前端數據處理器布置在邊坡監測區域內，用于在線實時采集各監測站點的數據信息；值班室與邊坡數據終端之間采用有線光纖通信模式。監控中心系統設在省高指值班室內，用于數據實時自動采集、分析、顯示、綜合預警、數據存儲及數據Web數據發布等。

現場各監測布點示意圖如圖2。

圖2 YK120+516、YK120+600間邊坡監測布點圖

2.2 軟件系統框架

經過大量邊坡在線監測系統調研，并且在實際邊坡監測系統相關經驗的指導下，針對邊坡的特點，編制了軟件系統設計指導意見。設計指導意見中提出了系統設計的內容、特點功能等具體要求，并提出了系統的設計原則。制定了系統功能原理框架（如圖3）、軟件總體框架（如圖 4）及流程圖（如圖 5）、實時監測系統拓撲圖等框圖（如圖6）。

圖3 系統功能原理框架

圖4 軟件總體框架

圖5 軟件流程圖

圖6 實時監測系統拓撲圖

2.3 數據傳輸

寧武邊坡健康與安全監測系統建立充分利用了施工監控的有關監測儀器設備，特別是監控預埋的振弦式應變傳感器，根據存活的情況，選擇重要部位作為健康監測系統的測點。

邊坡健康與安全監控預警系統的整個數據傳輸結構根據功能可分為3層:數據采集層、中間傳輸層及中心網絡層。結構示意圖如圖7所示。

圖7 數據傳輸結構示意圖

數據采集層主要負責將各種傳感器的輸出信號經預處理后傳輸至相應的數據采集設備；中間傳輸層負責將數據采集設備所采集數字信號傳輸至上層處理系統；而中心網絡層則為監控中心的數據處理及數據存儲提供了一個網絡平臺。根據總體設計方案，數據采集層與中間傳輸層之間的界面劃分在數據采集設備端，由于各監測子系統所使用的設備不同，導致兩層之間的傳輸介質各種各樣，主要有抗干擾屏蔽電纜、串行通信線纜等。中間傳輸層與中心網絡層的界面劃分在監控中心的網絡交換機上，兩層之間的傳輸介質可以為單模或多模光纜，為充分利用現有資源，采用單模光纜。數據采集層的設備主要包括：傳感器、信號調理設備、A/D轉換設備、數據采集設備以及傳輸線纜。

邊坡健康監測系統中，電纜是必不可少的，電纜傳輸也成為現場通信中最優先的選擇。與電纜相比，光纜具有抗干擾、防串擾、帶寬高、衰減低、保密性好的特點，其材質耐腐蝕、重量輕且不會短路。但由于電子設備都采用電信號，傳輸需光電轉換，所用設備價格較高，短距傳輸不夠經濟。所以光纜一般作為現場計算機與管理中心服務器間的數據傳輸的標準方式。與有線傳輸相比，無線傳輸無需布線，即省去了線纜的維護成本，也使其傳輸距離幾乎不受限制。但其傳輸速率較低，易受電磁干擾、串擾，保密性也最差。無線傳輸受環境影響較大，尤其是密閉空間，雖然不論現場數據傳輸與遠程通信都可采用無線技術，但一般都作為備選方案，在不易布線并且數據量較小的情況下選用，例如邊坡附近無管理中心，服務器可能置于異地，只能采用無線接入Internet。

本系統通過成熟的GPRS/GSM網絡，通過靈活地控制設備的采集制度，進行遠程控制。

GPRS DTU無線傳輸采用高性能工業級嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，超大內存，內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧。為用戶提供高速、穩定可靠、數據終端實時在線、多種協議轉換的虛擬專用網絡。把DTU設備連接在PC或者采集儀上，此時數據庫或采集設備里面采集到的數據通過DTU里面移動手機卡GPRS功能把數據傳送到Internet網絡上。從而用戶可以通過登錄網站查看采集到的數據。在應用之前先進行數據中心的IP和端口及其他參數的設置，之后串口和采集器串口對接，可實現雙向透明傳輸數據。

3 結論

a）本次實踐驗證了所設計的在線監測系統的可靠性和穩定性，收集了大量實時數據，實時把握邊坡本體的活動狀態，實時有效地評定了邊坡的穩定性。

b）為運營、維護、管理提供決策依據，可以使得既有邊坡支護工程的技術改造決策更加科學、改造技術方案的設計更加合理、經濟。

c）為滑坡研究中的未知問題研究提供了新的契機，由于邊坡活動狀態及其環境所得的信息不僅是滑坡理論研究和試驗室調查的補充，而且可以提供有關滑坡行為與環境規律最真實的信息。邊坡健康監測不只是傳統的邊坡檢測和安全評估新技術的應用，而且被賦予了監控與評估、驗證和研究發展三方面的意義。