陳 旺，張社榮，潘 飛

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

基于物聯(lián)網(wǎng)的邊坡工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)開發(fā)

陳 旺，張社榮，潘 飛

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

針對(duì)目前邊坡監(jiān)測(cè)存在的時(shí)效性差、數(shù)據(jù)散亂、影響施工等問題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入邊坡監(jiān)測(cè)中，探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)信息采集和傳輸?shù)姆椒?。以監(jiān)測(cè)信息為研究對(duì)象，以動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論，建立邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)模型。利用C#編程語言，以SQL Server 2008為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，開發(fā)了邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程，分析結(jié)果符合實(shí)際情況。

邊坡工程；物聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)開發(fā)；監(jiān)測(cè)信息；模糊綜合評(píng)價(jià)；AHP

0 引 言

隨著我國(guó)工程建設(shè)的不斷深入和發(fā)展，不可避免地遇到很多復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定性分析問題。針對(duì)這些問題，通過科學(xué)、簡(jiǎn)便的方法，準(zhǔn)確、及時(shí)地給出穩(wěn)定性分析結(jié)果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)和力學(xué)參數(shù)在開挖、降雨及自身內(nèi)部巖土力學(xué)的作用下是不斷變化的[1]。通過儀器監(jiān)測(cè)可以了解影響邊坡穩(wěn)定指標(biāo)的狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，監(jiān)控和保障邊坡的安全施工和運(yùn)行。然而，由于目前邊坡監(jiān)測(cè)的繁雜性、人員水平參差不齊等原因，導(dǎo)致邊坡監(jiān)測(cè)存在諸多問題，如時(shí)效性差、數(shù)據(jù)缺失散亂、規(guī)范程度低、影響施工等。這些問題加大了利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析邊坡穩(wěn)定性的難度，也阻礙了邊坡工程信息化管理的建設(shè)。因此，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的智能化和基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是邊坡工程發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。

本文分析了邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)采集與無線傳輸平臺(tái)的搭建，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為對(duì)象，研究了利用AHP和模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析的方法，利用C#編程語言開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程，分析結(jié)果符合實(shí)際情況。

1 物聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念及發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)[2]是指利用一些信息傳感技術(shù)，依據(jù)確定的協(xié)議，把一切物品與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，通過信息的共享交流，以實(shí)現(xiàn)物品智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。2005年，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)正式確立“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，并在官方報(bào)告[3]中闡述了物聯(lián)網(wǎng)基本的特點(diǎn)、技術(shù)以及今后的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。此后，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展相繼引起了一些發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，我國(guó)也在2010年《政府工作報(bào)告》中正式將其列為戰(zhàn)略性新型領(lǐng)域予以重點(diǎn)關(guān)注和推進(jìn)。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到城市建設(shè)、交通、農(nóng)業(yè)、物流等行業(yè)，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1.2 監(jiān)測(cè)信息物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

目前，邊坡監(jiān)測(cè)相對(duì)成熟的是基于有線網(wǎng)絡(luò)的信息采集技術(shù)，但該方法后期處理量大，無法保證信息的時(shí)效性，并且對(duì)施工有一定程度的影響。利用物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，搭建監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)采集和無線傳輸平臺(tái)，可以有效解決上述問題。該平臺(tái)利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，大大降低了對(duì)邊坡施工的影響；采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式直接存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，減少了后期整理的工作量，保證了信息的時(shí)效性。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)——感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層進(jìn)行平臺(tái)的搭建(見圖1)。感知層是基礎(chǔ)，代表了物聯(lián)網(wǎng)的全面感知。該層由各種類型的監(jiān)測(cè)傳感器、微控制器、ZigBee模塊等構(gòu)成，負(fù)責(zé)邊坡監(jiān)測(cè)信息的采集和獲取。微控制器首先解析監(jiān)控中心發(fā)出的指令，然后對(duì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)傳感器發(fā)出采集命令；監(jiān)測(cè)信息采集完畢之后，由ZigBee模塊發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行無線傳輸。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)信息的無線傳輸，首先接收感知層的ZigBee模塊發(fā)出的信號(hào)，然后通過短距離無線通信技術(shù)將接收的信號(hào)發(fā)送至3G/4G網(wǎng)絡(luò)。對(duì)比目前常見的短距離無線通信技術(shù)，如ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi等，由于ZigBee具有低復(fù)雜性、低速率、近距離以及低成本的特點(diǎn)，可以將其應(yīng)用于該平臺(tái)。最后，監(jiān)控中心接收信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，完成邊坡監(jiān)測(cè)信息的可靠傳輸。由于檢測(cè)傳感器自身精度、環(huán)境因素、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟环€(wěn)定等原因，數(shù)據(jù)庫(kù)中原始的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能存在一些誤差和缺失。因此，應(yīng)用層要先利用開發(fā)的系統(tǒng)處理原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后才能進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

圖1 邊坡工程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)信息采集與傳輸平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法

作為一種能夠有效解決多指標(biāo)、多因素評(píng)價(jià)問題的方法，模糊綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)理論[4]。依據(jù)模糊關(guān)系合成原理，把界限不清晰、難以定量的因素定量化表示，然后綜合分析。邊坡穩(wěn)定性模糊綜合分析評(píng)價(jià)流程見圖2。模糊綜合評(píng)價(jià)的具體方法為：

(1)確定邊坡穩(wěn)定性分析的所有可能的評(píng)價(jià)等級(jí)以及等級(jí)的判別標(biāo)準(zhǔn)。

(2)根據(jù)各個(gè)監(jiān)測(cè)分析量的特點(diǎn)，確立恰當(dāng)?shù)碾`屬度計(jì)算函數(shù)。

(3)將通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代入隸屬度函數(shù)，計(jì)算各個(gè)監(jiān)測(cè)分析量對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)集合的隸屬度向量，組成隸屬度矩陣R。

(4)綜合監(jiān)測(cè)傳感器的信息，建立評(píng)價(jià)的指標(biāo)層次體系，并且需要針對(duì)監(jiān)測(cè)傳感器的變化不斷更新該體系。

(5)利用層次分析法分別確定各個(gè)層次指標(biāo)相對(duì)于上一層次控制指標(biāo)的權(quán)重，每個(gè)層次均可形成權(quán)重向量A。

(6)從最底層開始計(jì)算，得到的向量B=A×R可以作為上一層次某個(gè)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)集合的隸屬度向量。依此方法，可以得到上一層次所有指標(biāo)隸屬度向量，再次組成隸屬度矩陣，結(jié)合該層權(quán)重向量再次計(jì)算。按此層層遞進(jìn)，得到邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的隸屬度向量，依據(jù)最大隸屬度原則確定評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖2 邊坡穩(wěn)定性模糊綜合分析評(píng)價(jià)流程

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)層次體系的建立

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是利用監(jiān)測(cè)信息綜合分析邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的層次。采集平臺(tái)監(jiān)測(cè)類型可分為變形、支護(hù)應(yīng)力以及滲流等。針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)類型又有不同的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，如變形監(jiān)測(cè)可分為表面變形監(jiān)測(cè)及內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)；支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)可分為錨桿監(jiān)測(cè)和錨索監(jiān)測(cè)。依據(jù)上述的層次體系及監(jiān)測(cè)傳感器的位置等信息，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)層次體系(見圖3)。同時(shí)，需要考慮該體系的動(dòng)態(tài)更新，使之符合邊坡實(shí)際監(jiān)測(cè)情況。尤其是在邊坡的施工過程中，會(huì)不斷增加監(jiān)測(cè)傳感器的個(gè)數(shù)和種類。

圖3 邊坡穩(wěn)定性綜合分析評(píng)價(jià)指標(biāo)層次體系

2.3 各層次指標(biāo)權(quán)重的確定

評(píng)價(jià)指標(biāo)層次體系中的不同元素對(duì)于邊坡穩(wěn)定的影響程度各異，只有準(zhǔn)確地給出各元素的權(quán)重才能保證評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。層次分析法[5- 6]結(jié)合定性分析與定量分析，將人們對(duì)各個(gè)指標(biāo)相對(duì)重要性的主觀判斷數(shù)量化，然后經(jīng)過一系列的數(shù)學(xué)處理，最后得出各指標(biāo)權(quán)重，具有較大的可信度。該方法的具體步驟如下：

(1)通過專家集體評(píng)分的方法，構(gòu)建某一層指標(biāo)對(duì)上一層控制指標(biāo)相對(duì)重要性的判斷矩陣(aij)n×n，該矩陣是層次分析法的關(guān)鍵。選擇研究邊坡穩(wěn)定方面的專家，通過兩兩比較的方法打分形成判斷矩陣，打分依據(jù)是1- 9標(biāo)度法[7]。

(2)判斷打分表中元素是否符合以下3個(gè)要求：①aij>0；②aij=1/aij；③aij=1。如果打分表符合上述條件，則計(jì)算矩陣的特征向量，歸一化處理后得到權(quán)重向量。

(3)檢驗(yàn)矩陣各個(gè)元素之間的協(xié)調(diào)性，如果不滿足，重新調(diào)整判斷矩陣后繼續(xù)計(jì)算。

2.4 評(píng)價(jià)等級(jí)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的擬定

依據(jù)邊坡穩(wěn)定程度，共設(shè)置4個(gè)等級(jí)狀態(tài)：1級(jí)代表邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；2級(jí)代表較穩(wěn)定狀態(tài)；3級(jí)代表較不穩(wěn)定狀態(tài)；4級(jí)代表不穩(wěn)定狀態(tài)。4個(gè)邊坡穩(wěn)定級(jí)別確定之后，以此為基礎(chǔ)為評(píng)價(jià)體系中的最底層指標(biāo)制定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的特點(diǎn)，一般有以下3種方法：

(1)經(jīng)驗(yàn)法。①依據(jù)相關(guān)的規(guī)定規(guī)范確定；②利用專家團(tuán)的豐富經(jīng)驗(yàn)確定。

(2)數(shù)理統(tǒng)計(jì)法[8]。包括典型小概率法、置信區(qū)間法以及最大熵法，這3種方法都是以大量實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。在使用小概率法時(shí)，首先要利用最大熵原理求出表征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)概率分布的密度函數(shù)。

(3)數(shù)值模擬法。主要針對(duì)的是位移監(jiān)測(cè)指標(biāo)。以有限元強(qiáng)度折減法為基礎(chǔ)，求得表征變形測(cè)點(diǎn)位移和折減系數(shù)關(guān)系的曲線，曲線突變點(diǎn)即為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)開發(fā)及工程應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)開發(fā)

依據(jù)邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法，以Visual Studio 2010為開發(fā)平臺(tái)、SQL Server 2008為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，以C#為編程語言，開發(fā)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的應(yīng)用層，總體構(gòu)架見圖4，共分為3個(gè)層次。

圖4 系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)主界面見圖5。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要是控制物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)信息的采集，處理錄入數(shù)據(jù)庫(kù)的初始信息，以便系統(tǒng)后續(xù)的評(píng)價(jià)；評(píng)價(jià)模型模塊主要功能是根據(jù)最新的監(jiān)測(cè)傳感器的情況動(dòng)態(tài)更新評(píng)價(jià)指標(biāo)層析體系，計(jì)算指標(biāo)權(quán)重；分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模塊主要功能是確定評(píng)價(jià)級(jí)別和級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)；綜合評(píng)價(jià)模塊主要功能是選取最新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用更新完成的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行分析計(jì)算，給出最終的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 系統(tǒng)主界面

3.2 工程應(yīng)用

某施工期水電站樞紐所在區(qū)域?qū)儆诟呱缴罟鹊貛?，岸坡陡峻，地質(zhì)地形條件復(fù)雜。為實(shí)時(shí)掌握邊坡在復(fù)雜環(huán)境因素中的穩(wěn)定狀態(tài)，保證工程安全，對(duì)邊坡進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)控，利用系統(tǒng)分析其穩(wěn)定狀態(tài)。目前，該邊坡的監(jiān)測(cè)傳感器有內(nèi)部變形(17臺(tái))、表面變形(36臺(tái))以及錨索受力(22臺(tái))3類，系統(tǒng)中代號(hào)分別為M、TP、PR。

利用監(jiān)測(cè)傳感器的接口，開發(fā)數(shù)據(jù)采集功能，在系統(tǒng)中可以控制采集的方式和采集周期等。原始的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)之后，需要利用系統(tǒng)進(jìn)行處理，主要是識(shí)別和消除誤差，估計(jì)缺失值。監(jiān)測(cè)傳感器信息采集控制界面見圖6。

圖6 監(jiān)測(cè)傳感器信息采集控制界面

隨著該邊坡的施工，增加了2臺(tái)錨索受力測(cè)點(diǎn)、2臺(tái)內(nèi)部變形測(cè)點(diǎn)以及1臺(tái)表面變形測(cè)點(diǎn)，需要以此對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行更新，并且重新計(jì)算受影響層次的權(quán)重向量，圖7是監(jiān)測(cè)斷面B 的5臺(tái)表面變形測(cè)點(diǎn)的權(quán)重分析。

圖7 評(píng)價(jià)模型更新界面

在系統(tǒng)中分別以綠、藍(lán)、黃、紅4種顏色代表邊坡的評(píng)價(jià)結(jié)果從穩(wěn)定到不穩(wěn)定的4種狀態(tài)。以表面變形傳感器的位移指標(biāo)為例，利用系統(tǒng)中的典型小概率法求得綠、藍(lán)、黃、紅4種等級(jí)之間的分界值分別為46.5、51.2 mm和56.6 mm。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算界面見圖8。

利用上述的系統(tǒng)功能，在完成分析評(píng)價(jià)前的準(zhǔn)備工作之后，以最新采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。此次評(píng)價(jià)的結(jié)果為綠色等級(jí)，表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，與邊坡實(shí)際狀況相吻合。邊坡綜合評(píng)價(jià)結(jié)果界面見圖9。

圖8 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算界面

圖9 邊坡綜合評(píng)價(jià)結(jié)果界面

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)存在的問題，基于物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)理論，提出了邊坡工程的物聯(lián)網(wǎng)信息采集平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，為該平臺(tái)的搭建提供了參考。

(2)以模糊綜合評(píng)價(jià)理論和層次分析法為基礎(chǔ)，基于Visual Studio 2010和SQL Server 2008平臺(tái)，利用C#編程語言，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開發(fā)了綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性快速、準(zhǔn)確的分析評(píng)價(jià)。

(3)以某正在施工的水電站邊坡為例，利用開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際狀況相吻合，證明該系統(tǒng)是一個(gè)可靠的邊坡穩(wěn)定分析輔助工具。

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[2]胡永利， 孫艷豐， 尹寶才. 物聯(lián)網(wǎng)信息感知與交互技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)， 2012， 35(6)： 1147- 1163．

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(責(zé)任編輯楊 健)

Stability Evaluation Method and System Development for Slope Engineering Based on the Internet of Things

CHEN Wang, ZHANG Sherong, PAN Fei

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

For solving the problems of poor timeliness, scattered data and affecting construction existing in current slope monitoring, the Internet of Things technology (IOT) is introduced in slope monitoring to study the data collection and transmission methods. A fuzzy comprehensive model for analyzing monitoring information is established with the foundation of dynamic index system and combining AHP with fuzzy mathematics theory. Based on Microsoft C# and SQL Server 2008 database, the system of slope stability evaluation is developed. The application of system in actual project shows that the analysis result is in line with actual situation．

slope engineering; the Internet of things; system development; monitoring information; fuzzy comprehensive evaluation; AHP

2015- 09- 30

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51321065)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(13JCYBJC19400)；河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2014491211)

陳旺(1992—)，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)工程．

TU454；TP391.9

A

0559- 9342(2015)12- 0036- 04