摘 要：由于當(dāng)前人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)效果不佳，為此研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。首先利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)部署不同傳感器完成邊坡數(shù)據(jù)采集。然后，提取邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)獨(dú)立樹(shù)的訓(xùn)練樣本，并對(duì)獨(dú)立樹(shù)進(jìn)行約束輸出集合數(shù)據(jù)。通過(guò)傳感器采集邊坡數(shù)據(jù)并使用GPS定位技術(shù)對(duì)邊坡邊界進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)記。運(yùn)用GIS工具將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與邊坡數(shù)據(jù)疊加以建立合適的彈性結(jié)構(gòu)模型。利用加權(quán)算法搜索不同節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)解，獲取準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后計(jì)算不同傳感器之間的置信距離。最后，通過(guò)比較閾值附近的模糊程度，實(shí)現(xiàn)信息融合并實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)12期的觀測(cè)，邊坡變形量監(jiān)測(cè)與實(shí)際值之間的濾波殘差結(jié)果均在0～0.4 mm，符合預(yù)期設(shè)定的精度目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；黃土邊坡；穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)；GPS定位；GIS；加權(quán)算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-0-03

0 引 言

隨著我國(guó)邊坡工程的發(fā)展與完善，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題引起不斷關(guān)注[1]。在邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將邊坡位移變化量傳輸?shù)较鄳?yīng)的顯示器上，可以更加直觀對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，減少工程施工的危害，為人工黃土邊坡施工提供重要依據(jù)。此舉不僅提升了監(jiān)測(cè)的有效性，還能降低施工難度?，F(xiàn)階段，邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法主要針對(duì)長(zhǎng)期進(jìn)行人工巡查，監(jiān)測(cè)設(shè)備有限，監(jiān)測(cè)頻次低、信息反饋不及時(shí)等問(wèn)題。由于監(jiān)測(cè)位置不當(dāng)，使得滑坡推力下降等數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)監(jiān)測(cè)，難以獲得穩(wěn)定性保障，導(dǎo)致結(jié)果不符合預(yù)期[2]。因此，在接下來(lái)的研究中結(jié)合實(shí)際工程案例，闡述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用方法，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的其他應(yīng)用進(jìn)行展望，為相關(guān)研究提供參考與借鑒。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)部署傳感器

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將不同的傳感器進(jìn)行部署[3]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用上文構(gòu)建的配置結(jié)構(gòu)，從邊緣服務(wù)器中提取數(shù)據(jù)，并利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練。在邊緣層，由云計(jì)算核心層來(lái)分配任務(wù)，保證在訓(xùn)練結(jié)束后，模型可以自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)[4]。接下來(lái)，建立邊坡異常監(jiān)控模型，設(shè)置邊緣層的服務(wù)器數(shù)目為k，并將任務(wù)分配給各服務(wù)器。將設(shè)置在邊坡位置的服務(wù)器設(shè)為Z=（1， 2， ...， k），并設(shè)定終端設(shè)備與邊坡位置服務(wù)器之間的傳送帶寬。在此基礎(chǔ)上，建立了一種用于邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)的獨(dú)立樹(shù)[5]，并對(duì)其加以限制，其約束條件如下：

（1）

式中：x為服務(wù)器中需要訓(xùn)練的獨(dú)立樹(shù)的數(shù)量；Zmax為最大值。將數(shù)據(jù)集進(jìn)行節(jié)點(diǎn)填充，并在數(shù)據(jù)集中任意選擇一個(gè)屬性q，將數(shù)據(jù)放在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)中，剩下的節(jié)點(diǎn)依次排列[6]?；贖TTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。邊坡服務(wù)器數(shù)量計(jì)算公式為：

（2）

式中：y為獨(dú)立樹(shù)樣本數(shù)值。子節(jié)點(diǎn)重復(fù)生成新的子節(jié)點(diǎn)，直至滿(mǎn)足終止條件。文中選取了一系列任務(wù)，對(duì)不同的序列進(jìn)行了交換，得到了一個(gè)新的定位。基于最佳配對(duì)策略，更新獨(dú)立樹(shù)解。設(shè)置樹(shù)的高度，得到坡服務(wù)器中獨(dú)立樹(shù)結(jié)構(gòu)數(shù)量。綜上，完成邊坡監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)部署。

1.2 人工黃土邊坡穩(wěn)定性分析

運(yùn)用GIS工具進(jìn)行邊坡空間分析，將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與邊坡數(shù)據(jù)疊加，構(gòu)建合適的彈性結(jié)構(gòu)模型。將測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

（3）

式中：δ1為最大主應(yīng)力；δ2為最小應(yīng)力；λ為內(nèi)粘力；o為摩擦角度。由于黃土邊坡在降雨條件下穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生一定變化，可能導(dǎo)致形成破裂面的位置改變，從而影響對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。因此，在施工過(guò)程中，結(jié)合對(duì)人工黃土邊坡穩(wěn)定性的研究，選擇合適的邊坡坡率。同時(shí)，考慮水位變化，在降雨過(guò)程中隨著降雨持續(xù)時(shí)間和滲入程度的變化，邊坡的穩(wěn)定性也會(huì)發(fā)生變化。因此，我們?cè)O(shè)定一定的邊界條件：左右為水平滑動(dòng)約束，上下為自由邊界。使用STM主機(jī)對(duì)不合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，以得到邊坡在自然狀態(tài)下的土層參數(shù)結(jié)果。為確保施工期間的安全，考慮到各種因素的影響，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)施工期進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。根據(jù)變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置原則，在邊坡上布置單點(diǎn)位移計(jì)。從自錨桿端頭位置開(kāi)始，依次間隔布置應(yīng)力計(jì)，每根錨桿上布置一定數(shù)量的鋼筋應(yīng)力計(jì)，并將測(cè)力計(jì)安裝在孔口墊板上。以此來(lái)完成監(jiān)測(cè)設(shè)備布置，以獲取更為準(zhǔn)確的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測(cè)邊坡數(shù)據(jù)

運(yùn)用傳感器進(jìn)行信息采集時(shí)，為提高監(jiān)測(cè)精度，需要覆蓋整個(gè)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)區(qū)域，并及時(shí)采集所有基準(zhǔn)點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)。首先設(shè)置N個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后將消息傳遞給簇頭，對(duì)簇頭進(jìn)行信息融合，最后將消息傳遞給網(wǎng)關(guān)。運(yùn)用加權(quán)算法搜索不同節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解，獲得最佳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[7]。故第r個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出方程為：

（4）

式中：α為加權(quán)估計(jì)值。根據(jù)上述內(nèi)容，設(shè)計(jì)輔助函數(shù)來(lái)計(jì)算加權(quán)估計(jì)值，并建立方程組計(jì)算最優(yōu)加權(quán)因子的估計(jì)誤差，從中得到最小值結(jié)果[8]。通過(guò)濾波方式，可以獲取最小值節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，其中節(jié)點(diǎn)值越小，權(quán)重越大。因此，在測(cè)量過(guò)程中使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠獲得更真實(shí)的數(shù)據(jù)。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)傳輸有效數(shù)據(jù)，并且設(shè)置監(jiān)測(cè)子網(wǎng)中的簇?cái)?shù)為b，利用關(guān)系矩陣法處理簇間數(shù)據(jù)。假設(shè)簇頭節(jié)點(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)為g，符合Gaus分布，對(duì)不同傳感器之間的置信距離進(jìn)行計(jì)算，以得到傳輸距離，其計(jì)算公式為：

（5）

式中：g為置信距離。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算各傳感器的可信距離。隨著數(shù)值的減小，各傳感器間距逐漸減小。為分析監(jiān)控的有效性，需要將可信度引入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成關(guān)聯(lián)矩陣，再將其轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)的量測(cè)閾值[9]。比較計(jì)算的傳輸距離與閾值的關(guān)系，在閾值范圍內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得傳感器在邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的信息結(jié)果并輸出[10]，以有效降低網(wǎng)絡(luò)能耗，使得信息融合，實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

使用高精度位移傳感器監(jiān)測(cè)邊坡位移。高靈敏應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)到拉力的變化后，將信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集箱，數(shù)據(jù)采集箱通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鹘K端。對(duì)于整個(gè)邊坡而言，內(nèi)部埋設(shè)錨索應(yīng)力等不同類(lèi)型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。選取合適的間距布置導(dǎo)線，在山體坡面上布置位移傳感器和應(yīng)力傳感器，將邊坡納入監(jiān)控區(qū)域。根據(jù)工程實(shí)際情況，確定位移計(jì)等設(shè)備的固定位置，鉆孔后使用膨脹螺栓固定，另一端則固定在鋼索導(dǎo)線上，記錄測(cè)力計(jì)的編號(hào)。同時(shí)，觀察信號(hào)電纜是否有破損。運(yùn)用GEO有限單元分析軟件對(duì)黃土邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。為提高監(jiān)測(cè)精度，需要運(yùn)用文中設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)模型對(duì)邊坡變形數(shù)據(jù)集進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)點(diǎn)示意圖如圖2所示。

實(shí)際邊坡變形量為1 150.32 mm，計(jì)算經(jīng)過(guò)文中監(jiān)測(cè)模型監(jiān)測(cè)的變形量與實(shí)際值的濾波殘差結(jié)果，預(yù)期目標(biāo)在0.5 mm范圍內(nèi)為較合理的精度。

2.2 結(jié)果與分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和施工情況，在邊坡東側(cè)布置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積位移形變量進(jìn)行觀測(cè)，得到具體形變量結(jié)果如圖3所示。

在不同時(shí)間內(nèi)，由圖中結(jié)果可以得到邊坡監(jiān)測(cè)的形變量數(shù)據(jù)。運(yùn)用文中監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行12期的邊坡變形量結(jié)果觀測(cè)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，得到的殘差值見(jiàn)表1所列。

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過(guò)12期觀測(cè)，邊坡變形量監(jiān)測(cè)與實(shí)際值之間的濾波殘差結(jié)果均在0～0.4 mm，符合預(yù)期設(shè)定的精度目標(biāo)，說(shuō)明運(yùn)用文中監(jiān)測(cè)方法能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)邊坡變形。監(jiān)測(cè)模型具有一定的可靠性，對(duì)邊坡的變形趨勢(shì)可以進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工黃土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用創(chuàng)新，利用多種傳感器對(duì)邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，24小時(shí)實(shí)時(shí)傳輸雨量、裂縫等施工現(xiàn)場(chǎng)具體數(shù)據(jù)，加快了施工總體進(jìn)度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡地質(zhì)災(zāi)害的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。但該設(shè)計(jì)還在成本結(jié)算、工期分配方面存在不足，在今后的研究中，將利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出有用的邊坡位移信息。通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，通過(guò)公路邊坡安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)出警示信息，減少邊坡失穩(wěn)事故造成的財(cái)力物力損失，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

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作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)?龍（1992—），男，陜西咸陽(yáng)人，本科，工程師，研究方向?yàn)閹r土工程。