聚焦新建岑溪-大新公路横县至南宁段（下文简称“南横高速”）永久边坡自动化监测项目

随着高速公路网络的不断扩展，高边坡的稳定性监测成为保障道路安全的关键。山区高速频发的边坡地质灾害严重危害公路建设及运营安全，给人民生命财产安全带来巨大威胁。

本案例聚焦新建岑溪-大新公路横县至南宁段（下文简称“南横高速”）永久边坡自动化监测项目，针对山区高速公路沿线边坡灾害识别难、感知难、预警难等问题，通过产-学-研-用协同创新的方式，突破了边坡灾害多源多维信息感知、协同监测与风险预警等关键技术，自主研发了高可靠高精度“空天地”一体化监测装备以及三维可视化大数据综合分析预警平台，形成了高速公路沿线边坡灾害数据获取、识别和预警成套技术体系。

南横高速公路是连接南宁市与钦州市的重要交通干线，全长111.673km，设计速度120km/h，采用双向八车道高速公路标准。广西沿海地质一般是海洋下降沉积而成，且陆地形成较晚，岩石平均风化程度较大，以泥岩最多，砂岩次之。受亚热带气候影响，当地具有降雨持续时间长，强度大等特点，高边坡的泥岩和顺层结构易在降雨环境下发生破坏，影响施工与运营安全。传统监测存在监测频率低、精细化程度弱、预警推送不及时等不足之处，因此，基于空天地一体化智能化监测技术搭建高速公路全周期运维预警系统平台成为目前解决此类复杂问题的必由之路。

图1  南横高速线位走向图

该项目在施工期间通过“空基”无人机高精度扫描、“天基”北斗GNSS、“地基”（雨量计、索力计、应力计、三维形变监测雷达、视频）实时监测高边坡防护加固工程交工后坡体变形规律、结构应力状态和环境因素变化，验证坡体位移、结构受力水平与设计参数变化，自动评估坡体与结构的稳定状态，检验工程效果。

在运营期间通过“天基+地基”模式掌握坡体变形活动状态及结构应力变化规律，对高边坡稳定状态发展趋势进行实时在线安全评估，并结合雷视融合异物侵限确保高速公路运营安全。通过两个阶段、三种技术的协同配合，本项目取得了以下技术创新成果：

（1）针对沿线边坡灾害分布广、隐蔽性强等特点，研发了一套适用于大航程、高植被覆盖的多载荷无人机平台，提出了倾斜摄影多源数据获取与处理技术，提升了沿线边坡复杂环境灾害信息的精细识别能力。针对边坡突发灾害精准感知、快速应急响应的重大需求，研发了高精度北斗接收机、三维形变监测雷达、雷视融合异物侵限报警设备等多源感知装备，研制了不受地形遮挡影响的抗损毁无线自组网系统，实现了复杂边坡灾害多源信息协同监测，具备公路突发边坡灾害精确预警及异物上道实时报警能力。

（2）针对多类复杂边坡灾害场景预警误报漏报高的难题，以建立滑坡的监测预警系统为目标，依据原有T-t模型的固定临滑判据，以西原模型为基础通过理论推导出蠕变型滑坡等速应变速率和临滑切线角的关系式，建立了通过滑坡均速阶段速率确定临滑切线角的动态评估方法，继而基于20个典型蠕变破坏与 23 个未破坏滑坡监测数据验证了该方法的可靠性，提出了边坡临滑预警预报方法和震后坡体损伤识别方法，构建了高位边坡崩塌、高填方边坡塌陷等多种突发边坡灾害预警预报模型。

（3）针对传统数据中心平台在公路边坡灾害多源监测技术融合、海量异构数据存储、数据挖掘与分析、应急抢险服务等方面存在的不足，研发了综合监测分析预警平台（内置20余种评估及预警算法模型），按分层思想设计了功能全面、扩展性强的公路边坡灾害监测云平台。采用虚拟化技术搭建云基础设施层，基于开源框架设计了多源异构监测数据分布式存储，利用中间件技术研发了数据标准接口、分布式数据库与业务应用集群服务，应用模块化思想开发了桌面终端与移动终端应用，实现了公路沿线边坡灾害多源异构数据融合、风险等级动态评估和预警预报信息实时发布。

为确保坡体整治后车辆运营安全，降低边坡崩塌对公路运营带来的安全隐患，项目采用“空-天-地”多传感协同的应急监测手段，开展高速公路边坡区域病害监测、坡面变形监测与异物上道监测工作。首先，采用三维倾斜摄影测量手段对全线高边坡区段进行航拍，以准确掌握高位隐蔽灾害点情况，指导后续传感设备布设。

然后，通过三维形变监测雷达对坡体整体变形情况进行扫描，确定潜在变形发展区域，进而结合三维地形及现场踏勘，有针对性地布设北斗GNSS监测站、应力计、索力计、雨量计等相关坡面变形监测设备；最后，在坡面和公路道面附近布设具有异物入侵探测功能的智能视频识别设备，用以对上道侵限实时报警，形成了全方位多层次的自动化监测系统对边坡健康状况进行24小时不间断自动化监测。

图2  系统架构图

（1）“空基”边坡高精度扫描

项目利用无人机倾斜摄影测量系统针对全线边坡进行高精度扫描，该平台主要由多旋翼无人机飞行平台系统、倾斜摄影系统、飞行导航与控制系统及后期处理系统组成，通过在同一飞行平台上搭载的影像拍摄设备，从 1 个垂直方向、4 个相互垂直的倾斜方向等 5 个不同的角度采集高速公路边坡的影像，同步获取拍摄点高度、经纬度坐标、镜头姿态、目标区纹理等数据，通过后期数据处理系统进行包括图像拼接、数据校正、纹理映射、信息提取与分析，获取该线路高边坡的整体三维信息并识别主要风险点。

图3  边坡高精度三维扫描

（2）“天基”边坡形变监测

项目研发了北斗多模多频高精度接收机，提出了低复杂度多频段分组选星方法，提高了在恶劣环境中的可用卫星数量，解决了恶劣环境下北斗监测精度差的难题，该技术主要利用北斗卫星系统的高精度定位技术，将北斗高精度接收机布设于边坡平台地表，用于监测坡体地表变形，并计算出坡体的横向（水平）位移。

图4  边坡形变监测

（2）“地基”边坡综合监测

基于地面设备的边坡综合监测主要包括应力应变、雷达、深孔位移、雨量、视频等多源数据采集模式，研发了便携式高精度三维形变监测雷达，提出了宽波束相位测距雷达自适应解缠校正算法，形变测量精度0.05mm，达到国际领先水平。同时研发了雷视融合异物侵限报警设备，采用多维融合感知和目标智能识别算法，将极限探测距离延长至75m，比市场同类产品提升了66%，识别准确率提升10%，实现低误报、零漏报探测。最后研发了抗损毁无线自组网系统以融合应力应变、深孔位移、雨量等数据，实现了多源数据的自适应采集与大数据存储。

图5  边坡综合监测

在《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》（DZT0221-2006）采用的临滑切线角计算方法的基础上，通过西原模型理论推导与大量滑坡实测数据统计分析，建立了蠕变型边（滑）坡等速变形速率与临滑破坏切线角的智能一体化耦合模型，提高了高速公路边坡临滑预报的准确性与可靠性，安全评估系统实时判别风险状态并同步向交通和公路运维部门发出预警预报信息，从而及时预防边坡灾害的发生，极大地保障行车安全。

图6  基于西原模型的典型蠕变型边（滑）坡智能一体化预警结果

同时采用先进的边坡灾害监测预警预报技术，建立数据中心，实时收集和分析监测数据，当系统采集的监测数据达到或者超过预警阈值时，系统自动向APP发送信息或向手机发送短信。接到预警信息后，技术人员立即查看各监测点的监测数据，判断是否发生误判或者需要现场巡查等，及时作出针对性处理措施，必要时向施工单位指定的联系人发布预警信息。

利用分布式系统监测架构，采用基于VMware平台的共享存储与实时迁移、资源动态分配、不间断监控与故障切换等技术搭建虚拟化基础设施集群平台，将服务器、网络、存储等硬件资源整合与动态调配，并且通过Sqoop工具实现了分布式MySQL数据库集群与HDFS文件系统、Hives数据仓库进行数据互通，利用Spark框架丰富的算法为数据融合、异常数据清洗、聚类分析、预警模型研究、数据可视化等业务提供服务。

最后利用云平台灵活的扩展能力将已建业务应用优化整合，新增功能定制化设计，实现了监测数据实时更新、三维模型与GIS信息深度融合、视频集中远程存取、智能图像识别服务、移动终端预警／报警消息主动推送等应用服务，提供风险高边坡全周期安全评估结果。

图7  公路高边坡空天地一体智能化监测平台

在广西南横高速公路高边坡的稳定性监测项目中，空天地一体化智能化监测预警系统的应用标志着传统基础设施管理向智能化、自动化的重大转变。本项目不仅提升了监测的精确度和响应速度，更是在确保高速公路安全运营方面迈出了坚实的步伐。

通过集成先进的监测设备和智能评估算法，该系统能够实时分析高边坡的稳定性，预测潜在的边坡灾害，从而在风险发生前及时发出预警。这种前瞻性的安全保障措施，不仅极大地减少了因边坡灾害导致的经济损失和交通中断，更重要的是，它保障了人民生命财产的安全。

项目的实施成果凸显了空天地一体化技术在提升基础设施管理效率和安全性方面的巨大潜力。它不仅为广西南横高速公路的稳定运营提供了强有力的技术支持，也为国内外类似工程项目提供了可借鉴的成功案例。随着空天地一体化技术的不断进步和应用领域的拓展，智能化监测预警系统将成为未来基础设施管养的标配，为构建更加安全、高效、智能的交通网络奠定坚实基础。

作者简介：刘勇（高工）中铁二院工程集团有限责任公司