01 政策及產(chǎn)業(yè)環(huán)境情況

       隨著高速公路網(wǎng)絡(luò)的不斷拓展和交通流量的持續(xù)增加，高邊坡的養(yǎng)護與監(jiān)測工作得到了各級政府及交通主管部門的高度重視。

       2021年3月11日，十三屆全國人大四次會議表決通過了《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，綱要中指出“強化數(shù)字技術(shù)在公共衛(wèi)生、自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、社會安全等突發(fā)公共事件應(yīng)對中的運用，全面提升預(yù)警和應(yīng)急處置能力”，“建立公共安全隱患排查和安全預(yù)防控制體系”，“開展災(zāi)害事故風(fēng)險隱患排查治理，實施公共基礎(chǔ)設(shè)施安全加固和自然災(zāi)害防治能力提升工程，提升洪澇干旱、森林草原火災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害、氣象災(zāi)害、地震等自然災(zāi)害防御工程標準。”

       2019年9月19日，中共中央和國務(wù)院印發(fā)《交通強國建設(shè)綱要》，明確了“持續(xù)加大基礎(chǔ)設(shè)施安全防護投入，提升關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全防護能力。”和“完善支撐保障體系，加強安全設(shè)施建設(shè)。建立自然災(zāi)害交通防治體系，提高交通防災(zāi)抗災(zāi)能力。”并指出了要完善科技創(chuàng)新機制，提出要“建立以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研用深度融合的技術(shù)創(chuàng)新機制，鼓勵交通行業(yè)各類創(chuàng)新主體建立創(chuàng)新聯(lián)盟，建立關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)機制。”

       2022年03月25日，交通運輸部、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合制定了《交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（2021—2035年）》，綱要中指出“開展韌性交通系統(tǒng)理論與技術(shù)研究，掌握交通基礎(chǔ)設(shè)施韌性評估與風(fēng)險防控基礎(chǔ)理論方法，突破交通基礎(chǔ)設(shè)施韌性提升”，“開展跨江越海通道、西部陸海新通道、運河連通工程等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)研究，突破長大穿山隧道、超大跨徑橋梁、懸浮隧道等關(guān)鍵技術(shù)，提升復(fù)雜地質(zhì)、水文、氣候等自然環(huán)境條件下交通基礎(chǔ)設(shè)施可靠性設(shè)計和智能建造技術(shù)水平。”

       綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)在是穩(wěn)就業(yè)、穩(wěn)投資、穩(wěn)增長的重要抓手，將來也是廣西全面高質(zhì)量發(fā)展的重要基礎(chǔ)。廣西壯族自治區(qū)交通運輸廳《廣西綜合交通運輸發(fā)展“十四五”規(guī)劃》及《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2018—2030年）》文件要求，“十四五”期間全區(qū)高速公路總里程將突破1.2萬公里，到2030年，高速公路將達到1.5萬公里，100%普通國道達到二級及以上等級，80%普通國省道將達到二級及以上等級，100%普通省道達到三級及以上等級，公路總里程將達到14萬公里。

       隨著公路交通事業(yè)跨越式發(fā)展，全區(qū)公路的總體建設(shè)規(guī)模逐年擴大，并呈逐年增加趨勢，全區(qū)在役及在建公路規(guī)模都將在未來幾年內(nèi)大幅增加。其中，大部分新建公路，尤其是高速公路均位于桂西、桂北等與其他省份交界處，或位于尚未通高速公路的區(qū)域，這些區(qū)域山巒疊嶂，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，公路工程建設(shè)難度將大幅提升。但另一方面，中國公路工程建設(shè)和運營管養(yǎng)技術(shù)水平并未出現(xiàn)跨越式的發(fā)展，傳統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀難以全面支撐復(fù)雜地形、地質(zhì)條件公路工程建設(shè)和運營管養(yǎng)的安全、經(jīng)濟和工期要求，這將導(dǎo)致工程本質(zhì)安全水平不高。

       2021年11月11日，廣西壯族自治區(qū)人民政府發(fā)布《廣西科技創(chuàng)新“十四五”規(guī)劃》，規(guī)劃中指出“推進交通基礎(chǔ)設(shè)施建管養(yǎng)技術(shù)、交通綠色循環(huán)發(fā)展技術(shù)、交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)等研發(fā)與應(yīng)用，在生態(tài)環(huán)保筑路材料、綜合交通運輸治理等領(lǐng)域?qū)嵤┮慌萍际痉俄椖俊薄?021年11月12日，廣西壯族自治區(qū)人民政府發(fā)布《廣西綜合交通運輸發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，提出“提升交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，提高應(yīng)對自然災(zāi)害和突發(fā)事件保障能力。”，“加大科技創(chuàng)新轉(zhuǎn)化力度，加強交通運輸先進裝備、設(shè)備研發(fā)。推廣自動駕駛、智能航運、無人機、建筑信息模型       （BIM）等新技術(shù)在交通運輸行業(yè)的研究與應(yīng)用，實施一批科技示范工程。在重點橋梁、隧道、樞紐等工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)測和安全預(yù)警”。

       國家及地方政府、相關(guān)部門通過制定一系列政策文件，規(guī)范了高邊坡養(yǎng)護監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警的工作流程和標準，有效推動了監(jiān)測預(yù)警體系的建立與完善，也給相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支撐。

       02 存在的問題與挑戰(zhàn)

       當前，公路建設(shè)面臨的形式是，一方面在役及在建公路規(guī)模都將在未來幾年內(nèi)大幅增加，而且建設(shè)難度越來越大，另一方面，公路工程建設(shè)和運營管養(yǎng)技術(shù)水平并未出現(xiàn)跨越式的發(fā)展。這導(dǎo)致公路工程本質(zhì)安全水平不高，建設(shè)和運營管養(yǎng)風(fēng)險較大。如何有效提高公路工程建設(shè)和運營管養(yǎng)技術(shù)水平，是行業(yè)目前面臨的重大技術(shù)難題。

       在邊坡、橋梁邊坡、隧道邊仰坡領(lǐng)域，由于廣西地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境脆弱，受中、南亞熱帶季風(fēng)氣候影響，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，據(jù)2018年地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價結(jié)果，廣西陸地面積96.65%均屬地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，其中地質(zhì)災(zāi)害高、中易發(fā)區(qū)達42.3%。加之通常重大地質(zhì)災(zāi)害隱患多具有隱蔽性、突發(fā)性、不確定性等復(fù)雜特點，在這些區(qū)域的公路建設(shè)和運營管養(yǎng)安全風(fēng)險很高，主動防范和監(jiān)測預(yù)警的難度很大。

       傳統(tǒng)的土災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警主要通過人員定期進行現(xiàn)場調(diào)查，高風(fēng)險點采用GPS、水準儀、全站儀、近景攝影測量和位移計等人工監(jiān)測手段，不僅工作強度大，而且僅靠肉眼識別早期地質(zhì)災(zāi)害難度較大、工作效率很低，一些滑坡、泥石流等災(zāi)害產(chǎn)出地地質(zhì)環(huán)境惡劣甚至人工難以到達。另外，監(jiān)測數(shù)據(jù)處理計算工作量較大，不易快速得出結(jié)果實現(xiàn)及時預(yù)警，也無法獲得監(jiān)測區(qū)域連續(xù)的地表形變信息，所得結(jié)果偏離散性，空間分辨率低，難以達到預(yù)警效果，不能形成體系。

       高邊坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究旨在通過在路基邊坡、橋梁邊坡、隧道邊仰坡實施全面空、天、地、深綜合的監(jiān)測，在隧道施工中實施地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測，在生態(tài)敏感路段實施危化品車輛、污水和污染物監(jiān)測，建立公路工程陸域全生命期地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測體系，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害的全面管控及應(yīng)急處治，保障公路工程建設(shè)及運營管養(yǎng)的安全，提高公路工程建設(shè)質(zhì)量和運營管養(yǎng)水平，助推公路建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展，切實保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。

       03 應(yīng)用情況

       團隊通過產(chǎn)研結(jié)合，大力開展監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及先進裝備的研發(fā)，建立了公路邊坡自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，開發(fā)了“基于三維GIS的多源數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警平臺”以及公路領(lǐng)域常用的智能監(jiān)測預(yù)警設(shè)備，取得了良好的效果，在廣西地區(qū)內(nèi)以及交通行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。大力推廣實時監(jiān)測預(yù)警、施工期運營期長期監(jiān)測的永臨結(jié)合的監(jiān)測理念，在多條高速上推廣了高風(fēng)險路基的自動化監(jiān)測，采用了北斗位移、深部位移、視頻監(jiān)控、降雨量、地下水位等多種自動化監(jiān)測方法，使用智能管理平臺自動進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理與預(yù)警，實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害防治的自動化與智能化。

圖1  監(jiān)測預(yù)警平臺

圖2  航測設(shè)備 

圖3  高清監(jiān)測攝像頭

       當前，已實施自動化監(jiān)測項目 50余項，包含：蒙象路白石古滑坡、吳圩至隆安高速公路、樂業(yè)至百色高速公路、都安至巴馬高速公路、柳州經(jīng)合山至南寧高速公路、田林至西林高速公路、天峨龍灘特大橋、平陸運河、南寧軌道交通等重大工程項目。

       項目組開展了大量公路邊坡監(jiān)測與災(zāi)害防治工作，使用的監(jiān)測技術(shù)及裝置有：固定式測斜儀、北斗系統(tǒng)監(jiān)測、裂縫計、靜力水準儀、錨索計、錨桿計、混凝土應(yīng)變計、雨量計、地下水位計、視頻監(jiān)控等。

       公路邊坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)的實施保障了工程建設(shè)安全，廣西葛洲壩田西高速公路有限公司對央達隧道邊坡和田西高速公路K178+580-K178+780段右側(cè)深挖路塹邊坡，K130+740-K130+950段左側(cè)深挖路邊坡，K71+845-K72+245段右側(cè)深挖路塹邊坡三個典型邊坡，采用本項目成果中的自動化安全監(jiān)控管理平臺進行施工期安全監(jiān)控，形成了完整的深部位移、裂縫計監(jiān)測、地表位移、雨量、水位、應(yīng)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)。應(yīng)用單位認為：該項目成果的應(yīng)用為災(zāi)害處治方案的提出及精準實施提供了重要依據(jù)，保證了施工安全，避免了因持續(xù)變化導(dǎo)致失穩(wěn)，造成生命財產(chǎn)損失。 

圖4  微動監(jiān)測在都巴高速公路的應(yīng)用 

圖5  微變雷達云圖

       通過這些工程監(jiān)測項目，項目組積累了大量的巖土工程災(zāi)害監(jiān)測與防治經(jīng)驗。已完成及正在開展的落地應(yīng)用工作，為相關(guān)科研平臺的建設(shè)、人才培養(yǎng)、科技成果的良性轉(zhuǎn)化、優(yōu)秀團隊的建設(shè)提供了重要支撐。同時，項目組圍繞科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化事宜開展相關(guān)工作，通過向社會提供技術(shù)服務(wù)來實現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化，截止目前共提供技術(shù)服務(wù) 32 項，受益單位達 50 余個，受益群體人數(shù)達到 200 萬人，實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化效益合計約13000萬元。

       04 技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展趨勢

       本項目的技術(shù)成果具有監(jiān)測設(shè)備集成化、智能化與自動化水平高，數(shù)據(jù)可集中管理和高效處理，專家系統(tǒng)與人工智能的融合等優(yōu)勢，契合廣西地區(qū)的應(yīng)用需求，同時依托廣西交通設(shè)計集團有限公司在廣西區(qū)深厚的技術(shù)沉淀和積累，以及產(chǎn)品服務(wù)的優(yōu)勢，必將在廣西公路邊坡災(zāi)害識-警-控成套技術(shù)和裝備市場競爭中占據(jù)主要地位。項目組建立的公路多源立體邊坡災(zāi)害觀測體系達到國際先進水平；基于物聯(lián)網(wǎng)的地災(zāi)實時智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及裝備達到國內(nèi)領(lǐng)先水平；基于地災(zāi)性能實時狀態(tài)智能識別的災(zāi)害防治技術(shù)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

       項目組提出的技術(shù)所具有的創(chuàng)新點如下：

     （1）搭建大范圍、高效、低成本的地災(zāi)隱患識別普查體系。利用 SAR 數(shù)據(jù)監(jiān)測范圍廣，監(jiān)測效率高，不受天氣影響等優(yōu)點，以多時相 InSAR 測量結(jié)果作為基礎(chǔ)，速地對監(jiān)測區(qū)域進行大范圍地質(zhì)災(zāi)害隱患點普查，圈定地質(zhì)災(zāi)害隱患點的范圍，克服傳統(tǒng)手段工作效率低，監(jiān)測范圍有限的缺點；

     （2）針對廣西地區(qū)地形起伏多變，氣候變化大的特點，采用最新的 GACOS 系統(tǒng)對流層延遲產(chǎn)品對干涉對進行有效的改正，提高多時相InSAR 產(chǎn)品精度；

     （3）基于 InSAR 技術(shù)的建立地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測體系和易發(fā)性風(fēng)險快速評估體系研究；

     （4）基于數(shù)值模擬、大型試驗、監(jiān)測數(shù)據(jù)的公路邊坡災(zāi)害防治技術(shù)和實施手段；

     （5）建立的多源數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警平臺，具有如下明顯優(yōu)勢：高頻率數(shù)據(jù)實時采集，實時感知邊坡變化；現(xiàn)場傳感器根據(jù)指令自動采集數(shù)據(jù)，采集頻率可達到幾分鐘一次；數(shù)據(jù)采集進入平臺后，基于自主研發(fā)的預(yù)警模型對平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)代入預(yù)警模型進行分析，自動將結(jié)果通過手機APP、短信、電話等方式發(fā)送至指定人員，保障了公路邊坡施工與運營的安全；軟件平臺可從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成圖、出報表全過程自動化，有效提高了技術(shù)員的工作效率。

       根據(jù)目前查閱文獻及了解資料情況來看，目前地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測手段較為單一，鮮有將空-天-地多種方法相結(jié)合進行深度融合使用的研究。其次，多源遙感數(shù)據(jù)解譯成果與地質(zhì)災(zāi)害機理缺乏系統(tǒng)總結(jié)分析，公路建設(shè)亟需地面調(diào)查與遙感技術(shù)融合建立新型的快速評價體系。災(zāi)害體外部的形變和形態(tài)特征都暗示著災(zāi)害的地質(zhì)演變過程及階段，目前缺乏遙感數(shù)據(jù)信息綜合應(yīng)用，尤其是與災(zāi)害機理融合分析與快速評價體系的建立。同時，相關(guān)技術(shù)開展公路沿線地質(zhì)災(zāi)害一體化空間觀測、監(jiān)測、管理和防治等工作，目前應(yīng)用案例還相對較少，還未完全形成完整的技術(shù)體系，尤其如何綜合應(yīng)用三維空間數(shù)據(jù)開展總體穩(wěn)定性、風(fēng)險評估還需深入研究。

       為了更好解決復(fù)雜山區(qū)公路邊坡災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與防治的難題，亟需要結(jié)合光學(xué)遙感、InSAR技術(shù)、航空攝影測量、機載LiDAR技術(shù)和地面調(diào)查手段，搭建空天地一體化巖土災(zāi)害識別、監(jiān)測、管理與防治技術(shù)全套技術(shù)流程，這不僅是公路建設(shè)發(fā)展的實際需求，也是國家基礎(chǔ)建設(shè)信息化進程發(fā)展需要，更是新技術(shù)融合創(chuàng)新的重要突破。

       在未來，項目組擬針對以下幾個方面開展技術(shù)研究和攻關(guān)：

     （1）構(gòu)建天空地一體化的公路多源立體巖土災(zāi)害觀測體系

       基于星載平臺的合成孔徑雷達InSAR技術(shù)結(jié)合光學(xué)遙感技術(shù)，采用機器學(xué)習(xí)方法，建立地質(zhì)災(zāi)害自動識別體系，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害普查；基于機載平臺三維激光雷達技術(shù)結(jié)合傾斜攝影技術(shù)，研發(fā)坡度陡峭、植被茂密復(fù)雜地形點云數(shù)據(jù)濾波算法技術(shù)、地質(zhì)災(zāi)害識別技術(shù)，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害詳查；建立專業(yè)的巡查表格，對現(xiàn)場情況進行巡查，將現(xiàn)場地質(zhì)情況與普查、詳查數(shù)據(jù)進行深入分析，驗證與補充普查與詳查結(jié)果，優(yōu)化普查與詳查算法。利用空天地一體化技術(shù)，建立多源立體觀測體系，進行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險識別與劃分。

圖6  巖土災(zāi)害識-警-控立體觀測體系

     （2）研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的地災(zāi)實時智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及裝備

       基于三維GIS的多源數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警平臺開發(fā)和升級，集成多源數(shù)據(jù)與高精度預(yù)警算法；基于MEMS的深部位移測斜陣列開發(fā)；北斗-MEMS緊耦合定位設(shè)備與解算算法的開發(fā)和應(yīng)用。

     （3）研發(fā)基于地災(zāi)性能實時狀態(tài)智能識別的災(zāi)害防治技術(shù)

       選取沿線典型地質(zhì)災(zāi)害巖土體試樣，開展三軸試驗，提出地質(zhì)災(zāi)害巖土體變形失穩(wěn)的理論判別準則；開展地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性離心模型試驗，得到地質(zhì)災(zāi)害失穩(wěn)破壞區(qū)域觸發(fā)、演化全過程，揭示地質(zhì)災(zāi)害破壞機理；結(jié)合數(shù)值模擬、物理實驗與監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地質(zhì)災(zāi)害支檔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使得災(zāi)害治理更經(jīng)濟安全、綠色環(huán)保。

     （4）基于平臺應(yīng)用創(chuàng)新巖土災(zāi)害防治裝備和技術(shù)

       綜合利用地表及地下深層點位變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效識別地質(zhì)災(zāi)害失穩(wěn)破壞模式，提出不同滑坡階段地質(zhì)災(zāi)害的處治方案，提高地質(zhì)災(zāi)害對復(fù)雜工況變化的應(yīng)對能力。針對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可能超過災(zāi)害預(yù)警值的軟巖地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)加固防護，對已超過災(zāi)害預(yù)警值的地質(zhì)災(zāi)害進行應(yīng)急搶險治理。前期采用性價比高的錨筋樁、鋼管樁或鋼輕軌等小型快速搶險方法治理，后期結(jié)合數(shù)智化壓力型囊式錨桿技術(shù)和施工設(shè)備、裝配式框架梁錨桿（索）技術(shù)、錨桿擋墻、抗滑樁等進行處治，形成預(yù)防為主、防治結(jié)合、緊急搶險、綜合治理的思路。對地質(zhì)災(zāi)害支檔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控所得錨桿、抗滑樁等支擋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形數(shù)據(jù)，開展數(shù)值模擬分析，進行不同工況下的支擋結(jié)構(gòu)類型、尺寸、配筋等優(yōu)化設(shè)計，使得地質(zhì)災(zāi)害治理更經(jīng)濟安全、綠色環(huán)保。

       05 總結(jié)及展望

       公路邊坡災(zāi)害的識別、監(jiān)測、預(yù)警和控制技術(shù)與裝備的研發(fā)與應(yīng)用，是當前公共安全和防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的重要研究方向，也是項目組所在公司的重要業(yè)務(wù)版塊，經(jīng)過近10年科技研發(fā)、技術(shù)積累、團隊和平臺建設(shè)，目前已具備產(chǎn)業(yè)化條件，產(chǎn)業(yè)化進展顯著，不僅在技術(shù)研發(fā)和裝備制造上取得了突破，而且在實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化推廣方面也取得了積極成效。通過政府的支持和科研機構(gòu)、高校以及企業(yè)的共同努力，這些技術(shù)正在逐步轉(zhuǎn)化為實際的防災(zāi)減災(zāi)能力，為社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全提供了有力保障。

       本項技術(shù)成果對提升廣西地質(zhì)災(zāi)害及環(huán)境、工程建設(shè)、隧道建設(shè)安全及管控水平具有重要意義。項目成果可廣泛應(yīng)用于廣西公路、市政、水運工程施工和運營管養(yǎng)，助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型及應(yīng)用，滿足公路施工安全防控、質(zhì)量管理與安全環(huán)保的迫切需要，促進西部陸海新通道高水平建設(shè)，推動向海經(jīng)濟大力發(fā)展，帶動上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；同時項目成果可以從“更快更嚴”的高速場景向“較慢”的普通公路及城市道路場景演進推廣，在北部灣城市群、交通樞紐的重要節(jié)點中應(yīng)用等；隨著“一帶一路”、陸海新通道的建設(shè)以及我單位東盟業(yè)務(wù)的發(fā)展，可打造面向東盟國家的產(chǎn)業(yè)輸出。

*本文來源于《2024中國高速公路智能監(jiān)測預(yù)警產(chǎn)品技術(shù)與案例》