01 政策及产业环境情况
随着高速公路网络的不断拓展和交通流量的持续增加，高边坡的养护与监测工作得到了各级政府及交通主管部门的高度重视。
2021年3月11日，十三届全国人大四次会议表决通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，纲要中指出“强化数字技术在公共卫生、自然灾害、事故灾难、社会安全等突发公共事件应对中的运用，全面提升预警和应急处置能力”，“建立公共安全隐患排查和安全预防控制体系”，“开展灾害事故风险隐患排查治理，实施公共基础设施安全加固和自然灾害防治能力提升工程，提升洪涝干旱、森林草原火灾、地质灾害、气象灾害、地震等自然灾害防御工程标准。”
2019年9月19日，中共中央和国务院印发《交通强国建设纲要》，明确了“持续加大基础设施安全防护投入，提升关键基础设施安全防护能力。”和“完善支撑保障体系，加强安全设施建设。建立自然灾害交通防治体系，提高交通防灾抗灾能力。”并指出了要完善科技创新机制，提出要“建立以企业为主体、产学研用深度融合的技术创新机制，鼓励交通行业各类创新主体建立创新联盟，建立关键核心技术攻关机制。”
2022年03月25日，交通运输部、科学技术部联合制定了《交通领域科技创新中长期发展规划纲要（2021—2035年）》，纲要中指出“开展韧性交通系统理论与技术研究，掌握交通基础设施韧性评估与风险防控基础理论方法，突破交通基础设施韧性提升”，“开展跨江越海通道、西部陆海新通道、运河连通工程等重大基础设施建设技术研究，突破长大穿山隧道、超大跨径桥梁、悬浮隧道等关键技术，提升复杂地质、水文、气候等自然环境条件下交通基础设施可靠性设计和智能建造技术水平。”
综合交通基础设施建设现在是稳就业、稳投资、稳增长的重要抓手，将来也是广西全面高质量发展的重要基础。广西壮族自治区交通运输厅《广西综合交通运输发展“十四五”规划》及《广西高速公路网规划（2018—2030年）》文件要求，“十四五”期间全区高速公路总里程将突破1.2万公里，到2030年，高速公路将达到1.5万公里，100%普通国道达到二级及以上等级，80%普通国省道将达到二级及以上等级，100%普通省道达到三级及以上等级，公路总里程将达到14万公里。
随着公路交通事业跨越式发展，全区公路的总体建设规模逐年扩大，并呈逐年增加趋势，全区在役及在建公路规模都将在未来几年内大幅增加。其中，大部分新建公路，尤其是高速公路均位于桂西、桂北等与其他省份交界处，或位于尚未通高速公路的区域，这些区域山峦叠嶂，地形地质条件复杂，生态环境脆弱，公路工程建设难度将大幅提升。但另一方面，中国公路工程建设和运营管养技术水平并未出现跨越式的发展，传统技术现状难以全面支撑复杂地形、地质条件公路工程建设和运营管养的安全、经济和工期要求，这将导致工程本质安全水平不高。
2021年11月11日，广西壮族自治区人民政府发布《广西科技创新“十四五”规划》，规划中指出“推进交通基础设施建管养技术、交通绿色循环发展技术、交通安全与应急保障技术等研发与应用，在生态环保筑路材料、综合交通运输治理等领域实施一批科技示范项目”。2021年11月12日，广西壮族自治区人民政府发布《广西综合交通运输发展“十四五”规划》，提出“提升交通基础设施网络的安全性和可靠性，提高应对自然灾害和突发事件保障能力。”，“加大科技创新转化力度，加强交通运输先进装备、设备研发。推广自动驾驶、智能航运、无人机、建筑信息模型（BIM）等新技术在交通运输行业的研究与应用，实施一批科技示范工程。在重点桥梁、隧道、枢纽等工程领域实现远程监测和安全预警”。
国家及地方政府、相关部门通过制定一系列政策文件，规范了高边坡养护监测和灾害预警的工作流程和标准，有效推动了监测预警体系的建立与完善，也给相关技术的发展提供了有力的支撑。
02 存在的问题与挑战
当前，公路建设面临的形式是，一方面在役及在建公路规模都将在未来几年内大幅增加，而且建设难度越来越大，另一方面，公路工程建设和运营管养技术水平并未出现跨越式的发展。这导致公路工程本质安全水平不高，建设和运营管养风险较大。如何有效提高公路工程建设和运营管养技术水平，是行业目前面临的重大技术难题。
在边坡、桥梁边坡、隧道边仰坡领域，由于广西地区地质结构复杂、环境脆弱，受中、南亚热带季风气候影响，滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频发，据2018年地质灾害调查评价结果，广西陆地面积96.65%均属地质灾害易发区，其中地质灾害高、中易发区达42.3%。加之通常重大地质灾害隐患多具有隐蔽性、突发性、不确定性等复杂特点，在这些区域的公路建设和运营管养安全风险很高，主动防范和监测预警的难度很大。
传统的土灾害智能监测预警主要通过人员定期进行现场调查，高风险点采用GPS、水准仪、全站仪、近景摄影测量和位移计等人工监测手段，不仅工作强度大，而且仅靠肉眼识别早期地质灾害难度较大、工作效率很低，一些滑坡、泥石流等灾害产出地地质环境恶劣甚至人工难以到达。另外，监测数据处理计算工作量较大，不易快速得出结果实现及时预警，也无法获得监测区域连续的地表形变信息，所得结果偏离散性，空间分辨率低，难以达到预警效果，不能形成体系。
高边坡监测预警技术的研究旨在通过在路基边坡、桥梁边坡、隧道边仰坡实施全面空、天、地、深综合的监测，在隧道施工中实施地质灾害动态监测，在生态敏感路段实施危化品车辆、污水和污染物监测，建立公路工程陆域全生命期地质环境灾害监测体系，在此基础上实现地质环境灾害的全面管控及应急处治，保障公路工程建设及运营管养的安全，提高公路工程建设质量和运营管养水平，助推公路建设高质量发展，切实保障人民群众生命财产安全。
03 应用情况
团队通过产研结合，大力开展监测预警系统及先进装备的研发，建立了公路边坡自动化监测预警系统，开发了“基于三维GIS的多源数据监测预警平台”以及公路领域常用的智能监测预警设备，取得了良好的效果，在广西地区内以及交通行业内处于领先水平。大力推广实时监测预警、施工期运营期长期监测的永临结合的监测理念，在多条高速上推广了高风险路基的自动化监测，采用了北斗位移、深部位移、视频监控、降雨量、地下水位等多种自动化监测方法，使用智能管理平台自动进行监测数据的采集、处理与预警，实现了地质灾害防治的自动化与智能化。
图1 监测预警平台
图2 航测设备
图3 高清监测摄像头
当前，已实施自动化监测项目 50余项，包含：蒙象路白石古滑坡、吴圩至隆安高速公路、乐业至百色高速公路、都安至巴马高速公路、柳州经合山至南宁高速公路、田林至西林高速公路、天峨龙滩特大桥、平陆运河、南宁轨道交通等重大工程项目。
项目组开展了大量公路边坡监测与灾害防治工作，使用的监测技术及装置有：固定式测斜仪、北斗系统监测、裂缝计、静力水准仪、锚索计、锚杆计、混凝土应变计、雨量计、地下水位计、视频监控等。
公路边坡灾害监测预警关键技术的实施保障了工程建设安全，广西葛洲坝田西高速公路有限公司对央达隧道边坡和田西高速公路K178+580-K178+780段右侧深挖路堑边坡，K130+740-K130+950段左侧深挖路边坡，K71+845-K72+245段右侧深挖路堑边坡三个典型边坡，采用本项目成果中的自动化安全监控管理平台进行施工期安全监控，形成了完整的深部位移、裂缝计监测、地表位移、雨量、水位、应力等监测数据。应用单位认为：该项目成果的应用为灾害处治方案的提出及精准实施提供了重要依据，保证了施工安全，避免了因持续变化导致失稳，造成生命财产损失。
图4 微动监测在都巴高速公路的应用
图5 微变雷达云图
通过这些工程监测项目，项目组积累了大量的岩土工程灾害监测与防治经验。已完成及正在开展的落地应用工作，为相关科研平台的建设、人才培养、科技成果的良性转化、优秀团队的建设提供了重要支撑。同时，项目组围绕科技成果转化及产业化事宜开展相关工作，通过向社会提供技术服务来实现科技成果转化及产业化，截止目前共提供技术服务 32 项，受益单位达 50 余个，受益群体人数达到 200 万人，实现成果转化效益合计约13000万元。
04 技术创新及发展趋势
本项目的技术成果具有监测设备集成化、智能化与自动化水平高，数据可集中管理和高效处理，专家系统与人工智能的融合等优势，契合广西地区的应用需求，同时依托广西交通设计集团有限公司在广西区深厚的技术沉淀和积累，以及产品服务的优势，必将在广西公路边坡灾害识-警-控成套技术和装备市场竞争中占据主要地位。项目组建立的公路多源立体边坡灾害观测体系达到国际先进水平；基于物联网的地灾实时智能监测预警系统及装备达到国内领先水平；基于地灾性能实时状态智能识别的灾害防治技术达到国内领先水平。
项目组提出的技术所具有的创新点如下：
（1）搭建大范围、高效、低成本的地灾隐患识别普查体系。利用 SAR 数据监测范围广，监测效率高，不受天气影响等优点，以多时相 InSAR 测量结果作为基础，速地对监测区域进行大范围地质灾害隐患点普查，圈定地质灾害隐患点的范围，克服传统手段工作效率低，监测范围有限的缺点；
（2）针对广西地区地形起伏多变，气候变化大的特点，采用最新的 GACOS 系统对流层延迟产品对干涉对进行有效的改正，提高多时相InSAR 产品精度；
（3）基于 InSAR 技术的建立地质灾害自动化监测体系和易发性风险快速评估体系研究；
（4）基于数值模拟、大型试验、监测数据的公路边坡灾害防治技术和实施手段；
（5）建立的多源数据监测预警平台，具有如下明显优势：高频率数据实时采集，实时感知边坡变化；现场传感器根据指令自动采集数据，采集频率可达到几分钟一次；数据采集进入平台后，基于自主研发的预警模型对平台对监测数据代入预警模型进行分析，自动将结果通过手机APP、短信、电话等方式发送至指定人员，保障了公路边坡施工与运营的安全；软件平台可从数据采集、数据处理、成图、出报表全过程自动化，有效提高了技术员的工作效率。
根据目前查阅文献及了解资料情况来看，目前地质灾害调查、监测手段较为单一，鲜有将空-天-地多种方法相结合进行深度融合使用的研究。其次，多源遥感数据解译成果与地质灾害机理缺乏系统总结分析，公路建设亟需地面调查与遥感技术融合建立新型的快速评价体系。灾害体外部的形变和形态特征都暗示着灾害的地质演变过程及阶段，目前缺乏遥感数据信息综合应用，尤其是与灾害机理融合分析与快速评价体系的建立。同时，相关技术开展公路沿线地质灾害一体化空间观测、监测、管理和防治等工作，目前应用案例还相对较少，还未完全形成完整的技术体系，尤其如何综合应用三维空间数据开展总体稳定性、风险评估还需深入研究。
为了更好解决复杂山区公路边坡灾害高风险区重大地质灾害监测与防治的难题，亟需要结合光学遥感、InSAR技术、航空摄影测量、机载LiDAR技术和地面调查手段，搭建空天地一体化岩土灾害识别、监测、管理与防治技术全套技术流程，这不仅是公路建设发展的实际需求，也是国家基础建设信息化进程发展需要，更是新技术融合创新的重要突破。
在未来，项目组拟针对以下几个方面开展技术研究和攻关：
（1）构建天空地一体化的公路多源立体岩土灾害观测体系
基于星载平台的合成孔径雷达InSAR技术结合光学遥感技术，采用机器学习方法，建立地质灾害自动识别体系，实现地质灾害普查；基于机载平台三维激光雷达技术结合倾斜摄影技术，研发坡度陡峭、植被茂密复杂地形点云数据滤波算法技术、地质灾害识别技术，实现地质灾害详查；建立专业的巡查表格，对现场情况进行巡查，将现场地质情况与普查、详查数据进行深入分析，验证与补充普查与详查结果，优化普查与详查算法。利用空天地一体化技术，建立多源立体观测体系，进行地质灾害风险识别与划分。
图6 岩土灾害识-警-控立体观测体系
（2）研发基于物联网的地灾实时智能监测预警系统及装备
基于三维GIS的多源数据监测预警平台开发和升级，集成多源数据与高精度预警算法；基于MEMS的深部位移测斜阵列开发；北斗-MEMS紧耦合定位设备与解算算法的开发和应用。
（3）研发基于地灾性能实时状态智能识别的灾害防治技术
选取沿线典型地质灾害岩土体试样，开展三轴试验，提出地质灾害岩土体变形失稳的理论判别准则；开展地质灾害稳定性离心模型试验，得到地质灾害失稳破坏区域触发、演化全过程，揭示地质灾害破坏机理；结合数值模拟、物理实验与监测数据，对地质灾害支档结构进行优化设计，使得灾害治理更经济安全、绿色环保。
（4）基于平台应用创新岩土灾害防治装备和技术
综合利用地表及地下深层点位变形监测数据，有效识别地质灾害失稳破坏模式，提出不同滑坡阶段地质灾害的处治方案，提高地质灾害对复杂工况变化的应对能力。针对变形监测数据可能超过灾害预警值的软岩地质灾害进行预加固防护，对已超过灾害预警值的地质灾害进行应急抢险治理。前期采用性价比高的锚筋桩、钢管桩或钢轻轨等小型快速抢险方法治理，后期结合数智化压力型囊式锚杆技术和施工设备、装配式框架梁锚杆（索）技术、锚杆挡墙、抗滑桩等进行处治，形成预防为主、防治结合、紧急抢险、综合治理的思路。对地质灾害支档结构进行优化设计，结合现场监控所得锚杆、抗滑桩等支挡结构的应力变形数据，开展数值模拟分析，进行不同工况下的支挡结构类型、尺寸、配筋等优化设计，使得地质灾害治理更经济安全、绿色环保。
05 总结及展望
公路边坡灾害的识别、监测、预警和控制技术与装备的研发与应用，是当前公共安全和防灾减灾领域的重要研究方向，也是项目组所在公司的重要业务版块，经过近10年科技研发、技术积累、团队和平台建设，目前已具备产业化条件，产业化进展显著，不仅在技术研发和装备制造上取得了突破，而且在实际应用和产业化推广方面也取得了积极成效。通过政府的支持和科研机构、高校以及企业的共同努力，这些技术正在逐步转化为实际的防灾减灾能力，为社会经济发展和人民生命财产安全提供了有力保障。
本项技术成果对提升广西地质灾害及环境、工程建设、隧道建设安全及管控水平具有重要意义。项目成果可广泛应用于广西公路、市政、水运工程施工和运营管养，助力数字化转型及应用，满足公路施工安全防控、质量管理与安全环保的迫切需要，促进西部陆海新通道高水平建设，推动向海经济大力发展，带动上下游产业的发展；同时项目成果可以从“更快更严”的高速场景向“较慢”的普通公路及城市道路场景演进推广，在北部湾城市群、交通枢纽的重要节点中应用等；随着“一带一路”、陆海新通道的建设以及我单位东盟业务的发展，可打造面向东盟国家的产业输出。
*本文来源于《2024中国高速公路智能监测预警产品技术与案例》
