边坡监测 “军备竞赛”,谁将成为高速公路安全 “守护者”?
2024年广东梅州至大埔高速公路东延线K11+900~K11+950(营运桩号)路段发生塌方灾害,导致多人伤亡。该事件引发全社会关注,是对“重建设轻管养”的高速公路营运单位当头棒喝。
建立健全智能监测预警手段,加强高速公路全生命周期管理,已经成为高速公路管理运营单位首要解决的问题之一。
据相关数据显示,截至2023年底,全国公路里程543.68万公里,据估计公路边坡有870余万座。当前公路边坡大多依赖人工检测,缺乏主动预防和有效的智能化监测手段,灾害隐蔽性强,对公路基础设施和过往人车安全威胁大。与此同时,自然灾害的频发也对高速公路的运营维护、监测预警和应急处理提出了更多要求。
公路边坡安全监测智能化水平亟待提升。
去年,国家相关部门先后印发相关政策文件,要求加强应用突发事件的应急响应相率。如自然资源部印发《2024年全国地质灾害防治工作要点》,要求优化完善地质灾害隐患综合遥感识别工作,逐步实现从发现隐患到重要区域和重大隐患动态监测的转变;财政部、交通运输部发布《关于支持引导公路水路交通基础设施数字化转型升级的通知》,明确指出要对通道基础设施安全监测、运行管控和应急指挥调度体系进行数字化改造。
北京、山东、江苏等地的智慧高速公路建设指南中,也都对公路边坡监测建设提出了技术要求。
市场表现方面,日前举办的高速公路信息化大会中,高速公路边坡监测预警的有关话题讨论明显增多,相关产品和技术方案也成为各家厂商主要展出内容。
当前边坡监测产品和解决方案的技术方向与趋势变化,可以概括为以下内容:
一是“3S”技术广泛应用于高边坡监测工作,该技术主要包括GPS技术、RS技术及GIS技术,该技术的自动化水平较高,且监测精度、效率方面有很大的提升;
二是时域反射技术(TDR技术),该技术应用期间,可以将电信号转换成位移信号,进而可以实时掌握边坡内部的位移量;
三是地面激光扫描技术(TLS技术),该技术在数据获取方面有着明显的优势,且自动化水平高,广泛应用于边坡表面变形监测等工作中;
四是合成孔径雷达(SAR)技术,该技术主要借助干涉测量方法,进行地表位移监测;
五是数字摄影技术,通过应用相机等测量设备,并与初始数据做出对比,可以实现边坡变形测量与监测;
六是测斜仪+侧斜管技术,该技术的应用可以在时间、空间方面,实现对不同深度土体变形情况的监测。
就具体的产品和解决方案表现,根据系统搭建的难易程度以及实际应用场景要求,探索和应用主要集中在人工智能、视频、雷达、无人机、北斗系统赋能等方向。
方案一:视频监测(升级)+AI+大模型Part.1视频监测作为传统基础监测手段之一,在高速公路运维管理环节中占比较重,是管理部门首要考虑的检测设备。
传统视频监测,需要管理人员对采集的大量视频信息进行人工查验和复检,问题被发现、确认之后才能进行后续应急通知处理工作,效率低下的同时如果事故处理不及时,容易致使事故态势的进一步扩大。
针对上述痛点,部分厂商在对视频信息采集配置升级的同时,通过集成AI、大模型等技术,主动识别异常事故。在前端视频监测到异常发生时,AI迅速识别事件类别并立刻上传,快速提醒监控人员处理,并联动现场示警设备,通过开启红蓝闪烁灯、高亮LED屏及语音播报等多模态预警手段,主动引导后续车辆,提示前方道路异常,从而降低道路安全事故发生概率。
2024年内蒙古自治区交通运输厅组织对其区域内7863公里高速公路开展设计回溯和自然灾害风险普查工作,确定19处较大灾害风险路段,并在这些路段新设“电子眼”监测预警系统。内蒙古自治区交通运输厅公路处相关负责人介绍,“电子眼”的布设可有效提高边坡的实时监测、提前预防、即时预警能力,实现位移、倾角、土壤含水量等关键数据指标精准监测。
广西的轻量化边坡监测系统同样配置了视频监控系统,采用光学图像结合技术,通过高精度的亚像素算法,实时计算和监测边坡靶标的图像位移,进而将这些图像数据转化为物理空间的真实位移情况展现出来,并通过视频监控系统提供持续、可靠的监控视频画面。
方案二:毫米波雷达Part.2毫米波雷达在交通行业中作为新兴监测设备,近年来被越来越多的管理部门接受。
有地方交投公司针对存在边坡灾害风险隐患的点位,在坡面设置若干标靶(金属观测标),在正对坡面设置使用1-2部毫米波雷达对标靶进行扫描监测,形成对整个坡面地表的点线面实时位移观测,了解边坡的变形趋势,分析边坡的危险性,为边坡防治工程及长期监测提供支撑。
也有部分厂商推出基于成像雷达构建对表层裸露边坡的非接触式监测方案,通过成像雷达扫描获取坡面的精准形变数据,提升对边坡的精准感知监测能力。
四川相关运营单位研发了基于毫米波雷达搭建起基于“前期观测”与“长期监测”的高速公路边坡灾害地表变形监测技术。该技术基于毫米波雷达边坡监测设备精度高(3~5毫米)、采样频率高(每秒10次)、监测距离达1公里、成本低的优点,与GNSS等监测设备相结合可弥补监测设备成本较高的缺点,建立了边坡灾害普查的“前期观测”方案与重点边坡“长期监测”方案,实现了低成本、由点到面的高速公路边坡灾害的全天候实时监测。相关成果已在雅西、峨汉、九绵、泸石等多条高速公路推广应用。
方案三:无人机+AIPart.3部分高速公路沿线地形复杂、结构物多,部署相关监测设备难度大、成本高,使得地方高速公路营运单位更多依靠人工巡检,而人工巡检存在效率慢、监测难度高、危险系数高等问题。
无人机为解决上述问题提供了新的监测手段,管理部门可以利用无人机设备对徒步不易到达的高填深挖高边坡路段、易发生山体滑坡和落石路段、桥梁隧道等重点部位进行巡查,也可以在无人机中集成AI自动巡检系统,可以实现边坡隐患的智能化、精准化排查。
广东清运高速搭建了AI+无人机边坡隐患智能巡检系统。清云高速养护工程部经理朱玉军介绍,清云高速公路沿线地形复杂,路线长,结构物多,沿线排水系统总长度近800公里,隐患排查任务非常艰巨,为进一步提升边坡隐患监测效率,清云高速创新引入AI自动巡检系统,结合无人机技术。该系统可重点监测裂缝、地形变化、挡墙错位、边坡堵塞等问题,并根据隐患严重程度将预警信息分为四个等级。这一分级预警机制为养护人员提供了科学决策依据,极大提升了隐患处置的及时性和精准性。
方案四:北斗系统(空天地一体)Part.4北斗技术已经深度融入交通行业建设发展中,基于北斗系统我国建成了世界上最大的车联网平台,截至2021年底,已有超过790万辆道路营运车辆安装使用北斗系统。
针对人工巡检难以查看,信息传输差的山区、林区等场景,通过设置布设相关感知设备,利用北斗技术可以完成对山体滑坡险情监测、公路沿线边坡监测等灾害风险隐患点位进行全覆盖。
北京高速养运公司利用北斗对边坡隐患进行排查,针对山体滑坡险情,京藏、京承高速路重点山区位置已实现山体防护全覆盖,并完善信息化监测系统建设,通过北斗基准边坡观测设备,随时监测高边坡稳定性,山体如有变化,第一时间发出预警。
吉林的边坡健康监测解决方案同样采用了北斗技术。方案结合光纤传感技术和北斗技术,构建了完善的边坡安全监测体系。通过布设光纤传感器,实现全方位、多层次监测,实时感知边坡形变并发出预警,同时结合北斗技术提供高精度定位,并与路面摄像头联动,实时查看事件区域路面情况,提高边坡监测精度和效率,降低人工巡查成本,助力提升公路边坡灾害的预警能力和管理效率。目前,该方案已在G12珲乌高速公路部分边坡开展健康监测示范应用。
河北交通规划设计院旗下某公司研发的基于北斗的公路基础设施监测预警技术,将北斗与遥感、无人机、卫星通讯的多源数据融合创新研发,形成了公路基础设施“空天地”一体化监测关键技术:利用遥感技术对高速沿线进行定期大范围风险点筛查,利用无人机对边坡风险点进行倾斜摄影建模,对于高风险点边坡采用北斗位移检测、深部测斜技术开展形变监测;对于易发山洪区域桥梁,应用倾角加速度计监测桥梁敦梁变形,对于跨越铁路桥梁,应用毫米波雷达监测桥梁竖向位移,实现快速便捷安装、降低施工成本;应用AI智能视频识别边坡滑塌、桥梁垮塌、隧道洞口崩塌落石事件,多场景监测技术与声光报警设备形成联动,实现现场报警与平台报警同步发送。
随着国内高速公路里程和密度的不断增加,经济发展对高速公路的需求逐渐从大规模扩张向提质增效转变,社会出行需求的关注点也逐渐从“哪都通”向出行安全舒适转变,以边坡预警监测为代表的应急处置建设,将会是为未来高速公路管理运维的重中之重。
在全面提升路基本质安全水平、加强高速公路全生命周期管理、提升高速公路风险监测管控能力等相关建设跟进的同时,高速公路运营单位的管理思路也应该进行转变,增强应用极端天气的极限思维,减少事故中的人为因素,并通过多种途径向社会宣传面对突发灾害的应急措施和办法,提高全社会风险防范意识和自救互救能力。