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摘 要：岩溶塌陷具有突发性、隐蔽性、不确定性，其监测、预警问题一直未能得到很好的解决。本文在分析岩溶塌陷的机理及其形态因素的基础上构建监测指标体系，采用服务器端脚本技术（ASP.NET）以及Jquery框架，开发了基于B/S架构的岩溶区高速公路管控预警系统，实现了监测技术、监测数据的集成管理及分析应用，从而加强了高速公路岩溶塌陷的风险管控，并保障了高速公路道路运营安全。
关键词：岩溶塌陷；监测；預警
中图分类号：U491.5
近年来，我国某些高速公路时有岩溶区路段塌陷等情况发生，造成了极大的人员伤亡和财产损失。建立高速公路岩溶区道路运营安全监测与管控预警系统[1]，可实时监测采集，为道路监控预警[2]提供科学依据，保证公路“安全、快速、高效”的运营。而以科技手段来管理控制高速公路运营情况，并对高速公路道路岩溶区[3]路段的风险提供评估与预警对于公路的安全运营和为国家创造更大的经济效益具有极其重要的意义。
1 系统总体设计
1.1 总体方案
针对公路所维护公司的人员结构的现有情况分析，整个系统存在如下特点：三段高速用户地域分散、用户相对独立、用户需要分级别。
系统通过数据中心服务器，由网络将不同的用户进行连接，以达到实时数据同步的要求。如图1所示：
图1 用户网络连接
由上述的用户特点，系统需采用B/S架构[4]，系统为二级系统，有四种用户。针对用户分析与系统架构分析，系统的总体规划如下图2所示。
图2 系统总体设计
1.2 系统层次结构
在系统的总体设计中，系统分为二级系统，数据查阅系统和数据管理系统。
数据查阅系统分为五大内容：（1）实现监测数据（属性数据，如水位数据、沉降数据等长时间序列的数值型数据）的录入、查询、修改、管理等通用功能，并能将某时间段的数值数据通过曲线图或折线图进行显示；（2）预警功能。利用提供的预警算法对入库数据进行分析，达到某一阙值后系统自动提示；（3）数据查阅功能。即通过B/S架构，能够在网页上访问、查询监测数据；（4）地图功能。加载处理好的图片或者调用百度显示监测点的位置；（5）日志与用户管理功能。即系统能够记录用户对数据的操作，记录用户的登陆情况。
数据管理系统，也分五大内容：（1）数据库配置层：用户管理能够新建、删除、修改用户，为用户配置操作权限；日志管理则用来查阅各个用户对系统的操作日志；（2）数据维护层：用来对以后的数据库内容扩展，方便系统数据的升级。能够添加或删除数据库表，数据库表字段；（3）数据编辑层：用来编辑公路信息、月报、预警算法；（4）数据分析层：用来统计数据，对数据进行分析，嵌入地图，直观的查看各个路段的监测点位置，查看最近的录入数据，还可以用于预警分析；（5）数据浏览层：用来查阅公路信息，每月的月报，查阅数据库中的数据。具体的层次结构见下图3：
图3 系统层次结构图
2 系统详细设计
2.1 数据查阅系统
数据查阅系统有2种用户：普通用户只能查看自己所在路段的公路的数据信息；超级用户能够查看所有的高速公路的数据信息。数据查阅系统的系统功能模块分为六个模块：（1）公路信息概况。主要目的是为公司提供集中的信息展示，可查看各个路段的基本介绍，岩溶路段的地质图片和公司发布的新闻信息与公告信息；（2）月报浏览。提供便捷的月报浏览系统，供用户实时方便的浏览月报。月报浏览模块分为网页版月报浏览和PDF版月报浏览；（3）数据查阅。用户可根据固定的查询条件或自己编写的判断条件来得到自己想要查看的数据。1）精确查阅：输入需要精确查询的条件，可根据数据更新的时间范围、监测名称、水位标高等给定的查询条件查找到数据，并提供数据导出功能。2）模糊查阅：用户在查询条件中输入以标题栏字段为变量的判断条件，查询并显示出符合条件的数据；（4）数据统计。用户可选择某一期间的数据，通过图、表的方式对监测数据的变化情况及变化趋势进行统计分析。包括实时数据统计和历史数据统计；（5）地图显示。目的是通过地图展示高速公路路段信息，展示出监测点在路段中的位置，并提供实时数据的读取。地图显示功能提供：1）定位功能：定位到高速公路上的监测孔，方便用户查看监测孔在公路上的地点。2）实时数据显示功能：能够通过地图获取最新的监测数据。3）手机短信提醒功能：能够将当前监测孔的数据情况发送到对方手机，提醒对方查看数据是否异常；（6）预警分析。预警分析功能模块的目的是对监测数据中的异常数据的提供警示。主要包括三种预警方式：1）预警表预警：对表中异常数据进行不同的颜色标识来进行分级预警；2）地图预警：将异常监测点在地图中通过红色标注点进行标识；3）公式预警：选择编辑好的预警公式，通过波动阈值来对公式计算结果进行预警。
2.2 数据维护系统
数据维护系统主要功能是为数据查阅平台提供数据支撑，体现在2个方面：（1）将每月的数据录入到数据库中，以供数据查阅平台查阅；（2）对每月所采集的数据进行加工，整理成月报，供用户查看。
此外，数据维护系统还对用户进行管理，对用户的操作日志和登陆日志自动录入，因此，本系统将数据维护系统分为七个系统功能模块：（1）道路信息编辑。主要提供的功能有：可新建、删除公路；对公路进行文字描述的编辑和公路的配套的图片编辑；添加和删除公告新闻；录入需要动态展示的图片；（2）月报编辑。目的是编辑网页和PDF版月报，为数据查阅系统中的月报浏览模块提供编辑好的月报；（3）数据管理。目的是管理系统所需的各类数据，实现对数据的录入、修改、删除等操作。导入Excel批量数据，查看、修改、删除已导入的数据。主要包括三类数据：1）基础信息：如不良地质路段信息、水文监测孔信息、地下水观测点信息等。2）监测数据管理：如水位、雨计量等；3）巡查数据管理：如外观观测、沉降观测、地表水观测等；（4）数据库管理。用户可以方便的添加、修改、删除数据库中的表、数据表中的字段、以及导出任意数据库表中的数据，备份与还原数据库；（5）预警算法编辑。用户可新建、删除及修改预警公式，设置算法及预警指标相关参数。1）通过选择预警表及其相关字段进行简单的算术运算新建预警公式，还能修改删除已有公式。2）对公式参数及单张预警表的字段（如水位等）的阈值设置以便前台实现分级预警；（6）用户管理。可新建、删除用户、设置用户权限；通过输入查询条件查询相关用户；（7）日志管理。提供用户操作日志自动录入、日志查阅功能。当用户登录时，将用户的登录信息写入系统；当用户对数据库表进行操作，将用户的操作信息写入系统。 3 岩溶塌陷预警方案设计
3.1 预警指标体系
岩溶地面塌陷[5]必须具备三个条件：（1）空间条件：发育有一定形态的岩溶，这是地下水和上覆土体流失的通道和坍塌后的储存场所；（2）物质条件：覆盖的岩土体，这是塌陷的物质来源；（3）动力条件：是导致塌陷的动力，如地下水位的变动或地表水入渗形成的渗透力。
根据岩溶塌陷产生的原因、形态特征及前兆特征，结合高速公路结构的特点和养护巡查管理的方式，确定指标主要如下：（1）诱因指标：1）水动力条件：钻孔水位变幅、波动速率、距基岩面距离；2）水文观测：民井、水塘水位标高变化；（2）形态指标：1）路基沉降：沉降量、累计沉降量；2）裂缝变形：雷达检测（是否存在空洞土洞、是否存在路基沉陷）、路面（是否有裂縫、是否新增沉降）、路基（是否有裂缝、是否有沉陷、塌落）、桥梁（墩台处桥面是否有横向纵向裂缝、伸缩缝是否异常）；（3）伴生因素：1）变形：涵洞是否有裂缝；2）渗水：涵洞是否下渗、漏水。
3.2 自动预警模块设计
由于B/S架构具有不能自动进行预警计算的缺点，不能实现系统自动预警[6]。因此通过在服务器端运行一个预警计算小程序实现系统自动预警。该预警程序根据以上预警指标自动读取监测数据通过对各指标进行打分，最后根据后台设置好的指标权重计算综合分数，判断岩溶区是否有异常情况。
4 结束语
针对高速公路岩溶塌陷监测预警问题，本系统主要分为两级系统：数据查阅系统和数据管理系统，包括五大功能：监测数据的信息管理功能、预警功能、数据查阅功能、地图功能及日志与用户管理功能。在预警功能方面，本系统通过建立预警指标体系计算综合得分实现自动预警。通过以上设计，本系统实现监测数据的实时更新、实时查询、实时图表分析、塌陷危险性的实时评价、预警结果的可视化，并且实现远程管理，以最大程度体现系统的综合性、时效性、共享性。
参考文献：
[1]刘清，佘廉.高速公路预警管理系统研究[J].科技进步与对策，2002（03）：167-168.
[2]杨晋.高速公路预警管理系统若干关键技术研究[J].武汉理工大学学报，2007.
[3]张永杰，曹文贵，赵明华.岩溶区公路路基稳定性的区间模糊评判分析方法[J].岩土工程学报，2011（33）：38-44.
[4]赵建三，颜奇，徐卓揆.B/S模式的边坡监测数据分析及安全预警系统设计与实现[J].测绘科学，2010（35）：186-188.
[5]杨立中，王建秀.国外岩溶塌陷研究的发展及我国的研究现状[J].中国地质灾害与防治学报，1997（01）：6-10.
[6]周涛，翟长旭，高志刚.基于贝叶斯网络的高速公路预警系统研究[J].公路工程，2008（32）：163-166.
作者简介：熊聪（1990.06-），男，研究生，研究方向：智能计算。
作者单位：中国地质大学（武汉），武汉 430074；浙江省交通投资集团有限公司杭金衢分公司，杭州 310000；浙江省交通规划设计研究院，杭州 310000
关键词：岩溶塌陷；监测；預警
中图分类号：U491.5
近年来，我国某些高速公路时有岩溶区路段塌陷等情况发生，造成了极大的人员伤亡和财产损失。建立高速公路岩溶区道路运营安全监测与管控预警系统[1]，可实时监测采集，为道路监控预警[2]提供科学依据，保证公路“安全、快速、高效”的运营。而以科技手段来管理控制高速公路运营情况，并对高速公路道路岩溶区[3]路段的风险提供评估与预警对于公路的安全运营和为国家创造更大的经济效益具有极其重要的意义。
1 系统总体设计
1.1 总体方案
针对公路所维护公司的人员结构的现有情况分析，整个系统存在如下特点：三段高速用户地域分散、用户相对独立、用户需要分级别。
系统通过数据中心服务器，由网络将不同的用户进行连接，以达到实时数据同步的要求。如图1所示：
图1 用户网络连接
由上述的用户特点，系统需采用B/S架构[4]，系统为二级系统，有四种用户。针对用户分析与系统架构分析，系统的总体规划如下图2所示。
图2 系统总体设计
1.2 系统层次结构
在系统的总体设计中，系统分为二级系统，数据查阅系统和数据管理系统。
数据查阅系统分为五大内容：（1）实现监测数据（属性数据，如水位数据、沉降数据等长时间序列的数值型数据）的录入、查询、修改、管理等通用功能，并能将某时间段的数值数据通过曲线图或折线图进行显示；（2）预警功能。利用提供的预警算法对入库数据进行分析，达到某一阙值后系统自动提示；（3）数据查阅功能。即通过B/S架构，能够在网页上访问、查询监测数据；（4）地图功能。加载处理好的图片或者调用百度显示监测点的位置；（5）日志与用户管理功能。即系统能够记录用户对数据的操作，记录用户的登陆情况。
数据管理系统，也分五大内容：（1）数据库配置层：用户管理能够新建、删除、修改用户，为用户配置操作权限；日志管理则用来查阅各个用户对系统的操作日志；（2）数据维护层：用来对以后的数据库内容扩展，方便系统数据的升级。能够添加或删除数据库表，数据库表字段；（3）数据编辑层：用来编辑公路信息、月报、预警算法；（4）数据分析层：用来统计数据，对数据进行分析，嵌入地图，直观的查看各个路段的监测点位置，查看最近的录入数据，还可以用于预警分析；（5）数据浏览层：用来查阅公路信息，每月的月报，查阅数据库中的数据。具体的层次结构见下图3：
图3 系统层次结构图
2 系统详细设计
2.1 数据查阅系统
数据查阅系统有2种用户：普通用户只能查看自己所在路段的公路的数据信息；超级用户能够查看所有的高速公路的数据信息。数据查阅系统的系统功能模块分为六个模块：（1）公路信息概况。主要目的是为公司提供集中的信息展示，可查看各个路段的基本介绍，岩溶路段的地质图片和公司发布的新闻信息与公告信息；（2）月报浏览。提供便捷的月报浏览系统，供用户实时方便的浏览月报。月报浏览模块分为网页版月报浏览和PDF版月报浏览；（3）数据查阅。用户可根据固定的查询条件或自己编写的判断条件来得到自己想要查看的数据。1）精确查阅：输入需要精确查询的条件，可根据数据更新的时间范围、监测名称、水位标高等给定的查询条件查找到数据，并提供数据导出功能。2）模糊查阅：用户在查询条件中输入以标题栏字段为变量的判断条件，查询并显示出符合条件的数据；（4）数据统计。用户可选择某一期间的数据，通过图、表的方式对监测数据的变化情况及变化趋势进行统计分析。包括实时数据统计和历史数据统计；（5）地图显示。目的是通过地图展示高速公路路段信息，展示出监测点在路段中的位置，并提供实时数据的读取。地图显示功能提供：1）定位功能：定位到高速公路上的监测孔，方便用户查看监测孔在公路上的地点。2）实时数据显示功能：能够通过地图获取最新的监测数据。3）手机短信提醒功能：能够将当前监测孔的数据情况发送到对方手机，提醒对方查看数据是否异常；（6）预警分析。预警分析功能模块的目的是对监测数据中的异常数据的提供警示。主要包括三种预警方式：1）预警表预警：对表中异常数据进行不同的颜色标识来进行分级预警；2）地图预警：将异常监测点在地图中通过红色标注点进行标识；3）公式预警：选择编辑好的预警公式，通过波动阈值来对公式计算结果进行预警。
2.2 数据维护系统
数据维护系统主要功能是为数据查阅平台提供数据支撑，体现在2个方面：（1）将每月的数据录入到数据库中，以供数据查阅平台查阅；（2）对每月所采集的数据进行加工，整理成月报，供用户查看。
此外，数据维护系统还对用户进行管理，对用户的操作日志和登陆日志自动录入，因此，本系统将数据维护系统分为七个系统功能模块：（1）道路信息编辑。主要提供的功能有：可新建、删除公路；对公路进行文字描述的编辑和公路的配套的图片编辑；添加和删除公告新闻；录入需要动态展示的图片；（2）月报编辑。目的是编辑网页和PDF版月报，为数据查阅系统中的月报浏览模块提供编辑好的月报；（3）数据管理。目的是管理系统所需的各类数据，实现对数据的录入、修改、删除等操作。导入Excel批量数据，查看、修改、删除已导入的数据。主要包括三类数据：1）基础信息：如不良地质路段信息、水文监测孔信息、地下水观测点信息等。2）监测数据管理：如水位、雨计量等；3）巡查数据管理：如外观观测、沉降观测、地表水观测等；（4）数据库管理。用户可以方便的添加、修改、删除数据库中的表、数据表中的字段、以及导出任意数据库表中的数据，备份与还原数据库；（5）预警算法编辑。用户可新建、删除及修改预警公式，设置算法及预警指标相关参数。1）通过选择预警表及其相关字段进行简单的算术运算新建预警公式，还能修改删除已有公式。2）对公式参数及单张预警表的字段（如水位等）的阈值设置以便前台实现分级预警；（6）用户管理。可新建、删除用户、设置用户权限；通过输入查询条件查询相关用户；（7）日志管理。提供用户操作日志自动录入、日志查阅功能。当用户登录时，将用户的登录信息写入系统；当用户对数据库表进行操作，将用户的操作信息写入系统。 3 岩溶塌陷预警方案设计
3.1 预警指标体系
岩溶地面塌陷[5]必须具备三个条件：（1）空间条件：发育有一定形态的岩溶，这是地下水和上覆土体流失的通道和坍塌后的储存场所；（2）物质条件：覆盖的岩土体，这是塌陷的物质来源；（3）动力条件：是导致塌陷的动力，如地下水位的变动或地表水入渗形成的渗透力。
根据岩溶塌陷产生的原因、形态特征及前兆特征，结合高速公路结构的特点和养护巡查管理的方式，确定指标主要如下：（1）诱因指标：1）水动力条件：钻孔水位变幅、波动速率、距基岩面距离；2）水文观测：民井、水塘水位标高变化；（2）形态指标：1）路基沉降：沉降量、累计沉降量；2）裂缝变形：雷达检测（是否存在空洞土洞、是否存在路基沉陷）、路面（是否有裂縫、是否新增沉降）、路基（是否有裂缝、是否有沉陷、塌落）、桥梁（墩台处桥面是否有横向纵向裂缝、伸缩缝是否异常）；（3）伴生因素：1）变形：涵洞是否有裂缝；2）渗水：涵洞是否下渗、漏水。
3.2 自动预警模块设计
由于B/S架构具有不能自动进行预警计算的缺点，不能实现系统自动预警[6]。因此通过在服务器端运行一个预警计算小程序实现系统自动预警。该预警程序根据以上预警指标自动读取监测数据通过对各指标进行打分，最后根据后台设置好的指标权重计算综合分数，判断岩溶区是否有异常情况。
4 结束语
针对高速公路岩溶塌陷监测预警问题，本系统主要分为两级系统：数据查阅系统和数据管理系统，包括五大功能：监测数据的信息管理功能、预警功能、数据查阅功能、地图功能及日志与用户管理功能。在预警功能方面，本系统通过建立预警指标体系计算综合得分实现自动预警。通过以上设计，本系统实现监测数据的实时更新、实时查询、实时图表分析、塌陷危险性的实时评价、预警结果的可视化，并且实现远程管理，以最大程度体现系统的综合性、时效性、共享性。
参考文献：
[1]刘清，佘廉.高速公路预警管理系统研究[J].科技进步与对策，2002（03）：167-168.
[2]杨晋.高速公路预警管理系统若干关键技术研究[J].武汉理工大学学报，2007.
[3]张永杰，曹文贵，赵明华.岩溶区公路路基稳定性的区间模糊评判分析方法[J].岩土工程学报，2011（33）：38-44.
[4]赵建三，颜奇，徐卓揆.B/S模式的边坡监测数据分析及安全预警系统设计与实现[J].测绘科学，2010（35）：186-188.
[5]杨立中，王建秀.国外岩溶塌陷研究的发展及我国的研究现状[J].中国地质灾害与防治学报，1997（01）：6-10.
[6]周涛，翟长旭，高志刚.基于贝叶斯网络的高速公路预警系统研究[J].公路工程，2008（32）：163-166.
作者简介：熊聪（1990.06-），男，研究生，研究方向：智能计算。
作者单位：中国地质大学（武汉），武汉 430074；浙江省交通投资集团有限公司杭金衢分公司，杭州 310000；浙江省交通规划设计研究院，杭州 310000