铁路高边坡变形自动化监测新技术研究

张成雷 等

汪振众  张国建  高幸  劉卫东  石海龙

摘  要：随着中国高速铁路的蓬勃发展，铁路沿线的边坡变形情况也越来越严重，其会对人们的生命财产安全带来威胁。以铁路边坡监测为出发点，介绍了铁路边坡变形的类型和特点、影响其稳定性的因素等，系统概述了铁路边坡监测的监测内容和新技术（如北斗定位技术、LiDAR技术、光纤传感技术、MEMS传感技术、多源信息融合技术等），并对边坡监测技术未来的发展趋势进行了展望，以期为铁路边坡变形监测相关人员提供一定的借鉴参考。

关键词：铁路边坡；边坡变形；边坡监测；自动化监测；监测新技术

中图分类号：TP27  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）24-0092-08

Research on New Technologies for Automatic Monitoring of High Slope

Deformation in Railway

ZHANG Chenglei， WANG Zhenzhong， ZHANG Guojian， GAO Xing， LIU Weidong， SHI Hailong

（China Railway 19th Bureau Group No.3 Engineering Co.， Ltd.， Shenyang  110000， China）

Abstract： With the vigorous development of high-speed railway in China， the deformation of slopes along the railway is becoming increasingly serious， posing a threat to people's lives and property safety. Starting from railway slope monitoring， this paper introduces the types and characteristics of railway slope deformation， factors affecting its stability， and systematically summarizes the monitoring content and new technologies of railway slope monitoring （such as Beidou positioning technology， LiDAR technology， fiber optic sensing technology， MEMS sensing technology， multi-source information fusion technology， etc.）. It also looks forward to the future development trend of slope monitoring technology， in order to provide certain reference for personnel related to railway slope deformation monitoring.

Keywords： railway slope; slope deformation; slope monitoring; automatic monitoring; new monitoring technology

0  引  言

随着我国经济的飞速发展，建设工程项目也越来越多，铁路工程项目是其中较为常见的一种，确保工程安全尤为重要。铁路边坡变形不仅会威胁铁路的运行安全，还会影响我们的经济生产和日常生活。近年来，铁路边坡滑坡、崩塌等情况时有发生，酿成一起起交通事故。例如，2016年7月6日，位于湖北的长荆铁路DK10+153～353段因连续多日下雨致使其铁路边坡受到破坏，边坡部分滑落导致铁轨悬挂，全线列车无法正常运行；2018年6月20日，位于景德镇的皖赣铁路线上，某一段高路基在连续高强度降雨的冲击破坏下出现塌方事故，导致部分边坡土体掉落到铁路轨道中，影响该线路的安全运行；2018年9月8日，福建华安县境内的鹰厦铁路线上，由于山体失稳致使该线路K562+20处的边坡发生滑坡，导致列车运行路线被中断，只能暂停运行。

铁路边坡不仅会出现崩塌、滑坡等形式的损坏，还会出现流动、剥落等形式的损坏。崩塌、滑坡是较为常见的边坡损坏，还有一些损坏形式处于这两者之间，严重的损坏形式是崩塌、滑坡的同时伴有流动、剥落等形式的损坏。若边坡的顶部存在裂缝，在强烈的地震和暴雨作用下边坡产生崩塌的可能性就会很大。边坡崩塌的原因可能是风化作用减小了其内部土体的黏聚力，也可能是降雨时有水进入缝隙中引起了水压，还可能是地震振动、雷电冲击使边坡开裂、崩解。水分和温度是形成风化的主要因素，为了防止边坡崩塌，要重点监测其表面裂缝的出现、环境中的水分和温度变化、降雨量以及地震、雷击等状况。边坡的滑坡是指其岩土体在重力作用下，边坡内部软弱面发生整体滑移。滑坡破坏的速度比崩塌慢，一般发生在边坡内部，因此，需要重点监测滑坡深部位移。

根据铁路边坡的内部构造，可以将边坡分为两类：岩质边坡和土质边坡。在岩质边坡中，最常见的破坏就是崩塌，但也不排除其他类型的破坏，如滑坡破坏等。然而，如若岩石中存在脆性结构（如软弱的结构、风化层），边坡存在斜度较大的斜面，并且发现有地下水流动时，就要时刻注意边坡变形情况并对地下水位进行监测，预防边坡产生滑坡破坏。边坡中的软弱岩石层在遭到风蚀和潮气侵蚀时，极有可能会使边坡发生滑坡破坏，若破坏程度比较小，滑动只发生在表面，这种程度的滑坡破坏还需要监测周围环境的湿度。此外，软岩石部位地基相当松散，需要定期监控地基湿度。在土质边坡中，由于上层土体不太密实，较为松散，若水分浸入到土体中，土体会被软化，极其容易发生滑坡损坏；由于下层结构紧凑，承受水压的能力较弱，在边缘处会出现脆性现象，从而引发滑坡损坏。进行定时定量的地下水流速和降水量监测是预防铁路边坡发生滑坡损坏的必要手段。

铁路边坡的稳定性受多种因素的共同影响，包括边坡组成、特征、结构、周围环境等。为了确保边坡的安全，在检查和评估铁路边坡时，应根据不同种类边坡的特点和结构，精确调整各项指标，使边坡达到最佳的稳定状态。按照组成成分的不同可将铁路边坡分为硬质岩坡（崩塌破坏）、内部有软质层的硬岩坡（崩塌和滑坡破坏）、软质岩坡（崩塌和滑坡破坏）、土质边坡（滑坡破坏）四类[1，2]。

随着我国铁路事业的持续发展，边坡变形所带来的危害日益凸显，其失稳性极强，在边坡失稳前进行预测存在一定的困难。因此，设计一套功能完备的监测系统，将在线监测与预警播报相结合，对边坡变形失稳状况进行有效的监测和防控，确保边坡稳定和铁路安全。通过对铁路边坡进行全方位监测以及对边坡重点部位和脆弱区域进行重点监测，不仅为边坡的设计、施工提供一定的保障，还给边坡的维护和加固提供了可靠的依据，从而保证了边坡的稳定性和铁路运输的安全性，提高铁路运输的效率。

在铁路边坡的现场，由于环境艰苦，加上受电磁波的干扰，使得设备的维修变得更加复杂和困难。而且，传统监测技术除了受外部因素的影响之外，还存在一些致命缺点，如技术手段不成熟、仪器精度不理想、不适用于长时间、远距离监测等，因而无法用于铁路边坡变形监测。随着IT技术的不断进步，对边坡的监测和控制已经取得了长足的进步，监测设备的准确率、覆盖率、可靠性、灵活性和可控性都得到了显著的提升。

本文着重介绍铁路边坡监测的内容以及近几年陆续出现的边坡监测新技术，如全球卫星定位技术、LiDAR技术、光纤传感技术、MEMS传感技术等新型自动化技术以及将各种技术和数据有机结合的多源信息融合技术。在边坡监测中，根据工程实际要求设计监测方案，采用新型自动化技术可以更好地实现对边坡的远程实时监测，借助多源信息融合技术还可以将这些新型技术结合起来使用，获得更加直观、更加可靠的监测方案，得到更加完整的监测数据和结果。

1  铁路边坡监测内容

边坡的损毁不是一朝一夕之事，往往会经历年深月久的演进。因此，我们需要定期进行边坡变形量监测，做好应付边坡变形破坏的准备工作，并且通过边坡动态变化来验证治理方案的合理性。在鐵路边坡实际工程监测项目中，要了解边坡内部构造和变形状况，制定满足监测需求的位移监测方案。

1.1  边坡变形监测

边坡变形监测主要包括以下三个方面的内容：地表位移监测、边坡表面裂缝测量、边坡深部位移测量。

1.1.1  地表位移监测

用于地表位移监测的仪器设备有很多，包含高精度的大地测量仪、纬度仪、水准仪、GPS、裂缝针、钢尺、标桩、地表位移伸长计以及功能丰富的无人机测量仪器。在进行边坡水平位移、垂直位移和改变速度的监测时，我们会采用多种不同的方式，主要是使用十字交叉网和放射状网。

1.1.2  边坡表面裂缝测量

边坡存在裂缝是边坡失稳的重要隐患，因此我们需要重点监测边坡表面是否存在裂缝。使用仲裁仪、位错计、千分卡检查边坡是否存在裂缝、裂缝的大小、发育情况，还可以在边坡上安装桩或固定标尺，抑或是在裂隙处安装薄膜，实现对边坡裂缝的监测。通过检查和分析裂缝的形成和发育情况，能够清晰明了地知晓它的变化趋势，对边坡周边岩石和支撑结构的变化情况进行分析，可以对边坡的稳定性做出准确的判断和预测。

1.1.3  边坡深部位移测量

地表位移测量可以扩大监测范围，提高监测精度。虽然边坡表面裂缝量测可以更加直观地反映出边坡的结构变化，但却无法捕捉到边坡内部岩体的细微变化，因此，需要借助深部位移监测达到探测内部岩体细微变化的目的。测量边坡深部位移的常用工具有钻孔引伸仪和钻孔倾斜仪，可以提供较为精准的测量结果。

1.2  边坡应力监测

在分析边坡内部失稳情况的过程中，采用现场监测的方法能够确定其内应力的变化，推测内应力监测程度并给出预警值。边坡应力监测内容主要分为三个方面：边坡内部应力监测、支护结构应力监测、锚杆预应力监测。通常，采用压力盒完成边坡内部应力试验，检查其滑带的承重阻滑能力及支挡结构的承载力状况，以便掌握将滑坡体传给支挡部位时的内部压力状况，检验支撑构件的稳定性，等等。在较大规模的边坡施工中，一般会通过深孔内应力解除法来完成边坡地应力监测试验，对地应力进行绝对检查，并监视其位置变化，以便掌握施工过程中地应力的变动状况。由于边坡锚杆锚索应力的变动可以反映出边坡荷载，通过监测边坡的锚固能力，不但能根据位移计算修正锚杆的设计系数，而且还能掌握边坡荷载的变动状况。

1.3  边坡地下水监测

诱发边坡失稳的主要因素是地下水，对于地下水丰富的边坡来说，对地下水的动态监测是一项十分重要的监测内容。针对特殊的工作条件，地下水动态监控系统涉及地下水孔隙水压力、流动水压力、地下水质量控制等信息。特别是在路基施工阶段，孔隙水情况是判断和监测路基稳定性的一项关键指标，必须在工地安装孔隙水压仪进行实时观测。

2  铁路边坡监测新技术

国内科研工作者针对边坡变形监测做出了不少的努力，并取得了出色的研究成果，开发出各种各样的监测技术方法。由原始人工探测逐步演变为兼具实时性、可靠性、智能化和高精度的技术方法。

2.1  LiDAR技术在铁路边坡监测中的应用

2.1.1  机载LiDAR技术

机载LiDAR技术不仅可以用于大范围的测量，还可以用于距离较远的测量。因此，它特别适用于铁路网和高速铁路边坡的监测。它的主要应用如下：

1）采用先进的LiDAR技术提取边坡数据信息，可以大范围采集到铁路网的激光点云、影像数据等。将该技术与高精度的数值地形模型、高清晰度的正射映像以及路面设备建模相结合，构筑出一个完善的铁路安全管理运维系统，从而更加高效、便捷地进行铁路的监督与控制，如图2所示。

2）LiDAR技术提供一种准确性极高的数字地形模拟，它能够轻松检测出道路表面的不均匀状况以及边坡的倾斜程度，从而更好地预防铁路周边各种自然灾害，如沉降、泥石流、塌陷和滑坡。此外，LiDAR技术还能够在特殊天气条件下提供较为准确的检测结果。

3）在铁路建设中，需要预防和控制各种类型的自然灾害，包括泥石流、滑坡和塌陷。采用先进的DEM技术能够快速准确地评估这些自然灾害的辐射范围和影响程度，收集有关滑坡、泥石流和塌方等灾害的详细信息。

4）可采用LiDAR技术进行广泛的监测，得到大量的监测数据，从而更好地分析铁路的运营状况。该技术的监测精度很高，所获得的数据既安全又可靠，而且监测效果不受天气影响，但是其成本较高，具有一定的监测盲区，难以监测细微的变形区。

2.1.2  车载LiDAR技术

车载LiDAR技术是一种高效的车载信号处理系统，能够快速准确地采集铁路沿线的边坡信息，特别适用于短周期和长距离的铁路边坡监测。该技术的优势如下：

1）可以迅速获取铁路沿线的地形和影像数据，边坡的微小变化也在它的监测范围之内[3]。

2）铁路沿线边坡容易发生局部滑坡、崩塌、泥石流等破坏，需要定期对其进行监测，保障铁路运营安全。

2.1.3  地面LiDAR技术

地面LiDAR技术是一种基于全站仪平台的地面测量技术，它具有强大的测距能力，能够快速定位和有效收集边坡信息。适用于监测重要的区域、边坡和高架桥等，监测精度较大且周期较短，反馈数据的速度较快，是获取局部铁路信息的最佳手段[4]。

2.1.4  LiDAR技术应用案例

选取河南省修武县某山区丘陵公路旁边的边坡作为试验对象，采用移动LiDAR技术对试验区边坡进行考察和分析。图1（a）为往返2次数据同时加载后整体边坡点云效果图，图1（b）、（c）、（d）分别为图1（a）中1、2、3这三个位置的边坡点云数据图[5]。

采用车载三维数据采集系统实时获取各种初始数据，包括激光掃描数据信息以及通过导航系统获取的位置、姿态信息等。对从点云数据中采集到的边坡高度、坡度、坡向信息进行深入分析，获得更加准确的坡面信息，从而更好地评估边坡的稳定性，最终形成一张完整的坡点云图，如图1（b）、（c）和（d）所示。

图1（a）中1、2、3这三个边坡区域的特征差异性很大，可以基本代表整体路段的边坡类型，因此可以选取这三个区域作为边坡稳定性分析的重要对象。

采用车载LiDAR技术进行监测，可以扫描出边坡的地形地貌概况，在收集点云数据的同时，采用图像记录方法收集其余各项数据，还可以基于点云数据对边坡稳定性影响因子进行加权分析，呈现出边坡的稳定状况，对边坡的危险区域进行分析。通过该监测手段得出了高速公路边坡灾患的影响因素。

2.2  北斗定位技术

2.2.1  北斗定位技术简介

北斗卫星导航系统是指我国着眼于国家安全和经济发展的需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天时、全天候高精度定位、导航和授时服务的国家重要空间基础措施[6]。北斗定位是一种基于卫星瞬时位置的精确定位技术，它利用空间距离的变化，通过无线电测距技术精确地测量出待测点的位置，从而实现对地球的精准定位，如图2所示。

北斗技术通过遥控设备，基于与其他卫星的相对高度差来确定目标的位置。这种技术可以帮助我们更好地了解周围的环境，让我们能够及时采取有效的措施。基于北斗定位的边坡监测系统是集卫星定位技术、精密传感测量技术、计算机网络技术、数字通信技术等于一体的综合性系统，自下而上由监测子系统、基准站子系统、数据传输层和监测分析平台组成[7]。

以北斗卫星作为参考，我们可以获取每个监测点的实际位置，并将其与初始数据进行比对，从而获取每个监测点的实际位移。最终，可以采用专门的算法来计算这些数据。借助先进的小波、多项式趋势和统计学方法，对原始的监测数据进行深入的研究。此外，还可以通过滤波、降噪和预测的方式来提高监测效果，根据不同的地质和气候条件，通过综合分析消除任何可能的误差，获取准确的位置信息。所获取的监测点位移信息会被传递到一个专门的监控平台，该平台会根据具体的信息情况生成多种不同时间序列的形变参数以及其他有用的技术指标，以供维修工作者随时检索。一旦达到预先规划的限制，系统会即刻发出警告，以便相关人员及早采取行动。

2.2.2  北斗技术应用实例

此次监测的对象为北京都安高速公路二十标段附近某路堑山体边坡，其坡面、岩层面、节理J1、J2、J3的倾向和倾角如表1所示，所绘制的赤平投影图如图3所示。

通过分析赤平图，了解到边坡整体稳定性良好、安全性较高。为了满足《公路路基设计规范》（JGJ D30—2015）的要求，采用北斗技术对该边坡进行动态监测，以确保其安全可靠。

该边坡目前处于稳定状态，因此主要监测其位移量变化。该边坡只有坡顶受到累计位移的影响，整体变形量相对较大，因此在公路右侧山顶上布置1个GNSS监测器，作为基准台站和数据汇总台站，同时将3个监测器均匀布置在坡顶位置，并将其命名为北斗1#、2#、3#，如图4所示。

监测系统自2018年8月中旬启用后，就一直保持着稳定运行的状态。该系统可提供24小时的不间断监控，以确保监测仪能够持续运转，并且每天都会回传一组数据，图5、图6、图7显示的是2018年7月3日至2019年7月3日（以一个月为间隔）各监测点的结果[8]。

从北斗监测出的位移图中可以看出，水平位移和竖直位移的变化趋势呈现出明显的波动，由于北斗所监测竖直点位置的准确性较低，需要重点关注边坡水平位移的变化。

1#监控点水平方向位移自2019开春以来呈现出快速上升的态势，水平位移高达8.37毫米。根据初步评估，由于降雨量的增加，边坡的位移变化不大，但需要进一步观察这个监控点的位移情况，如果位移继续快速增加，则应根据现场情况采取有效的防护措施，以避免危险的发生。2#和3#监测点的水平位移均低于6.5毫米，没有明显的加速趋势。考虑到位移的精度为2.061毫米，这两个点的位移都低于9毫米，据此可知，2#和3#点位处的稳定性较好。结合三个点位的位移变化规律，可认定为边坡目前处于平稳状态，但若变形趋势继续增大，则需加强对1#监控点的观察，并对其进行一定程度的预防。该监测技术可以很好地反映出边坡的真实状况，可实现对边坡变形的实时监测、预测和预报。

2.3  光纤传感技术

光纤传感技术是一种新型传感技术，将传感与传输集为一体，即以光作为传感介质，光纤作为传输通道，其工作原理如图8所示。当作用于光纤的外界参量（如应变、温度、压力、电场、折射率等）发生变化时，传输光的特征参量（如强度、相位、偏振态、频率、波长）也会随之变化，基于此原理可以获得外界被测参量的信息[9]。光纤传感器具有许多独特的优点，如小巧、精致、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、稳定性好、可重复使用以及可实现远程传输等，因此在土建和交通领域得到了广泛的应用。

光纤传感设备满足铁路边坡监测的要求，常用来监测铁路边坡变形情况，目前主要用于边坡的深层变形和地表变形监测。

2.3.1  边坡深部变形监测

边坡深部变形滑移是衡量边坡稳定性和变形程度的重要指标，它不仅可以帮助我们更好地理解边坡变形的机制，还可以及时给出预测和灾害预警。

三峡大学的万华琳等人[10]基于微弯机理研发了强度调制光时域反射（OTDR）技术，以有效监测边坡深部变形。他们把光纤安装在测斜管上，然后把它们插进深部，这样就可以观察到边坡深部变化对光纤造成的影响，从而确定深部变形的位置及其变化幅度。

随着监测技术的不断更新，有越来越多的学者开始利用BOTDR技术和钻孔测斜管来检测和跟踪边坡的深层位置。南京大学的刘杰教授等人[11]针对这个技术做了相关试验，他们把传感器安装在测斜管的表面，然后利用BOTDR技术来测量传感器的应变分布，获取边坡深层位置的数据，从而对该区域的情况进行实时、准确的监控。裴华福教授和他的团队采用相似的埋设方法，通过FBG技术测得边坡深部土体滑移位移，据此判断边坡是否稳定。

2.3.2  边坡地表变形监测

采用分布式光纤传感和光纤光栅传感技术，可以更加准确地检测到边坡坡面的滑移、崩塌、变形，有效评估边坡的稳定性和安全性，从而进一步保障边坡的安全。

南京大学隋海波等人[12]开发了全新的BOTDR技术，用来实现对边坡的实时监测。他们通过把传感器安装到边坡的不同部位（比如边坡顶部、边坡坡脚处、边坡中部）来实现对边坡的实时监控。这种技术可以有效地控制边坡的变化，还可以帮助边坡建造者管理边坡的稳定性。随着边坡的不断改变，表层岩石和土壤的稳定性受到影响，加之框架结构的变形和裂缝的存在，使得传感器的测量能够更加准确地反映出边坡的实际状况。

中国地质大学的史彦新等人[13]开展了一项重大的研究，他们将FBG和BOTDR两种光纤传感技术有机地结合，以更加精确的方式监测边坡变形。FBG的监测精度较高，而BOTDR可以进行分布式监测，两者相结合可以获取更加全面的坡面整体变形信息，且能够更加准确地检测出关键部位的变形情况。

总之，边坡深部变形和地表变形是影响边坡稳定性的两个重要因素。传统的光纤传感技术可以有效检测出边坡深部变形，它们通过将光纤光栅粘贴在测斜管上，并计算出相应的应变值，从而精确地估算出边坡的滑动位移。

此外，利用光纤传感技术研发了光纤倾角传感器，优化了它的整体结构，采用具有更窄反射光谱带宽的光栅以及灵敏度更高的光纤白光干涉型元件（F-P腔），目的在于提高倾角传感器的灵敏度、精确度和分辨率，同时改善其迟滞性、重复性、线性度等性能，不仅可以满足铁路边坡变形监测的技术要求，还能满足其长期实时监测的需求。

光纤倾角传感器是一種新型传感器，具有体积小、精确性好的优点，能够抵御外界电磁波和化学污染，能够适应多种恶劣的环境。这种传感器的出现，使倾角传感技术得到了快速发展，逐渐应用于许多行业。光纤倾角传感器能够根据倾斜情况，将倾角角度传递给传感器，产生相关的应力和位置，最终产生相应的光信号，完成倾角真实数据采集。目前，光纤倾角传感器广受研究者的关注，特别是光栅类传感器。光纤光栅承担负荷的方式有两种：一种是通过拉伸或挤压产生承担负荷的应力；另一种是通过与敏感机械部分相连产生承担负荷的应力。

2.3.3  光纤传感技术应用实例

2020年9月，陕西省咸阳市泾阳某矿山的边坡，由于受雨水的影响，边坡顶部出现了垮塌和掉块的现象，为了确保边坡的安全，在10月份采用OMMS监测系统进行了全面的监测。

在OMMS监测系统中，传输单元选用普通单G.652光纤，传感单元选用特制光纤传感器串，以确保测试系统的准确性和可靠性。在边坡顶部稳定区域的土体内部开凿出四个大小为90 mm、深度约为2 000 cm的小洞，然后将光纤监测管垂直安置在这些小洞中，并用混凝土将其密封[14]。

OMSS监测系统不仅能实时监测地面上部、下部的变动情况，还能及时监测边坡内外裂缝情况，对边坡失稳、崩塌、滑坡等破坏起到很好的监测预警作用。该系统在监测过程中，对传感器收集的信号进行解调处理，转换成应变信息，通过4G卫星传输到公共云端，经云端数据处理和分析后，借助企业微信管理平台将警报信息实时发送到每个巡查者的手机上，以便巡查者及时发现紧急情况并做出相应的处理。

为了更好地监测边坡深层位置的变化情况，我们在顶部平台上安装了JCK1和JCK3光纤监测管，而在中部平台上安装了JCK2和JCK4测斜管。通过测量发现，2组探测管测量到的边坡深层位置的变形分布情况十分相似，它们都随着测斜管的埋深而逐渐收敛，最终保持稳定，如图9所示。根据所获取的监测数据，可以得知这一过程的变形趋势比较平稳，其增长趋势并不明显，加上此处边坡坡度较浅，因此可以认为边坡的稳定性较好。

2.4  MEMS传感技术

2.4.1  MEMS传感技术简介

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微机电系统，指尺寸小至几毫米的高科技装置，可批量制作，是一种将微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信和电源等融为一体的微型器件或系统[15，16]。

MEMS的工作原理，是通过微传感器将从外部接收到的数据信号转化为光信号，在经过工艺数据处理后由微执行器完成计算，从而实现与外界环境的“互动”。MEMS技术能够提供精确的数据，包括加速度、角速度和角度。对传感器获取的数据进行预处理和计算，能够获取位移的时程曲线[17]。使用最优解能够消除计算过程中的偏差，从而获取准确的数据，如图10所示。

边坡主要是在水平方向发生形变，无须考虑边坡沉降的情况，所以基于MEMS加速度传感器设计了深部位移模块中的位移信息采集单元（阵列式位移计）。选择重力加速度作为测量基准，通过测得的三轴加速度与重力加速度的三角函数关系，得到各轴与水平方向的夹角大小，再根据数学公式计算位移值，从而完成水平位移竖向分布的位移采集模块。MEMS阵列位移计采用先进、高精度的三维测量技术，同时采用一组先进的微电子机械系统，以及经过严格验证的计算程序，可以精确地测量出物体的三维变形。

通过安装多枚MEMS传感器，不仅能够准确地检测出滑坡发生之前的地质状态，还能获取滑坡发生期间的地质结构变化，从而更好地理解地质结构的变化规律，为深度学习和安全评估提供重要的参考依据。

2.4.2  MEMS传感技术应用实例

以某大型抽水蓄能电站为研究对象，该电站水工建筑物安装有多种监测仪器和监测设施，其中包括边坡深层位移监测设施[18]。使用人工方法进行监测有很多不足之处，如监测中间环节过多、监测点位移难以测量、监测实时性较差等，这些都会导致测量结果存在较大的差异，从而影响对边坡稳定性的判断。因此，为确保电站的安全运行，在对该电站西外坡存在的f207、f212断层进行监测时，深层位移监测数据的准确性至关重要。根据IN5测点的历史观测资料，可以发现该测点的变形特征非常明显。经过现场考察，决定在该测点建立一个基于MEMS传感器的内外一体化变形自动监测系统。

采用ADM系列MEMS加速度传感器进行边坡深部位移监测，采用DT100型GNSS设备进行表面位移监测，将两者的监测数据进行对比分析，结合地表和地下监测实现IN5区域一体化自动监测，从而更好地反映边坡的变化情况，测站模型如图11所示。

在同一点位上，将以往活动测斜仪采集到的数据与一体化监测装置获取到的数据进行比对，验证该装置在边坡变形监测中的有效性和可靠性，将2018年6月20日至2020年6月20日期间数据、2021年7月至2021年8月期間数据进行对比，对比结果如图12所示。

通过比较分析两者位移变化情况，可以发现深度越大曲线的分布特点就越相近，关联性越强，且边坡内部三维变形轨迹的波动规律合理，因此可以认为MEMS加速度传感器与GNSS设备组成的自动化监测设备可以全面监测边坡坡体状况。另外，将边坡坡面和内部变形情况结合分析、校准，可全面掌握边坡变形的实际状况。

2.5  多源信息融合技术

2.5.1  多源信息融合技术简介

多源信息融合是指在一定的准则下，将计算机从不同来源和不同时间获得的信息进行处理分析，从而获得有效预估和决策。在多传感器监测系统中，信息融合技术可以综合各类传感器的信息（打破单类传感器的局限性），然后对这些信息进行整合分析，通过信息之间的互补和冗余得到对事物的完整描述[19]。采用基于此技术的多源信息监测系统进行监测，可以在很大程度上提高该系统的可靠性、准确性，从而使整个系统变得更加智能化。

2.5.2  多源信息融合技术应用实例

以某型飞机疲劳试验为例，采用一套完整的多源信息实时监控系统进行监测，将某段试验视频监控数据与试验载荷施加数据进行数据融合，在此基础上完成试验。

对试验重点区域进行整体布局，在试验中心位置布置一台全景相机，再在四周均匀布置多台高清摄像机，这样不仅可以实时监测现场场景变化，还可以满足整机强度试验作业和安全管控的需求。由这些监测相机构成一个三维立体监控方案，可以全面监测到试验区域状况，为后面的试验决策提高有效且可靠的数据支撑。

结构传载路径是进行飞机结构设计时需要考虑的重点，需要对结构传载路径上的关键部位（如机翼主梁、翼身连接区域等）进行全程监控[20]。

所监控的关键信息主要包括三种数据信息，分别是载荷施加数据、应变测量数据、位移测量数据，本次研究将载荷施加数据作为试验对象，依据试验机结构分区建立载荷数据和视频监控数据的关联模型，进行相应的分析。

3  结  论

在铁路边坡监测工作中，采用北斗定位技术、光纤传感技术、LiDAR技术、MEMS传感技术等新型自动化技术，不仅可以保证边坡监测工作的顺利进行，还能够保证边坡监测结果的可靠性和准确性，可在一定程度上保障铁路的运行安全。

通过对边坡进行监测，可以掌握边坡的真实状况及其稳定性，不仅能够保证工程项目安全开展，还可以为指导施工、优化设计提供依据，帮助我们降低事故风险，把因边坡失稳而造成的损害降到最低。

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作者简介：张成雷（1982.04—），男，满族，辽宁锦州人，高级工程师，本科，研究方向：公路与铁路工程的施工与管理；汪振众（1987.07—），男，满族，辽宁鞍山人，中级工程师，本科，研究方向：公路与铁路工程的施工与管理；张国建（1997.09—），男，汉族，吉林松原人，助理工程师，研究方向：公路与铁路工程的施工与管理；通讯作者：高幸（1997.05—），男，汉族，辽宁昌图人，助理工程师，研究方向：公路与铁路工程的施工与管理；刘卫东（1979.06—），男，汉族，辽宁凌源人，中高级工程师，本科，研究方向：公路及铁路工程施工技术与管理；石海龙（1988.02—），男，满族，辽宁沈阳人，工程师，本科，研究方向：道桥施工。