2022-08-09 21:43:07 作者：華南

北京市延慶區松閆路佛峪口水庫大壩段，是通往冬奧會核心區的一條重要通道。這段17.7公里的公路，是除京禮高速外唯一進出延慶賽區的地方道路。松閆路依山體而建、蜿蜒曲折，它的安全是延慶賽區對外聯絡關鍵一環。

延慶區地質條件整體穩定，但松閆路道路兩側緊挨山體，如果有山石滾落或土壤松動，就會對車輛通行造成安全隱患。

現在，這種隱患正被消除在萌芽狀態。在松閆路佛峪口水庫大壩段，大大小小的圓圈與鋼絞線組成的簾式網，猶如巨型幕布結實地扎在邊坡上。邊坡中上部，一個個半圓柱體的“小蘑菇”，外面罩著透明有機玻璃罩，被“種”在路邊山體坡邊上。三個“小蘑菇”一組，作為監測儀器，實時監測佛峪口水庫大壩上方邊坡隱患的安全穩定性。

“這些‘小蘑菇’叫微芯樁，它們和一桿式采集測站、數據服務平臺及手機客戶端組成自動化邊坡安全監測預警系統，對邊坡危險巖石的振動、傾向、傾角、形變等多個安全指標進行實時監測?！北本┲嘘P村智連安全科學研究院院長，北京科技大學土木與環境工程學院教授、博士生導師謝謨文介紹，微芯樁智能傳感終端基于失穩動力學理論設計，采集靜態形變和振動特征等30多種參數，通過數據采集傳輸終端將數據實時傳輸至物聯網平臺，基于安全失穩模型綜合分析，實現對邊坡等巖土體的安全監測及早期失穩預警。

此前，作為2020年北京市科技計劃科技冬奧專項，自動化邊坡安全監測預警系統已在國家雪車雪橇中心斜坡風險點、崩塌風險點、冰雪小鎮基坑工程、松閆路邊坡、冬奧綜合管廊得到安裝應用。

這是智連安全團隊研發的第四代微芯樁產品，“我們對險情提前預警，為冬奧場地建設期、賽事服務期、賽后運營期提供全周期安全保障服務”，謝謨文說。從大學時邁進地質專業至今，他三十多年只做一件事，用科技向善的堅守，完成護衛更多人遠離巖土地質災害的夢想。

與災害預警結緣的青年

1981年，謝謨文走進河海大學工程地質及水文地質專業時，還不知道這個專業是干什么的。這個16歲少年高考第一志愿是另一所大學電子信息專業，“那時候很窮，覺得電子信息能搞收音機，收音機是個好東西”。

四年本科讀完，謝謨文短暫工作后，考取武漢水利電力大學巖土工程系，攻讀碩士研究生。當時正值我國重點工程葛洲壩水電站全面復工建設，清江干流梯級開發的骨干工程隔河巖水電站動工修建。按照設計，電站廠房位于右岸河灘階地上，采用隧洞引水。隧洞引水需要先開挖一條很長的導流洞，隔河巖水電站的導流洞將形成200多米的水頭，具有很大壓力。“按照現在技術，這不算什么，但在三十多年前，200多米的水頭，壓力很大、地質條件也不算好，施工單位束手無策?！敝x謨文說。

“武漢水利學院在這方面有得天獨厚優勢，施工單位找到我們的研究室做咨詢?！睂煱堰@個項目交給謝謨文，讓他帶隊處理。謝謨文帶領團隊進入隧道，實地勘察，制定解決方案。他們用當時國內一種新的方法——新奧法處理，對掌子面采取噴錨支護作業進行迅速固定，有效解決了問題。

把混凝土快速噴到隧道墻面、快速凝固、回彈小，回彈率在15%以內，在當時是一項技術創新，“我認為我們有能力處理這個事情”。初戰告捷，謝謨文更有信心。

后來，在清江隔河巖水電站，謝謨文一直干了八年，深入參與這個工程的建設?！霸诮ㄔO關鍵期，施工面臨一個難題，四條引水洞之間間隔距離短、墻面薄，而且引水還會造成壓力，如何快速、安全地打通引水洞？各方爭論不已?！背醭雒]的謝謨文，仔細研究后，提出自己的設想，用動力學方法分析隧道的振動，通過控制巖石的動力平衡實現四條引水洞同時開鑿。

施工方負責人同意這個年輕人的意見，讓他嘗試論證可行性。那時沒有電腦模擬仿真建模，回到學校，謝謨文在珞珈山下挖了個大坑，埋頭在里面做相似材料模擬實驗?！皸l件很艱苦，每一個環節都要自己動手做，一做就好幾天”。先做了1:60地質力學模型試驗，在此基礎上，謝謨文不斷推進自己的想法，最終驗證了同時開鑿四條引水洞是可行的。

伴隨著工程問題解決，謝謨文首次在國際刊物上發表論文，碩士研究生論文也已成型，主題就是“互層狀巖體中壓力隧洞洞群施工運行全過程分析”。回望那段歷程，謝謨文感慨：“搞科研時，我們在工地上，跟工人們吃住在一起，遇到危險情況，我帶頭到最前面查看?！?/span>

為了把畢業論文寫漂亮，在通行手寫論文、手繪制圖的時代，謝謨文特意買來一臺電腦，自學編程語言，電腦畫圖、打印出來。最終，這篇寫在祖國大地上的論文，被評為優秀畢業論文。

“答辯老師都是業界大咖，他們看到論文，都來問我：‘這圖是怎么畫的？真漂亮?！敝x謨文說，他自己也特別興奮，“第一次發現，計算機還能干這樣的事”。他從此對信息時代懷有別樣的期待。

碩士畢業后，謝謨文從事了10年巖土監測預警研究工作。1997年，他赴日本九州大學攻讀博士學位，并開始利用測繪地理信息技術解決地質領域問題。就這樣，謝謨文成為巖土地質界進行地理信息測繪的創先者。“與測繪領域的學者相比，我更懂巖土”，他利用這一優勢，把在國外學到的用地理信息系統（GIS）分析方法與滑坡、邊坡穩定性評價分析方法相結合，做出邊坡三維穩定性定量分析模型，論文在國際頂級專業期刊上發表，并榮獲GIS應用創新獎。時隔多年，除了發表論文的喜悅之外，寫論文的艱辛過程也給謝謨文留下深刻印象：“漢語、英語思維方式不同，那篇論文因為語法和表達問題，改了很多遍。很多看上去正確的表達，其實并不準確?！?/span>

那一年，在國內舉辦的地理信息產業大會上，謝謨文榮獲全國高校GIS創新人物獎，成為獲得這一獎項唯一一名巖土地質學者。此后，謝謨文嘗試通過遙感解譯圖片方法分析地表形狀，首次利用三維表現形式和GIS分析方法相結合，解決了真實三維遙感解譯和邊坡穩定性定量分析的問題，提出了水庫庫區大規模遙感調查的分析方法等。

2005年，謝謨文做的金沙江庫區1：5000三維地理信息系統，用情景再現式的逼真動畫效果，解決庫區地質調查“看不清，看不見”問題?，F在，這一方法已經寫入相關規范。

昔日那個喜歡電子信息、對傳感器有所研究，又攻讀地質學相關專業、了解地質災害的青年，最終在學習、科研和實踐中，將兩者“跨界”結合，融為一體。

以“動”求“穩”，預防地質災害

與物理、化學、生物等學科的定量變化不同，地質災害是“活的”。地質災害的發生總是看上去出其不意，讓人防不勝防。地災隱患在哪里、什么時間發生，是地質工作者一直致力解決的兩大核心問題，雖然經過幾代人努力，但地質災害早期預警至今仍是世界性難題。

我國地質災害多發，全國各地每年有崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等大大小小各類地質災害發生，威脅生命安全，造成財產損失。到了汛期，地災防治形勢會更加嚴峻。打通了工程地質和遙感地理信息兩個學科邊界的謝謨文，決心要在這個領域往前趟一趟。

謝謨文發現，自己和團隊早期研究的極限平衡理論不能描述邊坡從穩定到失穩的過程，也就沒辦法對地質災害實現早期預警。邊坡失穩是邊坡巖土體在內外部不利因素影響下產生傾倒、滑移或崩落等突然喪失穩定性的現象。邊坡失穩是一個從靜止到運動的過程，經歷了穩定、破裂、微動、形變、位移、加速位移到失穩破壞變化后，邊坡巖土體重心發生變化，最終造成滑坡等災害發生。分析并準確捕捉這一變化過程，能對災害提前預警。

2019年11月9日，首屆災害感知新技術國際學術研討會暨中關村智連災害感知科學研究院揭牌儀式在北京舉行。左一為謝謨文

他堅信，好用的預警系統并非來自復雜的理論，于是致力于在基礎理論中破題。牛頓第二定律描述力和運動之間的關系，這個高中物理基本知識，在謝謨文博士畢業若干年后給了他靈感和啟發。其后，謝謨文帶領團隊首次融合牛頓力學中靜力學、動力學和運動學理論，構建邊坡失穩早期預警理論體系及模型，很好地解決了邊坡災害無法早期預警的技術難題。

謝謨文一邊將水杯在沙發扶手上移動，一邊解釋：“這個水杯位移15公分還很穩定，但位移到第16公分時，卻不穩定，掉到沙發下面去了?！睘槭裁催@個水杯從1公分移動到15公分是安全的，而再往前移動1公分就會出現危險？謝謨文說，答案很簡單，水杯重心偏移發生了突變?！耙簿褪钦f，解決了‘動’的問題，才能解決‘穩’的問題?！?/span>

謝謨文（右二）在地質災害防治展會上向參會者介紹微芯樁

“因為‘地災是活的’，所以要用邊坡動力學來解決‘動’的問題。只要解決了‘動’的問題，就解決了邊坡到底用什么指標監測的問題?！敝x謨文介紹邊坡失穩動力學理論及安全度模型，講“動”與“靜”的物理原理?！斑@個原理用到滑坡體研究上也一樣，滑坡體原來跟周圍山體本是一個整體，與地表‘同頻共振’，而當振動特征發生改變，就會產生形變，若達到易滑臨界點，進而就會造成滑坡，甚至導致災害發生，這可謂‘靜為安，動則疑’?！?/span>

在這一思路指導下，謝謨文利用邊坡失穩解決地質土層“動”的問題，地質災害最核心的監測預警問題隨之迎刃而解，“微芯樁”地質災害監測預警系統的原理形成。微芯樁作為智能傳感終端，集成多組高精度MEMS傳感，將動力學特征邊緣算法、預警模型自適應融合算法植入，以每秒1000次的高頻率采集監測對象動力學和運動學指標，利用不同指標在不同失穩演化階段的敏感性及差異性，實現監測對象健康狀態診斷與失穩早期預警的融合。

但單一微芯樁監測范圍有限，在一定面積上，需要多個微芯樁分布安裝，進行實時監測和融合計算，才能得到完整的信息。“全面覆蓋、快速計算，都需要科技手段支撐，”謝謨文給微芯樁配套設計了更強大的云計算平臺——安全態勢感知平臺，作為支撐。平臺基于人工智能、大數據、云計算等技術，融合多維度微芯衛士監測數據，以AI技術為基礎，基于災害預警預測模型，快速分析地質災害安全風險等級，預測災害發生，分析成災范圍。

基礎理論作為支撐，輔以新技術的“加持”，軟件、硬件、服務于一體，能夠實現主動采集、邊緣計算、無線傳輸和實時響應這一預警過程，達到地質災害早期預警目的。

在很多場合，謝謨文這樣介紹微芯樁：微芯樁傳感和安全態勢感知云平臺共同筑起強大的安全監測分析預警能力，將各類安全參數升級為智慧決策，提供多維度的安全事件監測防控、智能分析、預測預警、統一指揮、應急處置和評估，讓安全保障管理者擁有更敏銳的洞察力、更科學的決策依據，為民眾提供自動化、全天候、全方位、智能化高精度的預警，最大程度保障人民生命和財產安全。

“偵察衛士”守護人民生命和財產安全

2017年11月18日，四川大渡河猴子巖水庫區域的安全巡視人員發現，一處庫岸山體出現變形。

專業人員隨即采用星載SAR（合成孔徑雷達）、無人機遙感、三維激光掃描及GNSS位移監測技術，對該區域進行全覆蓋式位移監測。同時，通過雷達影像、InSAR（合成孔徑雷達干涉）進行形變分析，發現滑坡體形變每天超過100毫米，并處于持續下滑狀態，存在大規模垮塌風險。根據無人機遙感獲取的滑坡區影像解譯，專業人員最終確定測得滑坡體總體積約400萬立方米。

猴子巖水電站位于四川省甘孜州康定市境內，是大渡河干流水電規劃28級開發方案中第10個梯級電站?！霸诰嚯x滑坡點下方不足15米處，就是車來車往的川西211省道，為保證人民生命財產安全，當地不得已封閉了該路段，等待滑坡體穩定再放行?！敝x謨文一位在成都勘測設計研究院工作的同學打電話向他“求助”。了解情況后，謝謨文第二天一早就趕早班飛機到成都，在滑坡現場勘測后，迅速組織安裝了14個微芯樁預警裝置，部署了預警系統。

預警系統不但實時監測，而且實時將安全警示信息發送到現場及后方相關人員手機上，以及時了解邊坡動態變化情況?！爸灰⑿緲吨笜瞬话l生突變、系統不預警，即使滑坡還在持續形變，下方道路也可以放心通行。”謝謨文說。

2018年6月19日14時40分，預警系統監測到，位于滑坡后緣的2號微芯樁連續發生較大振動并發出預警。當時謝謨文剛好在現場，看到預警后，立即通知現場值班人員封鎖道路，全體人員撤離。

約30分鐘后，山體滑坡發生，大量巨石滾落?！斑@次，‘偵察衛士’又立功了?！敝x謨文說。

此后兩年時間，安裝在大渡河猴子巖庫區的預警系統，成功預警避險滑坡8次，預警成功率100%。70萬丹巴人交通要道的通暢、坡下3000名施工人員的安全有了保障，預警系統也確保高峰期2萬輛車順利通行，為水電站帶來2.2億元經濟效益。

經過幾年技術迭代，微芯樁產品已升級到第四代，不僅越來越小巧，集成度也越來越高，傳感系列產品已達到國際領先水平，并在多項應用中成功預警。

2020年，自然資源部印發《地質災害防治三年行動實施綱要》，明確全面開展地質災害隱患識別與1∶5萬調查和風險評價，對重點地區開展1∶1萬精細化調查，查明風險底數，夯實防治工作基礎。微芯樁入選自然資源部地災普適型監測預警設備，并已在北京、湖南、貴州、四川、廣東等省、市推廣應用。

謝謨文的夢想，是打造天地一體化安全態勢感知網系統。也就是說，“將來你走到任何地方，都可以通過手機終端隨時隨地查看是否置身危險。比如站在高樓旁，系統馬上會顯示整棟樓房的安全狀態；走到山腳，能通過系統了解山體是否有地質災害危險；通過橋梁，系統也會提示這座橋的安全情況”。他坦言“這些取決于創新商業模式、技術過硬、價格夠低、產品更普適，還有很長的路要走”。讓民眾置身安全環境，謝謨文愿意為這個夢想付出全部心血，不懈努力。

編輯：海洋