一年前的北京延庆海坨山，冰雪小镇正在施工。

基坑回填的过程中，“小蘑菇”突然发出红色警报！经过现场勘查和数据分析，技术人员发现基坑和旁边山上的工地产生交叉作用，存在安全隐患。施工单位马上改变施工方法，最终化隐患于无形。

立了大功的“小蘑菇”名为微芯桩，是中关村智连安全科学研究院（以下简称“智连安全研究院”）设计研发的一种智能传感器。它配合安全态势天地感知网，能够24小时实时监测周边山体的安全情况，在形变发生前就做出预报。

北京冬奥会延庆赛区地质条件复杂。特别是国家高山滑雪中心所在的小海陀山南麓，很多施工点位紧邻山体，大型机械施工会扰动地质结构，极容易导致落石、滑坡等现象——这正是微芯桩大展身手的场所。

谢谟文向南方日报记者介绍微芯桩和安全态势天地感知网。 

智连安全研究院院长、北京科技大学教授谢谟文在接受南方日报、南方+记者专访时介绍，在延庆赛区的建设过程中，红色级别的安全预警，微芯桩发出过三次，每次都是精准预测。而在冬奥期间和赛后，微芯桩仍会坚守岗位，守护冬奥赛场环境安全。

采样频率每秒千次，异常信号自动分析

微芯桩能够采集振动、倾斜、倾向、加速度等多种监测数据。谢谟文介绍，微芯桩的采样频率可高达1000Hz。“也就是每秒1000次不停地采集数据。做到实时采集，才能做好安全预警。”

在中关村智连安全科学研究院的办公室，南方+记者见到了几种型号的 微芯桩产品：圆柱体约二十厘米高，外壳是有机玻璃，里面有大面积的太阳能电池板。

它们都处于实时工作状态。记者轻点“小蘑菇”，瞬间监控系统警报声响起：“警报，警报！”——这是模拟振动。无论动作如何轻柔，只要触碰，就会报警。

微芯桩。 

微芯桩的预警分为蓝、黄、橙、红四个层级，严重程度依次递增，但并不是所有异常数据都会成为最终的预警信息。谢谟文介绍，传感器采集到的异常振动、位移等参数，一部分属于“噪音”，并不能说是安全隐患。

谢谟文说：“这个传感器最大的特点，就是把智能感知和后台的人工智能分析相结合。”测得异常信号后，1秒钟之内，传感器自动通过专业数学预警模型进行分析，确定是否把预警等级升级。“如果模型判断没什么问题，那就把这个信号直接内部消化掉。”

当然，“内部消化”不代表这些信号没有意义。对于蓝色等级的预警，技术人员在2小时之内做出综合分析；而一旦超过报警阈值、触发红色预警，则要 “先通知后分析原因”：一方面通知施工方和业主方采取紧急措施，与此同时后台技术人员要在5分钟内反馈警示原因。

前后方联动，确保了对于安全问题的不遗漏、无疏漏。谢谟文不无自豪地说：“我们服务了500多个工程，没有漏掉任何一起（安全隐患）。在延庆赛区的建设过程中，我们共发出过三次险情预报，每次都是精准预测。”

除了得益于高采样频率和预警模型，微芯桩的布设位置也影响其效果。

在延庆赛区，地质条件十分复杂。“我到现场去看，整个勘探了好多遍，发现了各种各样危险的地方。”在与施工单位沟通后，谢谟文团队在高山滑雪场、雪车雪橇中心、冰雪小镇、冬奥综合管廊及松闫路周边布设了近百个微芯桩，它们分布在雪车雪橇中心附近的斜坡支护结构上、冰雪小镇基坑抗滑桩及其上部土体上、松闫路旁的边坡上……

这其中不少地方是维护人员难以到达的险峻之处。为了能够长时间工作，微芯桩的有机玻璃外壳内布置了大面积的太阳能电池板，同时内置电池，双电系统保证了微芯桩的长续航。“在延庆布置的微芯桩，两年时间从来没有换过电池。现在电量都在80%以上。”谢谟文说。

捕捉“动”，解读“动”

振动无处不在，微芯桩捕捉的就是“动”。

“物体每时每秒都在振动，我们的地球、房屋也在动。”谢谟文说，“振动特征实际上反映了物体的质量、刚度和它内部的损伤状态。”

但是解读“动”并不容易。哪些“动”是正常的，哪些“动”是危险的，需要理论支撑。谢谟文告诉南方+记者，无论对于边坡、建筑还是桥梁，常规的监测理论基础都是基于“静力学”，“但力是会动的”。

谢谟文随手拿起一个玻璃杯，从桌子中间移动到桌子边缘：“杯子在中间和边上，都是平衡的，但这两个平衡是完全不一样的，你怎样去描述这些不同的平衡？这是静力学解决不了的。”

从2005年起，谢谟文团队融合了静力学、动力学和运动学理论，提出边坡失稳动力学理论，构建了边坡失稳早期预警理论体系及模型，由此解决了边坡灾害无法早期预警的技术难题。

所谓“失稳”，通俗地讲就是坍塌。这一理论体系最初是用动力学理论来描述边坡的稳定性状态，之后广泛应用于建筑、脚手架、桥梁、隧道的安全监测等等。

根据这一理论，滑坡体原来跟周围的山体本是一个整体，与地表“同频共振”，而当振动特征发生改变，就会产生形变；若达到临界点就会造成滑坡。

“从地质学时间上看，边坡失稳后总是要塌的。”谢谟文说，而具体到延庆赛区，我们需要保障安全，就需要捕捉“失稳”前的某些迹象。

边坡失稳，前要经历振动变化、形变、位移等过程。“如果发现振动跟原来不一样了，就可能存在内部损伤，这时候我们就要介入了。如果等到发生形变再介入，那就危险了。” 谢谟文说。

他总结道，过去地质灾害监测是测量形变，而微芯桩通过对“动”的测量，能够在灾害孕育时就察觉到危险，在振动突变的阶段就“拉响警报”，防患于未然。

冬奥赛场外大显身手

延庆赛区的成功应用成了微芯桩的招牌，但它的应用范围远不止于冬奥会。

谢谟文表示，在水库大坝、地质灾害、建筑、桥梁、隧道等领域，都可以用微芯桩。这一系统已经多次在一线“立功”，赢得“侦察卫士”的美誉。

工作中的微芯桩。 受访者供图

谢谟文回忆，2018年6月19日14时40分，在四川大渡河猴子岩水库，处在滑坡后缘的2号微芯桩连续发生较大振动并发出预警，“当时我刚好在现场，随后立即通知现场值班人员封锁道路，全体人员撤离。约30分钟后，发生了山体滑坡，大量巨石滚落。这次，‘侦察卫士’又立功了。”他介绍，2018年、2019的两年时间里，大渡河猴子岩库区的预警系统，成功预警避险滑坡8次，预警成功率达100%，确保了丹巴70万人交通要道的通畅和安全，以及坡下3000名施工人员的安全，并保证高峰期2万辆车的顺利通行，为水电站及周边带来了巨大的社会及经济效益。

工作中的微芯桩。 受访者供图

2020年在广东省梅州市兴宁市先声村，因居民在原始山体大规模削坡建房，住宅紧邻坡脚，距离最近处约3米，而且边坡没有任何支护措施，山体局部明显变形，存在大量裂缝。微芯桩于4月24日早晨监测到倾角监测数值超过报警阈值，发出红色警示信息，两小时后该边坡发生局部垮塌。由于预警及时，现场没有造成人员伤亡和财产损失。

除了通过4G、窄频互联网等传数据外，微芯产品还可以在网络不畅的情况下，通过北斗导航卫星的短报文功能应急传输数据。

谢谟文介绍，微芯桩产品及其背后的边坡失稳早期预警理论体系及模型，已达到国际领先水平。智连安全研究院日前与日本方面也签订了协议，将整套机制出口日本。

对于这一系统未来的发展，谢谟文有很多畅想。他介绍，目前的微芯桩重量不到1公斤，里面有1000多个元器件。“下一步要把它们集成再集成，目标是将元件集成到3-4个，甚至最后集成于一体。”

谢谟文说，随着集成度提高，这一系统的体积和价格都会大幅下降，“我的理想是任何物体都可以装上它。比如门上、玻璃上，这会让生活更加安全。”

【策划】黄灿 陈志

【统筹】胡念飞 刘江涛

【记者】王诗堃 刘长欣 实习生陈闫龙雨