宜萬鐵路危巖落石及風險隧道內(nèi)溶腔視頻監(jiān)視系統(tǒng)工程設(shè)計研究

周 偉

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司通號處，武漢 430063)

1 宜萬鐵路視頻監(jiān)視系統(tǒng)概述

1.1 項目背景

宜萬鐵路地處鄂西山區(qū)，處于云貴高原區(qū)與長江中下游平原區(qū)的接合部，穿越巫山山脈，地質(zhì)地貌復雜，巖溶、順層、滑坡、斷層破碎帶和崩塌等主要不良地質(zhì)現(xiàn)象分布廣泛，全線山高壁陡，河谷深切，許多路段的鐵路處于巖溶隧道內(nèi)，且兩側(cè)邊坡陡峭，土質(zhì)多樣，易發(fā)洪水、滑坡和泥石流等自然災害。為了防止這些自然災害沖毀鐵路，威脅鐵路運輸和人民生命財產(chǎn)安全，造成重大的經(jīng)濟損失和安全事故，在這些路段建造了鋼筋混凝土堤壩和排水洞進行了加固和疏導，并在鐵路兩側(cè)配以防護網(wǎng)，以防山上落石對鐵路造成破壞，同時為了防患于未然，有必要對堤壩、排水洞和防護網(wǎng)安裝安全監(jiān)測報警系統(tǒng)。鑒于對監(jiān)測系統(tǒng)有效性、準確性和長期工作的穩(wěn)定性要求，系統(tǒng)采用了高性能的視頻監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)進行實時監(jiān)測和預警。

1.2 視頻監(jiān)視技術(shù)概述

視頻監(jiān)視技術(shù)主要實現(xiàn)危險地段視頻監(jiān)視圖像的監(jiān)測、錄制、報警、復核功能，同時能對報警圖像進行存儲、查詢、遠程調(diào)閱等功能。

本視頻監(jiān)視子系統(tǒng)方案主要實現(xiàn)在本項目中監(jiān)測點光纖光柵探測器發(fā)生報警時，通過調(diào)用視頻監(jiān)視圖像進行災情確認功能，同時能將報警圖像進行存儲、查詢、遠程調(diào)閱等功能。

通常攝像頭覆蓋整個被監(jiān)視區(qū)域進行全方位攝像，當前端光纖光柵探測器發(fā)生報警時，將聯(lián)動攝像機鏡頭對準報警區(qū)域，同時在監(jiān)視系統(tǒng)軟件中彈出報警區(qū)域的實時視頻圖像或?qū)缶瘏^(qū)域的實時視頻圖像切換到指定的監(jiān)視器上，工作人員可以控制攝像機對報警區(qū)域進行視頻圖像復核，判別警情，以便采取進一步的安全防護措施。

2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的選擇

系統(tǒng)采用以視頻編解碼器為核心的數(shù)字視頻監(jiān)視系統(tǒng)。監(jiān)控前端主要由攝像機及設(shè)備箱、編碼器等主要設(shè)備組成。視頻采集點的視頻信息，經(jīng)編碼器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換、壓縮編碼后，通過通信MSTP傳輸平臺或光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺傳送到視頻監(jiān)視中心。

視頻監(jiān)視中心是視頻監(jiān)視系統(tǒng)的管理中心，負責整個視頻監(jiān)視系統(tǒng)中監(jiān)視設(shè)備及傳送網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理和調(diào)度，具有系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、事件錄像管理、視頻流組播/分配管理、用戶鑒權(quán)管理、監(jiān)控及報警信息統(tǒng)計、報表生成等功能，同時實現(xiàn)和其他相關(guān)應用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互功能。

2.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心系統(tǒng)通過各個架設(shè)在高巖邊坡段、溶洞內(nèi)的攝像機，將現(xiàn)場的視頻集中傳送到監(jiān)控室，工作人員不用親臨現(xiàn)場，在監(jiān)控室中就能同時對各前端現(xiàn)場實時查看。當前端光纖光柵探測器發(fā)生報警時，工作人員可以控制攝像機對報警區(qū)域進行視頻圖像復核，判別警情，以便采取進一步的安全措施。

監(jiān)控中心配置存儲服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、電視墻服務(wù)器、電視墻(大屏)等設(shè)備。

2.3 車站分控中心

分控中心一方面監(jiān)控本站所轄管各高巖邊坡段及溶洞的水流量情況，另一方面和中心聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息共享。分中心操作權(quán)限低于一級中心，根據(jù)權(quán)限設(shè)置，可監(jiān)控全部或管轄內(nèi)的視頻點，每個分中心配備1臺視頻監(jiān)視工作站和圖像顯示設(shè)備。

2.4 前端監(jiān)控設(shè)備

前端監(jiān)控設(shè)備主要實現(xiàn)視頻圖像的采集功能，同時考慮設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性及可擴展性。

3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 視頻監(jiān)視設(shè)備選型

(1)攝像機

宜萬線地處山區(qū)多霧，攝像機無法穿透云霧監(jiān)視，對可視距離會產(chǎn)生一定的影響。為了避免影響鐵路行車，鐵路沿線紅外燈需要采用940 nm波長，監(jiān)視現(xiàn)場夜晚無輔助光源，攝像機紅外可視距離一般多在100 m范圍以內(nèi)。因此在宜萬線特定條件下，監(jiān)視范圍以容易突發(fā)危巖落石的隧道口鐵路軌面100 m范圍為主，兼顧落石邊坡的監(jiān)視。在全線11處隧道口監(jiān)控點共設(shè)置26套前端監(jiān)視設(shè)備。

溶洞內(nèi)視頻監(jiān)視環(huán)境惡劣，常年潮濕陰暗，在隧道內(nèi)設(shè)置長明燈作為輔助照明，攝像機采用彩轉(zhuǎn)黑防爆攝像機。在全線6處隧道內(nèi)泄水洞監(jiān)控點共設(shè)置6套前端監(jiān)視設(shè)備。

(2)視頻編碼器

視頻編碼器作為本系統(tǒng)的核心信號處理設(shè)備，對攝像機采集的模擬視頻信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、壓縮編碼。

(3)防雷器

為保證視頻設(shè)備的安全性和可靠性，各監(jiān)控點均配置三合一防雷器，對視頻信號、RS485控制信號、電源進行防浪涌保護。

(4)設(shè)備箱

攝像機可安裝在沿線既有建筑物上，如GSM-R鐵塔等，無可利用建筑物時需架設(shè)5 m立桿，并做好接地與防雷處理。

(5)立桿

設(shè)備箱安裝在立桿上或業(yè)主方指定位置，配鎖匙或扳手等安全措施，同時考慮防水、防塵和昆蟲的侵入，以及防嚙咬措施。

(6)傳送網(wǎng)絡(luò)

宜昌至涼霧段利用傳輸系統(tǒng)的MSTP業(yè)務(wù)，在各監(jiān)視點附近的基站提供視頻監(jiān)視系統(tǒng)的傳送平臺接入。涼霧至萬州段視頻信號傳輸通道利用沿線敷設(shè)光纜解決，敷設(shè)單模通訊光纜建立IP傳輸光纖網(wǎng)絡(luò)。

3.2 系統(tǒng)功能

視頻監(jiān)視功能，系統(tǒng)能對各高巖邊坡監(jiān)控點進行實時視頻圖像的監(jiān)控。

PTZ控制功能。視頻客戶端可根據(jù)權(quán)限控制云臺的旋轉(zhuǎn)角度，攝像機的光圈大小、聚焦程度、加熱開關(guān)、雨刷開關(guān)、變倍程度、照明開關(guān)等。

報警聯(lián)動功能，實現(xiàn)報警時的視頻圖像復核功能。

支持B/S或者C/S系統(tǒng)訪問方式。

權(quán)限管理功能，各操作員可以在自己權(quán)限內(nèi)調(diào)用圖像和修改系統(tǒng)設(shè)置。

自動檢測系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)。

分組同步切換功能，可動態(tài)地設(shè)置和任意組合攝像機及監(jiān)視器的顯示關(guān)系，將任意攝像機的視頻信號切換到任意顯示器上顯示。

能夠?qū)λ鎯Φ谋O(jiān)視圖像進行檢索和回放。

3.3 防雷接地

宜萬鐵路防災視頻監(jiān)視系統(tǒng)因地質(zhì)環(huán)境和安裝環(huán)境因素，對防雷接地要求就比較嚴格。

(1)防雷解決方案

監(jiān)控設(shè)備所遭受的雷擊主要存在兩種形式:直接雷擊和感應雷擊。

直接雷擊:雷電直接擊在室外監(jiān)控設(shè)備上造成設(shè)備損壞。

感應雷擊:由靜電感應和電磁感應造成，產(chǎn)生的感應過電壓通過電源線、信號線、視頻線、傳輸電纜侵入設(shè)備，造成電位差使設(shè)備損壞。

為避免直接雷擊，室外攝像機設(shè)備新立桿安裝避雷針。而對于感應雷擊，采取以下措施。

①室外監(jiān)控攝像設(shè)備線纜引上時采用金屬管屏蔽，所有線路(如電源線、視頻線、信號線和云臺控制線)安裝相應的防雷器。

②室外監(jiān)控攝像設(shè)備采用就近設(shè)置接地方式，接地電阻原則上小于4 Ω。

③距離鐵路線20 m范圍內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備納入鐵路沿線既有的貫通地線系統(tǒng)。

室外光纜引入室內(nèi)時對金屬外護套進行隔斷，電纜引入室內(nèi)時金屬外護套進行接地，同時通過UPS設(shè)備所帶的防雷器進行防雷。

(2)其他注意事項、維護要則

①防雷設(shè)計應在認真調(diào)查地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電活動規(guī)律以及被保護物的特點等基礎(chǔ)上，詳細研究防雷裝置的形式及其布置。

②在具體工程中，防雷設(shè)備安裝位置及設(shè)備選型均應由專業(yè)人員根據(jù)實際情況選定。

③應采用技術(shù)和質(zhì)量均符合國家標準的防雷設(shè)備、器件、器材，避免使用非標準防雷產(chǎn)品和器件。

④避雷針體、避雷帶、支架、接地引下線、接地體、連接線等部件，均應采用熱鍍鋅等方法，有效防止銹蝕。

⑤應定期檢查防雷器的使用情況，發(fā)現(xiàn)有損壞、老化的情況應及時更換。

4 視頻監(jiān)視系統(tǒng)施工安裝與調(diào)試

4.1 隧道口監(jiān)視設(shè)備安裝

本項目隧道口視頻設(shè)備主要是對高巖邊坡路段進行監(jiān)控，由視角、安全性以及光源等因素選擇合適安裝地點。對接地要求為接地地阻小于或等于10 Ω，利用信號貫通地引入設(shè)備箱。設(shè)備選型方面，對于像柿子口大橋處以及五爪觀隧道處高陡邊坡，由于邊坡高度以及寬度方面要求較高，系統(tǒng)采用安裝派爾高云臺攝像機，仰角可以達到垂直最大-75°～+75°。還有像紅外燈，由于鐵路特殊環(huán)境，不能選用傳統(tǒng)850 nm技術(shù)(有可見紅光)，該系統(tǒng)選用的為950 nm技術(shù)紅外燈，但是功率方面因技術(shù)因素原因肯定不如傳統(tǒng)已經(jīng)成熟應用的850 nm技術(shù)紅外燈。

①柿子口大橋處(高陡邊坡):堰灣一號隧道口和堰灣二號隧道口壁裝。

②五爪觀隧道進口(高陡邊坡):利用直放站兩邊壁裝。

③堡鎮(zhèn)隧道出口(沖溝):隧道口立桿柱裝。

④高陽寨隧道出口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑤龍麟宮隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑥馬鹿箐隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑦齊岳山隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑧關(guān)倉坪隧道出口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑨羊子巖隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑩打子坪隧道出口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

?廣成山隧道出口(高陡邊坡):利用直放站兩邊壁裝。

?廟埡口隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

以上為各監(jiān)控終端安裝方式。

4.2 隧道內(nèi)監(jiān)視設(shè)備安裝

本項目隧道內(nèi)視頻設(shè)備主要是對隧道內(nèi)溶腔、平導以及排水洞進行監(jiān)控，由視角、安全性以及光源等因素選擇合適安裝地點。對接地要求為接地地阻小于10 Ω，利用信號貫通地引入設(shè)備箱。設(shè)備選型方面，應用的為一體化防爆云臺攝像機，設(shè)備箱選用的也采用防爆技術(shù)。光源方面，選用安裝照明燈以及加裝紅外燈方式。

①龍麟宮隧道內(nèi)(巖石溶腔):溶洞里面立柱裝。

②云霧山隧道內(nèi)(排水洞):防堵墻壁裝。

③馬鹿箐隧道內(nèi)(排水洞):溶腔壁裝。

④大支坪隧道內(nèi)(平導):溶腔壁裝。

⑤野三關(guān)隧道內(nèi)(排水洞):防堵墻壁裝。

⑥齊岳山隧道內(nèi)(平導):溶腔壁裝。

其中，為了使龍麟宮隧道DK231+796溶洞視屏監(jiān)控有更廣闊的視野，盡可能地避免受溶洞內(nèi)石堆及既有立柱的影響，通過現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合視屏監(jiān)控設(shè)備的性能，在該溶腔內(nèi)增設(shè)2個3 m高的視屏底座，將視屏設(shè)備放置于底座之上。安裝位置參見龍麟宮隧道溶洞內(nèi)視頻設(shè)備安裝示意(圖1)。

4.3 綜合工區(qū)設(shè)備安裝

為保證視頻設(shè)備的安全性和可靠性，在綜合工區(qū)監(jiān)控中心，設(shè)置3臺服務(wù)器以及1臺客戶端服務(wù)器。

圖1 龍麟宮隧道溶洞內(nèi)視頻設(shè)備安裝示意

服務(wù)器功能分別為中心管理平臺，流媒體轉(zhuǎn)發(fā)平臺以及視頻存儲單元，還專門提供1臺磁盤陣列(200T海量存儲)，對視頻數(shù)據(jù)進行安全、不間斷以及批量的處理。由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)量巨大的視頻信號，而且還有擴容方面的需求，所以對網(wǎng)絡(luò)要求也很高，網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量對圖像的畫質(zhì)、存儲錄像以及攝像頭控制影響很大。

4.4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分2步進行，終端設(shè)備處在安裝施工過程中進行現(xiàn)場調(diào)控，主要是檢查現(xiàn)場光電纜是否接通以及測試設(shè)備的運行狀況、調(diào)整攝像的角度、設(shè)置設(shè)備參數(shù)。設(shè)備的現(xiàn)場安裝調(diào)試完成后，到綜合區(qū)進行全局聯(lián)網(wǎng)調(diào)試，主要是安裝視頻系統(tǒng)軟件，測試網(wǎng)絡(luò)是否通暢，能否接受到遠程圖像以及遠程操控攝像機，并設(shè)置軟件參數(shù)和用戶權(quán)限，以實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計要求的所有功能。

5 結(jié)語

在當今航空、公路運輸高速發(fā)展的今天，鐵路運輸仍然是我國國民經(jīng)濟的命脈，保障鐵路運輸?shù)陌踩哂兄卮蠼?jīng)濟效益和社會效益。通過遠程視頻監(jiān)視系統(tǒng)的使用，可以有效提高我國山區(qū)鐵路預防減災的效果，使安全監(jiān)測報警技術(shù)上升到一個新的臺階。宜萬鐵路已于2010年12月開通，危巖落石及隧道內(nèi)溶洞視頻監(jiān)視系統(tǒng)運行穩(wěn)定，為宜萬線的安全運營發(fā)揮了一定的作用。防災落物及溶洞視頻監(jiān)視系統(tǒng)，具有較強的綜合性、復雜性和代表性，通過對安防監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控鐵路沿線風險隧道解決方案的一些要點的探討，闡述對防災視頻監(jiān)視問題的一些看法和有限的經(jīng)驗，期待行業(yè)同仁給予批評指正，共同完善、豐富視頻防災技術(shù)，宣傳、推廣更加合理、準確的視頻防災方案，更好地解決社會上的鐵路防護問題，有效達到減災目的。

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