基于北斗的鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

文∣楊加斌 崔高峰 趙海 李英男 王家歡 劉冠君

1.大連航天北斗科技有限公司

2.中國鐵路沈陽局集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究所

一、引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，民眾對運輸?shù)男枨筚|(zhì)量也不斷提高，保證鐵路運輸絕對安全是首要任務(wù)。鐵路沿線構(gòu)筑物受列車重載、高速運行及天氣環(huán)境的影響，邊坡、路基經(jīng)常發(fā)生滑坡、沉降[1]等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響鐵路運行安全。因此對線路邊坡、路基等構(gòu)筑物運營狀態(tài)進行全天候?qū)崟r安全監(jiān)測是維護鐵路運行安全的重要內(nèi)容。

目前鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測主要還是以人工巡檢為主，人工巡檢存在局部偏遠地區(qū)人工巡檢排查困難，監(jiān)測信息不及時、不準(zhǔn)確等相關(guān)問題。路基變形和邊坡位移監(jiān)測工作應(yīng)體現(xiàn)信息化的特色，建立實時監(jiān)測完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，形成具有信息查詢、發(fā)布、數(shù)據(jù)處理和綜合分析預(yù)警體系的信息化體系，并實現(xiàn)運營維護單位數(shù)據(jù)共享。

綜上，基于北斗高精度定位技術(shù)，融合無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GNSS通信等最新技術(shù)成果，結(jié)合豐富的施工經(jīng)驗中總結(jié)出的綜合供電、綜合避雷等輔助系統(tǒng)，研究一套具備報警功能的北斗鐵路沿線構(gòu)筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)，為鐵路沿線構(gòu)筑物防治工作質(zhì)量、效率和管理水平的提高奠定基礎(chǔ)，運用自動化的手段，結(jié)合專家系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)，對結(jié)果進行預(yù)測和分析，以輔助決策。

二、方案概述

1.應(yīng)用目標(biāo)

基于北斗的鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用，是一種精度高、實時性、具備報警功能的北斗鐵路沿線構(gòu)筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用北斗高精度定位技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GNSS通信技術(shù)結(jié)合手段等最新技術(shù)成果，對鐵路沿線的路基變形[2]、邊坡位移、接觸網(wǎng)桿傾斜位移等進行全天候?qū)崟r監(jiān)測，通過對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析與預(yù)測并設(shè)置相應(yīng)的報警門限，實時對鐵路沿線構(gòu)筑物災(zāi)害監(jiān)測進行預(yù)警，確保鐵路運行安全的目的。

2.應(yīng)用系統(tǒng)組成

北斗鐵路沿線構(gòu)筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)可以對鐵路沿線的路基變形[3]、邊坡位移、接觸網(wǎng)桿傾斜位移等進行全天候?qū)崟r監(jiān)測，能夠為維護鐵路運行安全提供強有力的保障。

該系統(tǒng)包含鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測終端、多手段融合通信子系統(tǒng)、后臺大數(shù)據(jù)處理中心[4]、鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測平臺和用戶應(yīng)用中心。系統(tǒng)構(gòu)架框圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)用系統(tǒng)組成圖

（1）鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測終端

該終端屬于數(shù)據(jù)采集層，安全監(jiān)測終端能夠自主解算構(gòu)筑物安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析構(gòu)筑物位移的速度、加速度等值的變化，并與之前解算的基準(zhǔn)值進行比對，綜合解算構(gòu)筑物位移的變化量，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)處理中心。

（2）多手段融合通信子系統(tǒng)

該系統(tǒng)屬于數(shù)據(jù)傳輸層，數(shù)據(jù)傳輸模塊將監(jiān)測點采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺軟件上，并將系統(tǒng)各個部分連接為統(tǒng)一整體，該系統(tǒng)根據(jù)實際施工環(huán)境采用有線傳輸、3/4G、電臺以及北斗一號傳輸?shù)取?/p>

（3）后臺數(shù)據(jù)處理平臺

該平臺屬于數(shù)據(jù)層，后臺數(shù)據(jù)處理平臺將接收到的數(shù)據(jù)進行分析、存儲，上位機顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)值，并與初始坐標(biāo)進行對比而獲得該監(jiān)測點變化量，同時分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值而進行報警。在該層建立系統(tǒng)安全體系，包含基礎(chǔ)設(shè)施安全、通信網(wǎng)絡(luò)安全、計算機環(huán)境安全、區(qū)域邊界安全、虛擬化安全及容災(zāi)備份等。

（4）鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測平臺

該平臺屬于應(yīng)用層，建立監(jiān)測平臺包含數(shù)據(jù)管理、預(yù)警報警、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備管理、基準(zhǔn)點重置、用戶管理等模塊；接收后臺數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)，分析本地存儲數(shù)據(jù)，界面實時顯示各監(jiān)測數(shù)據(jù)，為用戶提供信息化、可視化服務(wù)。

（5）用戶應(yīng)用中心

該中心屬于用戶應(yīng)用中心，包含指揮中心顯控、PC顯控端、手機端等應(yīng)用層。

3.服務(wù)支撐應(yīng)用平臺

服務(wù)支撐應(yīng)用平臺是基于北斗的鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件的體系結(jié)構(gòu)，通過各個應(yīng)用系統(tǒng)部分的有機結(jié)合，達到基于北斗的鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測平臺的整體效能，服務(wù)支撐應(yīng)用平臺如圖2所示。

圖2 服務(wù)支撐應(yīng)用平臺

平臺以鐵路路基變形數(shù)據(jù)、邊坡位移數(shù)據(jù)、接觸網(wǎng)桿傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)以及雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用服務(wù)支撐平臺為項目平臺基礎(chǔ)，完成基于北斗的鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測業(yè)務(wù)流程，平臺通過數(shù)據(jù)管理服務(wù)分系統(tǒng)，完成鐵路各構(gòu)筑物監(jiān)測業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)交互與服務(wù)。

三、系統(tǒng)應(yīng)用

基于北斗的鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)在實際鐵路現(xiàn)場進行安裝并測試，主要對鐵路路基沉降、邊坡、接觸網(wǎng)桿等構(gòu)筑物以及鐵路周邊雨量進行監(jiān)測及報警，其系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主界面

1.雨量監(jiān)測

雨量監(jiān)測主要是雨水由盛水器收集，經(jīng)過進水閥進入貯水室達到水位上升，進而雨量傳感器能讀取雨量數(shù)據(jù)。如果連續(xù)降雨，貯水室的水位繼續(xù)上升到特定水位的時候，進水電動閥關(guān)閉、而后排水電動閥打開，開始放水；待放水完畢，排水電動閥關(guān)閉，同時進水電動閥打開，繼續(xù)降雨計量。

系統(tǒng)實時監(jiān)測鐵路沿線周邊降雨量信息，當(dāng)雨量超過一定門限值時，鐵路工務(wù)、電務(wù)、車輛段等相關(guān)部門會依據(jù)降雨量信息積極安排防洪應(yīng)對工作，針對有強降雨的地區(qū)采取加強防洪值班、加強巡查力度、線路臨時封鎖等措施，降低汛期存在的安全風(fēng)險，結(jié)合當(dāng)前雨量的信息、施工信息及降雨天對設(shè)備正常運行的風(fēng)險，制定具體的防洪措施，做到實時超前預(yù)警防范，發(fā)現(xiàn)問題及時安排處理，保障鐵路行車安全。

2.路基變形沉降監(jiān)測

鐵路路基變形監(jiān)測主要在鐵路沿線布設(shè)北斗衛(wèi)星接收監(jiān)測站，監(jiān)測站通過接收機接收衛(wèi)星定位信號，依據(jù)相對定位原理進行差分定位，實時處理數(shù)據(jù)，并實時給出觀測點的三維位置坐標(biāo)，對一定時間內(nèi)的三維位置坐標(biāo)信息進行處理后作為觀測點的初始位置，然后再與之后的定位結(jié)果比較計算出路基變形量，最后將實時的路基變形信息發(fā)送給上位機，上位機根據(jù)變形值的大小判斷是否報警，實現(xiàn)對鐵路路基變形的實時監(jiān)控。

系統(tǒng)對鐵路路基沉降監(jiān)測精度能夠達到實時厘米級測量和事后毫米級測量精度。當(dāng)鐵路線路某地區(qū)突然沉降，且沉降超過±5cm時，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)，并將沉降結(jié)果上報平臺及時預(yù)警；當(dāng)鐵路路基發(fā)生緩慢變化時，系統(tǒng)24小時輸出一次監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)測精度優(yōu)于±5mm。

3.邊坡位移監(jiān)測

通過將北斗接收機天線安裝在邊坡位置，實時監(jiān)測每個監(jiān)測點的速度、加速度變化及位置變化來判斷邊坡位移變化[5]?；诒倍返蔫F路構(gòu)筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)以天線第一次安放的位置所記錄的坐標(biāo)為初始坐標(biāo)，初始坐標(biāo)的數(shù)值均取為0，系統(tǒng)平均每隔30min對天線進行定位，取得數(shù)值減去初始坐標(biāo)的數(shù)值作為該位置的垂直與水平位移。垂直位移數(shù)據(jù)為正值表示該位置發(fā)生沉降，水平位移y值為正值表示該位置向東偏移，水平位移x值為正值表示該位置向北偏移。

通過對鐵路線路周邊的邊坡位移監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測點的水平位移數(shù)據(jù)和垂直位移數(shù)據(jù)，實時計算邊坡斜面移動距離，當(dāng)超過門限值時及時預(yù)警，預(yù)防邊坡滑坡災(zāi)害對鐵路線路的影響，保障行車安全。

4.接觸網(wǎng)桿傾斜監(jiān)測

在實際現(xiàn)場將北斗接收機天線安裝在鐵路接觸網(wǎng)桿上，假設(shè)接觸網(wǎng)桿初始狀態(tài)不存在傾斜，此時的天線相位中心點為零點，當(dāng)接觸網(wǎng)桿發(fā)生傾斜[6]時，將載體平臺坐標(biāo)系與水平坐標(biāo)系進行轉(zhuǎn)換，可計算得到接觸網(wǎng)桿傾斜的角度。

接觸網(wǎng)桿傾斜監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測精度為0.01°，系統(tǒng)實時監(jiān)測接觸網(wǎng)桿的傾斜狀態(tài)，當(dāng)超過門限值時，可判斷此處接觸網(wǎng)桿存在傾斜倒塌的風(fēng)險并預(yù)警，現(xiàn)場人員及時到現(xiàn)場排查問題與修復(fù)，保障鐵路列車行車線路安全。

四、結(jié)束語

基于北斗的鐵路構(gòu)筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠全天候?qū)崟r監(jiān)測鐵路沿線的路基變形、邊坡位移、接觸網(wǎng)桿傾斜位移以及鐵路周邊的雨量監(jiān)測，替代傳統(tǒng)的人工采集，根據(jù)鐵路現(xiàn)場的地質(zhì)等情況，科學(xué)合理的確定監(jiān)測點的分布，現(xiàn)場設(shè)備安裝位置均不侵入建筑限界，達到不影響列車正常通信，做到實時對鐵路沿線構(gòu)筑物的遠程監(jiān)控，極大提高鐵路沿線構(gòu)筑物安全防治工作的質(zhì)量、效率和管理水平，為維護鐵路運行安全提供強有力的保障。