鐵路路基沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)★

丁 勇，耿寬寬

（山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012）

引言

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，鐵路的運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題便成為重中之重，其中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鐵路的路基沉降是保證鐵路安全的重要先決條件。鐵路線路不可避免地會(huì)經(jīng)過(guò)一些環(huán)境惡劣地區(qū)，由于雨水、泥石流等環(huán)境因素的影響導(dǎo)致路基下沉，最終導(dǎo)致行車事故。同時(shí)由于地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在荒無(wú)人煙處，缺乏供電支持，常規(guī)人工檢測(cè)方法效率低下，且無(wú)法隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，很難達(dá)到及時(shí)預(yù)警的目的[1-3]。因此，本文主要研究一種新型路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在采用北斗衛(wèi)星對(duì)路基沉降進(jìn)行沉降位移監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合慣性技術(shù)進(jìn)行路基沉降的位移監(jiān)測(cè)，對(duì)于提高鐵路系統(tǒng)的安全預(yù)警、促進(jìn)沉降觀測(cè)工作的研究與發(fā)展都具有十分重要的意義。

1 鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鐵路路基沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由鐵路沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備和云端監(jiān)控中心組成。其中監(jiān)測(cè)設(shè)備根據(jù)布置位置主要分為基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站兩類?；鶞?zhǔn)站被布置在環(huán)境空曠、地質(zhì)穩(wěn)定的地方，監(jiān)測(cè)站主要被放置在已經(jīng)發(fā)生沉降或者可能發(fā)生沉降的區(qū)域內(nèi)。如圖1 所示，鐵路沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備主要接收北斗定位數(shù)據(jù)，同時(shí)也接受基準(zhǔn)站發(fā)送過(guò)來(lái)的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后通過(guò)GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸裝置遠(yuǎn)程發(fā)送到云端監(jiān)測(cè)中心。此外，整個(gè)系統(tǒng)可以在鐵路沿線安裝多個(gè)鐵路沉降監(jiān)測(cè)裝置，該系統(tǒng)可以采用一對(duì)多的形式，多個(gè)鐵路沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備可以同時(shí)將沉降位移信息發(fā)送到云端監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警的功能。

圖1 鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖

1.1 鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備

鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由核心控制單元、衛(wèi)星接收天線以及電源模塊三部分構(gòu)成，其中核心功能系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊及北斗定位模塊構(gòu)成，如圖2 所示。

1.1.1 核心功能模塊

核心功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集處理模塊、北斗定位模塊以及無(wú)線通訊模塊。該核心模塊被放置于室外露天高防護(hù)等級(jí)箱內(nèi)。防護(hù)箱具有散熱、防凍特點(diǎn)，保證內(nèi)部單元模塊能在任何天氣條件下正常工作。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成鐵路沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理及存儲(chǔ)功能，在數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，連接數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄所需要保留的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息；無(wú)線通信模塊用于將本地接收到的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 無(wú)線網(wǎng)卡發(fā)送到云端監(jiān)測(cè)中心，只要有GPRS 通訊信號(hào)覆蓋和GPRS 的終端設(shè)備，就可將數(shù)據(jù)按規(guī)定的時(shí)間傳輸至云端；數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理。

1.1.2 電源模塊

電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)監(jiān)測(cè)站提供穩(wěn)定的電源。因其主要被布置在環(huán)境條件較差的區(qū)域，所以電源模塊主要采用單晶硅太陽(yáng)能板進(jìn)行供電。單晶硅太陽(yáng)能板具有光電轉(zhuǎn)換率高、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

1.2 云端監(jiān)測(cè)中心

云端監(jiān)測(cè)中心為B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)即可查詢監(jiān)測(cè)情況。軟件采用多層設(shè)計(jì)，軟件中監(jiān)測(cè)變化數(shù)據(jù)將通過(guò)圖表、曲線或者柱狀圖的形式被顯示出來(lái)；軟件具有斷面分析、位移矢量分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、分級(jí)用戶管理和分級(jí)報(bào)警等功能；軟件可顯示監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)圖和傳感器分布圖等，軟件存儲(chǔ)采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。安全預(yù)警模塊的功能主要是，當(dāng)出現(xiàn)沉降量超過(guò)預(yù)定值后，將通過(guò)短信報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)報(bào)警實(shí)現(xiàn)多種方式同時(shí)報(bào)警。

2 技術(shù)創(chuàng)新

本文采用北斗導(dǎo)航技術(shù)和慣性技術(shù)相結(jié)合的方式對(duì)沉降進(jìn)行定位。該方法不是直接采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而是通過(guò)慣性技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析處理，通過(guò)卡爾曼濾波數(shù)據(jù)模型對(duì)其進(jìn)行反饋校正得到最終沉降量。

2.1 卡爾曼濾波組合導(dǎo)航數(shù)學(xué)模型

卡爾曼濾波是將關(guān)于系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)與關(guān)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的知識(shí)集合起來(lái)的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。本文主要采用卡爾曼濾波作為導(dǎo)航信息算法，選擇間接法反饋校正模式設(shè)計(jì)組合系統(tǒng)，結(jié)合慣性技術(shù)推導(dǎo)出卡爾曼濾波組合導(dǎo)航數(shù)學(xué)模型，如圖3 所示。

2.2 基于模糊置信度的靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)

圖3 組合導(dǎo)航模型

本文提出的結(jié)合模糊理論的計(jì)算沉降位移置信度方法的設(shè)計(jì)思路是：首先，將一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)段T 分成n 個(gè)子時(shí)段，然后通過(guò)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星“靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)”依次計(jì)算出各個(gè)子時(shí)段的沉降位移量N1，N2，…，Nn；第二，根據(jù)各個(gè)子時(shí)段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量，確定各個(gè)定位結(jié)果的置信度M（1），M（2），M（3），…，M（n）；最后，利用數(shù)據(jù)模型算出整個(gè)時(shí)段的沉降位移N。該方法的原理如圖4 所示。

圖4 基與模糊置信度的靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)原理圖

3 系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

該路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（共安裝1 個(gè)基準(zhǔn)站、3 個(gè)流動(dòng)站）于2020 年已被安裝到鐵路沿線（見圖5）并開始進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，運(yùn)行期間沒(méi)有出現(xiàn)斷電情況，所有數(shù)據(jù)都能被正常傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)單，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，并將經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被實(shí)時(shí)發(fā)送到云端監(jiān)測(cè)中心，同時(shí)云端檢測(cè)中心根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行報(bào)警。路基沉降位移監(jiān)測(cè)的誤差，水平方向?yàn)椤? mm、高程方向?yàn)椤? mm，并且可以實(shí)現(xiàn)雙基站或多基站處理功能。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)研發(fā)的的鐵路路基沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握鐵路沿線隱患區(qū)域的安全狀況，幫助鐵路工作人員快速定位沉降地點(diǎn)并為其提供安全預(yù)警決策，降低因沉降災(zāi)害帶來(lái)的生命威脅以及財(cái)產(chǎn)損失，可以有效地解決傳統(tǒng)方法存在的工作量大、距離受限以及自動(dòng)化程度低等不足，具有高精度、全天候以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，相對(duì)于同類產(chǎn)品具有突出的技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，極大地促進(jìn)了沉降觀測(cè)工作的研究與發(fā)展，有重要的實(shí)際意義和廣闊的應(yīng)用前景。