廣東肇慶鐵路邊坡智慧監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周流平，徐前文，陳江坤

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430；2.廣東鐵路有限公司肇慶工務(wù)段，廣東 肇慶 526000；3.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467021）

1 引言

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確提到了要加快建設(shè)交通強(qiáng)國。目前，“交通強(qiáng)國，鐵路先行”的理念已經(jīng)廣為人知。由于我國地理環(huán)境的特點(diǎn)，絕大多數(shù)鐵路干線兩邊均存在邊坡。因此，如何高效且有效地監(jiān)測這些邊坡的健康狀態(tài)，預(yù)防滑坡、崩塌、泥石流的發(fā)生，保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，是我們不得不考慮的重要課題。因此，廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合現(xiàn)實(shí)需求以及自身的技術(shù)能力，與平高電氣一起研制出一套鐵路邊坡的智慧監(jiān)測系統(tǒng)并應(yīng)用于廣東肇慶某鐵路段，實(shí)時(shí)監(jiān)測邊坡的健康狀態(tài)。

2 設(shè)計(jì)原則

鐵路邊坡智慧監(jiān)測系統(tǒng)是提供獲取邊坡健康信息的工具，使決策者可以針對(duì)監(jiān)測目標(biāo)做出正確的判斷，其設(shè)計(jì)原則如下。

（1）可靠性。由于邊坡智慧監(jiān)測系統(tǒng)長期在野外實(shí)時(shí)運(yùn)行，因此保證系統(tǒng)的可靠性就顯得非常重要。否則，無論再先進(jìn)的儀器，也無法發(fā)揮出應(yīng)有的作用及效果。

（2）先進(jìn)性。設(shè)備的選擇、監(jiān)測系統(tǒng)功能以及后臺(tái)針對(duì)數(shù)據(jù)的處理算法均需具有先進(jìn)性，保持實(shí)時(shí)更新與迭代，能夠起到超前預(yù)警的作用。

（3）可操作和易于維護(hù)。系統(tǒng)正常運(yùn)行后應(yīng)易于管理、易于操作，對(duì)操作維護(hù)人員的技術(shù)水平及能力要求不高，方便更新?lián)Q代。

（4）系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程固件升級(jí)功能。根據(jù)系統(tǒng)自檢及系統(tǒng)需求可通過遠(yuǎn)程進(jìn)行固件升級(jí)，且系統(tǒng)具備各種類型的通訊協(xié)議和接口，可為后期設(shè)備升級(jí)服務(wù)。

（5）以最優(yōu)成本控制。監(jiān)測系統(tǒng)的一個(gè)原則就是利用最優(yōu)布控方式做到既節(jié)省項(xiàng)目成本和后期維護(hù)投入的人力及物力，又能最大限度發(fā)揮出實(shí)際監(jiān)測的效果。

總之，系統(tǒng)堅(jiān)持貫徹“技術(shù)可行、實(shí)施可能、經(jīng)濟(jì)合理”的基本原則，使得監(jiān)測系統(tǒng)做到可用、實(shí)用、好用的程度，充分發(fā)揮作用，為鐵路邊坡的管理及安全運(yùn)營提供數(shù)據(jù)上和技術(shù)上的支持。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合利用智能傳感技術(shù)，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，依托平高電氣共同合作開發(fā)了鐵路邊坡智慧監(jiān)測系統(tǒng)。

該鐵路邊坡智慧監(jiān)測系統(tǒng)，主要針對(duì)邊坡滑坡、落石、異物入侵等異常情況進(jìn)行綜合監(jiān)控，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，用具體參數(shù)監(jiān)測現(xiàn)場情況，具有信息管理、危險(xiǎn)評(píng)估、群測群防、專家決策、預(yù)報(bào)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)和指揮等功能，對(duì)保障列車安全運(yùn)行具有重要意義。其系統(tǒng)架構(gòu)如下（見圖1）。

圖1 鐵路邊坡智慧監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 系統(tǒng)感知層

系統(tǒng)感知層由各種不同的傳感器組成，用來采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，具備自診斷功能。系統(tǒng)自診斷功能在于對(duì)自身系統(tǒng)的排查，通過排查結(jié)果指導(dǎo)維護(hù)人員進(jìn)行有目的的維護(hù)，節(jié)約時(shí)間的同時(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)的長期運(yùn)行。系統(tǒng)自診斷功能從三個(gè)層次進(jìn)行判斷并給出相應(yīng)處理建議，分別為傳感器層次自診斷、采集層次自診斷、通信層次自診斷。如傳感器層次自診斷，系統(tǒng)會(huì)在采集數(shù)據(jù)前對(duì)傳感器進(jìn)行測試判斷，根據(jù)軟件接收回來的命令進(jìn)行判斷是否出現(xiàn)傳感器短路、斷路等現(xiàn)象。

3.2 數(shù)據(jù)匯集傳輸層

數(shù)據(jù)匯集傳輸層是連接感知層和應(yīng)用層的樞紐，是整個(gè)系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)層，是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的載體，所有感知層的數(shù)據(jù)都需要通過數(shù)據(jù)匯集傳輸層傳遞給應(yīng)用層進(jìn)行處理，同時(shí)應(yīng)用層的命令也只能夠由數(shù)據(jù)匯集傳輸層下達(dá)給感知層的設(shè)備去執(zhí)行。

目前，比較常見的無線數(shù)據(jù)傳輸方式是通過無線傳輸模塊DTU 來實(shí)現(xiàn)，其依靠成熟的4G/5G網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)可以快速組建數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用層

應(yīng)用層是直接面向用戶，體現(xiàn)服務(wù)周全、便捷性的層級(jí)。因此，在應(yīng)用層面設(shè)計(jì)重點(diǎn)為人與系統(tǒng)的對(duì)話，使用戶能夠便捷管理系統(tǒng)。從用戶的出發(fā)點(diǎn)考慮系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，真正做到自動(dòng)響應(yīng)、自動(dòng)控制的目的。

邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)為用戶提供以下服務(wù)。

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控，無需人員多次進(jìn)入施工現(xiàn)場。

（2）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化管理，相關(guān)人員可以隨時(shí)隨地登錄B/S 架構(gòu)的系統(tǒng)或者通過利用手機(jī)取得現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)及安全評(píng)估信息。

（3）通過傳感器獲得豐富的荷載效應(yīng)等數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)算法分析，監(jiān)測邊坡的實(shí)時(shí)狀態(tài)并預(yù)測未來的發(fā)展變化趨勢。

（4）在邊坡出現(xiàn)異常信息時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警，并可通過短信方式將信息及時(shí)轉(zhuǎn)達(dá)給相關(guān)管理人員，并提示后臺(tái)及時(shí)對(duì)邊坡當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行安全評(píng)估。

4 肇慶鐵路邊坡概況

該邊坡長約100 米，高8 米，上面還有簡易護(hù)坡至半山頂，坡度約45 度，主要監(jiān)測內(nèi)容為擋土墻、邊坡上方未硬化部分和植被覆蓋較少的區(qū)域（見圖2、圖3）。

圖2 肇慶鐵路邊坡現(xiàn)場

圖3 肇慶鐵路邊坡現(xiàn)場

5 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

5.1 監(jiān)測原理

邊坡在明顯滑動(dòng)前會(huì)有一段時(shí)期的從輕微變化發(fā)展到較大變化甚至重大變化的形變發(fā)展期，形變發(fā)展期時(shí)間的長短，取決于邊坡本身的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、當(dāng)期的天氣環(huán)境因素以及周邊如車輛運(yùn)動(dòng)等不同環(huán)境的影響。

監(jiān)測傳感器具有發(fā)現(xiàn)邊坡輕微形變的功能，邊坡滑動(dòng)初期的輕微形變往往不能被人察覺，但監(jiān)測傳感器本身具備的高精度性能能夠?qū)吰禄瑒?dòng)初期的輕微形變進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉，并形成變化趨勢圖用以提供分析判斷。

針對(duì)該肇慶鐵路段邊坡，結(jié)合現(xiàn)場地理狀況，決定采用北斗高精度衛(wèi)星定位監(jiān)測系統(tǒng)GNSS 來監(jiān)測邊坡表面的位移變化；運(yùn)用測斜儀（傾角位移傳感器）監(jiān)測邊坡內(nèi)部的不同深度的位移（傾斜）情況；運(yùn)用數(shù)字化雨量計(jì)來監(jiān)測邊坡區(qū)域的實(shí)時(shí)雨量和累計(jì)雨量。考慮到多數(shù)滑坡通常發(fā)生在暴雨過后，雨水積累在邊坡內(nèi)部不能有效滲出導(dǎo)致滑坡，運(yùn)用數(shù)字化含水率傳感器來監(jiān)測邊坡表面的含水率情況，同時(shí)運(yùn)用視頻監(jiān)控，用于邊坡滑動(dòng)時(shí)現(xiàn)場預(yù)警。

5.2 監(jiān)測點(diǎn)類型、數(shù)量及分布

5.2.1 邊坡表面位移與沉降監(jiān)測

系統(tǒng)運(yùn)用2 個(gè)北斗高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)GNSS來監(jiān)測邊坡的表面位移情況（另建設(shè)一個(gè)GNSS基站）。

5.2.2 邊坡深部位移（傾斜）監(jiān)測

本系統(tǒng)運(yùn)用在邊坡上打3 個(gè)垂直深部測斜孔，共部署12 套導(dǎo)輪式測斜儀的方式來監(jiān)測邊坡內(nèi)部的位移（傾斜）情況。

5.2.3 雨量監(jiān)測與含水率監(jiān)測

本系統(tǒng)運(yùn)用在邊坡上部署一個(gè)雨量監(jiān)測設(shè)備來監(jiān)測邊坡區(qū)域的實(shí)時(shí)雨量情況與累計(jì)雨量情況，同時(shí)考慮到多數(shù)滑坡通常發(fā)生在暴雨過后，雨水積累在邊坡內(nèi)部不能有效滲出導(dǎo)致滑坡的情況，在邊坡表面布置7 套含水率傳感器，來監(jiān)測邊坡表面的含水率情況。

5.2.4 視頻監(jiān)控

在邊坡對(duì)面安裝視頻監(jiān)控，當(dāng)邊坡數(shù)據(jù)異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻拉近觀測（見圖4）。

圖4 邊坡視頻監(jiān)控畫面

5.3 軟件系統(tǒng)的部署及安裝

后臺(tái)軟件系統(tǒng)部署在服務(wù)器上，服務(wù)器根據(jù)實(shí)際情況，布置在工務(wù)段車間辦公室或調(diào)度中心等。

5.4 系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)

智能管理平臺(tái)（SAM）軟件采用英國的核心技術(shù)和算法，是基于Web 的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理軟件，能夠?qū)崟r(shí)呈現(xiàn)邊坡各種類型的傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和算法模型，構(gòu)建邊坡健康狀況趨勢圖，預(yù)測可能發(fā)生的潛在風(fēng)險(xiǎn)（見圖5）。

圖5 平高電氣智慧監(jiān)測系統(tǒng)

在線監(jiān)測平臺(tái)主要包含數(shù)據(jù)分析、報(bào)警處理、系統(tǒng)設(shè)置三大功能模塊（見表1—表3）。

表1 數(shù)據(jù)分析模塊

表2 報(bào)警處理模塊

表3 系統(tǒng)設(shè)置模塊

5.5 系統(tǒng)具有的主要功能

該系統(tǒng)可靈活接入多種類型的傳感器，這些傳感器采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過運(yùn)營商的無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，然后在云平臺(tái)上按照規(guī)則實(shí)時(shí)顯示（1s 延遲）。同時(shí)，管理員也可以遠(yuǎn)程操作配置傳感器的相關(guān)參數(shù)。

云平臺(tái)展示的采集數(shù)據(jù)有兩類：文本類和圖形類。文本類的數(shù)據(jù)既有原始數(shù)據(jù)，也有經(jīng)過系統(tǒng)算法專業(yè)化分析與狀態(tài)評(píng)估后的結(jié)果數(shù)據(jù)。而圖形類的數(shù)據(jù)則均是經(jīng)過算法處理過的監(jiān)測現(xiàn)場狀態(tài)展示。通過這些數(shù)據(jù)，管理員可清晰明了的看到當(dāng)前邊坡的狀態(tài)趨勢，預(yù)判未來發(fā)生落石、滑坡等意外的可能性。

另外，系統(tǒng)基于歷史數(shù)據(jù)建立的模型，經(jīng)過深度學(xué)習(xí)后，具有很好的預(yù)警功能。當(dāng)有潛在的異常發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過分析判斷后，會(huì)及時(shí)給管理員的手機(jī)發(fā)送信息來提醒。

5.6 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

該鐵路邊坡智慧監(jiān)測系統(tǒng)自投運(yùn)以來，鐵路管理人員無需到達(dá)現(xiàn)場，就能隨時(shí)隨地通過云平臺(tái)監(jiān)控邊坡的實(shí)時(shí)狀況，大大提高了運(yùn)維效率。該系統(tǒng)7 天的監(jiān)測數(shù)據(jù)如下（見圖6）。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)展示

該系統(tǒng)準(zhǔn)確預(yù)警的實(shí)例如下：2021年1月22日10 時(shí)3 分，肇慶鐵路段邊坡預(yù)警管理員收到K115+500 鐵路段右側(cè)擋墻頂面平臺(tái)發(fā)生裂紋報(bào)警，需現(xiàn)場查看的預(yù)警信息。緊急安排人員到現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)頂面平臺(tái)確實(shí)發(fā)生裂紋，與預(yù)警一致（見圖7）。

圖7 裂紋現(xiàn)場

6 結(jié)論

本文研究的鐵路邊坡智慧監(jiān)測系統(tǒng)，將邊坡的表面位移、深度位移、含水率等地質(zhì)數(shù)據(jù)，借助于傳感器，通過4G/5G 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給后臺(tái)；然后利用后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫和算法，有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測邊坡的結(jié)構(gòu)健康狀況。當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，提醒相關(guān)負(fù)責(zé)人做出必要的防范措施，最大程度地減少國家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)損失，該系統(tǒng)的研制具有重要意義。