基于北斗三代的鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于進(jìn)江，甘 雨，楊世忠，趙星宇，賀云飛，何 韋

（1. 京張城際鐵路有限公司 運(yùn)輸安全部，北京 100070；2. 湖南北斗微芯產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司 技術(shù)中心，長沙 410000）

對于鐵路的安全運(yùn)營來說，任何微小的異常或干擾都有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。鐵路軌道的沿線邊坡和路基因受到雨雪、地質(zhì)運(yùn)動等因素的影響而存在滑坡、崩塌、沉降等安全隱患。以邊坡為例，巖體在重力、構(gòu)造力、地震力，以及各種外營力的長期作用下，會有一種向下滑落的趨勢，這種趨勢受到巖體本身抗剪切、抗破壞力的阻抗。當(dāng)巖體阻抗力小于向下滑落的破壞力時，巖體滑坡或崩塌的情況就會發(fā)生，并極有可能會造成災(zāi)害。除了地質(zhì)風(fēng)險外，路基、橋梁、隧道、車站等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的狀況也影響著鐵路的運(yùn)營安全。

由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱：北斗）在變形監(jiān)測方面的作用日益凸顯[1-2]，很多專家和學(xué)者已經(jīng)開始將北斗應(yīng)用于鐵路安全監(jiān)測領(lǐng)域[3-5]。秦健等人[6]深入探討了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)構(gòu)建和基準(zhǔn)站選址問題，但尚未涉及第三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱：北斗三代）的變形監(jiān)測。

本文基于北斗三代高精度定位技術(shù)，設(shè)計(jì)鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，詳細(xì)闡述北斗三代的變形監(jiān)測原理；同時，利用實(shí)際數(shù)據(jù)對北斗相較于全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）的優(yōu)勢進(jìn)行計(jì)算和論證，對比不同基線長度對變形監(jiān)測精度的影響，為基準(zhǔn)站的布設(shè)距離提供參考。

1 基于北斗三代的鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

基于北斗三代的鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以北斗三代接收機(jī)為核心，融合位移、雨量、水位等全維度感知信息，能夠?qū)崟r且動態(tài)地測量監(jiān)測點(diǎn)的要素變化，通過高通量、自適應(yīng)、多回路的通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)全天候、不間斷地回傳至監(jiān)測云平臺。監(jiān)測云平臺對回傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，根據(jù)結(jié)果發(fā)出預(yù)警信息，保障鐵路的安全運(yùn)營。

1.1 以北斗為核心的實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)

1.1.1 北斗區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)

北斗區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)為服務(wù)區(qū)域內(nèi)提供永久性、連續(xù)運(yùn)行的差分信息，避免同一區(qū)域內(nèi)基準(zhǔn)站的重復(fù)建設(shè)，提高設(shè)備的利用率。

北斗區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)由連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站網(wǎng)、控制與數(shù)據(jù)中心、高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、運(yùn)營服務(wù)等子系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)主要功能及其構(gòu)成，如表1所示。

表1 各子系統(tǒng)的功能及其構(gòu)成

1.1.2 多維度實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)

多維度實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)的主要功能是針對災(zāi)害隱患點(diǎn)建設(shè)全維度地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素（如災(zāi)害體位移、氣象環(huán)境、水位、含水量等）監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，由全維度監(jiān)測傳感設(shè)備組成。多維度實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)通過這些傳感設(shè)備采集影響或誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可量化信息，為災(zāi)害監(jiān)測、風(fēng)險評估、地災(zāi)預(yù)警、應(yīng)急管理等提供數(shù)據(jù)依據(jù)。多維度實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)的典型配置如表2所示。

表2 多維度實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)的典型配置

表2所列配置能夠監(jiān)測造成滑坡災(zāi)害的相關(guān)因素。各感知設(shè)備的作用如下。

（1）高精度北斗三代監(jiān)測站

高精度北斗三代監(jiān)測站是核心設(shè)備，由北斗三代接收機(jī)、結(jié)構(gòu)件、供電設(shè)備構(gòu)成，提供高精度三維位移信息。

（2）雨量計(jì)

降雨是誘發(fā)滑坡災(zāi)害的主要因素，降雨量是滑坡災(zāi)害監(jiān)測中必要的監(jiān)測因素。多維度實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)能夠通過隱患點(diǎn)區(qū)域設(shè)置的雨量計(jì)，實(shí)時采集隱患點(diǎn)的小時降雨量信息，實(shí)現(xiàn)對滑坡災(zāi)害的預(yù)警。

（3）深部位移計(jì)

深部位移監(jiān)測通過打孔方式在災(zāi)害體深層不同深度安裝深部位移監(jiān)測設(shè)備，采集災(zāi)害體深層的傾斜及相對位移變化，從而獲得地質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況，為災(zāi)害體發(fā)展及變化趨勢提供多維度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。深部位移計(jì)是監(jiān)測滑坡災(zāi)害誘發(fā)因素的重要手段。

（4）土壤含水量傳感器

土壤含水量的變化可導(dǎo)致土體自重、土體粘接力和內(nèi)摩擦角的變化，從而使土體內(nèi)部力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。土壤含水量是發(fā)生滑坡災(zāi)害的重要因素，因此，多維度實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)通過土壤含水量傳感器監(jiān)測土體中多層次的水分含量變化，對土體內(nèi)部的平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。

（5）孔隙水壓計(jì)

孔隙水壓力增大易引起感知體失穩(wěn)。監(jiān)測孔隙水壓力，不間斷地感知災(zāi)害體在土體固結(jié)、基礎(chǔ)變形、水流滲透等因素作用下孔隙水壓力的大小和變化，能夠?yàn)槎嗑S度實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)分析災(zāi)害體的穩(wěn)定性提供物理數(shù)據(jù)依據(jù)。

（6）視頻監(jiān)控設(shè)備

視頻監(jiān)控作為常見的可視化監(jiān)測手段，可以直觀地觀察被監(jiān)測災(zāi)害體的變化情況。此外，具有夜視功能的視頻設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害體24 h不間斷監(jiān)測。同時，遠(yuǎn)程云臺控制功能可以使監(jiān)測人員通過遠(yuǎn)程控制的方式全面了解災(zāi)害體周邊情況。

（7）聲光報警器

聲光報警器能夠進(jìn)行聲音告警及光電告警，快速且直接地提醒災(zāi)害體周邊的群眾。

1.2 高通量自適應(yīng)多回路通信網(wǎng)絡(luò)

為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠不間斷實(shí)時回傳至云平臺，鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多回路通信鏈路，由蜂窩移動通信網(wǎng)、窄帶物聯(lián)通信網(wǎng)及天基衛(wèi)星網(wǎng)組成。當(dāng)蜂窩移動網(wǎng)和窄帶物聯(lián)通信網(wǎng)受到災(zāi)害影響且通信中斷時，通信可以切換至天基衛(wèi)星網(wǎng)，這是因?yàn)樾l(wèi)星通信不受地域限制，不受災(zāi)害影響，且支持靈活部署。

鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)使用的寬帶衛(wèi)星一體化設(shè)備為Ka波段終端，該終端可直接提供RJ45接口，方便其他設(shè)備接入。寬帶一體化設(shè)備如圖1所示。

圖1 寬帶衛(wèi)星一體化設(shè)備

1.3 云平臺

鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過監(jiān)測云平臺，依托高吞吐量數(shù)據(jù)處理技術(shù)、并行業(yè)務(wù)集群計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速評估地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的風(fēng)險，并提供相應(yīng)的預(yù)警預(yù)報及輔助決策信息，建立地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的全面防控體系，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害可控制、可預(yù)防。

云平臺能夠?qū)λ斜O(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分析、匯集、存儲和管理，并基于云計(jì)算技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式大數(shù)據(jù)分析及處理，得到所有監(jiān)測對象的全維度監(jiān)測信息。云平臺監(jiān)測的北斗位移情況如圖2所示。

圖2 云平臺監(jiān)測的北斗位移情況示意

鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過云平臺集成的大數(shù)據(jù)分析和處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和可視化展示。當(dāng)異常情況發(fā)生時，鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)將通過現(xiàn)場廣播、電話、短信、郵件等形式實(shí)時向管理機(jī)構(gòu)匯報預(yù)警信息，并提供高精度實(shí)時應(yīng)急管理支持。

2 北斗變形監(jiān)測技術(shù)

2.1 雙差相對定位

北斗定位的誤差源主要包括星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、電離層時延、對流層時延等因素，這些誤差源產(chǎn)生的影響可以通過雙差相對定位進(jìn)行消除。在一定距離內(nèi)，同步觀測的北斗接收機(jī)之間存在誤差相關(guān)性，通過觀測值之間組差，可使誤差被消除或大幅削弱，得到較高精度的相對位置。

監(jiān)測站接收機(jī)j與衛(wèi)星q的載波相位觀測方程[7]為

若于基準(zhǔn)站接收機(jī)i對衛(wèi)星q進(jìn)行同步觀測，可得觀測方程為

兩個監(jiān)測站間觀測方程組差，可得站間單差觀測方程為

兩個監(jiān)測站同時對衛(wèi)星p也能得到單差觀測方程，在不同衛(wèi)星p、q間觀測方程組差，可得站星雙差觀測方程為

解算雙差觀測方程時，基準(zhǔn)站接收機(jī)i坐標(biāo)由其他渠道獲得，對觀測方程中的和線性化，則有和為坐標(biāo)近似值計(jì)算的幾何距離，為接收機(jī)到衛(wèi)星的方向余弦，dX為所求位置改正數(shù)向量參數(shù)。

將方向余弦表示為更簡潔的向量形式，則有

將所有共視衛(wèi)星雙差觀測方程聯(lián)立，構(gòu)成矩陣形式的雙差觀測方程組

其中，X代指dX，整周模糊度向量N由構(gòu)成，A為觀測系數(shù)矩陣，e為觀測噪聲向量。

解方程組可得位置浮點(diǎn)解和模糊度浮點(diǎn)解。

要得到毫米級位置測量結(jié)果，必須對浮點(diǎn)解進(jìn)行固定，將整周模糊度參數(shù)恢復(fù)為整數(shù)。模糊度搜索實(shí)質(zhì)是求解整數(shù)最小二乘估計(jì)值，而最小二乘模糊度降相關(guān)平差（LAMBDA，Least Square AMBiguity Decorrelation Adjustmen）方法目前體系完整、應(yīng)用廣泛，能夠?qū)υ寄：冗M(jìn)行整數(shù)變換，降低模糊度之間的相關(guān)性，縮小搜索范圍。

將混合整數(shù)最小二乘估計(jì)轉(zhuǎn)化為整數(shù)最小二乘估計(jì)問題[8]，如式（8）所示。

2.2 高精度北斗相對定位解算軟件

高精度北斗差分定位解算軟件使用獨(dú)特的周跳探測與修復(fù)和部分模糊度快速固定技術(shù)來提高系統(tǒng)的精度、連續(xù)性、完好性，并且在干擾和部分遮擋環(huán)境下，仍然能提供高精度的定位信息。

準(zhǔn)確探測周跳是北斗高精度載波相位測量的關(guān)鍵問題。周跳會引起位置解算結(jié)果發(fā)生分米級以上的跳變，影響災(zāi)變評估和預(yù)警分析。目前廣泛使用的TurobEdit探測法[9]由于其中的MW（Melbourne-Wubeena ）組合包含偽距觀測，受多路徑效應(yīng)和衛(wèi)星高度角的影響，可能無法探測到1～2周的小周跳。使用小波、經(jīng)驗(yàn)?zāi)７纸獾刃盘柦翟氲姆椒ń档蚆W組合觀測值的噪聲，有效降低探測量噪聲后，能夠探測出所有的小周跳。

使用基于位置約束的多頻模糊度融合解算方法，將多頻寬巷直接固定法與LAMBDA搜索固定方法聯(lián)合，逐級固定模糊度。使用部分模糊度固定的概念，通過浮點(diǎn)解驗(yàn)后方差估計(jì)，對雙差殘余誤差較大的觀測值進(jìn)行判別和篩選，利用測量條件和幾何結(jié)構(gòu)最優(yōu)的模糊度子集進(jìn)行固定，提升固定成功率，增加北斗高精度解算的可用性和實(shí)時性。

2.3 北斗三代與GPS定位精度對比

北斗三代與GPS定位精度對比的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自某北斗監(jiān)測站，該監(jiān)測站的接收機(jī)能同時接收北斗數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，如圖3、圖4及表3所示。

表3 北斗與GPS定位誤差對比

圖3 北斗與GPS定位誤差對比

圖4 北斗與GPS定位衛(wèi)星個數(shù)對比

從以上圖、表可知，北斗衛(wèi)星個數(shù)明顯多于GPS；北斗衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)良，定位誤差明顯低于GPS；北斗三代系統(tǒng)在變形監(jiān)測方面具有顯著優(yōu)勢。

3 基線長度測試與分析

試驗(yàn)現(xiàn)場包括一個北斗三代監(jiān)測站和一套北斗區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)中距離北斗監(jiān)測站最近的兩個基準(zhǔn)站距離分別為1 km和3 km，北斗監(jiān)測站的接收機(jī)天線安裝在沉降和位移平臺上進(jìn)行測試。在試驗(yàn)過程中，我們使用測試臺不斷調(diào)整沉降和位移量，通過解算變形量與實(shí)際調(diào)整變形量的對比來分析不同基線長度下北斗三代系統(tǒng)解算精度。

3.1 1 km基準(zhǔn)站北斗數(shù)據(jù)分析

圖5和圖6分別為1 km基站的北斗實(shí)測數(shù)據(jù)與標(biāo)定臺數(shù)據(jù)的對比曲線。可以明顯看出，當(dāng)每一級標(biāo)定臺位移變化時，北斗實(shí)測數(shù)據(jù)均緊跟著發(fā)生變化，且變化趨勢一致。1 km基站的位移數(shù)據(jù)較沉降數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，與標(biāo)定臺數(shù)據(jù)非常吻合。

圖5 1 km基站水平位移變化曲線

圖6 1 km基站豎直沉降變化曲線

表4和表5分別為1 km基站的水平位移和豎直沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況。在整個標(biāo)定過程中，水平位移共調(diào)整了4次，內(nèi)符合精度在0.227～0.351mm，外符合精度在0.427～1.574 mm。豎直沉降共調(diào)整了4次，內(nèi)符合精度在0.146～1.456 mm，外符合精度在0.979～2.150 mm。

表4 1 km基站水平位移統(tǒng)計(jì)

表5 1 km基站豎直沉降統(tǒng)計(jì)

3.2 3 km基準(zhǔn)站北斗數(shù)據(jù)分析

圖7和圖8分別為3 km基站的北斗實(shí)測數(shù)據(jù)與標(biāo)定臺數(shù)據(jù)的對比曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)每一級標(biāo)定臺位移變化時，北斗實(shí)測數(shù)據(jù)均緊跟著發(fā)生變化，且變化趨勢一致。相對于1 km基站的數(shù)據(jù)來看，3 km基站的數(shù)據(jù)波動幅值更大。

圖7 3 km基站水平位移變化曲線

圖8 3 km基站豎直沉降變化曲線

表6和表7分別為3 km基站的水平位移和豎直沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況。在整個標(biāo)定過程中，水平位移共調(diào)整了4次，內(nèi)符合精度在0.540～2.772 mm，外符合精度在1.000～2.723 mm。豎直沉降共調(diào)整了4次，內(nèi)符合精度在0.340～2.083 mm，外符合精度在1.161～4.884 mm之間。受到雙差殘余誤差影響，3 km基線下監(jiān)測精度相對1 km基線存在顯著下降，但仍控制在5 mm以內(nèi)。

表6 3 km基站水平位移統(tǒng)計(jì)

表7 3 km基站豎直沉降統(tǒng)計(jì)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，北斗三代的定位服務(wù)性能已超過GPS，在變形監(jiān)測中可獲得優(yōu)于GPS的結(jié)果。鐵路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用區(qū)域增強(qiáng)、北斗高精度定位、多回路通信、監(jiān)測預(yù)警等多種技術(shù)，可協(xié)助快速掌握鐵路沿線災(zāi)害狀況，實(shí)現(xiàn)對隱患點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了鐵路北斗三代高精度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，解決了鐵路變形監(jiān)測實(shí)時高精度監(jiān)測和預(yù)警問題，為北斗三代系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的思路。未來，本文將繼續(xù)研究北斗三代系統(tǒng)在鐵路中的系統(tǒng)應(yīng)用，探索鐵路北斗增強(qiáng)系統(tǒng)和多源融合監(jiān)測的新思路，以實(shí)現(xiàn)對鐵路隱患進(jìn)行全覆蓋、高精度、自動化監(jiān)測的目標(biāo)。