基于LoRa通信的鐵路軌道滑坡實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

摘 要：為有效避免山體滑坡對鐵路交通運輸?shù)挠绊懞徒?jīng)濟損失，對鐵路軌道的易滑坡區(qū)域進行高效、實時的監(jiān)測和預(yù)警，該文提出基于LoRa通信的鐵路軌道滑坡實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過角度傳感器與雨量傳感器采集易滑坡區(qū)域的各項數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對易滑坡區(qū)域的實時監(jiān)測，通過LoRa通信將采集到的數(shù)據(jù)實時上傳至上位機，以保證系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)易滑坡區(qū)域的異常，并發(fā)出預(yù)警。同時，該系統(tǒng)的特殊構(gòu)成和安裝方式適用于多種易滑坡區(qū)域的地形，能夠全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測各項數(shù)據(jù)變化。該系統(tǒng)具有監(jiān)測精度高、實時、低功耗的特點，能有效避免山體滑坡對鐵路交通運輸造成的影響。

關(guān)鍵詞：LoRa;鐵路軌道;滑坡;監(jiān)測;預(yù)警

中圖分類號：U298 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0022-04

Abstract： In order to effectively avoid the impact of landslides on railway transportation and economic losses， efficient and real-time monitoring and early warning of landslide-prone areas of railway tracks are carried out. A real-time monitoring and early warning system of railway track landslides based on LoRa communication is proposed. The system collects various data of landslide-prone areas through angle sensors and rainfall sensors to realize real-time monitoring of landslide-prone areas. The collected data will be uploaded to the host computer in real time through LoRa communication to ensure that the system can find the anomalies in the areas prone to landslides in time and issue early warning. At the same time， the special structure and installation mode of the system are suitable for a variety of landslides， and can comprehensively and accurately monitor the changes of various data. The system has the characteristics of high monitoring accuracy， real-time and low power consumption， and can effectively avoid the impact of landslides on railway transportation.

Keywords： LoRa; railway track; landslide; monitoring; early warning

隨著當(dāng)今社會發(fā)展，越來越多的人將火車高鐵作為主要的交通工具之一。同時，鐵路的發(fā)展對人們的生產(chǎn)生活，社會乃至國家的經(jīng)濟發(fā)展和旅游業(yè)的發(fā)展都起著至關(guān)重要的作用。在我國西南地區(qū)，特別是西南丘陵地區(qū)群山環(huán)繞，山勢陡峭，土壤結(jié)構(gòu)疏松，極易受地質(zhì)、氣候變化、人類活動的影響，山體滑坡和泥石流等滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生，對人民群眾的生活和生命安全造成了巨大影響[1]。

在實地檢測工作中，國內(nèi)外只采用了宏觀地質(zhì)觀測法、儀表觀測法及自動遙測法，這些監(jiān)測方法普遍存在的問題是系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)需要人工定期到達現(xiàn)場進行采集，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺乏實時性、及時性、即時性[2-3]。近幾年，三維激光掃描技術(shù)、InSAR（合成孔徑雷達干涉測量）及多傳感器的集成等高新技術(shù)在滑坡監(jiān)測與預(yù)測、預(yù)報領(lǐng)域的應(yīng)用，進一步提高了山體滑坡和泥石流等滑坡災(zāi)害的成功預(yù)警率，但由于成本太高、設(shè)備安裝條件等問題未能大規(guī)模使用[4-7]。本文提出的基于LoRa通信的鐵路軌道滑坡實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)旨在保證高精度監(jiān)測質(zhì)量的同時，降低監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的成本，以便于監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠大規(guī)模使用，進而有效避免山體滑坡對鐵路交通運輸造成的影響。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)以上位機為核心，結(jié)合DTU模塊、顯示模塊、電源管理模塊、角度傳感器模塊、雨量傳感器模塊和STM32微控制器實現(xiàn)對易滑坡區(qū)域的監(jiān)測和預(yù)警。系統(tǒng)利用角度傳感器模塊對易滑坡區(qū)域的環(huán)境進行角度數(shù)據(jù)采集，通過雨量傳感器模塊采集監(jiān)測點的雨量數(shù)據(jù)，單片機將采集到的角度數(shù)據(jù)簡單處理和判斷之后將數(shù)據(jù)傳輸給LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點，多個LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點收集數(shù)據(jù)回傳至LoRa網(wǎng)關(guān)，收集到的數(shù)據(jù)可以通過LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機對收集到的數(shù)據(jù)進行精確判斷和預(yù)測，之后將數(shù)據(jù)通過顯示模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。若出現(xiàn)異常，數(shù)據(jù)則將該數(shù)據(jù)進行異常標(biāo)注，單片機下達指令提高對監(jiān)測點的采樣頻率，通過大量數(shù)據(jù)推斷該監(jiān)測點的情況，并通過DTU（4G數(shù)據(jù)傳輸）模塊發(fā)送該監(jiān)測點的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測人員，以便監(jiān)測人員能夠及時排查危險，避免高鐵動車駛過該危險地段造成生命財產(chǎn)損失。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

系統(tǒng)上電后開始運行，總程序進行初始化，檢查LoRa節(jié)點是否正常，檢查能夠回傳數(shù)據(jù)和收發(fā)指令后，檢查陀螺儀是否正常。若不正常則通過陀螺儀初始化校準(zhǔn)，檢測正常后，檢測雨量傳感器是否正常。一切正常之后，開始采集監(jiān)測點的角度數(shù)據(jù)和雨量數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，將異常數(shù)據(jù)標(biāo)注并優(yōu)先回傳至上位機處理，將該監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采樣頻率提高后重新采樣。若無異常數(shù)據(jù)，則依照設(shè)置的正常頻率繼續(xù)采樣。上位機接收到異常數(shù)據(jù)后需要分析該監(jiān)測點的情況，判斷屬于角度偏差超過閾值還是雨量超過閾值，進而精準(zhǔn)下達指令提高該數(shù)據(jù)的采樣頻率，收集大量數(shù)據(jù)進行預(yù)測的同時也能夠減少系統(tǒng)的工作量，實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗功能。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計流程圖如圖2所示。

2.2 LoRa通信

LoRa通信模塊采用AS32-TTL無線模塊。AS32-TTL無線模塊以SX1278芯片作為核心，LoRa擴頻調(diào)制。AS32-TTL無線模塊采用高效的循環(huán)糾錯算法，編碼效率高，糾錯能力強，極大地提高了LoRa通信的抗干擾性和穩(wěn)定性。AS32-TTL無線模塊支持410～441 MHz頻段，接收靈敏度高達-130 dBm，具有定點傳輸、數(shù)據(jù)監(jiān)聽、透明傳輸和空中喚醒功能。且AS32-TTL無線模塊具有AS32-TTL-1W和AS32-TTL-100兩種功能側(cè)重點不同的樣式，可以滿足不同監(jiān)測點的需求。AS32-TTL-1W無線通信模塊傳輸距離高達10 000 m，更適合偏僻監(jiān)測點的數(shù)據(jù)傳輸;AS32-TTL-100無線通信模塊的傳輸距離相較而言較短，但其正常工作狀態(tài)下發(fā)射電流僅為104 mA，省電工作狀態(tài)下，消耗電流僅為幾十微安，休眠電流僅為18 μA，十分適合超低功耗的應(yīng)用[8]。

當(dāng)監(jiān)測點數(shù)據(jù)處于較為平穩(wěn)且正常時，AS32-TTL無線模塊在一定的時間間隔內(nèi)將采集到的數(shù)據(jù)信息回傳至上位機。無信息傳輸任務(wù)時，AS32-TTL無線模塊處于休眠狀態(tài)，降低LoRa通信頻率的同時，也可以避免其他監(jiān)測點異常數(shù)據(jù)快速回傳時出現(xiàn)信道堵塞等情況。AS32-TTL無線模塊的空中喚醒功能采用高精度時鐘和智能喚醒算法，能夠快速且同步喚醒，在真正實現(xiàn)超低功耗的同時也能避免信道擁擠，從而高效地實現(xiàn)對監(jiān)測點數(shù)據(jù)的傳輸，也保證了傳輸數(shù)據(jù)的實時性。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸距離較遠時，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包、傳輸失敗等情況。此時可以利用數(shù)據(jù)重發(fā)算法解決數(shù)據(jù)丟包時上傳錯誤的問題。網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)出喚醒命令，喚醒終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)終端節(jié)點無應(yīng)答數(shù)據(jù)包回傳時，判斷為數(shù)據(jù)傳輸失敗，網(wǎng)關(guān)節(jié)點自動重發(fā)喚醒數(shù)據(jù)包，直到接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包時才會判定數(shù)據(jù)包傳輸成功，接著繼續(xù)對下一個終端節(jié)點發(fā)送喚醒命令。

在通信信道堵塞的情況下，可能會導(dǎo)致通信失敗，可采用信道掃描機制來避免通信擁堵。LoRa數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在每一次發(fā)送數(shù)據(jù)包之前都會對通信信道進行掃描，如果通信信道處于空閑狀態(tài)，則發(fā)送數(shù)據(jù);如果信道是處于被占用狀態(tài)則將數(shù)據(jù)緩存至內(nèi)緩沖區(qū)，繼續(xù)進行信道掃描，若達到最大掃描次數(shù)時，通信信道仍處于被占用狀態(tài)則將數(shù)據(jù)直接發(fā)送，防止長時間的等待而占用資源。數(shù)據(jù)成功發(fā)送之后將清除緩存，等待下一次的喚醒發(fā)送。

2.3 山體傾斜判斷

山體傾斜度數(shù)據(jù)的采集使用TL735G三軸姿態(tài)儀來實現(xiàn)，三軸姿態(tài)儀包含先進的慣性導(dǎo)航算法，可以構(gòu)建Kalman濾波模型，實時反饋系統(tǒng)誤差，防止系統(tǒng)發(fā)散且能夠有效地抑制陀螺儀短時間漂移的問題。當(dāng)山體發(fā)生微小位移時，能夠快速且準(zhǔn)確地感知位移的角度。TL735G三軸姿態(tài)儀具有掉電保護的功能，當(dāng)該監(jiān)測點發(fā)生山體滑坡，意外導(dǎo)致設(shè)備損壞等情況時，TL735G三軸姿態(tài)儀可以很好地保存采集到的數(shù)據(jù)，監(jiān)測人員可以導(dǎo)出其中的數(shù)據(jù)對該監(jiān)測點的環(huán)境進行分析，有效避免監(jiān)測點數(shù)據(jù)出現(xiàn)空白的情況，大大保證了該監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，需根據(jù)監(jiān)測點的環(huán)境情況和監(jiān)測設(shè)備的安裝情況設(shè)定合適的閾值。當(dāng)監(jiān)測點未發(fā)生山體滑坡，也無滑坡跡象時，采集到的山體傾斜數(shù)據(jù)應(yīng)較為平穩(wěn)且不超出閾值范圍;當(dāng)山體出現(xiàn)落石或突發(fā)抖動時，系統(tǒng)將會提高對傾斜角度數(shù)據(jù)的采集，因為大量山體滑坡是伴隨暴雨出現(xiàn)的，所以還需結(jié)合雨量傳感器采集到的數(shù)據(jù)，進一步判斷是否只有突發(fā)落石導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)還是屬于持續(xù)抖動狀態(tài)出現(xiàn)山體滑坡的跡象。

2.4 數(shù)據(jù)采集與處理

監(jiān)測設(shè)備啟動之后，系統(tǒng)對設(shè)備上的角度和雨量傳感器進行檢測。檢測一切正常之后，角度傳感器和雨量傳感器開始對監(jiān)測點的環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)傳至監(jiān)測系統(tǒng)中的STM32單片機做數(shù)據(jù)處理和判斷，判斷數(shù)據(jù)是否超過閾值和出現(xiàn)異常。當(dāng)雨量傳感器采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，則判斷是否處于暴雨狀態(tài)，同時下達對角度傳感器高頻率采集數(shù)據(jù)的指令，通過對比采集到的2處節(jié)點數(shù)據(jù)進而判斷山體是否發(fā)生傾斜，是否將會發(fā)生山體滑坡現(xiàn)象。當(dāng)角度傳感器采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，結(jié)合雨量數(shù)據(jù)判斷天氣情況，若僅是山體突然抖動，而未發(fā)生降雨則僅提高角度傳感器的采樣頻率;當(dāng)采樣到的數(shù)據(jù)顯示該監(jiān)測點數(shù)據(jù)處于長時間平穩(wěn)時，則恢復(fù)正常的采樣頻率;當(dāng)采集到山體傾斜角數(shù)據(jù)和雨量數(shù)據(jù)都出現(xiàn)異常時，角度傳感器和雨量傳感器都需要提高采樣頻率，且該監(jiān)測點的數(shù)據(jù)需要優(yōu)先且快速回傳至上位機，此時該監(jiān)測點可能處于即將發(fā)生山體滑坡或山體滑坡剛開始的階段，需要通過DTU模塊進行緊急報警并將該監(jiān)測點的信息緊急發(fā)送至鐵路交通管理局，避免發(fā)生滑坡時火車高鐵等經(jīng)過該監(jiān)測點所處的軌道而造成生命財產(chǎn)損失。

2.5 監(jiān)測點設(shè)備的安裝方式

監(jiān)測點的監(jiān)測設(shè)備安裝至一個圓柱體內(nèi)，雨量傳感器安裝至圓柱體的上端，以保證能夠準(zhǔn)確且及時采集到降雨的數(shù)據(jù)，角度傳感器安裝至圓柱體的下端，以保證采集到的山體傾斜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，圓柱體的底部連接一個圓錐體，便于安裝該監(jiān)測裝置。出于三角形的穩(wěn)定性，監(jiān)測點的監(jiān)測設(shè)備布置方式呈等邊三角形布置，位于3個節(jié)點的監(jiān)測裝置采集的數(shù)據(jù)可以更好地分析出該監(jiān)測點周圍的環(huán)境情況，如發(fā)生滑坡的大致方位、滑坡的程度等，從而提高監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確性。為保證能夠?qū)崟r監(jiān)測易滑坡區(qū)域的各項指標(biāo)變化，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需要覆蓋整個易滑坡區(qū)域，但由于易滑坡區(qū)域的大小、地形不同等原因，監(jiān)測設(shè)備設(shè)置的數(shù)量和設(shè)置的方位需要根據(jù)易滑坡區(qū)域的情況而定，以確保能夠全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測易滑坡區(qū)域的各項數(shù)據(jù)變化。

3 系統(tǒng)測試分析

3.1 靜態(tài)角度傳感器采集角度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度測試

多次將水平儀和角度傳感器設(shè)置為相同的角度，并詳細記錄兩者顯示的角度進行精確的對比分析。測試和對比的數(shù)據(jù)見表1。通過對比水平儀與角度傳感器的測量結(jié)果可知，角度傳感器的測量誤差范圍在±1°，表明該系統(tǒng)測量精度高。

3.2 監(jiān)測設(shè)備滑坡監(jiān)測分析

為全面評估監(jiān)測設(shè)備的性能，將監(jiān)測設(shè)備安裝至不同傾斜角度的坡面上進行實地測試，測試過程中及時記錄上位機對異常數(shù)據(jù)的識別結(jié)果及是否觸發(fā)異常，以確保設(shè)備能夠及時準(zhǔn)確地響應(yīng)潛在的安全隱患。監(jiān)測設(shè)備實地測量數(shù)據(jù)見表2，對于不同的傾斜角度坡面，系統(tǒng)對異常數(shù)據(jù)的識別和異常報警的成功率較高。

4 結(jié)束語

為有效避免山體滑坡對鐵路交通運輸造成的影響和經(jīng)濟損失，對鐵路軌道的易滑坡區(qū)域進行高效、實時監(jiān)控和預(yù)警。本文提出了基于LoRa通信的鐵路軌道滑坡實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合了角度傳感器和雨量傳感器采集的數(shù)據(jù)，進行實時監(jiān)測和滑坡預(yù)警分析，以及結(jié)合監(jiān)測裝置采集的山體傾斜數(shù)據(jù)與降雨數(shù)據(jù)，能夠及時且準(zhǔn)確地判斷監(jiān)測點的環(huán)境情況。監(jiān)測裝置搭載的LoRa通信裝置能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，同時根據(jù)不同監(jiān)測點與網(wǎng)關(guān)的距離能夠選擇更加合適的LoRa通信裝置，真正實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。系統(tǒng)采用的監(jiān)測裝置的外形設(shè)計及等邊三角形布置方式，能夠更好適應(yīng)不同監(jiān)測點的環(huán)境情況，同時也能夠降低監(jiān)測裝置安裝的難度，以及能全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且能通過DTU模塊將監(jiān)測信息發(fā)送至手機上。

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基金項目：2022年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202213644004）

第一作者簡介：黃鵬（1987-），男，工程師。研究方向為嵌入式技術(shù)。