山區(qū)鐵路異物侵限監(jiān)測技術應用研究

摘 要：危巖落石是山區(qū)常見的一種不良地質現(xiàn)象，嚴重威脅著山區(qū)鐵路建設及行車安全。雖然山區(qū)鐵路設計中采取繞避方式，但由于山區(qū)山高坡陡地段覆蓋范圍廣泛，仍然無法完全避免這種危險源。隨著我國鐵路建設的發(fā)展，危巖落石對鐵路特別是高速鐵路的安全影響越來越需要慎重考慮，因此，有必要采取監(jiān)測等技術手段，實現(xiàn)提前報警，盡可能的在發(fā)生事故之前清楚危險或者降低損失，保障人民生命財產(chǎn)。本文通過對幾種山區(qū)鐵路路基邊坡危巖落石異物侵限監(jiān)測技術的介紹，包括光纖光柵技術、視頻分析技術、雷達監(jiān)視技術以及衛(wèi)星定位技術等，分析其工作原理和技術特點。針對其各自的特點，結合山區(qū)鐵路的特殊工程情況，提出可行性的建議方案，作為系統(tǒng)設計和建設的參考。

關鍵詞：山區(qū)鐵路 路基危巖落石 監(jiān)測報警

中圖分類號：U298 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

作者簡介：肖琨，男，1975年生，高級工程師，中鐵二院通號院副總工程師，中鐵二院四川曠谷信息工程有限公司（信息中心）副總經(jīng)理，第九批四川省學術和技術帶頭人后備人選。牽頭負責中鐵二院在中國鐵路公司和國家地震局聯(lián)合科研項目“高速鐵路地震監(jiān)測預警系統(tǒng)”科研項目中的研制工作；曾擔任武廣、鄭西、福廈、廈深、海南東環(huán)線、成綿樂、成渝等多條鐵路重大干線和成都地鐵OCC中心信息專業(yè)設計負責人或技術管理負責人；擔任中鐵二院委內(nèi)瑞拉北部鐵路整體系統(tǒng)集成工程總承包項目部副經(jīng)理。

我國幅員遼闊，山區(qū)地形眾多，滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻繁發(fā)生，多為突發(fā)性和災難性，特別是高陡邊坡的崩塌、危巖落石，更是難以預測，嚴重威脅山區(qū)鐵路建設和運營安全。一旦災害發(fā)生，將給人民生命及國家財產(chǎn)造成嚴重危害和巨大損失。

雖然技術人員在山區(qū)鐵路設計中采取盡可能的繞避重大不良地質地段和較集中的危巖落石地段方式，但由于山區(qū)山高坡陡地段覆蓋范圍廣泛，且地質構造極為復雜，深路塹、高陡邊坡（人工及自然邊坡）、危巖落石等仍然無法完全避免。因此，如何進一步加強對鐵路運營期間不良地質地段的長期監(jiān)測，最大可能的避免或降低損失成為必要，在山區(qū)鐵路設置相應監(jiān)測系統(tǒng)的重要性顯得尤為突出。

本文通過介紹國內(nèi)交通領域的幾種異物監(jiān)測技術，初步探討了可應用于中國山區(qū)鐵路防路基邊坡危巖落石侵限監(jiān)測技術方案。

1 高速鐵路異物侵限監(jiān)測技術

我國高速鐵路在公跨鐵立交橋、公鐵并行段、隧道洞口段設置了異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙層電網(wǎng)傳感器，并且和信號列控系統(tǒng)進行了聯(lián)動控車。

當異物撞壞防護網(wǎng)，若一層電網(wǎng)損壞，則向調度中心告警；若雙層電網(wǎng)同時損壞，告警同時與信號設備聯(lián)動，相應區(qū)段中的列車緊急停車。

高速鐵路異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)同時配合使用視頻監(jiān)控裝置，調度或維護人員進一步通過視頻方式了解現(xiàn)場，評估損害情況和采取有效的措施。

若將雙電網(wǎng)監(jiān)測技術用于危巖落石的監(jiān)測，由于電網(wǎng)中的傳感器導線固化在高強度脆性復合材料中，只能采用監(jiān)測電網(wǎng)單元獨立豎直方式，安裝于邊坡災害及危巖落石可能沖擊的鐵路沿線（一般設置于鐵路防護欄內(nèi)側），當災害發(fā)生后災害體或落石侵入鐵路限界，破壞電網(wǎng)，出發(fā)報警，聯(lián)動列控系統(tǒng)控車。

該技術方案優(yōu)點是在高速鐵路領域已經(jīng)有大量應用，技術逐步趨向成熟。缺點是傳感器電網(wǎng)與防護網(wǎng)為一體構造，與路基專業(yè)設置的防護網(wǎng)無法實現(xiàn)一體化安裝，需單獨設置，防護范圍不全，易形成防護不到位情況。

2 光纖光柵技術

光纖光柵技術是利用反射光的波長對溫度、應力和應變敏感，通過光刻技術在光纖芯中引起折射的周期性變化原理而形成。當環(huán)境溫度、應力或應變發(fā)生變化時，光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量就可以實現(xiàn)對溫度、應力和應變的感測。

光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器、光纖光柵波長解調儀、計算機和相應的計算軟件組成。

2.1 在柔性被動防護網(wǎng)上的設置方案

在鐵路常用的被動柔性防護系統(tǒng)中，錨拉繩為主要受力部件。安裝時可以將光纖光柵拉力傳感器串接在錨拉繩上。當異物或者巨石撞擊上防護網(wǎng)時，錨拉繩受到巨大沖擊力，拉力傳感器據(jù)此不僅可測量出沖擊力大小，還可以根據(jù)受到?jīng)_擊前后的狀態(tài)來判斷防護網(wǎng)是否受到破壞，并通過軟件系統(tǒng)給出相應的報警信息。

圖2.1 光纖光柵拉力傳感器在柔性被動防護網(wǎng)上的布置示意圖

2.2 在剛性防護柵欄上的設置方案

光纖光柵振動傳感器在剛性防護柵欄上的布置如下圖所示。考慮到盡可能采取到信息，光纖光柵振動傳感器安裝位置一般考慮在振動幅度較大處，即通過專用固定設施固定在剛性防護柵欄鋼絲網(wǎng)的中間位置。通過各個振動傳感器感受沖擊信號的時間先后，來判定防護柵欄受到?jīng)_擊的位置；傳感器感測的沖擊幅度和沖擊距離來計算受到損傷的程度。

圖2.2 光纖光柵振動傳感器在防護柵欄上的布置示意圖

光纖光柵技術目前已在長大橋梁的長期健康監(jiān)測方面有較多應用，但應用于危巖落石的監(jiān)測，還有待進一步的試驗和驗證。同時，該技術方案的成本也較高。

3 視頻監(jiān)控及圖像分析技術

基于野外紅外激光三維精密測量技術的紅外激光方式的視頻監(jiān)控及圖像分析技術，通過對監(jiān)測區(qū)域進行連續(xù)掃描，能夠在各種天氣和氣候條件下快速、準確的發(fā)現(xiàn)目標，同時通過后臺軟件的分析實現(xiàn)對目標物的辨別能力。

系統(tǒng)由現(xiàn)場視頻監(jiān)測系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡、中心報警系統(tǒng)部分組成。具備現(xiàn)場行車告警和視頻追蹤功能。

現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)由紅外激光夜視攝像機、智能圖像分析單元、紅外激光掃描成像裝置、數(shù)據(jù)分析軟件等組成。系統(tǒng)通過視頻圖像的智能分析和對比判別，實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)發(fā)生危巖落石的監(jiān)測報警。

由于線路周邊環(huán)境的復雜性，該系統(tǒng)存在誤報率高的可能性較高。如小型動物、慢速通過或停止的機車以及雜草等都有可能造成誤報。該種監(jiān)測方式在鐵路領域已有嘗試性應用案例。

4 雷達監(jiān)測技術

雷達監(jiān)測技術是借助電磁波反射原理完成對進入監(jiān)測區(qū)域的目標物體的速度、距離等有效信息的采集、分析和處理，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的實時監(jiān)測。當有危巖落石等異物進入事先劃定的雷達監(jiān)控區(qū)域時，通過后臺軟件對采集到的信息進一步分析，確定侵限告警級別，實現(xiàn)告警。

該技術方案測量視頻監(jiān)控及圖像分析技術類似，為非接觸式監(jiān)測技術。其不足的地方在于當車輛或其他物體經(jīng)過掃描區(qū)域時，可能會造成誤報。這種技術方案存在應用較少，處于初期實驗階段和設備價格較高，監(jiān)測距離有限的缺點。

5 衛(wèi)星定位監(jiān)測技術

該技術方案利用北斗或GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供的位置、速度、時間等信息來完成對高陡邊坡及危巖落石體的三維位置變化信息監(jiān)測。

通過現(xiàn)場布設衛(wèi)星定位模塊，作為主要監(jiān)測傳感器，然后再通過后臺軟件的技術處理，實現(xiàn)對危巖落石的監(jiān)測，其精度可達厘米級。

傳感器布設于高陡邊坡危巖落石監(jiān)測點所處的危險坡體、危巖落石體、高路堤、深路塹或災害發(fā)生可能的鐵路沿線防護欄立柱上。當高陡邊坡發(fā)生變形時，系統(tǒng)通過定位模塊測量的三維數(shù)據(jù)，然后分析出監(jiān)測點的水平和高程位移；當災害發(fā)生沖擊鐵路沿線防護欄上道時，可通過防護欄上安裝的傳感器變形情況判斷災害的影響程度，并通過設置于鐵路沿線的專用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場信息加以確認。

圖2.11危險坡體安裝圖 2.12鐵路沿線防護欄立柱安裝傳感器

該技術方案可實現(xiàn)對各監(jiān)測點平面和高程觀測數(shù)據(jù)的同步，實時掌握監(jiān)測點位置信息和變形情況，但衛(wèi)星通道成本較高，對柔性防護網(wǎng)區(qū)段的測試方案還有待進一步研究。

6 方案研究

根據(jù)我們目前對山區(qū)鐵路危巖落石防護的初步研究，從技術成熟度、工程可實施性和投資等多方面綜合分析，光纖光柵技術+視頻監(jiān)控具有比較大的優(yōu)勢。用光纖光柵技術應用于危巖落石的監(jiān)測報警，再通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行確認和實現(xiàn)遠程調度指揮。在工程中，光纖光柵技術需要與主動或被動防護網(wǎng)共同設置，在系統(tǒng)報警閾值、傳感器布置方式等方面還有點進一步研究和通過實際工程驗證，不斷優(yōu)化。

山區(qū)鐵路地形復雜，對于無法進行接觸式安裝的危巖落石危險地段，采用視頻監(jiān)控及圖像分析技術實施較為方便，在技術成熟度和投資上具有相對的優(yōu)勢。但同時也應看到，視頻分析系統(tǒng)投入使用后，為減少誤報，需要一個長時間的 “學習”和補充信息庫的過程，這個過程要專業(yè)技術人員和運維管理人員一起，共同反復進行試驗、驗證和測試，才能讓系統(tǒng)達到一個可接受的誤報率指標。因此，該方案最大的不足在于若系統(tǒng)“學習”過程不完善，不充分或運維管理人員的素質不能滿足要求，造成實際使用中誤報率高，最后流于形式，僅作為人工遠程視頻監(jiān)控使用，無法真正起到智能分析，減少勞動強度的作用。

7 結束語

新技術、新產(chǎn)品的涌現(xiàn)，對實現(xiàn)山區(qū)鐵路危巖落石的監(jiān)測提供了可能。集團公司在多個項目中對危巖落石監(jiān)測也進行了科學研究和探索。我們看到，如果要從可靠性、可實施性、性價比是否合適等多方面考慮，現(xiàn)有某一種監(jiān)測技術還無法完全滿足要求，需要結合工程實際情況，進行對比和綜合分析，多種技術組合，才能實現(xiàn)我們的技術目標。而技術方案的實施要經(jīng)過一個論證、試驗和驗證的過程，這樣才能保證系統(tǒng)監(jiān)測的可靠性，實現(xiàn)保證行車安全的目標。

參考文獻

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