線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)及其應用

張景利

（中國鐵路北京局集團有限公司 北京科學技術(shù)研究所，北京 100036）

0 引言

由于鐵路線路橫跨地域廣泛，沿線環(huán)境復雜，在正常運行和維護方面具有更多的特殊性，因山體滑坡、泥石流、雪崩、洪水等所導致的路基塌陷、公跨鐵立交橋落物等異物侵限危及運輸安全的情況也時有發(fā)生。以往的安全保障措施很難適應現(xiàn)代鐵路運輸安全的要求，因此如何完善鐵路運輸安全保障系統(tǒng)，預防并最大程度地減少行車事故，是鐵路現(xiàn)代化建設的一項根本工作。

為確保鐵路行車安全，研發(fā)了線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在各種氣象條件下對線路及周邊范圍進行無人值守，自動發(fā)現(xiàn)侵入鐵路機車車輛限界內(nèi)的障礙物，并能對過往列車提供預警；安全監(jiān)控人員能夠通過該系統(tǒng)，在發(fā)現(xiàn)異常情況并可能危及列車行駛安全時，向相關(guān)部門發(fā)送信號，既可避免鐵路行車事故的發(fā)生，又減輕了值守人員的工作強度[1-3]。

1 總體技術(shù)方案

山區(qū)鐵路線路周邊地形地貌復雜多變，根據(jù)既有探測技術(shù)的優(yōu)劣，并結(jié)合山區(qū)線路地形調(diào)研數(shù)據(jù)，決定采用先進的激光傳感技術(shù)實現(xiàn)山區(qū)重點區(qū)段入侵異物的探測與識別，以此為核心搭建系統(tǒng)的整體架構(gòu)并制定總體技術(shù)方案。對山區(qū)鐵路線路周邊環(huán)境狀況、工務部門對各重點區(qū)段監(jiān)控的工作流程、出現(xiàn)險情情況下行車控制與恢復行車的流程等方面進行充分調(diào)研，在制定系統(tǒng)總體技術(shù)方案時重點考慮以下問題：

（1）全天候?qū)崟r監(jiān)測。線路障礙監(jiān)測設備屬于安全設備范疇，因此該系統(tǒng)應具備全天候無人值守功能，且支持全天候?qū)崟r監(jiān)測[4]。

（2）監(jiān)測方式采用激光識別的非接觸式。該技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、實時性強、精度高等特點，可提高系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。激光本身抗干擾性強，可適應復雜的山區(qū)環(huán)境，且激光穿透性強，覆蓋范圍廣[5]，降低了安裝位置的條件限制，無論從施工方面還是經(jīng)濟效益方面，具有得天獨厚的優(yōu)勢，能最大程度地滿足系統(tǒng)技術(shù)要求。

（3）自動報警。鐵路沿線若發(fā)生山體落石侵限，會對過往列車造成巨大危害。該系統(tǒng)能在監(jiān)測到線路障礙后第一時間通知附近列車及鄰近車站，將危害減至最小。

（4）系統(tǒng)采用集成化設計。在生產(chǎn)成本方面，集成化組裝過程簡單，生產(chǎn)效率可大幅提升并提高設備可靠性；在設備維護方面，集成化可簡化設備維護工作。

（5）現(xiàn)場視頻實時監(jiān)控。該系統(tǒng)設置視頻采集及存儲裝置，通過現(xiàn)場設置的攝像頭等設備實時采集現(xiàn)場圖像，既有利于將現(xiàn)場報警情況及時通知相關(guān)人員，也有利于線路發(fā)生障礙后的指揮搶險，視頻存儲設備則用于追溯分析。

（6）自有服務器提供技術(shù)保障。通過設置遠程服務器實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，為系統(tǒng)不斷升級提供保障。

（7）不間斷電源（UPS）供電方案，保證系統(tǒng)能夠24 h穩(wěn)定、連續(xù)工作。

系統(tǒng)具體工作流程如下：設置在線路一側(cè)的激光掃描器發(fā)射激光束脈沖，以二維極坐標的形式在鋼軌軌面上方構(gòu)成警戒柵網(wǎng)，覆蓋相關(guān)限界范圍，當限界范圍內(nèi)出現(xiàn)異物時，激光束被異物表面遮擋反射，激光掃描器內(nèi)的光電二極管檢測并接收到反射回波[6]。這一連續(xù)的過程經(jīng)過精密計算，可確定該異物的距離和運動方向等位置信息，根據(jù)異物在激光掃描器掃描平面的極坐標值和時間數(shù)據(jù)計算侵限異物的形態(tài)（包括投影尺寸、運動狀態(tài)等）[7]。根據(jù)中國鐵路總公司發(fā)布的《線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》規(guī)定，如果判斷異物為投影尺寸大于200 mm的危險障礙物，輸出報警上傳至主控模塊，驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)攝像頭轉(zhuǎn)向危險障礙物所在的掃描器防區(qū)，并向遠程服務器上傳現(xiàn)場視頻圖像，危險障礙物靜止達到設置時間M后，揚聲器發(fā)出高音報警；若危險障礙物靜止達到設置時間M+N后仍未消除，則觸發(fā)電臺報警和紅燈報警，并通知附近的列車，觸發(fā)短信報警通知危險區(qū)間的相關(guān)工作人員。調(diào)度員可從監(jiān)控系統(tǒng)終端獲知現(xiàn)場報警，并通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)查看現(xiàn)場圖像。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見圖1，報警流程見圖2。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)報警流程

2 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)主要由激光掃描模塊、主控模塊、通信及輸入輸出模塊、報警模塊、視頻采集模塊、供電模塊及遠程服務器7部分組成。

2.1 激光掃描模塊

模塊采用的激光掃描器利用多次回波技術(shù)，通過以太網(wǎng)實時準確地輸出測量數(shù)據(jù)。激光掃描器安裝在軌道的一側(cè)，對線路及周邊一定范圍內(nèi)進行實時監(jiān)測，將防區(qū)內(nèi)的掃描數(shù)據(jù)上傳至主控模塊。激光掃描器參數(shù)見表1。

表1 激光掃描器參數(shù)

系統(tǒng)可規(guī)范激光掃描器上傳的報文，通過規(guī)范報文格式，提升激光掃描器硬件與軟件的兼容性，主控模塊可分析激光掃描器的報文數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對障礙物的識別算法在激光掃描器端進行處理，將處理結(jié)果上傳至主控模塊并觸發(fā)相應報警。報文信息分為報警報文、狀態(tài)報文、數(shù)據(jù)報文3類。

（1）報警報文。激光掃描器根據(jù)防區(qū)內(nèi)物體的投影尺寸、位置、運動速度等信息，判斷是否為障礙物，若為障礙物上傳報警報文。

（2）狀態(tài)報文。激光掃描器自身的溫度、蒙塵、心跳、掃描頻率、網(wǎng)絡配置等基本信息上傳到主控模塊。

（3）數(shù)據(jù)報文。激光掃描器掃描到的防區(qū)信息上傳并儲存到主控模塊，備日后追溯分析使用。

2.2 主控模塊

主控模塊包括工控機、視頻處理錄像模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和環(huán)境控制模塊4部分。

（1）工控機。負責對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析和處理，并及時觸發(fā)各級報警。

（2）視頻處理錄像模塊。主要功能是通過網(wǎng)絡接收系統(tǒng)內(nèi)部云臺攝像頭設備傳輸?shù)臄?shù)字視頻碼流，并進行存儲、管理，從而體現(xiàn)網(wǎng)絡化帶來的分布式架構(gòu)優(yōu)勢。

（3）數(shù)據(jù)存儲模塊。主要承擔系統(tǒng)運行日志、各激光掃描器實時數(shù)據(jù)及實時視頻等數(shù)據(jù)存儲任務，便于日后追溯及系統(tǒng)升級。

（4）環(huán)境控制模塊。具有溫度控制、防雷和滅火等功能。

2.3 通信及輸入輸出模塊

通信及輸入輸出模塊包括輸入輸出模塊、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、交換機和繼電器組等。

（1）輸入輸出模塊。接收遠程控制等開關(guān)量信息并上傳至主控模塊；主控模塊控制輸入輸出模塊各路開關(guān)量報警信息，包含揚聲器報警、紅燈報警及電臺報警。輸入輸出模塊具有以下特點：開放式通信協(xié)議；占用空間小，適合系統(tǒng)模塊化設計；防雷、防浪涌設計，并增設輸入隔離，能對模塊加以保護。

（2）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊。監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)每個重要模塊之間通信及工作狀態(tài)，一旦現(xiàn)場設備出現(xiàn)故障，可通過分析系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊相關(guān)信息定位出現(xiàn)故障的模塊，能夠快速解決問題，使系統(tǒng)恢復使用，大大縮短了系統(tǒng)的維護時間，提高了系統(tǒng)的使用效率。

（3）交換機和繼電器組。接收輸入輸出模塊的輸出，控制電路的通斷，從而控制系統(tǒng)其他模塊動作。

2.4 報警模塊

當監(jiān)控區(qū)間出現(xiàn)物體且主控模塊判斷為障礙物時，現(xiàn)場分別觸發(fā)揚聲器報警、電臺報警和紅燈報警。

（1）揚聲器報警模塊。激光掃描器監(jiān)測到防區(qū)有投影尺寸大于200 mm（可設置）的危險障礙物，并且在防區(qū)內(nèi)靜止時間M后，系統(tǒng)觸發(fā)揚聲器報警，對障礙物以示警告。

（2）電臺報警模塊。若障礙物靜止時間達M+N后，觸發(fā)電臺報警，向區(qū)間內(nèi)的機車電臺和車站電臺發(fā)出電臺語音警告。

（3）紅燈報警模塊。若障礙物靜止時間達M+N后，觸發(fā)紅燈報警，紅燈報警模塊安裝在監(jiān)控防區(qū)外15 m（可設置）處，向附近正駛?cè)雸缶瘏^(qū)間的列車發(fā)出信號燈報警。

2.5 視頻采集模塊

視頻采集模塊采用可高速云臺控制的攝像頭，當某個防區(qū)發(fā)現(xiàn)疑似障礙物時，視頻處理錄像模塊控制攝像頭觸發(fā)相應預置位，自動定位到報警的激光掃描子模塊位置，確保第一時間獲得報警現(xiàn)場畫面，該圖像用于系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)計分析。

2.6 供電模塊

系統(tǒng)供電模塊為系統(tǒng)正常運行提供穩(wěn)定電源，由交流（AC）供電單元和直流（DC）供電單元組成。

（1）AC供電單元。系統(tǒng)由外部提供220 V AC電源并接入UPS，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。當外部220 V AC電源發(fā)生故障時，系統(tǒng)由UPS的蓄電池供電，UPS可為系統(tǒng)供電運行至少4 h。

（2）DC供電單元。DC供電單元提供直流電源，其中設備機柜內(nèi)電氣設備的供電均由24 V電源提供。

2.7 遠程服務器

遠程服務器包括數(shù)據(jù)服務器和視頻服務器，設置于遠程監(jiān)控室，通過互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)場設備通信，負責記錄和查看現(xiàn)場設備的報警信息及視頻信息，以便于后期系統(tǒng)升級。

3 試點應用

線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)主要用于易發(fā)生落石、泥石流等地質(zhì)災害地段的安全監(jiān)測，目前已在京原線K39及K43沿線安裝3處進行試點，此段線路位于山區(qū)，距山體不超過5 m，且山體陡峭，汛期易發(fā)生險情。

該系統(tǒng)自2017年7月開始安裝試用，累計運行485 d，共產(chǎn)生報警21起。監(jiān)控人員通過人工分析手段，將報警時系統(tǒng)記錄的激光掃描器數(shù)據(jù)還原為障礙物運動軌跡（見圖3）。分析軌跡提取的運動特征，結(jié)合視頻系統(tǒng)復核，準確找出21起系統(tǒng)報警的原因（見表2）。障礙物圖像見圖4—圖6。

以上21起報警均因外物侵限所致，符合中國鐵路總公司發(fā)布的《線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》報警要求，且試運行期間未發(fā)生誤報漏報事件。試點應用達到了預期效果，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，表明該系統(tǒng)可有效監(jiān)測鐵路沿線限界安全，發(fā)現(xiàn)侵入限界且滿足報警要求的障礙物后可及時控車，為線路安全監(jiān)測提供了可靠的技術(shù)手段。

圖3 激光掃描器數(shù)據(jù)還原的障礙物運動軌跡

表2 系統(tǒng)報警數(shù)據(jù) 起

圖4 樹枝侵限

圖6 人員侵限