宜萬鐵路危巖落石及風險隧道內溶腔視頻監視系統工程設計研究

周 偉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司通號處，武漢 430063)

1 宜萬鐵路視頻監視系統概述

1.1 項目背景

宜萬鐵路地處鄂西山區，處于云貴高原區與長江中下游平原區的接合部，穿越巫山山脈，地質地貌復雜，巖溶、順層、滑坡、斷層破碎帶和崩塌等主要不良地質現象分布廣泛，全線山高壁陡，河谷深切，許多路段的鐵路處于巖溶隧道內，且兩側邊坡陡峭，土質多樣，易發洪水、滑坡和泥石流等自然災害。為了防止這些自然災害沖毀鐵路，威脅鐵路運輸和人民生命財產安全，造成重大的經濟損失和安全事故，在這些路段建造了鋼筋混凝土堤壩和排水洞進行了加固和疏導，并在鐵路兩側配以防護網，以防山上落石對鐵路造成破壞，同時為了防患于未然，有必要對堤壩、排水洞和防護網安裝安全監測報警系統。鑒于對監測系統有效性、準確性和長期工作的穩定性要求，系統采用了高性能的視頻監視網絡進行實時監測和預警。

1.2 視頻監視技術概述

視頻監視技術主要實現危險地段視頻監視圖像的監測、錄制、報警、復核功能，同時能對報警圖像進行存儲、查詢、遠程調閱等功能。

本視頻監視子系統方案主要實現在本項目中監測點光纖光柵探測器發生報警時，通過調用視頻監視圖像進行災情確認功能，同時能將報警圖像進行存儲、查詢、遠程調閱等功能。

通常攝像頭覆蓋整個被監視區域進行全方位攝像，當前端光纖光柵探測器發生報警時，將聯動攝像機鏡頭對準報警區域，同時在監視系統軟件中彈出報警區域的實時視頻圖像或將報警區域的實時視頻圖像切換到指定的監視器上，工作人員可以控制攝像機對報警區域進行視頻圖像復核，判別警情，以便采取進一步的安全防護措施。

2 視頻監視系統結構

2.1 系統總體結構的選擇

系統采用以視頻編解碼器為核心的數字視頻監視系統。監控前端主要由攝像機及設備箱、編碼器等主要設備組成。視頻采集點的視頻信息，經編碼器進行數模轉換、壓縮編碼后，通過通信MSTP傳輸平臺或光纖數據網絡平臺傳送到視頻監視中心。

視頻監視中心是視頻監視系統的管理中心，負責整個視頻監視系統中監視設備及傳送網絡的統一管理和調度，具有系統管理、網絡管理、事件錄像管理、視頻流組播/分配管理、用戶鑒權管理、監控及報警信息統計、報表生成等功能，同時實現和其他相關應用系統進行數據交互功能。

2.2 監控中心

監控中心系統通過各個架設在高巖邊坡段、溶洞內的攝像機，將現場的視頻集中傳送到監控室，工作人員不用親臨現場，在監控室中就能同時對各前端現場實時查看。當前端光纖光柵探測器發生報警時，工作人員可以控制攝像機對報警區域進行視頻圖像復核，判別警情，以便采取進一步的安全措施。

監控中心配置存儲服務器、流媒體服務器、電視墻服務器、電視墻(大屏)等設備。

2.3 車站分控中心

分控中心一方面監控本站所轄管各高巖邊坡段及溶洞的水流量情況，另一方面和中心聯網，實現信息共享。分中心操作權限低于一級中心，根據權限設置，可監控全部或管轄內的視頻點，每個分中心配備1臺視頻監視工作站和圖像顯示設備。

2.4 前端監控設備

前端監控設備主要實現視頻圖像的采集功能，同時考慮設備的穩定性、可靠性及可擴展性。

3 視頻監視系統實現

3.1 視頻監視設備選型

(1)攝像機

宜萬線地處山區多霧，攝像機無法穿透云霧監視，對可視距離會產生一定的影響。為了避免影響鐵路行車，鐵路沿線紅外燈需要采用940 nm波長，監視現場夜晚無輔助光源，攝像機紅外可視距離一般多在100 m范圍以內。因此在宜萬線特定條件下，監視范圍以容易突發危巖落石的隧道口鐵路軌面100 m范圍為主，兼顧落石邊坡的監視。在全線11處隧道口監控點共設置26套前端監視設備。

溶洞內視頻監視環境惡劣，常年潮濕陰暗，在隧道內設置長明燈作為輔助照明，攝像機采用彩轉黑防爆攝像機。在全線6處隧道內泄水洞監控點共設置6套前端監視設備。

(2)視頻編碼器

視頻編碼器作為本系統的核心信號處理設備，對攝像機采集的模擬視頻信號進行模數轉換、壓縮編碼。

(3)防雷器

為保證視頻設備的安全性和可靠性，各監控點均配置三合一防雷器，對視頻信號、RS485控制信號、電源進行防浪涌保護。

(4)設備箱

攝像機可安裝在沿線既有建筑物上，如GSM-R鐵塔等，無可利用建筑物時需架設5 m立桿，并做好接地與防雷處理。

(5)立桿

設備箱安裝在立桿上或業主方指定位置，配鎖匙或扳手等安全措施，同時考慮防水、防塵和昆蟲的侵入，以及防嚙咬措施。

(6)傳送網絡

宜昌至涼霧段利用傳輸系統的MSTP業務，在各監視點附近的基站提供視頻監視系統的傳送平臺接入。涼霧至萬州段視頻信號傳輸通道利用沿線敷設光纜解決，敷設單模通訊光纜建立IP傳輸光纖網絡。

3.2 系統功能

視頻監視功能，系統能對各高巖邊坡監控點進行實時視頻圖像的監控。

PTZ控制功能。視頻客戶端可根據權限控制云臺的旋轉角度，攝像機的光圈大小、聚焦程度、加熱開關、雨刷開關、變倍程度、照明開關等。

報警聯動功能，實現報警時的視頻圖像復核功能。

支持B/S或者C/S系統訪問方式。

權限管理功能，各操作員可以在自己權限內調用圖像和修改系統設置。

自動檢測系統設備的工作狀態。

分組同步切換功能，可動態地設置和任意組合攝像機及監視器的顯示關系，將任意攝像機的視頻信號切換到任意顯示器上顯示。

能夠對所存儲的監視圖像進行檢索和回放。

3.3 防雷接地

宜萬鐵路防災視頻監視系統因地質環境和安裝環境因素，對防雷接地要求就比較嚴格。

(1)防雷解決方案

監控設備所遭受的雷擊主要存在兩種形式:直接雷擊和感應雷擊。

直接雷擊:雷電直接擊在室外監控設備上造成設備損壞。

感應雷擊:由靜電感應和電磁感應造成，產生的感應過電壓通過電源線、信號線、視頻線、傳輸電纜侵入設備，造成電位差使設備損壞。

為避免直接雷擊，室外攝像機設備新立桿安裝避雷針。而對于感應雷擊，采取以下措施。

①室外監控攝像設備線纜引上時采用金屬管屏蔽，所有線路(如電源線、視頻線、信號線和云臺控制線)安裝相應的防雷器。

②室外監控攝像設備采用就近設置接地方式，接地電阻原則上小于4 Ω。

③距離鐵路線20 m范圍內的監控設備納入鐵路沿線既有的貫通地線系統。

室外光纜引入室內時對金屬外護套進行隔斷，電纜引入室內時金屬外護套進行接地，同時通過UPS設備所帶的防雷器進行防雷。

(2)其他注意事項、維護要則

①防雷設計應在認真調查地理、地質、土壤、氣象、環境等條件和雷電活動規律以及被保護物的特點等基礎上，詳細研究防雷裝置的形式及其布置。

②在具體工程中，防雷設備安裝位置及設備選型均應由專業人員根據實際情況選定。

③應采用技術和質量均符合國家標準的防雷設備、器件、器材，避免使用非標準防雷產品和器件。

④避雷針體、避雷帶、支架、接地引下線、接地體、連接線等部件，均應采用熱鍍鋅等方法，有效防止銹蝕。

⑤應定期檢查防雷器的使用情況，發現有損壞、老化的情況應及時更換。

4 視頻監視系統施工安裝與調試

4.1 隧道口監視設備安裝

本項目隧道口視頻設備主要是對高巖邊坡路段進行監控，由視角、安全性以及光源等因素選擇合適安裝地點。對接地要求為接地地阻小于或等于10 Ω，利用信號貫通地引入設備箱。設備選型方面，對于像柿子口大橋處以及五爪觀隧道處高陡邊坡，由于邊坡高度以及寬度方面要求較高，系統采用安裝派爾高云臺攝像機，仰角可以達到垂直最大-75°～+75°。還有像紅外燈，由于鐵路特殊環境，不能選用傳統850 nm技術(有可見紅光)，該系統選用的為950 nm技術紅外燈，但是功率方面因技術因素原因肯定不如傳統已經成熟應用的850 nm技術紅外燈。

①柿子口大橋處(高陡邊坡):堰灣一號隧道口和堰灣二號隧道口壁裝。

②五爪觀隧道進口(高陡邊坡):利用直放站兩邊壁裝。

③堡鎮隧道出口(沖溝):隧道口立桿柱裝。

④高陽寨隧道出口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑤龍麟宮隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑥馬鹿箐隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑦齊岳山隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑧關倉坪隧道出口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑨羊子巖隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

⑩打子坪隧道出口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

?廣成山隧道出口(高陡邊坡):利用直放站兩邊壁裝。

?廟埡口隧道進口(高陡邊坡):隧道口立桿柱裝。

以上為各監控終端安裝方式。

4.2 隧道內監視設備安裝

本項目隧道內視頻設備主要是對隧道內溶腔、平導以及排水洞進行監控，由視角、安全性以及光源等因素選擇合適安裝地點。對接地要求為接地地阻小于10 Ω，利用信號貫通地引入設備箱。設備選型方面，應用的為一體化防爆云臺攝像機，設備箱選用的也采用防爆技術。光源方面，選用安裝照明燈以及加裝紅外燈方式。

①龍麟宮隧道內(巖石溶腔):溶洞里面立柱裝。

②云霧山隧道內(排水洞):防堵墻壁裝。

③馬鹿箐隧道內(排水洞):溶腔壁裝。

④大支坪隧道內(平導):溶腔壁裝。

⑤野三關隧道內(排水洞):防堵墻壁裝。

⑥齊岳山隧道內(平導):溶腔壁裝。

其中，為了使龍麟宮隧道DK231+796溶洞視屏監控有更廣闊的視野，盡可能地避免受溶洞內石堆及既有立柱的影響，通過現場調查，結合視屏監控設備的性能，在該溶腔內增設2個3 m高的視屏底座，將視屏設備放置于底座之上。安裝位置參見龍麟宮隧道溶洞內視頻設備安裝示意(圖1)。

4.3 綜合工區設備安裝

為保證視頻設備的安全性和可靠性，在綜合工區監控中心，設置3臺服務器以及1臺客戶端服務器。

圖1 龍麟宮隧道溶洞內視頻設備安裝示意

服務器功能分別為中心管理平臺，流媒體轉發平臺以及視頻存儲單元，還專門提供1臺磁盤陣列(200T海量存儲)，對視頻數據進行安全、不間斷以及批量的處理。由于系統網絡傳輸的是數據量巨大的視頻信號，而且還有擴容方面的需求，所以對網絡要求也很高，網絡的質量對圖像的畫質、存儲錄像以及攝像頭控制影響很大。

4.4 系統調試

系統調試分2步進行，終端設備處在安裝施工過程中進行現場調控，主要是檢查現場光電纜是否接通以及測試設備的運行狀況、調整攝像的角度、設置設備參數。設備的現場安裝調試完成后，到綜合區進行全局聯網調試，主要是安裝視頻系統軟件，測試網絡是否通暢，能否接受到遠程圖像以及遠程操控攝像機，并設置軟件參數和用戶權限，以實現系統設計要求的所有功能。

5 結語

在當今航空、公路運輸高速發展的今天，鐵路運輸仍然是我國國民經濟的命脈，保障鐵路運輸的安全具有重大經濟效益和社會效益。通過遠程視頻監視系統的使用，可以有效提高我國山區鐵路預防減災的效果，使安全監測報警技術上升到一個新的臺階。宜萬鐵路已于2010年12月開通，危巖落石及隧道內溶洞視頻監視系統運行穩定，為宜萬線的安全運營發揮了一定的作用。防災落物及溶洞視頻監視系統，具有較強的綜合性、復雜性和代表性，通過對安防監控系統監控鐵路沿線風險隧道解決方案的一些要點的探討，闡述對防災視頻監視問題的一些看法和有限的經驗，期待行業同仁給予批評指正，共同完善、豐富視頻防災技術，宣傳、推廣更加合理、準確的視頻防災方案，更好地解決社會上的鐵路防護問題，有效達到減災目的。

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