運(yùn)營線滑坡體綜合檢測體系研究

周丹 闕衛(wèi)東 師文斌

摘 要：蘭渝線蘭廣段處于青藏高原東北緣復(fù)雜特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，為了避免地質(zhì)災(zāi)害引起鐵路行車事故，建立有效的運(yùn)營線滑坡體綜合檢測體系，采用無人機(jī)對地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的山體進(jìn)行多次航拍，建立三維建模模型，獲取地質(zhì)災(zāi)害山體大面積變形數(shù)據(jù)。采用三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)，對接近鐵路線山體三維掃描建模，建立毫米級山體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過多次測量對比，掌握山體變形趨勢。采用線路雷達(dá)測量及三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)，研制的運(yùn)營線滑坡體綜合檢測系統(tǒng)基本解決了鐵路沿線異物入侵、山體大面積崩塌、落石的自動(dòng)監(jiān)測和預(yù)警的問題，實(shí)現(xiàn)了將最新傾斜攝影技術(shù)、三維激光掃描及雷達(dá)測量技術(shù)應(yīng)用于既有鐵路線運(yùn)營監(jiān)測，相對于傳統(tǒng)鐵路監(jiān)測手段具有監(jiān)測手段的創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航拍;三維激光掃描;鐵路沿線異物入侵監(jiān)測

中圖分類號：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0100-02

蘭渝鐵路蘭州至廣元段處于青藏高原東北緣復(fù)雜特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，尤其是強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造作用。地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，屬高-極高地應(yīng)力狀態(tài)。受多期強(qiáng)烈變形和極低級變質(zhì)作用改造以及構(gòu)造、斷層、高地應(yīng)力、地下水等多種因素的影響，施工中出現(xiàn)了軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂等一系列特殊復(fù)雜地質(zhì)問題。

蘭渝鐵路范家坪隧道進(jìn)口山體在2012年-2015年間多次出現(xiàn)表層滑移，目前已采取的工程措施有抗滑樁和錨索框架梁;楓相院車站特大橋在2012年-2015年間多次出現(xiàn)表層滑移，在線路上行側(cè)方向設(shè)置了3排72棵抗滑樁。目前，國內(nèi)外高校、企業(yè)均對鐵路滑坡災(zāi)害作為重要研究課題，但采用傳統(tǒng)的監(jiān)測手段技術(shù)。已不能滿足鐵路安全運(yùn)營要求。

1 航拍無人機(jī)在鐵路運(yùn)營線路監(jiān)測中的作用

蘭渝線、蘭廣段處于青藏高原東北緣復(fù)雜特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，尤其是強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造作用。地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，屬高-極高地應(yīng)力狀態(tài)。受多期強(qiáng)烈變形和極低級變質(zhì)作用改造以及構(gòu)造、斷層、高地應(yīng)力、地下水等多種因素的影響，施工中出現(xiàn)了軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂等一系列特殊復(fù)雜地質(zhì)問題。針對蘭渝線鐵路地質(zhì)的復(fù)雜性和特殊性，結(jié)合現(xiàn)場情況，對涉及軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂的12座隧道進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測顯得極為緊迫。通過無人機(jī)測控快速建模，可對監(jiān)測點(diǎn)微小位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控量測，同時(shí)根據(jù)被測目標(biāo)特征預(yù)測監(jiān)測點(diǎn)將發(fā)生的變化情況，并在情況緊急時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒。

采用航拍無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對鐵路線路地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的山體、隧道口進(jìn)行三維建模，建立線路山體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過多次航拍對比，實(shí)現(xiàn)對山體大面積變形數(shù)據(jù)獲取，通過對多次航拍所得的三維模型數(shù)據(jù)的對比分析，實(shí)現(xiàn)了對鐵路運(yùn)營線路地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的鐵路沿線滑坡體的地質(zhì)變化的全方位監(jiān)測。

2 雷達(dá)掃描技術(shù)在鐵路運(yùn)營地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的作用

研究通過三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)，對接近鐵路線山體三維掃描建模，建立毫米級山體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過多次測量對比，掌握山體變形趨勢。

眾所周知，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查尤其是鐵路運(yùn)營線路滑坡體、危巖體的調(diào)查在傳統(tǒng)鐵路沿線地質(zhì)工作中是存在一定困難的，特別是對于那些鐵路運(yùn)營線路滑坡體、邊坡高陡情況下。由于滑坡體、邊坡高陡造成調(diào)查人員難以企及，軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂、高位巖體隨時(shí)可能崩落、失穩(wěn)，給調(diào)查工作帶來人身安全問題，由于人員的地質(zhì)調(diào)查造成滑坡體崩塌、落石掩埋鐵路運(yùn)營線路，造成的鐵路運(yùn)營線路中斷，危及鐵路運(yùn)營安全等問題，所以不能采用傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法，并且傳統(tǒng)的測繪技術(shù)方法難以實(shí)施且精度較低。

結(jié)合三維激光掃描技術(shù)的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢，將其應(yīng)用于鐵路運(yùn)營線路滑坡體地質(zhì)災(zāi)害具體調(diào)查工作中，是傳統(tǒng)調(diào)查方法的有益補(bǔ)充，在某些情況下可以獲取傳統(tǒng)方法難以得到的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 線路雷達(dá)入侵監(jiān)測技術(shù)研究

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，列車運(yùn)行速度不斷提高，鐵路沿線突發(fā)落石、泥石流、山體滑坡、行人、動(dòng)物等異物侵入鐵路限界，頻頻引發(fā)嚴(yán)重鐵路交通事故，嚴(yán)重威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)安全和鐵路線路的安全運(yùn)營。傳統(tǒng)的軌道檢測主要采用人力，通過專業(yè)巡路人員來達(dá)到軌道檢測的效果。但人工的方式太過于浪費(fèi)人力和財(cái)力，且對于緊急事故的反應(yīng)不夠迅速。目前基于防護(hù)網(wǎng)探測電纜傳感技術(shù)的解決方案、基于智能圖像分析技術(shù)的解決方案以及基于應(yīng)力光纖光柵技術(shù)的解決方案等均存在誤報(bào)、漏報(bào)多，施工維護(hù)不方便等問題。基于三維激光掃描雷達(dá)和智能分析識別算法的“運(yùn)營線滑坡體綜合檢測系統(tǒng)”，能在各種天氣和氣候條件下，對各種鐵路運(yùn)行線路限界上可能威脅到列車正常行駛的落石、泥石流、山體滑坡、行人、動(dòng)物等各類異物進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地判斷，并對報(bào)警障礙物進(jìn)行定位和圖像記錄，同時(shí)通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)及無線列調(diào)等設(shè)備向監(jiān)控中心和列車司機(jī)上報(bào)報(bào)警信息，提示相關(guān)人員及時(shí)采取措施防止事故的發(fā)生。系統(tǒng)掃描雷達(dá)安裝于運(yùn)營線路的兩側(cè)，通過7天24小時(shí)不間斷掃描和分析，實(shí)時(shí)檢測障礙物入侵行為。系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：第一，采用非接觸式監(jiān)測，不影響鐵路正常運(yùn)行;第二，利用雷達(dá)和圖像相結(jié)合的方式，獲取運(yùn)行線路障礙物入侵的全面現(xiàn)場信息;第三，遠(yuǎn)程無線傳輸和本地?zé)o線傳輸集合，及時(shí)向監(jiān)控中心和本地司機(jī)傳遞報(bào)警信息，提示相關(guān)人員采取應(yīng)急措施。

3.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

運(yùn)營線滑坡體綜合檢測體系功能架構(gòu)如圖1所示。

3.2 實(shí)現(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)

實(shí)現(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的融合，報(bào)警信息與視頻監(jiān)控畫面的聯(lián)動(dòng)功能，報(bào)警發(fā)生時(shí)自動(dòng)切換到對應(yīng)的報(bào)警現(xiàn)場畫面，并對報(bào)警信息進(jìn)行處理操作。

3.3 實(shí)現(xiàn)對三維雷達(dá)掃描設(shè)備的接入

系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對三維雷達(dá)掃描設(shè)備的平臺接入，通過軟件平臺管理三維雷達(dá)掃描設(shè)備。三維雷達(dá)掃描設(shè)備實(shí)現(xiàn)對障礙物、行人、泥石流等異物入侵的判斷，并及時(shí)向報(bào)警中心報(bào)警。

3.4 實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理功能

實(shí)現(xiàn)對不同用戶權(quán)限用戶的管理，將用戶對應(yīng)到不同的站段，實(shí)現(xiàn)不同用戶對不同站段的分開管理。

3.5 優(yōu)化用戶操作界面

實(shí)現(xiàn)用戶操作界面的優(yōu)化，讓用戶在使用過程中有更好的體驗(yàn)，方便用戶操作。

3.6 安裝試用

通過對線路雷達(dá)測量技術(shù)及三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)的研究，研制了“運(yùn)營線滑坡體綜合檢測系統(tǒng)”對范家坪隧道進(jìn)口進(jìn)行了“運(yùn)營線滑坡體綜合檢測系統(tǒng)”的安裝及測試，目前進(jìn)入測試運(yùn)行階段，如圖2所示。

4 結(jié)語

通過對通過航拍無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了對鐵路線路山體進(jìn)行三維建模，建立線路山體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過多少航拍對比，實(shí)現(xiàn)對山體大面積變形數(shù)據(jù)獲取。通過對三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對接近鐵路線山體三維掃描建模，建立毫米級山體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過多次測量對比，掌握山體變形趨勢。通過對線路雷達(dá)測量技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了“基于三維模式的線路障礙自動(dòng)報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)”的研制，通過與合作伙伴進(jìn)行不斷的技術(shù)溝通和交流，基本實(shí)現(xiàn)了課題研究預(yù)期的目標(biāo)。運(yùn)營線滑坡體綜合監(jiān)測體系研究在目前是全新的系統(tǒng)，具有很大的推廣價(jià)值，本次課題研發(fā)的“運(yùn)營線滑坡體綜合檢測系統(tǒng)”基本解決了鐵路沿線異物入侵、山體大面積崩塌、落石的自動(dòng)監(jiān)測和報(bào)警的問題，實(shí)現(xiàn)了將最新傾斜攝影技術(shù)、三維激光掃描及雷達(dá)測量技術(shù)應(yīng)用于既有鐵路線運(yùn)營監(jiān)測，相對于傳統(tǒng)鐵路監(jiān)測手段具有監(jiān)測手段的創(chuàng)新性。

本課題通過對課題研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了本課題既定的課題目標(biāo)，本課題研制的“運(yùn)營線滑坡體綜合檢測系統(tǒng)”在隴南工務(wù)段長時(shí)間的試用和測試，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行不斷的改進(jìn)，基本滿足了用戶的需求。