線路障礙自動監測報警系統及其應用

張景利

（中國鐵路北京局集團有限公司 北京科學技術研究所，北京 100036）

0 引言

由于鐵路線路橫跨地域廣泛，沿線環境復雜，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生。以往的安全保障措施很難適應現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，預防并最大程度地減少行車事故，是鐵路現代化建設的一項根本工作。

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

1 總體技術方案

山區鐵路線路周邊地形地貌復雜多變，根據既有探測技術的優劣，并結合山區線路地形調研數據，決定采用先進的激光傳感技術實現山區重點區段入侵異物的探測與識別，以此為核心搭建系統的整體架構并制定總體技術方案。對山區鐵路線路周邊環境狀況、工務部門對各重點區段監控的工作流程、出現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研，在制定系統總體技術方案時重點考慮以下問題：

（1）全天候實時監測。線路障礙監測設備屬于安全設備范疇，因此該系統應具備全天候無人值守功能，且支持全天候實時監測[4]。

（2）監測方式采用激光識別的非接觸式。該技術具有數據獲取速度快、實時性強、精度高等特點，可提高系統的準確性和穩定性。激光本身抗干擾性強，可適應復雜的山區環境，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濟效益方面，具有得天獨厚的優勢，能最大程度地滿足系統技術要求。

（3）自動報警。鐵路沿線若發生山體落石侵限，會對過往列車造成巨大危害。該系統能在監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）系統采用集成化設計。在生產成本方面，集成化組裝過程簡單，生產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）現場視頻實時監控。該系統設置視頻采集及存儲裝置，通過現場設置的攝像頭等設備實時采集現場圖像，既有利于將現場報警情況及時通知相關人員，也有利于線路發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保障。通過設置遠程服務器實現系統監測數據的統計分析，為系統不斷升級提供保障。

（7）不間斷電源（UPS）供電方案，保證系統能夠24 h穩定、連續工作。

系統具體工作流程如下：設置在線路一側的激光掃描器發射激光束脈沖，以二維極坐標的形式在鋼軌軌面上方構成警戒柵網，覆蓋相關限界范圍，當限界范圍內出現異物時，激光束被異物表面遮擋反射，激光掃描器內的光電二極管檢測并接收到反射回波[6]。這一連續的過程經過精密計算，可確定該異物的距離和運動方向等位置信息，根據異物在激光掃描器掃描平面的極坐標值和時間數據計算侵限異物的形態（包括投影尺寸、運動狀態等）[7]。根據中國鐵路總公司發布的《線路障礙自動監測報警系統暫行技術條件》規定，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，驅動系統內攝像頭轉向危險障礙物所在的掃描器防區，并向遠程服務器上傳現場視頻圖像，危險障礙物靜止達到設置時間M后，揚聲器發出高音報警；若危險障礙物靜止達到設置時間M+N后仍未消除，則觸發電臺報警和紅燈報警，并通知附近的列車，觸發短信報警通知危險區間的相關工作人員。調度員可從監控系統終端獲知現場報警，并通過視頻監控系統查看現場圖像。系統基本結構見圖1，報警流程見圖2。

圖1 系統基本結構

圖2 系統報警流程

2 系統組成及功能

系統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，通過以太網實時準確地輸出測量數據。激光掃描器安裝在軌道的一側，對線路及周邊一定范圍內進行實時監測，將防區內的掃描數據上傳至主控模塊。激光掃描器參數見表1。

表1 激光掃描器參數

系統可規范激光掃描器上傳的報文，通過規范報文格式，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據。系統對障礙物的識別算法在激光掃描器端進行處理，將處理結果上傳至主控模塊并觸發相應報警。報文信息分為報警報文、狀態報文、數據報文3類。

（1）報警報文。激光掃描器根據防區內物體的投影尺寸、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）狀態報文。激光掃描器自身的溫度、蒙塵、心跳、掃描頻率、網絡配置等基本信息上傳到主控模塊。

（3）數據報文。激光掃描器掃描到的防區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、數據存儲模塊和環境控制模塊4部分。

（1）工控機。負責對現場數據進行分析和處理，并及時觸發各級報警。

（2）視頻處理錄像模塊。主要功能是通過網絡接收系統內部云臺攝像頭設備傳輸的數字視頻碼流，并進行存儲、管理，從而體現網絡化帶來的分布式架構優勢。

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

（4）環境控制模塊。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、系統狀態監測模塊、數據顯示模塊、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：開放式通信協議；占用空間小，適合系統模塊化設計；防雷、防浪涌設計，并增設輸入隔離，能對模塊加以保護。

（2）系統狀態監測模塊。監測系統內每個重要模塊之間通信及工作狀態，一旦現場設備出現故障，可通過分析系統狀態監測模塊相關信息定位出現故障的模塊，能夠快速解決問題，使系統恢復使用，大大縮短了系統的維護時間，提高了系統的使用效率。

（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，從而控制系統其他模塊動作。

2.4 報警模塊

當監控區間出現物體且主控模塊判斷為障礙物時，現場分別觸發揚聲器報警、電臺報警和紅燈報警。

（1）揚聲器報警模塊。激光掃描器監測到防區有投影尺寸大于200 mm（可設置）的危險障礙物，并且在防區內靜止時間M后，系統觸發揚聲器報警，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，觸發電臺報警，向區間內的機車電臺和車站電臺發出電臺語音警告。

（3）紅燈報警模塊。若障礙物靜止時間達M+N后，觸發紅燈報警，紅燈報警模塊安裝在監控防區外15 m（可設置）處，向附近正駛入報警區間的列車發出信號燈報警。

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，當某個防區發現疑似障礙物時，視頻處理錄像模塊控制攝像頭觸發相應預置位，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場畫面，該圖像用于系統內部統計分析。

2.6 供電模塊

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

（1）AC供電單元。系統由外部提供220 V AC電源并接入UPS，實現系統的穩定供電。當外部220 V AC電源發生故障時，系統由UPS的蓄電池供電，UPS可為系統供電運行至少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

遠程服務器包括數據服務器和視頻服務器，設置于遠程監控室，通過互聯網與現場設備通信，負責記錄和查看現場設備的報警信息及視頻信息，以便于后期系統升級。

3 試點應用

線路障礙自動監測報警系統主要用于易發生落石、泥石流等地質災害地段的安全監測，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，距山體不超過5 m，且山體陡峭，汛期易發生險情。

該系統自2017年7月開始安裝試用，累計運行485 d，共產生報警21起。監控人員通過人工分析手段，將報警時系統記錄的激光掃描器數據還原為障礙物運動軌跡（見圖3）。分析軌跡提取的運動特征，結合視頻系統復核，準確找出21起系統報警的原因（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布的《線路障礙自動監測報警系統暫行技術條件》報警要求，且試運行期間未發生誤報漏報事件。試點應用達到了預期效果，且系統運行穩定，表明該系統可有效監測鐵路沿線限界安全，發現侵入限界且滿足報警要求的障礙物后可及時控車，為線路安全監測提供了可靠的技術手段。

圖3 激光掃描器數據還原的障礙物運動軌跡

表2 系統報警數據 起

圖4 樹枝侵限

圖6 人員侵限