基于北斗的鐵路構筑物安全監測系統及應用

文∣楊加斌 崔高峰 趙海 李英男 王家歡 劉冠君

1.大連航天北斗科技有限公司

2.中國鐵路沈陽局集團有限公司科學技術研究所

一、引言

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的日益提高，民眾對運輸的需求質量也不斷提高，保證鐵路運輸絕對安全是首要任務。鐵路沿線構筑物受列車重載、高速運行及天氣環境的影響，邊坡、路基經常發生滑坡、沉降[1]等地質災害，嚴重影響鐵路運行安全。因此對線路邊坡、路基等構筑物運營狀態進行全天候實時安全監測是維護鐵路運行安全的重要內容。

目前鐵路構筑物安全監測主要還是以人工巡檢為主，人工巡檢存在局部偏遠地區人工巡檢排查困難，監測信息不及時、不準確等相關問題。路基變形和邊坡位移監測工作應體現信息化的特色，建立實時監測完善的數據庫系統，形成具有信息查詢、發布、數據處理和綜合分析預警體系的信息化體系，并實現運營維護單位數據共享。

綜上，基于北斗高精度定位技術，融合無線通信技術、數據庫技術、GNSS通信等最新技術成果，結合豐富的施工經驗中總結出的綜合供電、綜合避雷等輔助系統，研究一套具備報警功能的北斗鐵路沿線構筑物安全監測系統，為鐵路沿線構筑物防治工作質量、效率和管理水平的提高奠定基礎，運用自動化的手段，結合專家系統和大數據，對結果進行預測和分析，以輔助決策。

二、方案概述

1.應用目標

基于北斗的鐵路構筑物安全監測系統及應用，是一種精度高、實時性、具備報警功能的北斗鐵路沿線構筑物安全監測系統，該系統采用北斗高精度定位技術、無線通信技術、數據庫技術、GNSS通信技術結合手段等最新技術成果，對鐵路沿線的路基變形[2]、邊坡位移、接觸網桿傾斜位移等進行全天候實時監測，通過對監測的數據進行分析與預測并設置相應的報警門限，實時對鐵路沿線構筑物災害監測進行預警，確保鐵路運行安全的目的。

2.應用系統組成

北斗鐵路沿線構筑物安全監測系統可以對鐵路沿線的路基變形[3]、邊坡位移、接觸網桿傾斜位移等進行全天候實時監測，能夠為維護鐵路運行安全提供強有力的保障。

該系統包含鐵路構筑物安全監測終端、多手段融合通信子系統、后臺大數據處理中心[4]、鐵路構筑物安全監測平臺和用戶應用中心。系統構架框圖如圖1所示。

圖1 應用系統組成圖

（1）鐵路構筑物安全監測終端

該終端屬于數據采集層，安全監測終端能夠自主解算構筑物安全監測數據，分析構筑物位移的速度、加速度等值的變化，并與之前解算的基準值進行比對，綜合解算構筑物位移的變化量，并通過數據通信網絡實時發送到后臺數據處理中心。

（2）多手段融合通信子系統

該系統屬于數據傳輸層，數據傳輸模塊將監測點采集的數據傳輸到監測平臺軟件上，并將系統各個部分連接為統一整體，該系統根據實際施工環境采用有線傳輸、3/4G、電臺以及北斗一號傳輸等。

（3）后臺數據處理平臺

該平臺屬于數據層，后臺數據處理平臺將接收到的數據進行分析、存儲，上位機顯示實時監測數據值，并與初始坐標進行對比而獲得該監測點變化量，同時分析軟件根據事先設定的預警值而進行報警。在該層建立系統安全體系，包含基礎設施安全、通信網絡安全、計算機環境安全、區域邊界安全、虛擬化安全及容災備份等。

（4）鐵路構筑物安全監測平臺

該平臺屬于應用層，建立監測平臺包含數據管理、預警報警、參數設置、設備管理、基準點重置、用戶管理等模塊；接收后臺數據處理中心數據，分析本地存儲數據，界面實時顯示各監測數據，為用戶提供信息化、可視化服務。

（5）用戶應用中心

該中心屬于用戶應用中心，包含指揮中心顯控、PC顯控端、手機端等應用層。

3.服務支撐應用平臺

服務支撐應用平臺是基于北斗的鐵路構筑物安全監測系統軟件的體系結構，通過各個應用系統部分的有機結合，達到基于北斗的鐵路構筑物安全監測平臺的整體效能，服務支撐應用平臺如圖2所示。

圖2 服務支撐應用平臺

平臺以鐵路路基變形數據、邊坡位移數據、接觸網桿傾斜監測數據以及雨量監測數據為基礎，應用服務支撐平臺為項目平臺基礎，完成基于北斗的鐵路構筑物安全監測業務流程，平臺通過數據管理服務分系統，完成鐵路各構筑物監測業務之間的數據交互與服務。

三、系統應用

基于北斗的鐵路構筑物安全監測系統在實際鐵路現場進行安裝并測試，主要對鐵路路基沉降、邊坡、接觸網桿等構筑物以及鐵路周邊雨量進行監測及報警，其系統主界面如圖3所示。

圖3 系統主界面

1.雨量監測

雨量監測主要是雨水由盛水器收集，經過進水閥進入貯水室達到水位上升，進而雨量傳感器能讀取雨量數據。如果連續降雨，貯水室的水位繼續上升到特定水位的時候，進水電動閥關閉、而后排水電動閥打開，開始放水；待放水完畢，排水電動閥關閉，同時進水電動閥打開，繼續降雨計量。

系統實時監測鐵路沿線周邊降雨量信息，當雨量超過一定門限值時，鐵路工務、電務、車輛段等相關部門會依據降雨量信息積極安排防洪應對工作，針對有強降雨的地區采取加強防洪值班、加強巡查力度、線路臨時封鎖等措施，降低汛期存在的安全風險，結合當前雨量的信息、施工信息及降雨天對設備正常運行的風險，制定具體的防洪措施，做到實時超前預警防范，發現問題及時安排處理，保障鐵路行車安全。

2.路基變形沉降監測

鐵路路基變形監測主要在鐵路沿線布設北斗衛星接收監測站，監測站通過接收機接收衛星定位信號，依據相對定位原理進行差分定位，實時處理數據，并實時給出觀測點的三維位置坐標，對一定時間內的三維位置坐標信息進行處理后作為觀測點的初始位置，然后再與之后的定位結果比較計算出路基變形量，最后將實時的路基變形信息發送給上位機，上位機根據變形值的大小判斷是否報警，實現對鐵路路基變形的實時監控。

系統對鐵路路基沉降監測精度能夠達到實時厘米級測量和事后毫米級測量精度。當鐵路線路某地區突然沉降，且沉降超過±5cm時，系統能夠實時監測沉降數據，并將沉降結果上報平臺及時預警；當鐵路路基發生緩慢變化時，系統24小時輸出一次監測結果，監測精度優于±5mm。

3.邊坡位移監測

通過將北斗接收機天線安裝在邊坡位置，實時監測每個監測點的速度、加速度變化及位置變化來判斷邊坡位移變化[5]。基于北斗的鐵路構筑物安全監測系統以天線第一次安放的位置所記錄的坐標為初始坐標，初始坐標的數值均取為0，系統平均每隔30min對天線進行定位，取得數值減去初始坐標的數值作為該位置的垂直與水平位移。垂直位移數據為正值表示該位置發生沉降，水平位移y值為正值表示該位置向東偏移，水平位移x值為正值表示該位置向北偏移。

通過對鐵路線路周邊的邊坡位移監測，依據監測點的水平位移數據和垂直位移數據，實時計算邊坡斜面移動距離，當超過門限值時及時預警，預防邊坡滑坡災害對鐵路線路的影響，保障行車安全。

4.接觸網桿傾斜監測

在實際現場將北斗接收機天線安裝在鐵路接觸網桿上，假設接觸網桿初始狀態不存在傾斜，此時的天線相位中心點為零點，當接觸網桿發生傾斜[6]時，將載體平臺坐標系與水平坐標系進行轉換，可計算得到接觸網桿傾斜的角度。

接觸網桿傾斜監測設備的監測精度為0.01°，系統實時監測接觸網桿的傾斜狀態，當超過門限值時，可判斷此處接觸網桿存在傾斜倒塌的風險并預警，現場人員及時到現場排查問題與修復，保障鐵路列車行車線路安全。

四、結束語

基于北斗的鐵路構筑物安全監測系統能夠全天候實時監測鐵路沿線的路基變形、邊坡位移、接觸網桿傾斜位移以及鐵路周邊的雨量監測，替代傳統的人工采集，根據鐵路現場的地質等情況，科學合理的確定監測點的分布，現場設備安裝位置均不侵入建筑限界，達到不影響列車正常通信，做到實時對鐵路沿線構筑物的遠程監控，極大提高鐵路沿線構筑物安全防治工作的質量、效率和管理水平，為維護鐵路運行安全提供強有力的保障。