基于5G的物聯(lián)網(wǎng)鐵路防洪防汛監(jiān)控系統(tǒng)

鄧國知，楊 將，鄧永祁

(湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司，長沙 410005)

1 概述

目前，中國鐵路里程已突破13 萬km，對(duì)國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展發(fā)揮了重大作用。然而鐵路運(yùn)輸環(huán)境越來越復(fù)雜且難于管理。尤其國內(nèi)的水災(zāi)發(fā)生頻率高，持續(xù)時(shí)間長，使得鐵路運(yùn)輸安全面臨重大挑戰(zhàn)。中國國家鐵路集團(tuán)有限公司下屬各鐵路局集團(tuán)管轄線路覆蓋中國絕大部分疆土，鐵路管轄的西北、華東、華中以及華南區(qū)域的降水量特點(diǎn)是暴雨的發(fā)生率較高，尤其汛期的短時(shí)暴雨達(dá)到極值。

各鐵路局管轄線路，因班組人數(shù)限制、管轄區(qū)間長以及高原降雨過程等因素，難以實(shí)現(xiàn)徒步快速巡查。主要利用登乘機(jī)車、軌道車、車載視頻監(jiān)控等方式，監(jiān)控洪汛信息。集團(tuán)防洪指揮部獲取的防洪防汛信息，通過揭示卡在LKJ 監(jiān)控顯示防洪防汛信息，提示機(jī)務(wù)乘務(wù)員減速和瞭望。當(dāng)降雨量達(dá)到封鎖警戒標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行封鎖警戒；暴雨天氣緊急情況下，現(xiàn)場(chǎng)巡查人員認(rèn)為需要封鎖警戒時(shí)，執(zhí)行封鎖警戒。

警戒響應(yīng)：當(dāng)雨量達(dá)到列車封鎖警戒值時(shí)，車站值班員要通知在封鎖警戒區(qū)間的在途貨車、客車、動(dòng)車組列車，以隨時(shí)能停車的速度（在普速鐵路區(qū)段運(yùn)行的所有列速度不大于20 km/h，在高速鐵路運(yùn)行的動(dòng)車組列速度不大于40 km/h、其他列車速度不大于20 km/h；在長大坡道、分相區(qū)等特殊地段，按列車能通過的可控速度行車，避免因雨量警戒限速造成列車坡停）運(yùn)行，并加強(qiáng)瞭望，同時(shí)在客車封鎖警戒解除前不得向客車封鎖警戒區(qū)間持續(xù)發(fā)列車。

近些年，國內(nèi)鐵路沿線經(jīng)常面對(duì)的暴雨洪水災(zāi)害發(fā)生頻率高，持續(xù)時(shí)間長，并且造成的經(jīng)濟(jì)損失格外嚴(yán)重。因此，針對(duì)鐵路防洪防汛的問題，研究人員展開了一系列相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]中，劉振宇針對(duì)襄渝鐵路汛期易發(fā)溜坍病害，采用室內(nèi)土工試驗(yàn)方法對(duì)災(zāi)害點(diǎn)土質(zhì)的遇水軟化特性，提出了科學(xué)雨量警戒指標(biāo)及量值方法。文獻(xiàn)[2] 提出了基于E-1閾值曲線的防洪區(qū)間閾值預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)區(qū)間現(xiàn)行雨量警戒值預(yù)警。張翠兵在文獻(xiàn)[3]中提出一種鐵路防洪應(yīng)急管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用B/S 應(yīng)用模式，以GIS 為展示平臺(tái)，接入全路沿線降雨量信息，準(zhǔn)確顯示鐵路沿線實(shí)時(shí)雨量，為防洪應(yīng)急指揮提供第一手雨情信息；將天氣預(yù)報(bào)圖、衛(wèi)星云圖、測(cè)雨雷達(dá)圖、臺(tái)風(fēng)等實(shí)時(shí)氣象信息與全國鐵路電子地圖進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了鐵路沿線未來短時(shí)雨情的精確預(yù)判。文獻(xiàn)[4]針對(duì)大秦鐵路沿線復(fù)雜的地形地貌，提出超前防洪的準(zhǔn)備工作，并通過在沿線部署雨量計(jì)收集雨量信息，實(shí)現(xiàn)預(yù)警。文獻(xiàn)[5]針對(duì)南昆線特定防洪看守區(qū)，部署攝像設(shè)備，建設(shè)一種鐵路防洪區(qū)段視頻監(jiān)控防護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)達(dá)到了部分替代人工看守的實(shí)際效果。

2 基于5G的物聯(lián)網(wǎng)鐵路防洪防汛監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 總體框架設(shè)計(jì)

鐵路防洪防汛的研究者當(dāng)前主要從管理層面和借助傳統(tǒng)的信息化技術(shù)兩個(gè)方面改進(jìn)防洪防汛工作內(nèi)容和提升效率。由于鐵路線路覆蓋面積廣且主要位于偏遠(yuǎn)和地形復(fù)雜的地方，管理手段和傳統(tǒng)的信息化技術(shù)均無法在較大程度上減少人員投入，降低防洪防汛成本以及進(jìn)一步提高效率確保乘客和財(cái)產(chǎn)安全。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，5G 以其高帶寬、高可靠、高容量、低時(shí)延的特點(diǎn)為物聯(lián)網(wǎng)帶來革命性的影響。因此，本文提出基于5G 的物聯(lián)網(wǎng)鐵路防洪防汛監(jiān)控系統(tǒng)，在極大程度上降低防洪防汛成本，提高效率和確保乘客和財(cái)產(chǎn)安全。

系統(tǒng)建設(shè)依托于 5G 網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵路防洪防汛的智能、高效和精準(zhǔn)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1所示。通過智能感知、識(shí)別技術(shù)、普適計(jì)算等通信感知技術(shù)與 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓部署的水位監(jiān)測(cè)傳感器、雨量監(jiān)測(cè)傳感器以及智能視頻監(jiān)控等設(shè)備實(shí)現(xiàn)物物相連；感知物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)通過5G 網(wǎng)絡(luò)穿透鐵路安全傳輸平臺(tái)，進(jìn)入鐵路內(nèi)網(wǎng)，由防洪防汛監(jiān)控系統(tǒng)處理與分析。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture

智能分析管控平臺(tái)（防洪防汛監(jiān)控系統(tǒng)）采用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理技術(shù)、挖掘性分析算法和大規(guī)模并行處理技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，分析物聯(lián)網(wǎng)防洪防汛監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全路管轄線路的洪汛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過前端可視化技術(shù)為鐵路部門提供全方位實(shí)時(shí)防洪防汛監(jiān)測(cè)的展示平臺(tái)，如圖2 所示。

2.2 應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)

圖2 技術(shù)框架圖Fig.2 Technical framework

2.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊采用實(shí)時(shí)監(jiān)控、分布式管理，在鐵路沿線重點(diǎn)頻發(fā)區(qū)域安裝傳感器，發(fā)揮5G 網(wǎng)絡(luò)的傳輸優(yōu)勢(shì)，將不同地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)雨量及防洪信息實(shí)時(shí)傳入至服務(wù)器，實(shí)時(shí)顯示鐵路沿線防洪防汛信息。不同部門的用戶可觀測(cè)其權(quán)限內(nèi)的數(shù)據(jù)，對(duì)相應(yīng)汛情及時(shí)作出處理。

2.2.2 機(jī)器觀測(cè)模塊

傳統(tǒng)的人巡與視頻監(jiān)控模塊觀測(cè)范圍與區(qū)間較小，利用5G 及互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，可以將無人機(jī)接入系統(tǒng)，通過設(shè)置定點(diǎn)巡航，將重點(diǎn)觀測(cè)范圍的視頻數(shù)據(jù)傳入至服務(wù)器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人巡及視頻監(jiān)控，監(jiān)測(cè)范圍與準(zhǔn)確性將會(huì)極大的提高。

2.2.3 預(yù)警分析模塊

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)及其他外部數(shù)據(jù)(天氣預(yù)報(bào)，雷達(dá)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星云圖)相結(jié)合進(jìn)行預(yù)警數(shù)據(jù)分析，在數(shù)據(jù)異常情況下能夠自動(dòng)報(bào)警提示，將相關(guān)預(yù)警通過5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)推送，提示機(jī)務(wù)乘務(wù)員進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)急操作。

2.2.4 應(yīng)急調(diào)度模塊

應(yīng)急調(diào)度模塊主要用于事故應(yīng)急處理，包含各類事故類型的預(yù)案，并能根據(jù)不同事故類型的子類預(yù)案，發(fā)生異常事件時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)案調(diào)用，調(diào)集前期所收集的信息，立即召集各部門的相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)度指揮及應(yīng)急處理，在5G 網(wǎng)絡(luò)的支持下，應(yīng)急指揮調(diào)度能更快速準(zhǔn)備執(zhí)行，確保事故發(fā)生后，將相關(guān)損失降低至最低。

3 結(jié)束語

本文從 5G 網(wǎng)絡(luò)的高速率、大容量、低功耗、低時(shí)延等特點(diǎn)著手，立足于鐵路防洪防汛監(jiān)控的基礎(chǔ)建設(shè)，圍繞以降本增效、促安全保財(cái)產(chǎn)的宗旨，提出了基于5G 的物聯(lián)網(wǎng)鐵路防洪防汛監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實(shí)施有利于解決鐵路運(yùn)行安全問題，并能促進(jìn)鐵路產(chǎn)業(yè)的智能化與節(jié)約資源化發(fā)展。