鐵路路基沉降實時監測系統的設計與研發★

丁 勇，耿寬寬

（山西省信息產業技術研究院有限公司，山西 太原 030012）

引言

隨著我國鐵路的快速發展，鐵路的運營安全問題便成為重中之重，其中能夠實時監測鐵路的路基沉降是保證鐵路安全的重要先決條件。鐵路線路不可避免地會經過一些環境惡劣地區，由于雨水、泥石流等環境因素的影響導致路基下沉，最終導致行車事故。同時由于地質災害多發生在荒無人煙處，缺乏供電支持，常規人工檢測方法效率低下，且無法隨時了解現場的動態監測結果，很難達到及時預警的目的[1-3]。因此，本文主要研究一種新型路基沉降監測系統，該系統在采用北斗衛星對路基沉降進行沉降位移監測的基礎上，結合慣性技術進行路基沉降的位移監測，對于提高鐵路系統的安全預警、促進沉降觀測工作的研究與發展都具有十分重要的意義。

1 鐵路路基沉降監測系統結構

鐵路路基沉降實時監測系統由鐵路沉降監測設備和云端監控中心組成。其中監測設備根據布置位置主要分為基準站和監測站兩類。基準站被布置在環境空曠、地質穩定的地方，監測站主要被放置在已經發生沉降或者可能發生沉降的區域內。如圖1 所示，鐵路沉降監測設備主要接收北斗定位數據，同時也接受基準站發送過來的定位數據，經過數據處理后通過GPRS 無線網絡無線傳輸裝置遠程發送到云端監測中心。此外，整個系統可以在鐵路沿線安裝多個鐵路沉降監測裝置，該系統可以采用一對多的形式，多個鐵路沉降監測設備可以同時將沉降位移信息發送到云端監控中心，實現多點監測預警的功能。

圖1 鐵路路基沉降監測系統網絡框圖

1.1 鐵路路基沉降監測設備

鐵路路基沉降監測設備主要由核心控制單元、衛星接收天線以及電源模塊三部分構成，其中核心功能系統主要由數據處理模塊、無線通信模塊及北斗定位模塊構成，如圖2 所示。

1.1.1 核心功能模塊

核心功能模塊主要包括數據采集處理模塊、北斗定位模塊以及無線通訊模塊。該核心模塊被放置于室外露天高防護等級箱內。防護箱具有散熱、防凍特點，保證內部單元模塊能在任何天氣條件下正常工作。

圖2 硬件結構框圖

數據采集模塊主要完成鐵路沿線各監測點的監測數據的處理及存儲功能，在數據經處理后，連接數據庫，記錄所需要保留的各項數據信息；無線通信模塊用于將本地接收到的沉降監測數據通過GPRS 無線網卡發送到云端監測中心，只要有GPRS 通訊信號覆蓋和GPRS 的終端設備，就可將數據按規定的時間傳輸至云端；數據處理模塊主要負責數據分析處理。

1.1.2 電源模塊

電源模塊負責為整個監測站提供穩定的電源。因其主要被布置在環境條件較差的區域，所以電源模塊主要采用單晶硅太陽能板進行供電。單晶硅太陽能板具有光電轉換率高、堅固耐用、壽命長等特點。

1.2 云端監測中心

云端監測中心為B/S 架構設計，通過網頁即可查詢監測情況。軟件采用多層設計，軟件中監測變化數據將通過圖表、曲線或者柱狀圖的形式被顯示出來；軟件具有斷面分析、位移矢量分析、歷史數據查詢、分級用戶管理和分級報警等功能；軟件可顯示監測結構圖和傳感器分布圖等，軟件存儲采用Oracle數據庫。安全預警模塊的功能主要是，當出現沉降量超過預定值后，將通過短信報警、網絡報警實現多種方式同時報警。

2 技術創新

本文采用北斗導航技術和慣性技術相結合的方式對沉降進行定位。該方法不是直接采用北斗導航系統獲取的位置信息進行數據處理，而是通過慣性技術對數據進行二次分析處理，通過卡爾曼濾波數據模型對其進行反饋校正得到最終沉降量。

2.1 卡爾曼濾波組合導航數學模型

卡爾曼濾波是將關于系統誤差的統計性質與關于系統動態的知識集合起來的統計技術。本文主要采用卡爾曼濾波作為導航信息算法，選擇間接法反饋校正模式設計組合系統，結合慣性技術推導出卡爾曼濾波組合導航數學模型，如圖3 所示。

2.2 基于模糊置信度的靜態相對定位技術

圖3 組合導航模型

本文提出的結合模糊理論的計算沉降位移置信度方法的設計思路是：首先，將一個較長時段T 分成n 個子時段，然后通過北斗導航衛星“靜態相對定位技術”依次計算出各個子時段的沉降位移量N1，N2，…，Nn；第二，根據各個子時段的衛星數據質量，確定各個定位結果的置信度M（1），M（2），M（3），…，M（n）；最后，利用數據模型算出整個時段的沉降位移N。該方法的原理如圖4 所示。

圖4 基與模糊置信度的靜態相對定位技術原理圖

3 系統的實際應用

該路基沉降監測系統（共安裝1 個基準站、3 個流動站）于2020 年已被安裝到鐵路沿線（見圖5）并開始進行實地測量，運行期間沒有出現斷電情況，所有數據都能被正常傳送到數據庫，運行穩定。該系統界面友好，操作簡單，各個監測點接收機實時接收北斗衛星信號，并將經過處理后的數據經過GPRS 無線網絡被實時發送到云端監測中心，同時云端檢測中心根據事先設定的預警值進行報警。路基沉降位移監測的誤差，水平方向為±2 mm、高程方向為±5 mm，并且可以實現雙基站或多基站處理功能。

圖5 現場安裝圖

4 結論

本文設計研發的的鐵路路基沉降實時監測系統可以及時、準確地掌握鐵路沿線隱患區域的安全狀況，幫助鐵路工作人員快速定位沉降地點并為其提供安全預警決策，降低因沉降災害帶來的生命威脅以及財產損失，可以有效地解決傳統方法存在的工作量大、距離受限以及自動化程度低等不足，具有高精度、全天候以及自動化程度高等特點，相對于同類產品具有突出的技術特點和顯著進步，極大地促進了沉降觀測工作的研究與發展，有重要的實際意義和廣闊的應用前景。