物聯網在高速鐵路災害監測領域應用現狀及前景分析

李亞群，王 瑞

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所， 100081）

在2016年11月發布的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中，將智能安防、智能交通列為了物聯網重點應用發展領域，高鐵災害監測系統是列車安全運行的重要保障系統之一，對鐵路沿線風、雨、雪及異物侵限進行實時自動數據采集、報警及緊急處置，具備高度的專業化、程序化和集約化等特點，并且涉及到跨專業、多工種間的緊密協作，需要先進的物聯網[1]等信息化基礎設施進行支撐。王彤、王瑞、孫漢武在高速鐵路災害監測系統智能采集、系統集成技術等方面開展了相關研究[2-4]，包云、李亞群等人在高速鐵路災害監測系統的監測數據質量、設備可靠性等方面進行了相關研究[5-6]，史天運等人分析了物聯網技術在鐵路行業的應用現狀[7]。目前，尚缺乏物聯網技術在高速鐵路災害監測系統的應用研究，本文分析RFID、無線傳感網、智能傳感等物聯網技術在設備管理、大風報警信息自動處置、鐵路崩塌落石及異物侵限監測中的應用前景，提出物聯網在國內高速鐵路鐵路災害監測新的應用場景。

1 物聯網在高速鐵路災害及異物侵限監測領域應用現狀

截至2017年底，我國高速鐵路運營里程已超過2.3萬km，各高鐵線路均建設了災害監測系統，累計建設風監測點2 882處、雨量監測點1 551處、雪深監測點173處、異物侵限監測點1 212處、地震監測點116處，形成全天候、全方位、全過程的自然災害及異物侵限監測網絡，實現對所有高速鐵路運營線路全覆蓋監測監控和閉環管理，對保證高速鐵路運輸安全、確保行車安全持續穩定起到了重要的支撐作用。

物聯網在高速鐵路災害監測領域的應用主要是利用各種傳感器對自然災害、異物侵限等監測信息進行智能采集，借助鐵路專用通信網傳輸數據，在應用層對收集到的信息進行二次匯總和處理，基于這些信息建立智能系統以達到智能控制和報警。采用的智能傳感技術主要有以下幾種。

1.1 風監測

高鐵災害監測系統風監測設備主要有機械式、超聲波式和熱場式風速風向傳感器，將風速和風向實時轉換成數字信號傳送至災害監測鐵路局中心系統。

（1）機械式風速風向傳感器

機械式風速風向傳感器的風速和風向測量分別由兩個部分完成，頭部的螺旋槳用于測量風速，尾翼用來測量風向，如圖1所示。其風速測量原理是在風力作用下螺旋槳或風杯帶動碼盤旋轉，在碼盤的一側裝有光源，另一側相應位置上裝有光敏晶體管，碼盤旋轉不斷切割從光源至光敏管的光路，使光敏管不斷輸出脈沖信號，最后利用脈沖信號來計算風速大小。風向測量原理是利用格雷碼光碼盤，風向的信號是由風向傳感器轉軸帶動6位格雷碼光碼盤旋轉產生的，碼盤由6個等分的同心圓構成，由里到外分別作 2、22、23、24、25、26等分，相鄰兩個同心圓分別設置為透光和不透光，經過安裝在碼盤兩邊相同半徑上的6對光電耦合部件產生相應的6位格雷碼，碼盤的上方設計有多個紅外發光二極管，下方有多個光電轉換部件，對應著碼盤上的6個軌道。風向標的轉動帶動碼盤旋轉，使得下方的光敏晶體管發出不同的信號，每一個格雷碼表示一個風向。

圖1 機械式風傳感器

（2）超聲波式風速風向傳感器

常用的二維超聲波風速風向傳感器由安裝在同一平面上的兩對相互正交的擁有收發功能的超聲波傳感器構成，如圖2所示。使用的測風方法主要有時差法、多普勒法、渦街法和相關法等。其中，時差法是應用最多的一種，其原理是利用超聲波在空氣中傳播時順風比逆風時的傳播速度快，在傳播同樣距離的情況下有一個時間差，這個時間差和風速呈線性關系，依據測量、計算時差方法的不同，又分為直接時差法、頻差法和相位差法。直接時差法是通過測量超聲波的發射和接收時間，然后用兩個時間之差計算出當前風向風速。

圖2 超聲波式傳感器

（3）熱場式風速風向傳感器

熱場式測風傳感器如圖3所示，其基本的測風原理是熱平衡原理，即通過電流來加熱的金屬絲，根據流場中不同流速使得加熱金屬絲的散熱速度不同，流速越大散熱越快，對于恒溫式來說，就是利用反饋電路使熱線溫度和電阻保持恒定，根據施加的電流大小來計算風速。

圖3 熱場式傳感器

1.2 雨量監測

高鐵災害監測系統雨量監測設備主要為壓電式和微波式雨量傳感器。

（1）壓電式雨量傳感器

高速鐵路普遍采用的壓電式雨量計為VAISALA WXT 520，如圖4所示，包括鋼蓋和壓電傳感器，測量原理采用壓電效應，即材料受力作用變形時，其表面會有電荷產生而實現非電荷測量。降雨傳感器檢測各個雨滴的影響，影響信號與雨滴數量成正比，因此，每個雨滴信號可以直接轉換為累計降雨量，不是雨滴產生的信號則用高級噪音過濾技術進行過濾。

圖4 壓電式雨量傳感器

可測量的參數包括累計降雨量、降雨當前強度、降雨峰值強度和降雨事件的持續時間。目前，高鐵上一般通過監測累計降雨量計算10 min降雨量、小時降雨量、日降雨量和連續降雨量4個指標。

（2）微波式雨量傳感器

微波式雨量傳感器如圖5所示，其監測原理是雷達電磁波，通過采用24 GHz多普勒雷達感知的每一個雨點、每一片雪花來測量降水或降雪。通過雨滴（雪花）的降落速度與大小計算降水量和降水強度。雷達測試裝置相比傳統的翻斗式雨量計，沒有活動部件，免維護。

圖5 微波式雨量傳感器

1.3 雪深監測

雪深監測設備的功能是實時監測無砟軌道板/道床板或有砟軌道軌枕上的雪深，并將雪深值以數字信號輸出，目前高鐵現場雪深采集設備均采用激光式雪深計，如圖6所示，通過發出紅外激光，打到被測平面，測量這個傳播過程的時間，從而計算出從探頭到被測目標表面的距離，智能推算出積雪深度。

圖6 激光式雪深計

1.4 異物侵限監測

異物侵限監測系統通過設置于上跨鐵路的道路橋梁兩側的雙電網，如圖7所示，實時監測異物侵限狀態[8]，發生異物侵限造成雙電網斷開時通過監控單元繼電接口電路觸發信號系統動作，同時系統發出報警信息。

圖7 雙電網異物侵限監測設備

1.5 地震監測

目前，地震監測一般采用力平衡式地震加速度計—FBAES-T型傳感器，適用于多種地震記錄應用的三分向數字地面地震加速度計，如圖8所示。該傳感器包含3個力平衡式加速度計模塊，相互垂直地集成在一個便于使用的小型外殼內。

2 物聯網在高速鐵路災害監測領域前景分析

2.1 RFID技術在高速鐵路災害監測系統設備管理中的應用前景

圖8 地震監測設備

隨著科學技術的進步和現代化生產的發展，機械設備的結構越來越復雜。這些發展提高了產品的質量和生產效率、滿足了生產要求。同時也增加了設備發生故障的概率，發生故障的設備會影響整個生產的正常進行，從而造成經濟損失。截至2017年底，全路已建設84條線路的災害監測系統，系統設備眾多。在運行中暴露出諸多問題，如災害監測系統風、雨、雪現場監測設備主要依靠進口，國內沒有檢測標定的依據，導致設備出現故障時只能返廠維修，造成高昂的系統維護管理費用。災害監測系統設備的維護和管理仍然以傳統的人工臺賬式管理為主，相關設備缺少統一的監測平臺和數據采集手段，不能實時反映出設備的數量、運行狀態以及維護信息。

通過采用RFID技術快速采集設備的出廠編號、使用位置變更記錄、維修記錄、校準記錄、啟用時間等特征參數，對設備進行信息化、標準化的全生命周期管理[9]。通過對采集信息的數據挖掘、關聯分析、神經網絡等智能算法，對設備可能發生的故障進行智能預報，提出控制故障發展的措施。通過采用RFID技術的應用，可以實現設備的快速巡檢、數據快速上傳和智能決策，提高系統可靠性和可用性。

2.2 無線傳感技術在大風報警信息自動處置中的應用前景

目前高鐵災害及異物侵限監測系統提示大風報警信息時，列車調度員根據風監測系統報警提示在CTC終端輸入列車限速或停車的調度命令，對來不及發布調度命令的列車，通過電話通知司機限速運行或停車，大風報警緊急處置時效性不高。且在大風天氣下，多點多級別連續報警、限速區段重合等復雜報警處置情況頻繁發生，調度員需頻繁對多列車或同列車多次傳送不同限速命令，大風報警處置工作量大導致調度員無法及時處置所有報警信息，容易造成大風報警處置滯后，同時可能存在來不及處置及漏處置的風險。

通過無線傳感器網絡的應用，可以實現地面多點環境風速的快速采集和匯總，并及時的將大風報警信息發送至列車上，以提高高鐵災害監測系統緊急處置能力、保證緊急處置的時效性。

2.3 無線傳感技術在高速鐵路崩塌落石監測中的應用前景

我國高速鐵路建設有自然災害及異物侵限監測系統，對重點的公跨鐵、隧道口等建設有異物侵限監測系統，但我國既有山區鐵路大多建設年代較早，受當時條件限制，建設標準普遍較低，防護等級不足，沿線山體受多年風化、地震和風雨影響，多地存在崩塌、滑坡和泥石流的災害，容易造成嚴重行車事故[10]。且為降低汛期行車影響，鐵路總公司、鐵路局投入大量人力、物力常年開展搜山掃石工作，但由于崩塌落石隱患點多、線長，單純靠派人看守難以保證行車安全，為此，急需建設鐵路崩塌落石自動監測報警系統，當發生泥石流、崩塌和落石等異物侵限時，自動發出報警，使列車停車，保證列車的安全。

鐵路崩塌落石自動監測報警系統需在現場布設雨量計、位移計、振動光纖、激光雷達等大量多類型傳感器，一般監測點存在公網、GPS信號較差，電力供應困難，且需長時間持續監測及無人值守，通過無線傳感器網絡的應用可解決以上問題，并實現現場多傳感器不同類型監測數據的快速采集和匯總，并發送至監控中心，以實現鐵路邊坡崩塌落石的自動監測和報警。

2.4 智能傳感技術在高速鐵路異物侵限監測中的應用前景

既有高速鐵路公跨鐵異物侵限監測技術均采用雙電網傳感器的監測方式，監測范圍有限，對于隧道口、公鐵并行等區段和山體落石等其他異物侵限事件缺乏有效的監測技術，同時，2014年之前的異物侵限監測電網使用化學錨栓安裝于上跨鐵路的道路橋梁兩側，隨著使用時間的增長，存在一定的安全隱患，缺乏可替代性的異物侵限監測手段。

通過紅外、微波、雷達、視頻智能識別等智能傳感技術在高速鐵路異物侵限監測方面的應用，可以減少施工、維護的工作量，減少異物侵限監測盲區，提高高速鐵路異物侵限監測的自動化、智能化水平。

3 結束語

目前，災害監測系統中應用的物聯網技術主要為智能傳感技術，在設備狀態信息監測、異物侵限監測、無線傳輸等方面尚有RFID、無線傳感網、視頻智能識別等需求。通過物聯網技術在高速鐵路災害監測系統的進一步運用，可提高系統災害監測、設備維護管理的自動化和智能化，提高高速鐵路災害監測系統的安全保障能力。