基于5G的物聯網鐵路防洪防汛監控系統

鄧國知，楊 將，鄧永祁

(湖南中車時代通信信號有限公司，長沙 410005)

1 概述

目前，中國鐵路里程已突破13 萬km，對國家經濟的快速發展發揮了重大作用。然而鐵路運輸環境越來越復雜且難于管理。尤其國內的水災發生頻率高，持續時間長，使得鐵路運輸安全面臨重大挑戰。中國國家鐵路集團有限公司下屬各鐵路局集團管轄線路覆蓋中國絕大部分疆土，鐵路管轄的西北、華東、華中以及華南區域的降水量特點是暴雨的發生率較高，尤其汛期的短時暴雨達到極值。

各鐵路局管轄線路，因班組人數限制、管轄區間長以及高原降雨過程等因素，難以實現徒步快速巡查。主要利用登乘機車、軌道車、車載視頻監控等方式，監控洪汛信息。集團防洪指揮部獲取的防洪防汛信息，通過揭示卡在LKJ 監控顯示防洪防汛信息，提示機務乘務員減速和瞭望。當降雨量達到封鎖警戒標準，執行封鎖警戒；暴雨天氣緊急情況下，現場巡查人員認為需要封鎖警戒時，執行封鎖警戒。

警戒響應：當雨量達到列車封鎖警戒值時，車站值班員要通知在封鎖警戒區間的在途貨車、客車、動車組列車，以隨時能停車的速度（在普速鐵路區段運行的所有列速度不大于20 km/h，在高速鐵路運行的動車組列速度不大于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）運行，并加強瞭望，同時在客車封鎖警戒解除前不得向客車封鎖警戒區間持續發列車。

近些年，國內鐵路沿線經常面對的暴雨洪水災害發生頻率高，持續時間長，并且造成的經濟損失格外嚴重。因此，針對鐵路防洪防汛的問題，研究人員展開了一系列相關研究。文獻[1]中，劉振宇針對襄渝鐵路汛期易發溜坍病害，采用室內土工試驗方法對災害點土質的遇水軟化特性，提出了科學雨量警戒指標及量值方法。文獻[2] 提出了基于E-1閾值曲線的防洪區間閾值預測方法，實現區間現行雨量警戒值預警。張翠兵在文獻[3]中提出一種鐵路防洪應急管理系統，該系統采用B/S 應用模式，以GIS 為展示平臺，接入全路沿線降雨量信息，準確顯示鐵路沿線實時雨量，為防洪應急指揮提供第一手雨情信息；將天氣預報圖、衛星云圖、測雨雷達圖、臺風等實時氣象信息與全國鐵路電子地圖進行整合，實現了鐵路沿線未來短時雨情的精確預判。文獻[4]針對大秦鐵路沿線復雜的地形地貌，提出超前防洪的準備工作，并通過在沿線部署雨量計收集雨量信息，實現預警。文獻[5]針對南昆線特定防洪看守區，部署攝像設備，建設一種鐵路防洪區段視頻監控防護系統，系統達到了部分替代人工看守的實際效果。

2 基于5G的物聯網鐵路防洪防汛監控系統

2.1 總體框架設計

鐵路防洪防汛的研究者當前主要從管理層面和借助傳統的信息化技術兩個方面改進防洪防汛工作內容和提升效率。由于鐵路線路覆蓋面積廣且主要位于偏遠和地形復雜的地方，管理手段和傳統的信息化技術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一步提高效率確保乘客和財產安全。隨著通信技術的發展，5G 以其高帶寬、高可靠、高容量、低時延的特點為物聯網帶來革命性的影響。因此，本文提出基于5G 的物聯網鐵路防洪防汛監控系統，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產安全。

系統建設依托于 5G 網絡與物聯網技術，實現鐵路防洪防汛的智能、高效和精準，系統架構如圖 1所示。通過智能感知、識別技術、普適計算等通信感知技術與 5G 網絡技術，讓部署的水位監測傳感器、雨量監測傳感器以及智能視頻監控等設備實現物物相連；感知物聯網采集的數據通過5G 網絡穿透鐵路安全傳輸平臺，進入鐵路內網，由防洪防汛監控系統處理與分析。

圖1 系統架構圖Fig.1 System architecture

智能分析管控平臺（防洪防汛監控系統）采用分布式數據存儲管理技術、挖掘性分析算法和大規模并行處理技術對海量數據實時處理，分析物聯網防洪防汛監控采集的數據，實現對全路管轄線路的洪汛實時監測，通過前端可視化技術為鐵路部門提供全方位實時防洪防汛監測的展示平臺，如圖2 所示。

2.2 應用模塊設計

圖2 技術框架圖Fig.2 Technical framework

2.2.1 實時監測模塊采用實時監控、分布式管理，在鐵路沿線重點頻發區域安裝傳感器，發揮5G 網絡的傳輸優勢，將不同地點的現場雨量及防洪信息實時傳入至服務器，實時顯示鐵路沿線防洪防汛信息。不同部門的用戶可觀測其權限內的數據，對相應汛情及時作出處理。

2.2.2 機器觀測模塊

傳統的人巡與視頻監控模塊觀測范圍與區間較小，利用5G 及互聯網的優勢與特點，可以將無人機接入系統，通過設置定點巡航，將重點觀測范圍的視頻數據傳入至服務器，代替傳統的人巡及視頻監控，監測范圍與準確性將會極大的提高。

2.2.3 預警分析模塊

將監測數據與觀測數據及其他外部數據(天氣預報，雷達數據，衛星云圖)相結合進行預警數據分析，在數據異常情況下能夠自動報警提示，將相關預警通過5G 網絡實時推送，提示機務乘務員進行相關的應急操作。

2.2.4 應急調度模塊

應急調度模塊主要用于事故應急處理，包含各類事故類型的預案，并能根據不同事故類型的子類預案，發生異常事件時，系統啟動預案調用，調集前期所收集的信息，立即召集各部門的相關人員進行調度指揮及應急處理，在5G 網絡的支持下，應急指揮調度能更快速準備執行，確保事故發生后，將相關損失降低至最低。

3 結束語

本文從 5G 網絡的高速率、大容量、低功耗、低時延等特點著手，立足于鐵路防洪防汛監控的基礎建設，圍繞以降本增效、促安全保財產的宗旨，提出了基于5G 的物聯網鐵路防洪防汛監控系統。該系統的實施有利于解決鐵路運行安全問題，并能促進鐵路產業的智能化與節約資源化發展。