基于紅外激光圖像識別和物聯網技術的鐵路路基沉降監測技術研究

盧容仁 龍庭該 胡峰

摘要：基于紅外激光圖像識別和物聯網技術，研發了一款鐵路路基沉降實時監測系統。系統由測量和傳輸兩部分構成。監測過程中，在測量范圍的前后2公里地段安裝聲控傳感器，以收集列車接近信息。當列車經過時，聲控傳感器將列車信息通過聲控傳輸線路傳遞至測量系統，測量系統基于紅外激光圖像識別技術獲取路基沉降數據。如若路基沉降量超限，測量系統將立即通過預警傳輸線路向列車控制中心發送預警信息，提醒緊急停車。該監測系統與傳統的人工監測相比，具有便攜性、安全性、經濟性、高效性等優勢，極大地推動了路基監測技術的發展。

關鍵詞：鐵路路基，沉降;監測;系統研發;圖像識別;物聯網

引言

鐵路路基是承受和傳遞列車、機車重力及列車動態作用的結構層，巖土應力分布相對集中，周圍巖土層的輕微擾動，都可能導致巖土應力重新分布，引起不均與的沉降，導致鐵路線路幾何尺寸超限，危機行車安全。因此，對可能改變鐵路路基巖土應力分布的外界施工，都應該對鐵路路基實施位移監測[1-4]。目前對路基沉降的監測主要分為人工定期測量和安裝設備實時監測。前者屬于病害檢查，根據前期沉降規律定期到現場測量，適合于有規律的鐵路路基沉降，對巖土應力聚變引起的路基加速沉降病害，具有一定的潛在安全風險，無法保證列車運行安全。后者屬于實時監測，如鐵環分層沉降儀法、剖面沉降儀法、沉降板法、沉降水杯法、光纖光柵法、地溫推測法、GPS測繪觀測等。將監測的數據傳入固定監測平臺，能夠遠程實時監控現場路基沉降情況。但因監測設備昂貴，安裝復雜，很難在現場大規模推廣。因此本文基于紅外激光圖像識別、物聯網[5]等技術，設計了一款便攜、實時傳輸、經濟、高效的鐵路路基沉降監測系統。

1 監測系統設計

本文路基沉降監測系統由測量和傳輸兩部分構成，見圖1。傳輸系統將列車往來信息傳輸至測量系統;測量系統根據預設指令對線路路基進行測量，基于紅外激光圖像識別技術對沉降量進行分析，并將分析結果上傳至傳輸系統;若路基沉降量超限，傳輸系統將預警信息傳輸至列車控制中心，提醒緊急停車。

測量系統由紅外激光成像系統和分析系統構成，見圖2。成像系統包含紅外激光光源、光學顯微鏡、相機等，用以獲取超高清的被測目標路基照龍庭該片，作為分析系統的數據來源。分析系統基于圖像識別相關算法，對路基變形前后的兩幅數字圖像進行分析處理，得到相應的變形（位移）信息。

傳輸系統由聲控傳感器、聲控傳輸線路、預警傳輸線路等3部分組成。在測量范圍的前后2公里地段安裝聲控傳感器，以收集列車接近信息。當列車經過時，聲控傳感器采集到列車通過的信息，通過聲控傳輸線路傳遞至測量系統，促使測量系統立即采集路基沉降數據。如若路基沉降量超限，測量系統將立即通過預警傳輸線路向列車管理中心發送預警信息，提醒緊急停車。

2 監測系統工作原理

2.1 測量系統工作原理

通過光學顯微鏡和相機獲取路基圖像后，通過圖像處理來提高其表達能力（圖像增強）。圖像的視覺表達取決于兩個分量：入射光源的照明成分，對應于圖像在頻域中的低頻分量;場景的反射成分，對應于圖像在頻域中的高頻分量，這個分量與人眼感知的場景密切相關。由于卷積結果更接近于照明成分，因此本文測量系統利用高斯卷積函數對原始圖像進行卷積運算，在最大程度上消除了圖像中的照明成分，并保留和增強了其反射成分，由此實現了圖像增強的目的。

圖像增強后進行數據分析，其基本原理是，對變形前圖像中的測量區域進行網格劃分，將每個子區域當作剛性運動。再通過一定的搜索方法按預先定義的相關函數對每個子區域進行相關計算。在變形后的圖像中尋找與該子區域的互相關系數為最大值的區域，即該子區域在變形后的位置，進而獲得該子區域的位移。之后對全部子區域進行計算，即可獲得全場的變形信息。

該測量系統具有無靶標、多點同步、非接觸的特點。現場無需安裝靶標或者標記物即可直接測量，可多點同步實時高速測量被測目標的二維變形，同時無需接觸被測物體表面。測量系統的各項性能參數見表1。

2.2 傳輸系統工作原理

本文基于NB-LoT低速率窄帶物聯網通信技術構建信息傳輸系統，該系統具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少、架構優等特點，可用于多種垂直行業。

與傳統的物聯網技術相比，NB-LoT蜂窩結構具有更優越的連接能力。一個NB-LoT可以同時滿足10萬個客戶端的在線連接，也可以在一個相對飽和的狀態下，保持一個較低的延時率。

本文利用NB-LoT無線物聯網技術，實現了測量系統與列車管理中心的實時通信。當列車經過時，聲控傳感器將信息通過NB-LoT傳遞至測量系統。測量系統采集路基沉降數據并分析后，再通過NB-LoT反饋給列車管控中心。期間數據信息傳輸及時、準確。

3 系統安裝、運行關鍵點

在監測系統安裝、運行過程中，需要注意以下關鍵點：

（1）對于交通量較大的線路，應在列車接近和列車通過后各采集一次路基沉降數據。對于交通量較小的線路，可根據線路路基沉降發展規律，來自定義測量頻率。

（2）當列車距離監測點400米時，測量裝置即開始采集數據，如若路基沉降超限，立即進行第二次測量。如果連續5次采集的沉降數據都達到預警值，系統即啟用預警功能，提醒緊急停車。

（3）根據實際監測需要，可用一個測量裝置同時監測多個觀測點，以提高監測效率，并可以結合不沉降基準點進行補正，提高測量精度。

4 系統特點

本文監測系統具有如下特點：

（1）在保證測試數據精度的基礎上，便攜易安裝。一般來講，路基沉降監測精度和便捷易安裝是矛盾的。但本文監測設備與監測點之間的位移變化量經過了第三點的換算，進而推算現場實際沉降量，有效解決了監測設備安裝地點路基不穩導致的監測數據失真問題。

（2）相比傳統的人工測量，本文監測系統的安全性優勢突出。傳統的人工測量只能在天窗點內開展，無法實時監測路基沉降數據，故難以應對路基位移突變狀況，具有一定的安全風險。本文監測系統可實時監測多個點位并能及時預警，有效提高了行車安全性。

（3）相比傳統的人工測量，本文監測系統的經濟性優勢突出。據統計，每個觀測點每個月可節約路基沉降監測費用2萬元。

（4）相比傳統的人工測量，本文監測系統不占用班組勞力，不干擾現場日常工作，極大地減輕了線路管理壓力。

5 結論

本文研發了鐵路路基沉降實時監測系統，該系統由測量和傳輸兩部分構成。

測量系統包含紅外激光成像系統和分析系統。成像系統包含紅外激光光源、光學顯微鏡、相機等，用以獲取超高清的路基照片，作為分析系統的數據來源。分析系統基于圖像識別相關算法，對路基變形前后的兩幅數字圖像進行分析處理，得到相應的變形（沉降）信息。

傳輸系統由聲控傳感器、聲控傳輸線路、預警傳輸線路等3部分組成。監測過程中，在測量范圍的前后2公里地段安裝聲控傳感器，以收集列車接近信息。當列車經過時，聲控傳感器采集到列車通過的信息，通過聲控傳輸線路傳遞至測量系統，促使測量系統立即采集路基沉降數據。如若路基沉降量超限，測量系統將立即通過預警傳輸線路向列車管理中心發送預警信息，提醒緊急停車。

本文基于圖像識別、物聯網等技術，實現了路基沉降量的實時監測。與傳統的人工監測相比，具有便攜性、安全性、經濟性、高效性等優勢，從而極大地推動了路基監測技術的發展。

參考文獻

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