高速鐵路隧道口邊坡監(jiān)測系統(tǒng)研究

葉一彪 劉建 黃大吉

摘 要：高鐵路網(wǎng)在山區(qū)地段隧道口附近易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，針對現(xiàn)有隧道口邊坡監(jiān)測技術(shù)，提出“光纖圍欄+異物哨兵+視頻分析”的高速鐵路隧道口邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視頻自動(dòng)化巡查、對安全隱患自動(dòng)告警以及自動(dòng)復(fù)核。在綜合分析系統(tǒng)中心按線路布置、按獨(dú)立中心布置和納入災(zāi)害中心三種設(shè)置方案的優(yōu)缺點(diǎn)后，給出推薦方案，進(jìn)而提出現(xiàn)場設(shè)備的選點(diǎn)、傳輸以及供電方式的參考建議。希望該系統(tǒng)能夠?qū)μ嵘咚勹F路災(zāi)害防范能力，對災(zāi)前感知預(yù)警體系建設(shè)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；邊坡監(jiān)測；自動(dòng)告警；中心布置

中圖分類號：U284.95? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）06-0090-03

0 引言

截止2021年底，中國高鐵運(yùn)營里程突破4萬km。高速鐵路設(shè)有自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)，對鐵路沿線風(fēng)、雨、雪、地震及異物侵限事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)的規(guī)范。但鐵路除了受到風(fēng)、雨、雪、異物侵限、地震災(zāi)害影響外，還可能隨時(shí)遭受泥石流、崩塌落石或者突發(fā)危險(xiǎn)源入侵等安全威脅。特別是隧道口附近易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，比如危巖落石、山體滑坡、隧道口崩塌、泥石流、地面塌陷與沉降、地裂縫、水土流失等，嚴(yán)重影響人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。因此，對隧道口進(jìn)行安全監(jiān)測并及時(shí)預(yù)警、告警，可以有效阻止事故的發(fā)生，保障鐵路運(yùn)輸?shù)男逝c安全，推動(dòng)鐵路特殊地形監(jiān)測技術(shù)發(fā)展，實(shí)時(shí)獲知鐵路安全信息，保障鐵路運(yùn)營安全刻不容緩。

1 監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)概述及總結(jié)

目前已經(jīng)有一些學(xué)者針對隧道口自然災(zāi)害的防御開展相關(guān)研究，但是缺乏與既有系統(tǒng)的統(tǒng)籌考慮，尚未形成有效的防御方法[1]。當(dāng)前隧道口邊坡主要監(jiān)測技術(shù)有GNSS、激光雷達(dá)、光纖圍欄以及視頻分析等。

1.1 GNSS監(jiān)測

GNSS的設(shè)計(jì)思想是將空間的人造衛(wèi)星作為參照點(diǎn)，確定一個(gè)物體的空間位置。根據(jù)幾何學(xué)理論，通過精確測量地球上某個(gè)點(diǎn)到3顆人造衛(wèi)星之間的距離，對此點(diǎn)的位置進(jìn)行測定，通過監(jiān)測站與基準(zhǔn)站相位差來計(jì)算是否產(chǎn)生位移[2]。該技術(shù)設(shè)備適合單點(diǎn)監(jiān)測場景。

1.2 激光雷達(dá)監(jiān)測

激光雷達(dá)的工作原理，是利用可見光和近紅外光發(fā)射一個(gè)信號，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運(yùn)行時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。目標(biāo)的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定。該技術(shù)精度高、準(zhǔn)確率高，但單獨(dú)激光雷達(dá)監(jiān)測范圍較小。

1.3 光纖圍欄監(jiān)測

光纖圍欄監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用了“光彈效應(yīng)”的機(jī)理，探測因?yàn)檎饎?dòng)引起的光波相位變化，通過變化的情況識別引起振動(dòng)的原因。該技術(shù)具有靈敏度高、精度高、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，同時(shí)具備抗自然環(huán)境干擾的模式識別能力，可以有效減少誤報(bào)。

1.4 視頻分析監(jiān)測

視頻智能化分析的基本過程是從給定的視頻中讀取每幀圖像，并對輸入圖像進(jìn)行預(yù)處理，如濾波、灰度轉(zhuǎn)換等，然后判斷輸入圖像中是否有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是否為監(jiān)控目標(biāo)，最后對該目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控、跟蹤或行為理解等分析。該技術(shù)通過AI分析，準(zhǔn)確率較高，但易受雨、霧等惡劣天氣影響。

1.5 異物哨兵監(jiān)測

異物哨兵是融合面陣激光雷達(dá)及視頻分析技術(shù)研發(fā)的一體化智能監(jiān)測系統(tǒng)。它通過面陣激光雷達(dá)通過發(fā)射激光光束來探測目標(biāo)，并通過搜集反射回來的光束來形成點(diǎn)云和獲取數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)光電處理后可生成為精確的三維立體圖像。

1.6 監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)

綜上所述，GNSS受風(fēng)雨雪等惡劣天氣、云層及樹木植被遮擋影響；單獨(dú)視頻易受雨、霧等惡劣天氣影響，但視頻顯示直觀；雷達(dá)、光纖圍欄不受惡劣環(huán)境影響，但是報(bào)警不直觀，難以判斷監(jiān)測對象類型。具體對比見表1。

通過技術(shù)對比分析，單一的監(jiān)測技術(shù)或多或少有其局限性，建議選擇“視頻分析+光纖圍欄+異物哨兵”的手段，技術(shù)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)全天候、智能化、無人化、精確化的監(jiān)測。通過在隧道口主被動(dòng)網(wǎng)等區(qū)域敷設(shè)光纖復(fù)合圍欄，輔以視頻監(jiān)控，并在隧道口增設(shè)異物哨兵，應(yīng)對高速鐵路隧道口泥石流、塌方、落石、滑坡等突發(fā)情況。

2 監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 整體架構(gòu)

系統(tǒng)采用監(jiān)測中心系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備兩級架構(gòu)部署[3]，整體框架如圖1所示。

隧道口邊坡滑移現(xiàn)場采集單元主要由異物哨兵、振動(dòng)光纖復(fù)合圍欄、智能視頻等模組組成。對于有框架梁或骨架防護(hù)邊坡，沿防護(hù)框架敷設(shè)光纖復(fù)合圍欄；對于無防護(hù)邊坡，于坡底增設(shè)防護(hù)網(wǎng)，并沿防護(hù)網(wǎng)安裝光纖復(fù)合圍欄。當(dāng)發(fā)生邊坡滑移時(shí)，智能監(jiān)測中心自動(dòng)判斷報(bào)警閾值，自動(dòng)聯(lián)控調(diào)用現(xiàn)場視頻監(jiān)控?cái)z像或在邊坡對面新增智能視頻，實(shí)時(shí)上傳報(bào)警信息并對報(bào)警信息進(jìn)行綜合管理。

利用安裝簡單、成本低廉、不受惡劣天氣影響的光纖復(fù)合圍欄作為基礎(chǔ)的監(jiān)測手段，通過調(diào)整其震動(dòng)報(bào)警的閾值來減少誤報(bào)率。利用異物哨兵獲取地表監(jiān)測場景的三維形變信息，有效彌補(bǔ)光纖復(fù)合圍欄無法實(shí)現(xiàn)三維形變測量、時(shí)空連續(xù)、面監(jiān)測的劣勢。最后通過視頻分析來解決傳統(tǒng)的監(jiān)測方式需要專人盯控的問題，大大減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備與鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、鐵路時(shí)間同步系統(tǒng)連接并交換相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)視頻自動(dòng)化巡查，對安全隱患自動(dòng)告警，與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)復(fù)核，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測內(nèi)容的趨勢預(yù)測分析以及監(jiān)測點(diǎn)位的自動(dòng)告警，提供告警事件的自動(dòng)化預(yù)案。

2.2 中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

高速鐵路建設(shè)初期，災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)均是按照線路、路局維管分界來設(shè)置數(shù)據(jù)處理中心、災(zāi)害監(jiān)測終端。隨著災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)條件和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的相繼發(fā)布，各鐵路局災(zāi)害監(jiān)測中心系統(tǒng)開始立項(xiàng)并投入建設(shè)[4]。

結(jié)合既有災(zāi)害監(jiān)測中心設(shè)置的方式，隧道口邊坡監(jiān)測中心系統(tǒng)有3種推薦設(shè)置方式：納入既有災(zāi)害中心、建立線路中心以及獨(dú)立中心設(shè)置方式。其主要優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

納入災(zāi)害監(jiān)測中心雖然可以有效整合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，但是無相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的支撐，不同廠家的兼容性問題不好解決，且暫時(shí)只有鄭州局、成都局、武漢局、太原局已建成災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)，其他均為線路級中心[5]。

設(shè)置線路中心這一方案，可以靈活配置線路方案且無兼容性接口問題，但無法互聯(lián)互通，造成資源與效率的浪費(fèi)[6]。雖然建立獨(dú)立的局級隧道口邊坡監(jiān)測系統(tǒng)中心可以很好地解決以上問題，但是建設(shè)難度高、時(shí)間長、投資大，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范位發(fā)布以及系統(tǒng)大范圍應(yīng)用之前不推薦。

綜上，前期實(shí)施線路中心，后期實(shí)施獨(dú)立中心，有條件的情況可接入災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中心。

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測方案

2.3.1 設(shè)備選點(diǎn)

采用單線圍欄沿整個(gè)邊坡防護(hù)框架梁及錨索橫向敷設(shè)。監(jiān)控?cái)z像機(jī)立桿安裝于坡面的正對面或本側(cè)，距離、攝像頭角度為視頻圖像可覆蓋坡面監(jiān)測區(qū)域?yàn)橐恕Ｔ谶吰碌撞柯坊幟扛?0 m設(shè)置一臺異物哨兵，異物哨兵內(nèi)側(cè)面安裝距線路中心≥2 700 mm。

2.3.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備可通過鐵路數(shù)據(jù)專網(wǎng)傳入數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行匯聚，可利用既有或增加敷設(shè)的數(shù)據(jù)專網(wǎng)線路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上下傳輸。如與風(fēng)、雨、雪、異物共用光電纜傳輸通道或者借用直放站光電纜，原點(diǎn)位光電纜利舊。

2.3.3 供電方式

供電方式有限就近取電，主要從隧道口的照明用電線路中取點(diǎn)。當(dāng)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備點(diǎn)位布設(shè)附近沒有供設(shè)備就近取電時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件可考慮采用太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、風(fēng)光互補(bǔ)型等新能源供電方式，保障設(shè)備正常運(yùn)行。

3 結(jié)束語

隨著高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)的不斷發(fā)展完善，隧道口的安全監(jiān)測也越發(fā)引起重視。本文對比分析現(xiàn)有隧道口邊坡監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種“光纖圍欄+異物哨兵+視頻分析”的高速鐵路隧道口邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可對安全隱患自動(dòng)告警。實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測點(diǎn)位告警后，與視頻分析系統(tǒng)的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)復(fù)核，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測內(nèi)容的趨勢預(yù)測分析。

對比3種系統(tǒng)中心的設(shè)置方案，得出先期實(shí)施線路中心，后期實(shí)施獨(dú)立中心，有條件的情況可接入災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中心，并對現(xiàn)場設(shè)備布點(diǎn)、傳輸網(wǎng)絡(luò)以及供電方式提出了建議。該系統(tǒng)能夠?qū)μ嵘咚勹F路災(zāi)害防范能力和災(zāi)前感知預(yù)警體系建設(shè)有一定的借鑒意義。

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