重點鐵路運營線自動化監測系統建設研究

郭志勇

（北京地鐵建筑設施維護有限公司，北京 100080）

1 引言

隨著社會經濟的快速發展，鐵路運輸作為一種高效、安全、環保的交通方式，在城市化進程中發揮著重要作用。為確保鐵路運營線的安全和穩定運行，自動化監測系統建設尤為關鍵，該系統可以獲取實時、客觀的監測數據，為重要鐵路線管理和領導決策提供支撐。根據系統建設需求情況，專家學者研發了各類貼合實際的自動化監測系統，定制了相關功能模塊。葉海濤[1]對高速公路的邊坡建立了自動化變形監測系統，實時監測坡體形變情況，及時觀測、預警高速路的安全運營；魏海明等[2]闡述了艱險山區鐵路自動化監測系統的建立，系統由數據采集前端、數據傳輸設備、預警軟件及管理終端組成，實現了采集與預警實時進行；王松等[3]研究自動化監測系統在路基監測中的應用，從監測內容選擇、傳感設備確定、系統設計、功能建立進行了介紹，為高速公路邊坡自動化監測系統建立提供參考。劉光輝等[4]主要探究基于鐵路段施工區自動化監測系統的構建內容，驗證系統建設方案在類似監測項目中的適用性。但上述自動化監測系統功能單一，僅適用于變形監測預警相關應用，對于采用多維傳感感知手段建立環境狀況監測系統的研究較少。

本文旨在利用北斗導航定位、北斗短報文、4G/5G通信等技術，結合多維傳感感知手段，實時獲取重點鐵路運營線的環境狀況、軌道坡體位移變化、運營視頻等實際動態和預警告警信息，研究探討重點鐵路運營線自動化監測系統的建設。

1 自動化監測系統設計

本文建立的自動化監測系統由傳感器數據采集與監控平臺、數據傳輸通訊模塊、數據分析與軟件發布構成，技術路線如圖1 所示。

圖1 自動化監測系統建設路線

傳感器數據采集與監控平臺能夠將地表位移監測站及各種傳感器獲取的數據通過無線網關發送至原始數據接收服務器，支持數據采集、數據解算、數據處理、數據存儲，以及表面位移監測、內部位移監測、視頻監測、雨量監測、水位監測等功能，并提供實時的預警告警管理功能。

數據傳輸通訊模塊基于采集的原始數據通過由無線信號搭建而成的數據傳輸子系統進行傳輸，可對部署在重點鐵路運營線的前端感知設備回傳數據進行統計分析。

數據分析與軟件發布能夠以直觀的報表、圖形等形式向用戶展示。

2 監測點布設

為達到實時監測的數據傳輸、分析功能，須在監測區域布設地表監測點，進行位移形變監測。監測基準站應布設在監測區域外土質緊致、地質結構穩定的地方，選擇能夠反映鐵路運營線穩定性變化的監測點位安裝GNSS 監測設備，視頻監控系統要分布在工作區域周圍，能夠全方位監控工作區。

（1）GNSS 基準值點位應選在穩定堅實的基巖、巖石、土層等能長期保存、滿足觀測條件的地點，并做好選點標記；選點時應避開多路徑環境影響，避免靠近水面、樹冠、高大建筑物、低洼潮濕等地點，應保證15°以上無遮擋[5,6]。

（2）GNSS 監測點選點應結合鐵路運營線實際情況，宜在最大坡高、有排水管通過、地質條件變化較大的地段及鐵路運行有異常反應處布置監測橫剖面[7]，而監測點應布設在位置開闊、附近沒有無線電發射裝置的地方。

（3）內部位移監測網點可選擇反映鐵路穩定性變化的監測點位安裝內部位移監測設備，具體位置在施工前參考區域地形圖、相關地質勘察報告、施工設計文件和現場實際情況進行布設。

（4）視頻監控點位設計選擇在監視目標附近、不易受外界損傷的地方，不影響現場設備運行和工作人員正常活動。

3 自動化監測系統平臺建立

以某重點鐵路運營線區域自動化監測系統為例，以北斗高性能服務平臺為支撐，重點完成重點鐵路運營區域表面位移監測、運營監測等功能的設計，并在相關區域部署監測設備。

3.1 監測點位設計

在重點鐵路運營區域布設GNSS 位移監測點8 個，在鐵路運營區附近土質緊致、地質結構穩定的點位設置基準站2 個，其中基準站觀測采用獨立坐標系統；在運營區周邊臨近位置布設深部位移監測系統4 套（每套均由4 個監測設備組成）、視頻監控系統1 套（由4 個攝像頭構成），GNSS 監測站如圖2 所示。

圖2 GNSS監測站

3.2 視頻監控設備建設

視頻監控攝像機安裝在監視目標附近、不易受外界損傷的地方，不影響現場設備、鐵路運營和工作人員正常活動。攝像機鏡頭應從光源方向對準監視目標，避免受強光直射。攝像機采用75Ω-5 同軸視頻電纜，云臺控制箱與視頻矩陣主機之間連線采用2 芯屏蔽通訊線纜（RVVP）或3 類雙絞線。云臺安裝時按攝像監視范圍決定云臺旋轉方位，旋轉死角處在支、吊架和引線電纜一側。電動云臺重量大，考慮其轉動慣性，支撐的支、吊架安裝要牢固可靠，旋轉時不能發生抖動現象。解碼器安裝在離攝像機不遠的現場，安裝不要明顯。

3.3 傳感器部署

為監測重點鐵路的穩定性，自動化監測系統采用傳感器采集重點鐵路段水位、雨量、浸潤線等相關數據，并進行監測、分析。

（1）水位監測

選擇雷達水位計進行水位監測，雷達水位計是利用電磁波探測目標的電子設備，主要用來進行水利監測、污水處理和防洪預警等，主要測量原理是從雷達水位傳感天線發射雷達脈沖，天線接收從水面反射回來的脈沖，并記錄時間T，由于電磁波的傳播速度C是個常數，從而得出到水面的距離D。

（2）雨量監測

利用降雨量遙測儀對降雨量實時遙測，并基于翻斗式雨量計工作原理，集成了無線實時監測裝置。選擇的降雨量遙測系統自動化程度高，無需人工干預；可隨時隨地獲取降水量，及時性強；還可自動獲取降水強度信息，自動保存降雨量資料。

（3）浸潤線監測

地下水位監測儀是一款高精度、大量程、實時性強、數據遠傳的地下水位綜合監測系統，由高精度水位、水溫傳感器組成，可實現地下水位、水溫、高精度一站式測量。

3.4 功能實現

（1）登錄模塊

系統授權給登錄用戶，針對不同區域進行不同的配置，選擇不同重點區域即進入監測區，監控目標區域及周邊情況、各位移監測點狀況。

（2）自動化監測模塊

自動化監測模塊與傳感器連接，直接控制傳感器端數據的采集，有開始、結束功能鍵；可根據需求設置傳感器采集頻率、采集點位，手動采集與自動采集可自由切換。

（3）預警報警模塊

預警報警模塊是自動化監測系統的重要功能之一，可提前預設預警臨界值。采集的數值可自動計算和分析，當達到預警臨界值時，自動化監測系統直接報警，并對形變值較大區域進行標注警示。預警報警模塊啟用后，發生符合條件的預警時會在監測平臺桌面彈出預警窗口，并開始循環播放預設的預警音頻，直到用戶主動關閉預警窗口。

（4）數據庫管理

自動化監測系統將監測點的數據與屬性、視頻數據統一存儲，建立數據庫，包括監測站點查詢、站點屬性查詢、歷史監測數據查詢、實時數據查詢、預警值設置等功能。監測站點數據查詢主要將位移監測站點各傳感器的數據調出，查看點位數據和屬性數據，并制作監測二維分析圖；預警報警查詢能定向輸入時間段內各個站點的不同監測對象，實現數據查詢、報表導出功能。

3.5 監測點精度分析

根據監測站點采集的數據，利用自動化監測系統進行GNSS 位移平差解算，同步環、異步環均解算合格，且基線處理均能固定，再進行二維約束平差求解，單位權中誤差為0.095mm，點位中誤差最大值為0.31mm。選取GNSS 監測站點采集的位移數據，與人工實測的位移數據進行對比，分析沉降曲線。以監測站點2 與監測站點5 為例，選取2021 年自動化監測數據與人工測量數據進行形變精度分析，形變量變化曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 監測站點2與人工測量精度對比

圖4 監測站點5與人工測量精度對比

由圖可知，將GNSS 自動化2 號和5 號監測站點采集數據與人工測量數據對比，正值表示正偏移即凸起，負值表示負偏移即下沉，整體沉降變化趨勢相同，且監測數值相差較小，其中監測站點2 與人工測量相差最大值為3.1mm，監測站點5 與人工測量相差最大值為4.7mm。人工測量數值普遍要比監測站點采集的數值小。

為進一步驗證GNSS監測位移精度，采用徠卡0.5″全自動機器人對布置點位基線進行實測，同解算基線進行比較[8,9]，具體測量位移對比統計如表1 所示。

表1 監測位移精度統計

由表1 可知，抽取8 個站點相鄰位移量，與全自動測量機器人實測數據進行對比，GNSS 位移監測值與實測值相比誤差較小，在兩者較差限差內，鐵路運營線坡體整體比較穩定，滿足安全運營要求。根據傳統監測實施方案，自動化監測系統運用了8 臺設備，全天候無人操作作業，大大提高了工作效率。

4 結論

本文闡述了重點鐵路運營線自動化監測系統的建設和應用，通過構建數據采集端、通訊傳輸端、終端數據處理分析、系統平臺，完成位移監測與視頻監控的智能化、信息化管理，并得出以下結論：

（1）在重點鐵路運營區域建立自動化監測系統，實時獲取監測數據，不僅提高了管理和監測效率，還保障了數據的客觀性，為鐵路安全運營提供真實的數據支撐；

（2）自動化監測系統定制登錄、實時查詢、預警報警、報表導出等多種功能，便于管理與決策；

（3）自動化監測系統利用GNSS 位移監測，經過精度分析，位移監測精度滿足監測要求，符合行業標準。

綜上所述，基于重點鐵路運營區自動化監測系統的建立，提高了監測與管理效率，符合監測標準，為業內相關自動化監測案例提供了借鑒，但是對自動化監測系統提高預警報警的精度還需進一步研究。