基于無線自組網測振儀的被動網落石監測系統

摘 要：山區鐵路沿線崩塌落石災害頻發，及時、準確地發現崩塌落石事件并發出報警信息，對鐵路運營安全具有重要的意義。通常在一些危巖落石高發地段會設置被動防護網攔截滾石，然而該方式并不能完全防止落石上道。為確?！奥涫簧系?，上道不撞車”，迫切需要研發一套無人值守、全天候實時準確監測鐵路沿線被動網落石監測系統。本文研發一種基于三軸MEMS無線自組網測振儀的被動網落石監測系統，通過前端感知振動并對振動信號進行邊緣計算處理得到最大加速度值，并調用攝像頭對發生振動的被動網預置點進行拍照，將最大加速度值和攝像頭拍攝到的照片上傳至服務器；最后由服務器及時推送報警信息，實現了鐵路沿線被動網落石的自動化監測功能。工程實際應用表明，該系統能滿足鐵路邊坡崩塌落石自動化監測的需求，該研究成果可應用于鐵路、公路危巖落石自動化監測領域。

關鍵詞：測振儀；振動監測；無線自組網；崩塌落石；邊緣計算；報警推送

中圖分類號：TP23；TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-05

0 引 言

我國是一個多山國家，尤其是西南地區山地面積約占40%。山區鐵路沿線危巖崩塌落石是威脅鐵路行車安全的一個主要因素[1]。據統計，老成昆鐵路危巖落石近500處，崩塌100多處，沿線崩塌落石分布地段廣、數量多。2007年11月20日宜萬鐵路高陽寨隧道洞口發生巖崩，造成31死

1傷的安全事故。2009年7月29日焦柳線1347次旅客列車運行到廣西境內柳城縣時突遇坍塌落石，導致列車脫軌，造成4名旅客死亡，71名旅客受傷，焦柳鐵路中斷行車。2016年6月27日渝懷鐵路核桃園站因連續降雨發生山體崩塌，導致途經該段的14趟旅客列車運行受到影響，造成5 040名旅客出行受阻。2019年8月16日，成昆鐵路涼紅至埃岱站間，數萬方的高位山體邊坡發生崩塌，造成線路中斷、17名工人失聯[2]。2020年6月7日貴廣線D1862次列車在懷集站至賀州站間被落石堵住，突然剎車導致脫軌，造成司機受傷。2020年8月2日，成昆鐵路漢源至關村壩站區段發生巖體高位崩塌，出現落石上道，造成該區段封鎖。此類事件不可勝數。國家鐵路局于2020年發布的《高速鐵路周界入侵報警系統技術規范》（征求意見稿）中明確提出監測系統應具備對多源前端探測設備發送的報警信息進行綜合分析的能力。因此，及時、準確地發現崩塌落石事件并發出報警信息，對于鐵路運營安全具有極其重要的作用[3-5]。

針對山區鐵路落石頻發的現象，國內學者對落石監測開展了大量研究。譚冬生等人[6]采用分布式光纖傳感技術，將光纖敷設于被動防護網上，監測落石、崩塌的發生，通過各個光纖光柵振動傳感器感受沖擊信號的時間先后來判定防護柵欄受到沖擊的位置。趙樹學等人[7]采用紅外激光三維精密測量技術，通過對鐵路危巖落石監測區域進行非接觸式連續掃描，能夠快速、準確地發現落石目標，并具備對目標物的辨識能力。然而光纖布線困難且容易被損壞，紅外激光容易受天氣影響，且成本較高。

因此本文立足工程化需求，設計了一款基于MEMS集振動加速度采集、處理與無線自組網傳輸一體化的小型裝

置[8]，本文稱之為無線自組網測振儀，簡稱為測振儀，構建了可用于被動網落石振動的長期自動化監測系統，該系統能夠在鐵路沿線落石沖擊被動網時實時監測被動網的振動情況，并輸出報警信號通知維護人員及時查看，可避免崩塌落石上道威脅行車安全，確保“落石不上道，上道不撞車”的監測目標。該裝置將加速度信號感知、處理與傳輸等功能進行集成設計，使整個監測系統更加小型化，更利于現場快速施工安裝。

1 被動網落石監測系統架構設計

為滿足被動網落石監測系統中對于振動加速度數據的采集、處理、傳輸、存儲及應用展示的要求，系統架構分為信號感知及處理層、數據傳輸及控制層和數據存儲及應用展示層（如圖1所示），實現對被動網落石沖擊的精準采集、有效處理、可靠傳輸、集中存儲、報警信息及時推送與數據可視化展示等功能。

以無線自組網振動儀為感知探測前端，將無線自組網測振儀安裝于被動防護網之上，當被動網受到落石沖擊而產生振動時，安裝其上的無線自組網測振儀就會隨之振動立即產生振動報警信號，并聯動對應區域的攝像頭調用相應的預置點拍照，最后將無線自組網測振儀的最大加速度值以及攝像頭拍攝到的對應照片立即上傳至服務器，并由服務器將報警信息及時推送至用戶監測終端。

2 數據采集與傳輸設計

2.1 系統硬件平臺設計

無線自組網測振儀的信號采集終端采用的硬件平臺核心MCU是基于Cortex-M4內核的超低功耗微控制器STM32L476，無線自組網測振儀還集成三軸MEMS加速度傳感器、太陽能電池模塊、電源模塊、LoRa無線自組網模塊等，具體組成原理框圖如圖2所示。

采用三軸MEMS加速度傳感器ADXL345作為振動信號感知芯片來采集監測環境周圍的加速度值。ADXL345適用范圍廣，可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態加速度；其高分辨率（3.9 mg/LSB）能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化；還提供活動和非活動檢測功能，通過比較任意軸上的加速度值與設置的閾值來判斷有無振動發生。

太陽能電池模塊中太陽能控制器的功耗直接影響系統整體功耗，通過改進現有太陽能控制器充放電策略來降低系統整體功耗。優化后的充放電策略通過電壓傳感器實時監測太陽能板的輸出電壓，該電壓與鋰電池組電壓通過一個電壓比較電路進行比較，控制太陽能控制器開關電路動作。優化后的充放電控制策略可以減少太陽能控制器在光照不足情況下的自身損耗，達到延長電池續航的目的。

無線自組網測振儀采用470 MHz LoRa無線自組網通信模塊進行數據傳輸。該無線自組網通信模塊基于美國 Semtech公司生產的全新一代超低功耗射頻芯片，采用全新的無線自組網調制技術，其抗干擾性能強、通信距離遠[9]。

2.2 嵌入式軟件設計

無線自組網測振儀作為被動網振動監測系統的關鍵設備，主要解決山區鐵路沿線落石沖擊被動網時，通過實時感知振動，發出報警信息，同時能夠在無市電能源補給條件下，長期穩定工作?；贛EMS的無線自組網測振儀集成加速度信號感知、加速度閾值可動態設置等功能，實現在無振動發生時深度休眠，在落石沖擊后實時觸發報警機制[10]，解決低功耗能源管理與實時振動信號感知之間的相互沖突。

如圖3所示，無線自組網測振儀常處于待機休眠狀態，具備兩種喚醒機制：振動觸發和定時觸發。振動觸發即在感受到外部振動并任一軸的加速度值超過設定的閾值時，MEMS加速度傳感器ADXL345通過主動發送觸發信號喚醒主控芯片進行數據采集、處理和傳輸。定時觸發即定時時間達到時，主控芯片自動喚醒進行數據采集、處理和傳輸。具體的嵌入式軟件工作流程如下：

（1）無線自組網測振儀待機休眠，等待外部振動觸發或定時觸發；

（2）外部振動觸發或定時觸發后，設備被喚醒；

（3）若是通過振動方式喚醒設備，則立即調用攝像頭相應預置點拍照，同時采集一段時間各軸加速度值，邊緣計算處理得到各軸最大加速度值，然后上傳各軸最大加速度值和攝像頭所拍攝的相應照片；

（4）若是通過定時喚醒，則定時采集一次各軸加速度值，然后上傳加速度數據；

（5）服務器收到定時喚醒方式上傳的監測數據后直接將該數據推送至客戶端顯示。服務器收到振動喚醒方式上傳的報警信息后立即推送報警信息并在客戶端顯示。

無線自組網測振儀用于落石振動監測場景，在有落石沖擊被動網時，設備才會被觸發喚醒工作并聯動攝像頭拍照，同時及時發出報警信息，其余時間處于休眠狀態，以降低設備功耗。

2.2.1 MCU低功耗控制

為延長無線自組網測振儀的使用時間，需對其MCU進行低功耗控制。在實際應用中，通常MCU在絕大部分時間都處于空閑狀態，在空閑狀態MCU可以進入深度睡眠模式，關閉絕大部分功能，從而大幅降低功耗。另外系統時鐘頻率對功耗的影響也非常大，合理控制系統時鐘頻率也可以較大幅度地降低系統功耗。通過采用低功耗控制技術，無線自組網測振儀內置10 Ah鋰電池在無外部能量供給的情況下續航時間長達3年。

MCU在空閑狀態下進入低功耗休眠模式是降低系統功耗的一種重要手段。應用中使用的操作系統采用基于時間片輪轉的搶占式任務調度機制，當MCU在執行IDLE（空閑）任務時，使其進入低功耗休眠模式，并盡可能使系統更長時間停留在低功耗休眠模式中，在適當的條件下再通過定時中斷或者外部振動觸發事件喚醒MCU執行振動數據采集、處理與傳輸任務。

降低系統時鐘頻率也是降低功耗可以考慮的方面。時鐘是系統中頻率最高的信號，其功耗之高是不容置疑的?？紤]應用需求，將系統設置為不同的工作模式，加入時鐘控制模塊，在不同的工作模式下選用不同頻率的時鐘。通過程序配置可以使系統在不同的工作模式下選用不同頻率的時鐘，在喚醒后的工作模式下使用高速晶振HIS（內部高速晶振16 MHz）作為時鐘源以便系統迅速執行工作任務；在空閑時系統自動進入低功耗休眠模式時將系統時鐘配置成低速時鐘LSI（內部低速晶振37 kHz），從而較大地節省了系統在低功耗休眠模式下的功耗。

2.2.2 RTC定時喚醒數據采集

為便于確定無線自組網測振儀是否存活且正常工作，在無振動觸發時定時喚醒設置每天兩次（每次喚醒間隔12 h），周期性地進行數據采集、處理和傳輸，為滿足功耗要求選擇RTC定時喚醒進行數據采集。STM32L476系列MCU的RTC模塊是一個獨立的定時器。該模塊擁有一組連續計數的計數器，在相應軟件配置下，可提供時鐘日歷的功能。修改計數器的值可以重新設置系統當前的時間和日期。RTC還可以配置鬧鐘事件使MCU退出低功耗待機模式。本文采用實時時鐘RTC定時器產生的中斷將STM32L476從低功耗待機模式下周期性定時喚醒。

STM32L476的RTC外設，實質是一個掉電后還繼續運行的定時器，具備計時和觸發中斷的功能，還具備掉電后繼續運行的特性。在低功耗待機模式下RTC仍然處于工作狀態，可編程自動裝載計數器（WUTR寄存器）產生喚醒信號，使MCU退出睡眠和深度睡眠等低功耗模式，開始振動數據采集、處理和傳輸。數據傳輸完成后無線自組網測振儀自動進入低功耗待機休眠模式，等待下一次RTC定時喚醒或被動網振動觸發喚醒。

2.2.3 基于信號強度的多基站冗余節點管理技術

為提高無線自組網測振儀的數據無線傳輸的穩定性，本文采用基于信號強度的多基站冗余節點管理技術，即通過多個基站實時監聽各無線自組網測振儀發出的數據。LoRa無線自組織網絡憑借其輕質、經濟和易維護等優點，在監測領域得到了廣泛應用。然而無線信號的傳播會伴隨著能量的衰減，包括路徑損耗和穿透損耗，大大限制了LoRa無線自組網在結構健康監測中的應用。針對上述問題，本文提出了一種基于信號強度的多基站冗余節點管理技術，該技術主要內容如下：

（1）針對無線數據傳輸易受環境噪聲干擾導致傳輸失敗問題，采用三次重傳握手方法，通過確認應答機制，提高無線數據傳輸可靠性。

（2）為提高系統冗余性，加大無線覆蓋范圍，采用多個基站節點布設。從節點發出的無線數據，能夠同時被多臺基站節點接收數據，確保數據不丟失。

（3）為降低傳輸過程中無線節點數據同時發送過程產生的碰撞概率，采用多基站監聽，單信號質量最優基站進行三次握手應答機制。通過減少無線收發次數，降低無線傳輸可能存在的碰撞概率。

無線自組網測振儀設備節點依防護網的位置而布設，因此在連綿山脈陡峭的位置布設距離可能超過3 km，同時山巒起伏地形復雜、樹木叢生使得無線信號傳輸易受遮擋。通過布設多臺基站接收無線自組網測振儀發出的振動數據，不僅能解決無線長距離傳輸困難問題，同時在信號遮擋嚴重的重點區域通過加強布設基站解決信號遮擋難題，可進一步提高系統冗余性，確保系統數據無線傳輸的可靠性。

2.3 信號采集精度測試

為了測試無線自組網測振儀的采集精度，將無線自組網測振儀通過試驗夾具固定于標準振動傳感器校準系統的振動試驗臺上，X軸方向垂直地面。給振動臺施加不同頻率和振幅的正弦波信號（y=Acos（wt+ψ），其中A為標準振動臺設定的振幅）。無線自組網測振儀的高速數據傳輸接口通過網線與工控機連接，測試數據實時存入工控機。

本次測試設定振動臺頻率為15 Hz，并按正弦規律振動，無線自組網測振儀與標準振動臺一起振動。整個實驗平臺的原理框圖如圖4所示，振動控制器發出控制信號到功率放大器，在功率放大器的驅動下振動臺按照振動控制器設定的參數振動。

通過振動控制器設置振動臺的加速度振幅在0.2～1.5g范圍內變化，振動頻率固定為15 Hz，并按正弦規律振動，工控機收到的無線自組網測振儀采集的加速度信號見表1所列。從測試結果可以看出，無線自組網測振儀可準確測量出標準振動臺的加速度頻率和幅值。

2.4 報警信息推送

當落石沖擊防護網時，MEMS加速度傳感器感知到的最大振動加速度大于設定的閾值后立即喚醒無線自組網測振儀進行振動數據采集和邊緣計算處理分析，同時立即聯動視頻攝像頭調用相應預置點進行拍照，并將邊緣計算處理得到的各軸最大加速度數據結果通過470 MHz LoRa無線自組網通信的方式傳輸至各監聽基站，基站收到數據后立即將無線自組網測振儀的數據與攝像頭拍攝到被動防護網振動發生位置處的圖片轉發給DTU和4G路由器，通過DTU和4G路由器上傳至遠程服務器；服務器收到數據后立即將含最大加速度值和現場攝像頭拍攝到的對應位置防護網的照片以短信的方式推送至用戶手機，同時在用戶監測終端及時推送聲光報警彈窗提醒用戶查看報警信息。

3 系統應用

無線自組網測振儀由于具備對落石沖擊防護網事件監測準確、安裝方便、功耗超低、數據傳輸穩定可靠等優點，目前已被廣泛應用于渝懷線、大瑞線、大臨線等多條鐵路干線多個隧道進出口邊坡危巖落石監測項目。本文以無線自組網測振儀在渝懷線某隧道出口危巖落石自動化監測項目的實際應用為例進行闡述。

渝懷鐵路某隧道出口仰坡山體高差210 m，邊坡坡度80°，山體陡峻，基巖裸露，植被較少發育。段內巖層緩傾，陡傾卸荷裂隙發育，上部陡崖處節理裂隙多呈張開狀，受層理、節理裂隙的相互切割，形成危巖體，部分危巖體已呈倒懸，危巖體將以傾倒、墜落方式下落，極易發生崩塌落石災害，嚴重威脅行車安全。為了降低危巖落石崩塌上道的風險，確保列車運營安全，對渝懷線某隧道出口等重點區域開展危巖落石自動化監測，輔助相關部門進行列車安全運營管理。在該隧道出口處的被動防護網立柱上通過夾具安裝無線自組網測振儀，對落石沖擊防護網事件開展自動化監測，實現對落石撞擊防護網事件與立柱變化情況的實時感知。無線自組網測振儀的布置平面圖如圖5所示，振動設備與視頻聯動形式如圖6所示，無線自組網測振儀現場安裝照片及實物如圖7所示。

2022年3月16日12時15分無線自組網測振儀實時監測到一起落石沖擊被動防護網事件，并及時推送報警信息。報警信息截圖如圖8（a）所示，現場人員確認照片如圖8（b）所示。

經相關人員現場排查發現，有近5 m3落石撞擊被動防護網，導致防護網發生嚴重變形。由于無線自組網測振儀及時報警，相關人員及時清理落石和修理防護網，未危及行車安全。

4 結 語

針對山區鐵路運營安全極易受崩塌落石影響的問題，本文明確了被動防護網落石監測系統的功能需求，研發了基于無線自組網測振儀的被動網落石監測系統，獲得結論如下：

（1）系統數據采集實時精準。無線自組網測振儀不僅能實時感知防護網振動，還具備邊緣計算功能，實時處理感知到的振動信號，降低了無線傳輸數據量，減輕了中心服務器數據處理壓力。

（2）系統數據傳輸穩定可靠。采用冗余多基站節點監聽無線自組網測振儀的數據，增強了系統冗余性，基于信號強度的多基站冗余節點管理選擇單信號質量最優基站進行三次握手應答機制，降低傳輸中無線節點數據同時傳輸產生的碰撞概率。

（3）超低功耗保障系統超長續航。采用充放電管理、降頻、低功耗深度休眠、振動觸發喚醒、RTC定時喚醒等策略，節約系統工作能耗，延長了電池續航時間（在無外部能量供給的情況下續航時間長達3年）。

綜上所述，本文提出的基于無線自組網測振儀的被動網落石監測系統特別適用于山區鐵路沿線崩塌落石災害監測，具有高效、穩定可靠、成本低廉等特點，可以多點同步實時監測，保障崩塌落石頻發地段的鐵路運營安全，具有很強的工程實用價值和廣闊的應用前景。

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作者簡介：楊學鋒（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為鐵路基礎設施智能化監測系統研發。

潘兆馬（1989—），男，碩士，高級工程師，主要研究領域為無線自組網數據傳輸。

楊 森（1992—），男，碩士，工程師，主要研究領域為物聯網數據采集與處理。

鄒文露（1990—），女，碩士，工程師，主要研究領域為物聯網數據存儲設計。

劉 勇（1988—），男，碩士，高級工程師，主要研究領域為鐵路地質災害預警與評估。

虞 凱（1982—），男，博士，正高級工程師，主要研究領域為鐵路通信與電磁兼容設計。