基于LoRa的無線互聯技術在偏遠山區鐵路沿線某地災監測點的應用

中圖分類號：TP271 文獻標志碼：A

0 引言

為防止沿線兩側隱患點危及高鐵運營安全，包含交通運輸部在內的七部門聯合制定了《高速鐵路安全防護管理辦法》（以下簡稱《辦法》）。《辦法》要求相關部門對鐵路 500m 范圍內有可能危害高速鐵路安全運行的行為進行相應約束[1]。因此，在重要的鐵路沿線的邊坡災害隱患點安排相應的管理所和巡檢人員，每年定期開展相應的通訊錄核實更新和巡檢工作。在汛期強降雨期間，巡檢人員現場巡查后往往將巡檢信息發布到QQ群、微信群。對于重點地區、重點邊坡隱患點，管理或巡檢人員則采取電話通知。這種預警預報傳送手段簡單且容易出現紕漏、不及時等問題。而常用的監測方法多為肉眼觀察。因山體較高、樹木叢生等因素，無法做到面面俱到。若巡檢人員不按時現場查看，則主管部門不能及時掌握和上報隱患變化情況，進而無法正確進行應急響應和處置。

現階段，鐵路沿線的地質災害監測系統通常采用“物聯網技術 + 云計算”技術，該技術主要由感知采集層、網絡層、應用分析層和信息輸出與控制層4層組成。系統依靠相對成熟的硬件設備取得良好的“預警 + 聯動”效果，成功預警了多起地質災害的發生。但具體到各個隱患點的解決方案難以充分考慮設備分辨率、量程、精度及成本等問題，加之偏遠山區信號覆蓋較差，2G/4G/5G等公網通信網絡信號隨著山區海拔高度的增高而降低。監測設備采集的數據傳輸就經常會出現間斷性失聯。因此，技術人員需要去現場手動重啟設備，上述種種因素給項目后期管理及運維帶來極大的挑戰。

目前，無線數據傳輸采用無線數傳網絡（ZigBeeWirelessSensorNetworks，ZigBeeWSN）、無線網絡（WirelessFidelity，Wi-Fi）、藍牙等無線通信、通用分組無線業務（GeneralPacketRadioService，GPRS）或北斗衛星通信組網，從而建立了一套完整的監測預警平臺[2-3]。但偏僻山區樹叢生、信號較差，數據和監測畫面回傳會有一定的滯后性，數據通信的可靠性則大打折扣。梁苗等[4]將遠程無線電（Long-Range，LoRa）技術應用到國內公路西南山區復雜地貌下某高速邊坡變形應急工程全過程監測。研究發現LoRa具有長距離、低功耗、廣域覆蓋等特點。奏樂等[5]開發了一種基于4G技術的高精度工程結構無線振動測試系統節點，該節點可完成短、中遠及超遠距離的結構振動信號采集工作。須民健等提出的基于LoRa的長大隧道（群）數據傳輸技術可實現遠程服務器與現場傳感器之間的互聯互通，滿足設備遠距離通信、低功耗運行的要求。針對偏遠山區輸電線路狀態監測系統巡檢與維修難度較大的現狀，劉宇等[7]提出一種基于LoRa和GPRS的山區輸電線路長期在線監測方案。岑龍[8在煤礦原有線監控系統基礎上進行改造，將現場傳感器至瓦斯監控分站之間的有線傳輸通過ZigBee無線傳輸網絡進行替換，具備網絡容量大、組網擴展靈活等優點，使得系統無線通信能力較強、丟包率較低，數據傳輸通信及報警功能運行良好。吳藝豪等[9研究發現LoRa數傳系統在泥石流監測區域的山地密林環境下信號覆蓋范圍良好，節點功耗低，能夠有效解決復雜山區地質災害監測數據的傳輸問題。

文章設計了一種基于LoRa遠距離傳輸的傳輸方式，將多種類型的監測傳感器互聯，集中進行傳輸。該技術應用到地質災害監測系統中并輔助機器視覺，對整個鐵路沿線地災隱患區域的山體進行了有效監控，解決了傳統單點獨立通信的監測節點所面臨的運行成本高、信號覆蓋不穩定、工作電流大等問題。實際項目測試了LoRa在數據回傳中的適應性及可行性。

1技術互聯技術

低功耗廣域網（Low-PowerWide Area Network，LPWAN）是一種新興的物聯網通信技術，是移動蜂窩技術與無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork，WSN）的互補。與WSN相比，LPWAN技術的工作壽命更長（達10年），通信距離更大（達 10km [10]，因此，被認為是5G物聯網時代的主流通信技術。窄帶物聯網（NarrowbandInternetofThings，NB-IoT）和LoRa是LPWAN的2種典型技術。而LoRa技術是一種用于LPWAN通信的無線通信技術，是一種源線性調頻擴頻調制技術，具有長距離通信且低功耗的優勢，文章利用移動蜂窩網絡架構，采用GPRS和LoRa相結合的信息監控方式，拉大了地質災害監測預警系統的傳輸距離，降低了監測系統的運行成本。

2 項目應用

2.1情況簡介

項目位于省陵水縣某鎮，環島鐵路及高速公路均從泥石流溝堆積區外緣通過。山頂高程近900m ，滑坡頂部高程為 810m ，山前泥石流堆積區后緣高程為 150m ，鐵路及公路所在的堆積區前緣高程為 10～30m 。東南側槽狀溝谷呈“V”型展布，總體走向 N36^°W ，溝谷平均寬度為 150m ，兩岸斜坡基本對稱，平均坡度39°，最大坡度達 70[1]

2.2設備安裝

項目選取的設備如表1所示，現監測站點采用視頻聯動復核技術即融合視頻感知及GNSS技術。微云臺全向調節，遠程可視。其他單個傳感器諸如雨量、次聲、液位等設置支持網關數據上報。

表1監測站統計

2.3無線互聯設備

監測終端根據實際監測指標、距離和應用場地分為2個網關進行傳輸，在信號覆蓋較差的區域將每個傳感器與LoRa終端互聯。LoRa終端與網關進行局域網互聯。網關放置在4G信號較好的山腳，網關通過無線蜂窩通信方式將數據傳送到監測平臺。監測數據傳輸流程如圖1所示。

圖1監測數據傳輸流程

2.3.1LoRa終端到無線網關

傳感器LoRa終端分別為節點B、C等，網關A為主站，采用1對多的連接方式，將網關設置為主站，ID為0，透射地址為65535（廣播），節點B（從站）網絡號為123，ID為1，透射地址改為0，節點C（從站）網絡號為123，ID為2，透射地址改為0。其他節點依次類推。組網拓撲如圖2所示。

圖2組網拓撲

2.3.2無線網關到服務器

將無線網關接通電源，網線一段連接LAN口，一端連接PC網口。PC設置為自動獲取IP，登錄無線網關配置界面，點擊LoRa應用界面進行如下配置：（1）“LoRaID”和“透射地址”根據終端設備進行相應配置；（2）“網絡號”“載波頻率”“空中速率”網絡端設備相同；（3）服務器類型為TCP透傳，服務器地址為PC的IP地址。

2.3.3 系統測試

參數配置好后，用串口工具進行通信，A發送數據，B、C均能收到；B、C發送數據，均只有A能收到。

3結果分析

2024全年的監測曲線如圖3—5所示，整體傳感器數據傳輸正常，未出現數據掉線和較大圖片情況。從圖可發現，在2024年6一10月份，位移數據明顯增大，這跟省臺風登陸具有關聯性。人工巡查發現山體表面出現大面積溝谷，地表雨水沖刷侵蝕嚴重。重點防范因強降雨引發的泥石流、山體滑坡等次生災害。

圖3次聲（CS1）監測曲線

圖4地表位移（WY1）監測曲線

圖5地表位移（WY3）監測曲線

4結語

野外地質災害監測系統的通信受阻和供電不穩問題是長期阻礙在偏遠山區地質災害隱患點在數字化、智能化方向發展的重要因素。本文通過對LoRa低功耗技術的研究，提出了適應于山區現場的通信組網方案，實現了數據無線傳輸和系統低功耗運行。筆者通過部署多臺LoRa終端連接共有網關，將多種不同類型的傳感器采集監測數集體傳到遠程服務器滿足更遠距離環境下監測傳輸及偏遠山區對設備丟包率低、低功耗運行的要求。

參考文獻

[1]周明，王繼軍，榮正官，等.高速鐵路接觸網懸掛飄浮物預警監測方案研究[J].鐵道建筑技術，2023（11） ：25-28.

[2]鄔凱，盛謙，張勇慧，等.山區公路路基邊坡地質災害遠程監測預警系統開發及應用[J].巖土力學，2010（11） ：3683-3687.

[3]張國柱，童立元，劉松玉，等.基于無線傳感網絡的隧道健康監測系統[J].地下空間與工程學報，2013（增刊2）：2006-2010.

[4]梁苗，鄔凱，邵江，等.LoRa技術在公路邊坡監測中的應用研究[J].地下空間與工程學報，2020（16）：1011-1029.

[5]奏樂，余沛.基于4G技術的工程結構無線振動測試系統節點設計[J].太原學院學報（自然科學版），2025（1） ：38-46.

[6]須民健，凌睿，郭鴻雁，等.基于LoRa的長大隧道（群）數據傳輸技術研究與開發[J].現代隧道技術，2024（4） ：135-141.

[7]劉宇，胡上茂，劉剛，等.基于LoRa和GPRS的山區輸電線路監測信號無線傳輸方案[J].高壓電學，2023（2） ：177-183.

[8]岑龍.煤礦井下瓦斯無線監控系統關鍵技術研究[J].煤礦現代化，2025（1）：7-11.

[9]吳藝豪，王洪輝，孟令宇，等.面向山區地質災害監測的LoRa數傳系統研制[J].中國測試，2021（10）：137-142.

[10]陳永波，湯奕，艾鑫偉，等.基于LPWAN技術的能源電力物聯專網[J].電信科學，2017（5）：448.［11]鄧志鵬.基于機器視覺的鐵路邊坡狀態監測系統研究［D].北京：中國鐵道科學研究院，2024.

（編輯 王永超）

Application of LoRa-based wireless interconnection technology in a certain geological disaster monitoring point along the railway in remote mountainous area

PENG Xuexian’，ZHAO Dingfa 2，YU Shuming3，XIE Huagu3，YANG Jiafan3，WANG Jinwei3 （1.Hunan Yuanluda Technology Co.，Ltd.，Changsha 4100l2，China；2.Hunan Road and Bridge Construction Group Co.，Ltd.， Changsha 41Oo04， China; 3. Haikou Comprehensive Maintenance Section，Hainan Railway Co.，Ltd.，Guangzhou Railway Group Corporation，Haikou 51O4O7，China）

Abstract：Inresponse tothe complex terrainand extensive signal blindspots at geological hazard monitoring sites in remote mountainous areas，which often lead to issues such as disconnections and dropped signals during remote monitoring，this paper proposes a long-range data transmision method based on LoRa.By deploying multiple LoRa terminals connectedto acommon gateway，various typesof sensor-collcted monitoring dataarecollectivelytransmitted to aremote server.Results showthat the LoRa transmision system has thecharacteristics of good signal coverage，low node power consumptionand low packet los rate in the mountainous and dense forest environmentof geological disaster monitoring area.Research results of this paper can provide a new feasible scheme for monitoring data transmission in complex mountain environment.

Key words：remote mountainous areas;；geological disasters；LoRa; data transmision; server;monitoring system