运营线滑坡体综合检测体系研究

周丹 阙卫东 师文斌

摘 要：兰渝线兰广段处于青藏高原东北缘复杂特殊的地质构造环境，为了避免地质灾害引起铁路行车事故，建立有效的运营线滑坡体综合检测体系，采用无人机对地质灾害频发的山体进行多次航拍，建立三维建模模型，获取地质灾害山体大面积变形数据。采用三维激光雷达扫描技术，对接近铁路线山体三维扫描建模，建立毫米级山体点云数据，通过多次测量对比，掌握山体变形趋势。采用线路雷达测量及三维激光雷达扫描技术，研制的运营线滑坡体综合检测系统基本解决了铁路沿线异物入侵、山体大面积崩塌、落石的自动监测和预警的问题，实现了将最新倾斜摄影技术、三维激光扫描及雷达测量技术应用于既有铁路线运营监测，相对于传统铁路监测手段具有监测手段的创新性。

关键词：无人机航拍;三维激光扫描;铁路沿线异物入侵监测

中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0100-02

兰渝铁路兰州至广元段处于青藏高原东北缘复杂特殊的地质构造环境，尤其是强烈的挤压构造作用。地质构造十分复杂，属高-极高地应力状态。受多期强烈变形和极低级变质作用改造以及构造、断层、高地应力、地下水等多种因素的影响，施工中出现了软岩大变形、硬岩脆性块状坍塌和流砂等一系列特殊复杂地质问题。

兰渝铁路范家坪隧道进口山体在2012年-2015年间多次出现表层滑移，目前已采取的工程措施有抗滑桩和锚索框架梁;枫相院车站特大桥在2012年-2015年间多次出现表层滑移，在线路上行侧方向设置了3排72棵抗滑桩。目前，国内外高校、企业均对铁路滑坡灾害作为重要研究课题，但采用传统的监测手段技术。已不能满足铁路安全运营要求。

1 航拍无人机在铁路运营线路监测中的作用

兰渝线、兰广段处于青藏高原东北缘复杂特殊的地质构造环境，尤其是强烈的挤压构造作用。地质构造十分复杂，属高-极高地应力状态。受多期强烈变形和极低级变质作用改造以及构造、断层、高地应力、地下水等多种因素的影响，施工中出现了软岩大变形、硬岩脆性块状坍塌和流砂等一系列特殊复杂地质问题。针对兰渝线铁路地质的复杂性和特殊性，结合现场情况，对涉及软岩大变形、硬岩脆性块状坍塌和流砂的12座隧道进行隧道结构安全性监测显得极为紧迫。通过无人机测控快速建模，可对监测点微小位移进行实时监控量测，同时根据被测目标特征预测监测点将发生的变化情况，并在情况紧急时进行报警提醒。

采用航拍无人机倾斜摄影技术，实现了对铁路线路地质灾害严重的山体、隧道口进行三维建模，建立线路山体点云数据，通过多次航拍对比，实现对山体大面积变形数据获取，通过对多次航拍所得的三维模型数据的对比分析，实现了对铁路运营线路地质灾害频发的铁路沿线滑坡体的地质变化的全方位监测。

2 雷达扫描技术在铁路运营地质灾害调查中的作用

研究通过三维激光雷达扫描技术，对接近铁路线山体三维扫描建模，建立毫米级山体点云数据，通过多次测量对比，掌握山体变形趋势。

众所周知，地质灾害调查尤其是铁路运营线路滑坡体、危岩体的调查在传统铁路沿线地质工作中是存在一定困难的，特别是对于那些铁路运营线路滑坡體、边坡高陡情况下。由于滑坡体、边坡高陡造成调查人员难以企及，软岩大变形、硬岩脆性块状坍塌和流砂、高位岩体随时可能崩落、失稳，给调查工作带来人身安全问题，由于人员的地质调查造成滑坡体崩塌、落石掩埋铁路运营线路，造成的铁路运营线路中断，危及铁路运营安全等问题，所以不能采用传统的地质灾害调查方法，并且传统的测绘技术方法难以实施且精度较低。

结合三维激光扫描技术的独特技术优势，将其应用于铁路运营线路滑坡体地质灾害具体调查工作中，是传统调查方法的有益补充，在某些情况下可以获取传统方法难以得到的数据结果。

3 线路雷达入侵监测技术研究

随着我国铁路建设的快速发展，列车运行速度不断提高，铁路沿线突发落石、泥石流、山体滑坡、行人、动物等异物侵入铁路限界，频频引发严重铁路交通事故，严重威胁到人民生命财产安全和铁路线路的安全运营。传统的轨道检测主要采用人力，通过专业巡路人员来达到轨道检测的效果。但人工的方式太过于浪费人力和财力，且对于紧急事故的反应不够迅速。目前基于防护网探测电缆传感技术的解决方案、基于智能图像分析技术的解决方案以及基于应力光纤光栅技术的解决方案等均存在误报、漏报多，施工维护不方便等问题。基于三维激光扫描雷达和智能分析识别算法的“运营线滑坡体综合检测系统”，能在各种天气和气候条件下，对各种铁路运行线路限界上可能威胁到列车正常行驶的落石、泥石流、山体滑坡、行人、动物等各类异物进行快速、准确地判断，并对报警障碍物进行定位和图像记录，同时通过远程网络及无线列调等设备向监控中心和列车司机上报报警信息，提示相关人员及时采取措施防止事故的发生。系统扫描雷达安装于运营线路的两侧，通过7天24小时不间断扫描和分析，实时检测障碍物入侵行为。系统主要有以下特点：第一，采用非接触式监测，不影响铁路正常运行;第二，利用雷达和图像相结合的方式，获取运行线路障碍物入侵的全面现场信息;第三，远程无线传输和本地无线传输集合，及时向监控中心和本地司机传递报警信息，提示相关人员采取应急措施。

3.1 系统功能架构

运营线滑坡体综合检测体系功能架构如图1所示。

3.2 实现报警系统与视频监控系统的联动

实现报警系统与视频监控系统的融合，报警信息与视频监控画面的联动功能，报警发生时自动切换到对应的报警现场画面，并对报警信息进行处理操作。

3.3 实现对三维雷达扫描设备的接入

系统需实现对三维雷达扫描设备的平台接入，通过软件平台管理三维雷达扫描设备。三维雷达扫描设备实现对障碍物、行人、泥石流等异物入侵的判断，并及时向报警中心报警。

3.4 实现用户权限管理功能

实现对不同用户权限用户的管理，将用户对应到不同的站段，实现不同用户对不同站段的分开管理。

3.5 优化用户操作界面

实现用户操作界面的优化，让用户在使用过程中有更好的体验，方便用户操作。

3.6 安装试用

通过对线路雷达测量技术及三维激光雷达扫描技术的研究，研制了“运营线滑坡体综合检测系统”对范家坪隧道进口进行了“运营线滑坡体综合检测系统”的安装及测试，目前进入测试运行阶段，如图2所示。

4 结语

通过对通过航拍无人机倾斜摄影技术的研究，实现了对铁路线路山体进行三维建模，建立线路山体点云数据，通过多少航拍对比，实现对山体大面积变形数据获取。通过对三维激光雷达扫描技术，实现了对接近铁路线山体三维扫描建模，建立毫米级山体点云数据，通过多次测量对比，掌握山体变形趋势。通过对线路雷达测量技术研究，实现了“基于三维模式的线路障碍自动报警监测系统”的研制，通过与合作伙伴进行不断的技术沟通和交流，基本实现了课题研究预期的目标。运营线滑坡体综合监测体系研究在目前是全新的系统，具有很大的推广价值，本次课题研发的“运营线滑坡体综合检测系统”基本解决了铁路沿线异物入侵、山体大面积崩塌、落石的自动监测和报警的问题，实现了将最新倾斜摄影技术、三维激光扫描及雷达测量技术应用于既有铁路线运营监测，相对于传统铁路监测手段具有监测手段的创新性。

本课题通过对课题研究内容及关键技术的研究，实现了本课题既定的课题目标，本课题研制的“运营线滑坡体综合检测系统”在陇南工务段长时间的试用和测试，根据客户的需求进行不断的改进，基本满足了用户的需求。