线路障碍自动监测报警系统及其应用

张景利

（中国铁路北京局集团有限公司 北京科学技术研究所，北京 100036）

0 引言

由于铁路线路横跨地域广泛，沿线环境复杂，在正常运行和维护方面具有更多的特殊性，因山体滑坡、泥石流、雪崩、洪水等所导致的路基塌陷、公跨铁立交桥落物等异物侵限危及运输安全的情况也时有发生。以往的安全保障措施很难适应现代铁路运输安全的要求，因此如何完善铁路运输安全保障系统，预防并最大程度地减少行车事故，是铁路现代化建设的一项根本工作。

为确保铁路行车安全，研发了线路障碍自动监测报警系统，该系统能够在各种气象条件下对线路及周边范围进行无人值守，自动发现侵入铁路机车车辆限界内的障碍物，并能对过往列车提供预警；安全监控人员能够通过该系统，在发现异常情况并可能危及列车行驶安全时，向相关部门发送信号，既可避免铁路行车事故的发生，又减轻了值守人员的工作强度[1-3]。

1 总体技术方案

山区铁路线路周边地形地貌复杂多变，根据既有探测技术的优劣，并结合山区线路地形调研数据，决定采用先进的激光传感技术实现山区重点区段入侵异物的探测与识别，以此为核心搭建系统的整体架构并制定总体技术方案。对山区铁路线路周边环境状况、工务部门对各重点区段监控的工作流程、出现险情情况下行车控制与恢复行车的流程等方面进行充分调研，在制定系统总体技术方案时重点考虑以下问题：

（1）全天候实时监测。线路障碍监测设备属于安全设备范畴，因此该系统应具备全天候无人值守功能，且支持全天候实时监测[4]。

（2）监测方式采用激光识别的非接触式。该技术具有数据获取速度快、实时性强、精度高等特点，可提高系统的准确性和稳定性。激光本身抗干扰性强，可适应复杂的山区环境，且激光穿透性强，覆盖范围广[5]，降低了安装位置的条件限制，无论从施工方面还是经济效益方面，具有得天独厚的优势，能最大程度地满足系统技术要求。

（3）自动报警。铁路沿线若发生山体落石侵限，会对过往列车造成巨大危害。该系统能在监测到线路障碍后第一时间通知附近列车及邻近车站，将危害减至最小。

（4）系统采用集成化设计。在生产成本方面，集成化组装过程简单，生产效率可大幅提升并提高设备可靠性；在设备维护方面，集成化可简化设备维护工作。

（5）现场视频实时监控。该系统设置视频采集及存储装置，通过现场设置的摄像头等设备实时采集现场图像，既有利于将现场报警情况及时通知相关人员，也有利于线路发生障碍后的指挥抢险，视频存储设备则用于追溯分析。

（6）自有服务器提供技术保障。通过设置远程服务器实现系统监测数据的统计分析，为系统不断升级提供保障。

（7）不间断电源（UPS）供电方案，保证系统能够24 h稳定、连续工作。

系统具体工作流程如下：设置在线路一侧的激光扫描器发射激光束脉冲，以二维极坐标的形式在钢轨轨面上方构成警戒栅网，覆盖相关限界范围，当限界范围内出现异物时，激光束被异物表面遮挡反射，激光扫描器内的光电二极管检测并接收到反射回波[6]。这一连续的过程经过精密计算，可确定该异物的距离和运动方向等位置信息，根据异物在激光扫描器扫描平面的极坐标值和时间数据计算侵限异物的形态（包括投影尺寸、运动状态等）[7]。根据中国铁路总公司发布的《线路障碍自动监测报警系统暂行技术条件》规定，如果判断异物为投影尺寸大于200 mm的危险障碍物，输出报警上传至主控模块，驱动系统内摄像头转向危险障碍物所在的扫描器防区，并向远程服务器上传现场视频图像，危险障碍物静止达到设置时间M后，扬声器发出高音报警；若危险障碍物静止达到设置时间M+N后仍未消除，则触发电台报警和红灯报警，并通知附近的列车，触发短信报警通知危险区间的相关工作人员。调度员可从监控系统终端获知现场报警，并通过视频监控系统查看现场图像。系统基本结构见图1，报警流程见图2。

图1 系统基本结构

图2 系统报警流程

2 系统组成及功能

系统主要由激光扫描模块、主控模块、通信及输入输出模块、报警模块、视频采集模块、供电模块及远程服务器7部分组成。

2.1 激光扫描模块

模块采用的激光扫描器利用多次回波技术，通过以太网实时准确地输出测量数据。激光扫描器安装在轨道的一侧，对线路及周边一定范围内进行实时监测，将防区内的扫描数据上传至主控模块。激光扫描器参数见表1。

表1 激光扫描器参数

系统可规范激光扫描器上传的报文，通过规范报文格式，提升激光扫描器硬件与软件的兼容性，主控模块可分析激光扫描器的报文数据。系统对障碍物的识别算法在激光扫描器端进行处理，将处理结果上传至主控模块并触发相应报警。报文信息分为报警报文、状态报文、数据报文3类。

（1）报警报文。激光扫描器根据防区内物体的投影尺寸、位置、运动速度等信息，判断是否为障碍物，若为障碍物上传报警报文。

（2）状态报文。激光扫描器自身的温度、蒙尘、心跳、扫描频率、网络配置等基本信息上传到主控模块。

（3）数据报文。激光扫描器扫描到的防区信息上传并储存到主控模块，备日后追溯分析使用。

2.2 主控模块

主控模块包括工控机、视频处理录像模块、数据存储模块和环境控制模块4部分。

（1）工控机。负责对现场数据进行分析和处理，并及时触发各级报警。

（2）视频处理录像模块。主要功能是通过网络接收系统内部云台摄像头设备传输的数字视频码流，并进行存储、管理，从而体现网络化带来的分布式架构优势。

（3）数据存储模块。主要承担系统运行日志、各激光扫描器实时数据及实时视频等数据存储任务，便于日后追溯及系统升级。

（4）环境控制模块。具有温度控制、防雷和灭火等功能。

2.3 通信及输入输出模块

通信及输入输出模块包括输入输出模块、系统状态监测模块、数据显示模块、交换机和继电器组等。

（1）输入输出模块。接收远程控制等开关量信息并上传至主控模块；主控模块控制输入输出模块各路开关量报警信息，包含扬声器报警、红灯报警及电台报警。输入输出模块具有以下特点：开放式通信协议；占用空间小，适合系统模块化设计；防雷、防浪涌设计，并增设输入隔离，能对模块加以保护。

（2）系统状态监测模块。监测系统内每个重要模块之间通信及工作状态，一旦现场设备出现故障，可通过分析系统状态监测模块相关信息定位出现故障的模块，能够快速解决问题，使系统恢复使用，大大缩短了系统的维护时间，提高了系统的使用效率。

（3）交换机和继电器组。接收输入输出模块的输出，控制电路的通断，从而控制系统其他模块动作。

2.4 报警模块

当监控区间出现物体且主控模块判断为障碍物时，现场分别触发扬声器报警、电台报警和红灯报警。

（1）扬声器报警模块。激光扫描器监测到防区有投影尺寸大于200 mm（可设置）的危险障碍物，并且在防区内静止时间M后，系统触发扬声器报警，对障碍物以示警告。

（2）电台报警模块。若障碍物静止时间达M+N后，触发电台报警，向区间内的机车电台和车站电台发出电台语音警告。

（3）红灯报警模块。若障碍物静止时间达M+N后，触发红灯报警，红灯报警模块安装在监控防区外15 m（可设置）处，向附近正驶入报警区间的列车发出信号灯报警。

2.5 视频采集模块

视频采集模块采用可高速云台控制的摄像头，当某个防区发现疑似障碍物时，视频处理录像模块控制摄像头触发相应预置位，自动定位到报警的激光扫描子模块位置，确保第一时间获得报警现场画面，该图像用于系统内部统计分析。

2.6 供电模块

系统供电模块为系统正常运行提供稳定电源，由交流（AC）供电单元和直流（DC）供电单元组成。

（1）AC供电单元。系统由外部提供220 V AC电源并接入UPS，实现系统的稳定供电。当外部220 V AC电源发生故障时，系统由UPS的蓄电池供电，UPS可为系统供电运行至少4 h。

（2）DC供电单元。DC供电单元提供直流电源，其中设备机柜内电气设备的供电均由24 V电源提供。

2.7 远程服务器

远程服务器包括数据服务器和视频服务器，设置于远程监控室，通过互联网与现场设备通信，负责记录和查看现场设备的报警信息及视频信息，以便于后期系统升级。

3 试点应用

线路障碍自动监测报警系统主要用于易发生落石、泥石流等地质灾害地段的安全监测，目前已在京原线K39及K43沿线安装3处进行试点，此段线路位于山区，距山体不超过5 m，且山体陡峭，汛期易发生险情。

该系统自2017年7月开始安装试用，累计运行485 d，共产生报警21起。监控人员通过人工分析手段，将报警时系统记录的激光扫描器数据还原为障碍物运动轨迹（见图3）。分析轨迹提取的运动特征，结合视频系统复核，准确找出21起系统报警的原因（见表2）。障碍物图像见图4—图6。

以上21起报警均因外物侵限所致，符合中国铁路总公司发布的《线路障碍自动监测报警系统暂行技术条件》报警要求，且试运行期间未发生误报漏报事件。试点应用达到了预期效果，且系统运行稳定，表明该系统可有效监测铁路沿线限界安全，发现侵入限界且满足报警要求的障碍物后可及时控车，为线路安全监测提供了可靠的技术手段。

图3 激光扫描器数据还原的障碍物运动轨迹

表2 系统报警数据 起

图4 树枝侵限

图6 人员侵限