基于北斗的铁路构筑物安全监测系统及应用

文∣杨加斌 崔高峰 赵海 李英男 王家欢 刘冠君

1.大连航天北斗科技有限公司

2.中国铁路沈阳局集团有限公司科学技术研究所

一、引言

随着社会经济的发展和人民生活水平的日益提高，民众对运输的需求质量也不断提高，保证铁路运输绝对安全是首要任务。铁路沿线构筑物受列车重载、高速运行及天气环境的影响，边坡、路基经常发生滑坡、沉降[1]等地质灾害，严重影响铁路运行安全。因此对线路边坡、路基等构筑物运营状态进行全天候实时安全监测是维护铁路运行安全的重要内容。

目前铁路构筑物安全监测主要还是以人工巡检为主，人工巡检存在局部偏远地区人工巡检排查困难，监测信息不及时、不准确等相关问题。路基变形和边坡位移监测工作应体现信息化的特色，建立实时监测完善的数据库系统，形成具有信息查询、发布、数据处理和综合分析预警体系的信息化体系，并实现运营维护单位数据共享。

综上，基于北斗高精度定位技术，融合无线通信技术、数据库技术、GNSS通信等最新技术成果，结合丰富的施工经验中总结出的综合供电、综合避雷等辅助系统，研究一套具备报警功能的北斗铁路沿线构筑物安全监测系统，为铁路沿线构筑物防治工作质量、效率和管理水平的提高奠定基础，运用自动化的手段，结合专家系统和大数据，对结果进行预测和分析，以辅助决策。

二、方案概述

1.应用目标

基于北斗的铁路构筑物安全监测系统及应用，是一种精度高、实时性、具备报警功能的北斗铁路沿线构筑物安全监测系统，该系统采用北斗高精度定位技术、无线通信技术、数据库技术、GNSS通信技术结合手段等最新技术成果，对铁路沿线的路基变形[2]、边坡位移、接触网杆倾斜位移等进行全天候实时监测，通过对监测的数据进行分析与预测并设置相应的报警门限，实时对铁路沿线构筑物灾害监测进行预警，确保铁路运行安全的目的。

2.应用系统组成

北斗铁路沿线构筑物安全监测系统可以对铁路沿线的路基变形[3]、边坡位移、接触网杆倾斜位移等进行全天候实时监测，能够为维护铁路运行安全提供强有力的保障。

该系统包含铁路构筑物安全监测终端、多手段融合通信子系统、后台大数据处理中心[4]、铁路构筑物安全监测平台和用户应用中心。系统构架框图如图1所示。

图1 应用系统组成图

（1）铁路构筑物安全监测终端

该终端属于数据采集层，安全监测终端能够自主解算构筑物安全监测数据，分析构筑物位移的速度、加速度等值的变化，并与之前解算的基准值进行比对，综合解算构筑物位移的变化量，并通过数据通信网络实时发送到后台数据处理中心。

（2）多手段融合通信子系统

该系统属于数据传输层，数据传输模块将监测点采集的数据传输到监测平台软件上，并将系统各个部分连接为统一整体，该系统根据实际施工环境采用有线传输、3/4G、电台以及北斗一号传输等。

（3）后台数据处理平台

该平台属于数据层，后台数据处理平台将接收到的数据进行分析、存储，上位机显示实时监测数据值，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警。在该层建立系统安全体系，包含基础设施安全、通信网络安全、计算机环境安全、区域边界安全、虚拟化安全及容灾备份等。

（4）铁路构筑物安全监测平台

该平台属于应用层，建立监测平台包含数据管理、预警报警、参数设置、设备管理、基准点重置、用户管理等模块；接收后台数据处理中心数据，分析本地存储数据，界面实时显示各监测数据，为用户提供信息化、可视化服务。

（5）用户应用中心

该中心属于用户应用中心，包含指挥中心显控、PC显控端、手机端等应用层。

3.服务支撑应用平台

服务支撑应用平台是基于北斗的铁路构筑物安全监测系统软件的体系结构，通过各个应用系统部分的有机结合，达到基于北斗的铁路构筑物安全监测平台的整体效能，服务支撑应用平台如图2所示。

图2 服务支撑应用平台

平台以铁路路基变形数据、边坡位移数据、接触网杆倾斜监测数据以及雨量监测数据为基础，应用服务支撑平台为项目平台基础，完成基于北斗的铁路构筑物安全监测业务流程，平台通过数据管理服务分系统，完成铁路各构筑物监测业务之间的数据交互与服务。

三、系统应用

基于北斗的铁路构筑物安全监测系统在实际铁路现场进行安装并测试，主要对铁路路基沉降、边坡、接触网杆等构筑物以及铁路周边雨量进行监测及报警，其系统主界面如图3所示。

图3 系统主界面

1.雨量监测

雨量监测主要是雨水由盛水器收集，经过进水阀进入贮水室达到水位上升，进而雨量传感器能读取雨量数据。如果连续降雨，贮水室的水位继续上升到特定水位的时候，进水电动阀关闭、而后排水电动阀打开，开始放水；待放水完毕，排水电动阀关闭，同时进水电动阀打开，继续降雨计量。

系统实时监测铁路沿线周边降雨量信息，当雨量超过一定门限值时，铁路工务、电务、车辆段等相关部门会依据降雨量信息积极安排防洪应对工作，针对有强降雨的地区采取加强防洪值班、加强巡查力度、线路临时封锁等措施，降低汛期存在的安全风险，结合当前雨量的信息、施工信息及降雨天对设备正常运行的风险，制定具体的防洪措施，做到实时超前预警防范，发现问题及时安排处理，保障铁路行车安全。

2.路基变形沉降监测

铁路路基变形监测主要在铁路沿线布设北斗卫星接收监测站，监测站通过接收机接收卫星定位信号，依据相对定位原理进行差分定位，实时处理数据，并实时给出观测点的三维位置坐标，对一定时间内的三维位置坐标信息进行处理后作为观测点的初始位置，然后再与之后的定位结果比较计算出路基变形量，最后将实时的路基变形信息发送给上位机，上位机根据变形值的大小判断是否报警，实现对铁路路基变形的实时监控。

系统对铁路路基沉降监测精度能够达到实时厘米级测量和事后毫米级测量精度。当铁路线路某地区突然沉降，且沉降超过±5cm时，系统能够实时监测沉降数据，并将沉降结果上报平台及时预警；当铁路路基发生缓慢变化时，系统24小时输出一次监测结果，监测精度优于±5mm。

3.边坡位移监测

通过将北斗接收机天线安装在边坡位置，实时监测每个监测点的速度、加速度变化及位置变化来判断边坡位移变化[5]。基于北斗的铁路构筑物安全监测系统以天线第一次安放的位置所记录的坐标为初始坐标，初始坐标的数值均取为0，系统平均每隔30min对天线进行定位，取得数值减去初始坐标的数值作为该位置的垂直与水平位移。垂直位移数据为正值表示该位置发生沉降，水平位移y值为正值表示该位置向东偏移，水平位移x值为正值表示该位置向北偏移。

通过对铁路线路周边的边坡位移监测，依据监测点的水平位移数据和垂直位移数据，实时计算边坡斜面移动距离，当超过门限值时及时预警，预防边坡滑坡灾害对铁路线路的影响，保障行车安全。

4.接触网杆倾斜监测

在实际现场将北斗接收机天线安装在铁路接触网杆上，假设接触网杆初始状态不存在倾斜，此时的天线相位中心点为零点，当接触网杆发生倾斜[6]时，将载体平台坐标系与水平坐标系进行转换，可计算得到接触网杆倾斜的角度。

接触网杆倾斜监测设备的监测精度为0.01°，系统实时监测接触网杆的倾斜状态，当超过门限值时，可判断此处接触网杆存在倾斜倒塌的风险并预警，现场人员及时到现场排查问题与修复，保障铁路列车行车线路安全。

四、结束语

基于北斗的铁路构筑物安全监测系统能够全天候实时监测铁路沿线的路基变形、边坡位移、接触网杆倾斜位移以及铁路周边的雨量监测，替代传统的人工采集，根据铁路现场的地质等情况，科学合理的确定监测点的分布，现场设备安装位置均不侵入建筑限界，达到不影响列车正常通信，做到实时对铁路沿线构筑物的远程监控，极大提高铁路沿线构筑物安全防治工作的质量、效率和管理水平，为维护铁路运行安全提供强有力的保障。