重点铁路运营线自动化监测系统建设研究

郭志勇

（北京地铁建筑设施维护有限公司，北京 100080）

1 引言

随着社会经济的快速发展，铁路运输作为一种高效、安全、环保的交通方式，在城市化进程中发挥着重要作用。为确保铁路运营线的安全和稳定运行，自动化监测系统建设尤为关键，该系统可以获取实时、客观的监测数据，为重要铁路线管理和领导决策提供支撑。根据系统建设需求情况，专家学者研发了各类贴合实际的自动化监测系统，定制了相关功能模块。叶海涛[1]对高速公路的边坡建立了自动化变形监测系统，实时监测坡体形变情况，及时观测、预警高速路的安全运营；魏海明等[2]阐述了艰险山区铁路自动化监测系统的建立，系统由数据采集前端、数据传输设备、预警软件及管理终端组成，实现了采集与预警实时进行；王松等[3]研究自动化监测系统在路基监测中的应用，从监测内容选择、传感设备确定、系统设计、功能建立进行了介绍，为高速公路边坡自动化监测系统建立提供参考。刘光辉等[4]主要探究基于铁路段施工区自动化监测系统的构建内容，验证系统建设方案在类似监测项目中的适用性。但上述自动化监测系统功能单一，仅适用于变形监测预警相关应用，对于采用多维传感感知手段建立环境状况监测系统的研究较少。

本文旨在利用北斗导航定位、北斗短报文、4G/5G通信等技术，结合多维传感感知手段，实时获取重点铁路运营线的环境状况、轨道坡体位移变化、运营视频等实际动态和预警告警信息，研究探讨重点铁路运营线自动化监测系统的建设。

1 自动化监测系统设计

本文建立的自动化监测系统由传感器数据采集与监控平台、数据传输通讯模块、数据分析与软件发布构成，技术路线如图1 所示。

图1 自动化监测系统建设路线

传感器数据采集与监控平台能够将地表位移监测站及各种传感器获取的数据通过无线网关发送至原始数据接收服务器，支持数据采集、数据解算、数据处理、数据存储，以及表面位移监测、内部位移监测、视频监测、雨量监测、水位监测等功能，并提供实时的预警告警管理功能。

数据传输通讯模块基于采集的原始数据通过由无线信号搭建而成的数据传输子系统进行传输，可对部署在重点铁路运营线的前端感知设备回传数据进行统计分析。

数据分析与软件发布能够以直观的报表、图形等形式向用户展示。

2 监测点布设

为达到实时监测的数据传输、分析功能，须在监测区域布设地表监测点，进行位移形变监测。监测基准站应布设在监测区域外土质紧致、地质结构稳定的地方，选择能够反映铁路运营线稳定性变化的监测点位安装GNSS 监测设备，视频监控系统要分布在工作区域周围，能够全方位监控工作区。

（1）GNSS 基准值点位应选在稳定坚实的基岩、岩石、土层等能长期保存、满足观测条件的地点，并做好选点标记；选点时应避开多路径环境影响，避免靠近水面、树冠、高大建筑物、低洼潮湿等地点，应保证15°以上无遮挡[5,6]。

（2）GNSS 监测点选点应结合铁路运营线实际情况，宜在最大坡高、有排水管通过、地质条件变化较大的地段及铁路运行有异常反应处布置监测横剖面[7]，而监测点应布设在位置开阔、附近没有无线电发射装置的地方。

（3）内部位移监测网点可选择反映铁路稳定性变化的监测点位安装内部位移监测设备，具体位置在施工前参考区域地形图、相关地质勘察报告、施工设计文件和现场实际情况进行布设。

（4）视频监控点位设计选择在监视目标附近、不易受外界损伤的地方，不影响现场设备运行和工作人员正常活动。

3 自动化监测系统平台建立

以某重点铁路运营线区域自动化监测系统为例，以北斗高性能服务平台为支撑，重点完成重点铁路运营区域表面位移监测、运营监测等功能的设计，并在相关区域部署监测设备。

3.1 监测点位设计

在重点铁路运营区域布设GNSS 位移监测点8 个，在铁路运营区附近土质紧致、地质结构稳定的点位设置基准站2 个，其中基准站观测采用独立坐标系统；在运营区周边临近位置布设深部位移监测系统4 套（每套均由4 个监测设备组成）、视频监控系统1 套（由4 个摄像头构成），GNSS 监测站如图2 所示。

图2 GNSS监测站

3.2 视频监控设备建设

视频监控摄像机安装在监视目标附近、不易受外界损伤的地方，不影响现场设备、铁路运营和工作人员正常活动。摄像机镜头应从光源方向对准监视目标，避免受强光直射。摄像机采用75Ω-5 同轴视频电缆，云台控制箱与视频矩阵主机之间连线采用2 芯屏蔽通讯线缆（RVVP）或3 类双绞线。云台安装时按摄像监视范围决定云台旋转方位，旋转死角处在支、吊架和引线电缆一侧。电动云台重量大，考虑其转动惯性，支撑的支、吊架安装要牢固可靠，旋转时不能发生抖动现象。解码器安装在离摄像机不远的现场，安装不要明显。

3.3 传感器部署

为监测重点铁路的稳定性，自动化监测系统采用传感器采集重点铁路段水位、雨量、浸润线等相关数据，并进行监测、分析。

（1）水位监测

选择雷达水位计进行水位监测，雷达水位计是利用电磁波探测目标的电子设备，主要用来进行水利监测、污水处理和防洪预警等，主要测量原理是从雷达水位传感天线发射雷达脉冲，天线接收从水面反射回来的脉冲，并记录时间T，由于电磁波的传播速度C是个常数，从而得出到水面的距离D。

（2）雨量监测

利用降雨量遥测仪对降雨量实时遥测，并基于翻斗式雨量计工作原理，集成了无线实时监测装置。选择的降雨量遥测系统自动化程度高，无需人工干预；可随时随地获取降水量，及时性强；还可自动获取降水强度信息，自动保存降雨量资料。

（3）浸润线监测

地下水位监测仪是一款高精度、大量程、实时性强、数据远传的地下水位综合监测系统，由高精度水位、水温传感器组成，可实现地下水位、水温、高精度一站式测量。

3.4 功能实现

（1）登录模块

系统授权给登录用户，针对不同区域进行不同的配置，选择不同重点区域即进入监测区，监控目标区域及周边情况、各位移监测点状况。

（2）自动化监测模块

自动化监测模块与传感器连接，直接控制传感器端数据的采集，有开始、结束功能键；可根据需求设置传感器采集频率、采集点位，手动采集与自动采集可自由切换。

（3）预警报警模块

预警报警模块是自动化监测系统的重要功能之一，可提前预设预警临界值。采集的数值可自动计算和分析，当达到预警临界值时，自动化监测系统直接报警，并对形变值较大区域进行标注警示。预警报警模块启用后，发生符合条件的预警时会在监测平台桌面弹出预警窗口，并开始循环播放预设的预警音频，直到用户主动关闭预警窗口。

（4）数据库管理

自动化监测系统将监测点的数据与属性、视频数据统一存储，建立数据库，包括监测站点查询、站点属性查询、历史监测数据查询、实时数据查询、预警值设置等功能。监测站点数据查询主要将位移监测站点各传感器的数据调出，查看点位数据和属性数据，并制作监测二维分析图；预警报警查询能定向输入时间段内各个站点的不同监测对象，实现数据查询、报表导出功能。

3.5 监测点精度分析

根据监测站点采集的数据，利用自动化监测系统进行GNSS 位移平差解算，同步环、异步环均解算合格，且基线处理均能固定，再进行二维约束平差求解，单位权中误差为0.095mm，点位中误差最大值为0.31mm。选取GNSS 监测站点采集的位移数据，与人工实测的位移数据进行对比，分析沉降曲线。以监测站点2 与监测站点5 为例，选取2021 年自动化监测数据与人工测量数据进行形变精度分析，形变量变化曲线如图3 和图4 所示。

图3 监测站点2与人工测量精度对比

图4 监测站点5与人工测量精度对比

由图可知，将GNSS 自动化2 号和5 号监测站点采集数据与人工测量数据对比，正值表示正偏移即凸起，负值表示负偏移即下沉，整体沉降变化趋势相同，且监测数值相差较小，其中监测站点2 与人工测量相差最大值为3.1mm，监测站点5 与人工测量相差最大值为4.7mm。人工测量数值普遍要比监测站点采集的数值小。

为进一步验证GNSS监测位移精度，采用徕卡0.5″全自动机器人对布置点位基线进行实测，同解算基线进行比较[8,9]，具体测量位移对比统计如表1 所示。

表1 监测位移精度统计

由表1 可知，抽取8 个站点相邻位移量，与全自动测量机器人实测数据进行对比，GNSS 位移监测值与实测值相比误差较小，在两者较差限差内，铁路运营线坡体整体比较稳定，满足安全运营要求。根据传统监测实施方案，自动化监测系统运用了8 台设备，全天候无人操作作业，大大提高了工作效率。

4 结论

本文阐述了重点铁路运营线自动化监测系统的建设和应用，通过构建数据采集端、通讯传输端、终端数据处理分析、系统平台，完成位移监测与视频监控的智能化、信息化管理，并得出以下结论：

（1）在重点铁路运营区域建立自动化监测系统，实时获取监测数据，不仅提高了管理和监测效率，还保障了数据的客观性，为铁路安全运营提供真实的数据支撑；

（2）自动化监测系统定制登录、实时查询、预警报警、报表导出等多种功能，便于管理与决策；

（3）自动化监测系统利用GNSS 位移监测，经过精度分析，位移监测精度满足监测要求，符合行业标准。

综上所述，基于重点铁路运营区自动化监测系统的建立，提高了监测与管理效率，符合监测标准，为业内相关自动化监测案例提供了借鉴，但是对自动化监测系统提高预警报警的精度还需进一步研究。