基于无线自组网测振仪的被动网落石监测系统

摘 要：山区铁路沿线崩塌落石灾害频发，及时、准确地发现崩塌落石事件并发出报警信息，对铁路运营安全具有重要的意义。通常在一些危岩落石高发地段会设置被动防护网拦截滚石，然而该方式并不能完全防止落石上道。为确保“落石不上道，上道不撞车”，迫切需要研发一套无人值守、全天候实时准确监测铁路沿线被动网落石监测系统。本文研发一种基于三轴MEMS无线自组网测振仪的被动网落石监测系统，通过前端感知振动并对振动信号进行边缘计算处理得到最大加速度值，并调用摄像头对发生振动的被动网预置点进行拍照，将最大加速度值和摄像头拍摄到的照片上传至服务器；最后由服务器及时推送报警信息，实现了铁路沿线被动网落石的自动化监测功能。工程实际应用表明，该系统能满足铁路边坡崩塌落石自动化监测的需求，该研究成果可应用于铁路、公路危岩落石自动化监测领域。

关键词：测振仪；振动监测；无线自组网；崩塌落石；边缘计算；报警推送

中图分类号：TP23；TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-00-05

0 引 言

我国是一个多山国家，尤其是西南地区山地面积约占40%。山区铁路沿线危岩崩塌落石是威胁铁路行车安全的一个主要因素[1]。据统计，老成昆铁路危岩落石近500处，崩塌100多处，沿线崩塌落石分布地段广、数量多。2007年11月20日宜万铁路高阳寨隧道洞口发生岩崩，造成31死

1伤的安全事故。2009年7月29日焦柳线1347次旅客列车运行到广西境内柳城县时突遇坍塌落石，导致列车脱轨，造成4名旅客死亡，71名旅客受伤，焦柳铁路中断行车。2016年6月27日渝怀铁路核桃园站因连续降雨发生山体崩塌，导致途经该段的14趟旅客列车运行受到影响，造成5 040名旅客出行受阻。2019年8月16日，成昆铁路凉红至埃岱站间，数万方的高位山体边坡发生崩塌，造成线路中断、17名工人失联[2]。2020年6月7日贵广线D1862次列车在怀集站至贺州站间被落石堵住，突然刹车导致脱轨，造成司机受伤。2020年8月2日，成昆铁路汉源至关村坝站区段发生岩体高位崩塌，出现落石上道，造成该区段封锁。此类事件不可胜数。国家铁路局于2020年发布的《高速铁路周界入侵报警系统技术规范》（征求意见稿）中明确提出监测系统应具备对多源前端探测设备发送的报警信息进行综合分析的能力。因此，及时、准确地发现崩塌落石事件并发出报警信息，对于铁路运营安全具有极其重要的作用[3-5]。

针对山区铁路落石频发的现象，国内学者对落石监测开展了大量研究。谭冬生等人[6]采用分布式光纤传感技术，将光纤敷设于被动防护网上，监测落石、崩塌的发生，通过各个光纤光栅振动传感器感受冲击信号的时间先后来判定防护栅栏受到冲击的位置。赵树学等人[7]采用红外激光三维精密测量技术，通过对铁路危岩落石监测区域进行非接触式连续扫描，能够快速、准确地发现落石目标，并具备对目标物的辨识能力。然而光纤布线困难且容易被损坏，红外激光容易受天气影响，且成本较高。

因此本文立足工程化需求，设计了一款基于MEMS集振动加速度采集、处理与无线自组网传输一体化的小型装

置[8]，本文称之为无线自组网测振仪，简称为测振仪，构建了可用于被动网落石振动的长期自动化监测系统，该系统能够在铁路沿线落石冲击被动网时实时监测被动网的振动情况，并输出报警信号通知维护人员及时查看，可避免崩塌落石上道威胁行车安全，确保“落石不上道，上道不撞车”的监测目标。该装置将加速度信号感知、处理与传输等功能进行集成设计，使整个监测系统更加小型化，更利于现场快速施工安装。

1 被动网落石监测系统架构设计

为满足被动网落石监测系统中对于振动加速度数据的采集、处理、传输、存储及应用展示的要求，系统架构分为信号感知及处理层、数据传输及控制层和数据存储及应用展示层（如图1所示），实现对被动网落石冲击的精准采集、有效处理、可靠传输、集中存储、报警信息及时推送与数据可视化展示等功能。

以无线自组网振动仪为感知探测前端，将无线自组网测振仪安装于被动防护网之上，当被动网受到落石冲击而产生振动时，安装其上的无线自组网测振仪就会随之振动立即产生振动报警信号，并联动对应区域的摄像头调用相应的预置点拍照，最后将无线自组网测振仪的最大加速度值以及摄像头拍摄到的对应照片立即上传至服务器，并由服务器将报警信息及时推送至用户监测终端。

2 数据采集与传输设计

2.1 系统硬件平台设计

无线自组网测振仪的信号采集终端采用的硬件平台核心MCU是基于Cortex-M4内核的超低功耗微控制器STM32L476，无线自组网测振仪还集成三轴MEMS加速度传感器、太阳能电池模块、电源模块、LoRa无线自组网模块等，具体组成原理框图如图2所示。

采用三轴MEMS加速度传感器ADXL345作为振动信号感知芯片来采集监测环境周围的加速度值。ADXL345适用范围广，可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度；其高分辨率（3.9 mg/LSB）能够测量不到1.0°的倾斜角度变化；还提供活动和非活动检测功能，通过比较任意轴上的加速度值与设置的阈值来判断有无振动发生。

太阳能电池模块中太阳能控制器的功耗直接影响系统整体功耗，通过改进现有太阳能控制器充放电策略来降低系统整体功耗。优化后的充放电策略通过电压传感器实时监测太阳能板的输出电压，该电压与锂电池组电压通过一个电压比较电路进行比较，控制太阳能控制器开关电路动作。优化后的充放电控制策略可以减少太阳能控制器在光照不足情况下的自身损耗，达到延长电池续航的目的。

无线自组网测振仪采用470 MHz LoRa无线自组网通信模块进行数据传输。该无线自组网通信模块基于美国 Semtech公司生产的全新一代超低功耗射频芯片，采用全新的无线自组网调制技术，其抗干扰性能强、通信距离远[9]。

2.2 嵌入式软件设计

无线自组网测振仪作为被动网振动监测系统的关键设备，主要解决山区铁路沿线落石冲击被动网时，通过实时感知振动，发出报警信息，同时能够在无市电能源补给条件下，长期稳定工作。基于MEMS的无线自组网测振仪集成加速度信号感知、加速度阈值可动态设置等功能，实现在无振动发生时深度休眠，在落石冲击后实时触发报警机制[10]，解决低功耗能源管理与实时振动信号感知之间的相互冲突。

如图3所示，无线自组网测振仪常处于待机休眠状态，具备两种唤醒机制：振动触发和定时触发。振动触发即在感受到外部振动并任一轴的加速度值超过设定的阈值时，MEMS加速度传感器ADXL345通过主动发送触发信号唤醒主控芯片进行数据采集、处理和传输。定时触发即定时时间达到时，主控芯片自动唤醒进行数据采集、处理和传输。具体的嵌入式软件工作流程如下：

（1）无线自组网测振仪待机休眠，等待外部振动触发或定时触发；

（2）外部振动触发或定时触发后，设备被唤醒；

（3）若是通过振动方式唤醒设备，则立即调用摄像头相应预置点拍照，同时采集一段时间各轴加速度值，边缘计算处理得到各轴最大加速度值，然后上传各轴最大加速度值和摄像头所拍摄的相应照片；

（4）若是通过定时唤醒，则定时采集一次各轴加速度值，然后上传加速度数据；

（5）服务器收到定时唤醒方式上传的监测数据后直接将该数据推送至客户端显示。服务器收到振动唤醒方式上传的报警信息后立即推送报警信息并在客户端显示。

无线自组网测振仪用于落石振动监测场景，在有落石冲击被动网时，设备才会被触发唤醒工作并联动摄像头拍照，同时及时发出报警信息，其余时间处于休眠状态，以降低设备功耗。

2.2.1 MCU低功耗控制

为延长无线自组网测振仪的使用时间，需对其MCU进行低功耗控制。在实际应用中，通常MCU在绝大部分时间都处于空闲状态，在空闲状态MCU可以进入深度睡眠模式，关闭绝大部分功能，从而大幅降低功耗。另外系统时钟频率对功耗的影响也非常大，合理控制系统时钟频率也可以较大幅度地降低系统功耗。通过采用低功耗控制技术，无线自组网测振仪内置10 Ah锂电池在无外部能量供给的情况下续航时间长达3年。

MCU在空闲状态下进入低功耗休眠模式是降低系统功耗的一种重要手段。应用中使用的操作系统采用基于时间片轮转的抢占式任务调度机制，当MCU在执行IDLE（空闲）任务时，使其进入低功耗休眠模式，并尽可能使系统更长时间停留在低功耗休眠模式中，在适当的条件下再通过定时中断或者外部振动触发事件唤醒MCU执行振动数据采集、处理与传输任务。

降低系统时钟频率也是降低功耗可以考虑的方面。时钟是系统中频率最高的信号，其功耗之高是不容置疑的。考虑应用需求，将系统设置为不同的工作模式，加入时钟控制模块，在不同的工作模式下选用不同频率的时钟。通过程序配置可以使系统在不同的工作模式下选用不同频率的时钟，在唤醒后的工作模式下使用高速晶振HIS（内部高速晶振16 MHz）作为时钟源以便系统迅速执行工作任务；在空闲时系统自动进入低功耗休眠模式时将系统时钟配置成低速时钟LSI（内部低速晶振37 kHz），从而较大地节省了系统在低功耗休眠模式下的功耗。

2.2.2 RTC定时唤醒数据采集

为便于确定无线自组网测振仪是否存活且正常工作，在无振动触发时定时唤醒设置每天两次（每次唤醒间隔12 h），周期性地进行数据采集、处理和传输，为满足功耗要求选择RTC定时唤醒进行数据采集。STM32L476系列MCU的RTC模块是一个独立的定时器。该模块拥有一组连续计数的计数器，在相应软件配置下，可提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设置系统当前的时间和日期。RTC还可以配置闹钟事件使MCU退出低功耗待机模式。本文采用实时时钟RTC定时器产生的中断将STM32L476从低功耗待机模式下周期性定时唤醒。

STM32L476的RTC外设，实质是一个掉电后还继续运行的定时器，具备计时和触发中断的功能，还具备掉电后继续运行的特性。在低功耗待机模式下RTC仍然处于工作状态，可编程自动装载计数器（WUTR寄存器）产生唤醒信号，使MCU退出睡眠和深度睡眠等低功耗模式，开始振动数据采集、处理和传输。数据传输完成后无线自组网测振仪自动进入低功耗待机休眠模式，等待下一次RTC定时唤醒或被动网振动触发唤醒。

2.2.3 基于信号强度的多基站冗余节点管理技术

为提高无线自组网测振仪的数据无线传输的稳定性，本文采用基于信号强度的多基站冗余节点管理技术，即通过多个基站实时监听各无线自组网测振仪发出的数据。LoRa无线自组织网络凭借其轻质、经济和易维护等优点，在监测领域得到了广泛应用。然而无线信号的传播会伴随着能量的衰减，包括路径损耗和穿透损耗，大大限制了LoRa无线自组网在结构健康监测中的应用。针对上述问题，本文提出了一种基于信号强度的多基站冗余节点管理技术，该技术主要内容如下：

（1）针对无线数据传输易受环境噪声干扰导致传输失败问题，采用三次重传握手方法，通过确认应答机制，提高无线数据传输可靠性。

（2）为提高系统冗余性，加大无线覆盖范围，采用多个基站节点布设。从节点发出的无线数据，能够同时被多台基站节点接收数据，确保数据不丢失。

（3）为降低传输过程中无线节点数据同时发送过程产生的碰撞概率，采用多基站监听，单信号质量最优基站进行三次握手应答机制。通过减少无线收发次数，降低无线传输可能存在的碰撞概率。

无线自组网测振仪设备节点依防护网的位置而布设，因此在连绵山脉陡峭的位置布设距离可能超过3 km，同时山峦起伏地形复杂、树木丛生使得无线信号传输易受遮挡。通过布设多台基站接收无线自组网测振仪发出的振动数据，不仅能解决无线长距离传输困难问题，同时在信号遮挡严重的重点区域通过加强布设基站解决信号遮挡难题，可进一步提高系统冗余性，确保系统数据无线传输的可靠性。

2.3 信号采集精度测试

为了测试无线自组网测振仪的采集精度，将无线自组网测振仪通过试验夹具固定于标准振动传感器校准系统的振动试验台上，X轴方向垂直地面。给振动台施加不同频率和振幅的正弦波信号（y=Acos（wt+ψ），其中A为标准振动台设定的振幅）。无线自组网测振仪的高速数据传输接口通过网线与工控机连接，测试数据实时存入工控机。

本次测试设定振动台频率为15 Hz，并按正弦规律振动，无线自组网测振仪与标准振动台一起振动。整个实验平台的原理框图如图4所示，振动控制器发出控制信号到功率放大器，在功率放大器的驱动下振动台按照振动控制器设定的参数振动。

通过振动控制器设置振动台的加速度振幅在0.2～1.5g范围内变化，振动频率固定为15 Hz，并按正弦规律振动，工控机收到的无线自组网测振仪采集的加速度信号见表1所列。从测试结果可以看出，无线自组网测振仪可准确测量出标准振动台的加速度频率和幅值。

2.4 报警信息推送

当落石冲击防护网时，MEMS加速度传感器感知到的最大振动加速度大于设定的阈值后立即唤醒无线自组网测振仪进行振动数据采集和边缘计算处理分析，同时立即联动视频摄像头调用相应预置点进行拍照，并将边缘计算处理得到的各轴最大加速度数据结果通过470 MHz LoRa无线自组网通信的方式传输至各监听基站，基站收到数据后立即将无线自组网测振仪的数据与摄像头拍摄到被动防护网振动发生位置处的图片转发给DTU和4G路由器，通过DTU和4G路由器上传至远程服务器；服务器收到数据后立即将含最大加速度值和现场摄像头拍摄到的对应位置防护网的照片以短信的方式推送至用户手机，同时在用户监测终端及时推送声光报警弹窗提醒用户查看报警信息。

3 系统应用

无线自组网测振仪由于具备对落石冲击防护网事件监测准确、安装方便、功耗超低、数据传输稳定可靠等优点，目前已被广泛应用于渝怀线、大瑞线、大临线等多条铁路干线多个隧道进出口边坡危岩落石监测项目。本文以无线自组网测振仪在渝怀线某隧道出口危岩落石自动化监测项目的实际应用为例进行阐述。

渝怀铁路某隧道出口仰坡山体高差210 m，边坡坡度80°，山体陡峻，基岩裸露，植被较少发育。段内岩层缓倾，陡倾卸荷裂隙发育，上部陡崖处节理裂隙多呈张开状，受层理、节理裂隙的相互切割，形成危岩体，部分危岩体已呈倒悬，危岩体将以倾倒、坠落方式下落，极易发生崩塌落石灾害，严重威胁行车安全。为了降低危岩落石崩塌上道的风险，确保列车运营安全，对渝怀线某隧道出口等重点区域开展危岩落石自动化监测，辅助相关部门进行列车安全运营管理。在该隧道出口处的被动防护网立柱上通过夹具安装无线自组网测振仪，对落石冲击防护网事件开展自动化监测，实现对落石撞击防护网事件与立柱变化情况的实时感知。无线自组网测振仪的布置平面图如图5所示，振动设备与视频联动形式如图6所示，无线自组网测振仪现场安装照片及实物如图7所示。

2022年3月16日12时15分无线自组网测振仪实时监测到一起落石冲击被动防护网事件，并及时推送报警信息。报警信息截图如图8（a）所示，现场人员确认照片如图8（b）所示。

经相关人员现场排查发现，有近5 m3落石撞击被动防护网，导致防护网发生严重变形。由于无线自组网测振仪及时报警，相关人员及时清理落石和修理防护网，未危及行车安全。

4 结 语

针对山区铁路运营安全极易受崩塌落石影响的问题，本文明确了被动防护网落石监测系统的功能需求，研发了基于无线自组网测振仪的被动网落石监测系统，获得结论如下：

（1）系统数据采集实时精准。无线自组网测振仪不仅能实时感知防护网振动，还具备边缘计算功能，实时处理感知到的振动信号，降低了无线传输数据量，减轻了中心服务器数据处理压力。

（2）系统数据传输稳定可靠。采用冗余多基站节点监听无线自组网测振仪的数据，增强了系统冗余性，基于信号强度的多基站冗余节点管理选择单信号质量最优基站进行三次握手应答机制，降低传输中无线节点数据同时传输产生的碰撞概率。

（3）超低功耗保障系统超长续航。采用充放电管理、降频、低功耗深度休眠、振动触发唤醒、RTC定时唤醒等策略，节约系统工作能耗，延长了电池续航时间（在无外部能量供给的情况下续航时间长达3年）。

综上所述，本文提出的基于无线自组网测振仪的被动网落石监测系统特别适用于山区铁路沿线崩塌落石灾害监测，具有高效、稳定可靠、成本低廉等特点，可以多点同步实时监测，保障崩塌落石频发地段的铁路运营安全，具有很强的工程实用价值和广阔的应用前景。

参考文献

[1]胡厚田.崩塌落石研究[J].铁道工程学报，2005，22（S1）：387-391.

[2]刘勇，王珣，高柏松，等.铁路重大突发地质灾害应急监测技术研究[J].铁道标准设计，2022，66（1）：26-32.

[3]夏洪峰.宜万铁路危岩落石监测预警系统[J].交通信息与安全，2013，31（2）：119-121.

[4]马珺杰，杨艾琳. 基于数据融合的铁路沿线落石监测及预警系统设计[J]. 电子制作， 2021，28（14）：3.

[5]孙凤婷，周君晓，刘勇，等.高速公路沿线智能落石监测与预警系统[J].中国新技术新产品，2021，29（10）：146-148.

[6]谭冬生，洪政，陈宇飞，等.基于FPSS技术的被动网落石报警系统研究[J].铁道工程学报，2014，31（12）：37-40.

[7]赵树学.客运专线、高速铁路异物侵限监测方案优化[J].铁路通信信号工程技术，2010，32（5）：25-28.

[8]潘兆马，王珣，袁焦，等. MEMS加速度传感器的工程振动监测系统设计[J].传感器与微系统，2021，40（4）：86-89.

[9]王珣，潘兆马，袁焦，等.无线智能化铁路基础设施数据采集系统的研究与应用[J].传感技术学报，2018，31（10）：1604-1612.

[10] FENG L，INTRIERI E，PAZZI V，et al. A framework for temporal and spatial rockfall early warning using micro-seismic monitoring [J]. Landsliders，2021，18（3）：1059-1070.

作者简介：杨学锋（1990—），男，硕士，工程师，研究方向为铁路基础设施智能化监测系统研发。

潘兆马（1989—），男，硕士，高级工程师，主要研究领域为无线自组网数据传输。

杨 森（1992—），男，硕士，工程师，主要研究领域为物联网数据采集与处理。

邹文露（1990—），女，硕士，工程师，主要研究领域为物联网数据存储设计。

刘 勇（1988—），男，硕士，高级工程师，主要研究领域为铁路地质灾害预警与评估。

虞 凯（1982—），男，博士，正高级工程师，主要研究领域为铁路通信与电磁兼容设计。