基于LoRa的铁路隧道口泥石流实时报警系统

摘 要：针对当前铁路隧道口泥石流灾害预警系统的不足之处，设计构建了一个可独立运行的铁路泥石流灾害实时报警系统。其充分利用了当前成熟的LoRa远距离无线通信技术、STM32低成本工业级芯片设备，实现了在3 000 m距离内实时监控泥石流灾害，而无需其他通信基础设施支撑；通过设计的路由控制器，可实现更远距离的无线报警功能。系统具有成本低、安装维护便捷、反应快速、运行可靠的特点，具备较强的实用性。

关键词：泥石流报警；LoRa无线通信；LoRa路由器；无线传感网络；报警控制器；隧道

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）05-00-04

0 引 言

泥石流对铁路交通，特别是对我国高速铁路运行的危害性很大。由于高铁和动车速度快、质量大、刹车距离超过1 000 m，所以泥石流造成的事故严重性极高。泥石流的突发性会导致一般的泥石流预警系统失效。2022年6月4日D2809次旅客列车受泥石流撞击事故中，列车紧急制动后仍然滑行900多米撞击出轨[1]。在山区行驶的时速为200 km/h的动车，紧急制动距离通常超过千米。因此设计一个安装维护简单、性能可靠的泥石流实时无线远程报警系统，具有很大的现实意义。

1 报警系统设计目标

国内对泥石流灾害的研究主要集中在预警系统方面[2-8]。在大量的隧道口，特别是在复杂山区，建设有基础设施的有线或无线通信系统，投资大，维护成本高。本项目设计的实时报警系统旨在解决如何构建低成本的远距离无线通信系统。对于铁路隧道口泥石流现场直接报警的方式，是在离隧道口前后超1 km的位置上，设置多个红色信号灯，警示高速列车制动刹车，如图1所示。

针对信号灯离泥石流触碰检测装置较远，且隧道口沿线情况较复杂的问题，在报警系统设计中使用LoRa无线通信技术[9-10]来解决，正确安装配置天线，可实现5 km内的可靠无线通信，适合于铁路隧道口泥石流实时报警系统。

2 报警控制器的设计

报警系统设计包含三类基本控制器装置：网关设备、终端信号灯设备、带路由的信号灯设备。其中都可以安装报警检测传感器。路由设备运行路由通信程序，使无线网络的通信范围扩大。山区的铁路隧道长度甚至超过10 km，需要在隧道内安装多个路由设备进行信息中继。三种不同类型设备的LoRa通信地址设置见表1。

2.1 控制器的硬件配置设计

图2所示为本文采用的控制器设备的主板结构。其主要功能是搭建LoRa无线通信传感器网络以及进行信号检测报警。终端设备无需显示屏和NB-IoT模块。

处理器MCU采用低成本的工业级STM32G070 ARM处理器。LoRa通信模块用于远距离无线通信和组网。NB-IoT模块用于连接云端监控平台。为监测天气环境状态，主板配置了温湿度传感器和光照度传感器。

2.2 主控网关设备的软件设计

网关功能设计如图3所示。程序主流程如图4所示。触碰信号的检测采用中断方式，反应时间在毫秒级；其中全网报警处理功能是在检测到任何一个触碰开关被触发后，控制器即刻以广播方式在无线网络内传递报警信息，所有控制器收到后，都会开启红灯警示，达到快速报警要求。

LoRa通信数据处理是软件设计的核心之一。对于三种不同类型的设备，处理流程不同。由于LoRa搭建的是无线网络，特别是加入了路由设备，网内每个设备会收到多份同样的数据包，甚至会引起数据包转发死循环，需要设计合理的消息处理机制，提高通信效率。

2.3 通信消息处理机制的设计

为避免消息死循环和重复处理相同数据包，系统设计消息保存缓冲区Messages。默认消息保存的最长时间为3 s，即表示3 s内，不能发送重复指令或重复处理。消息体内包含有发送目标设备的地址ID号，当路由接收程序判断该数据包是发给自己时，将终止转发数据。软件设计中实现了采用多种方法来操作消息缓冲区，旨在减少网络阻塞，提高数据通信的成功率。路由设备通信流程如图5所示。

2.4 设备描述和监控设计

文献[11]介绍了基于数据驱动的4D设备描述规范，对报警系统内各嵌入式设备进行了统一的设备描述设计，实现了嵌入式设备的即插即用和统一的智能监控，即设备上电自动建立无线自组织传感器网络和实现设备间M2M通信的指令统一处理。信息在上传到云平台后也实现了规范化的管理。

2.4.1 报警设备描述

使用4D设备描述方法描述的LoRa网关报警设备组成见表2。

终端报警设备没有GPS信息和TCP通信功能，触碰检测开关也可选择不安装，从而减少子设备数量。

3 实时报警系统的测试

为模拟较复杂的实际环境，在郊区森林公园实际环境进行测试。

（1）测试1

1 500 m直线距离通信测试如图6所示。测试方法：每隔一定时间，按下终端取消报警按钮，发送状态信息给网关，网关应答，返回应答信号；测试点终端收到信号后，红色LED指示灯闪烁1次，表示通信成功。连续测试10次。测试结果见表4。

由表4可知，在无目视阻碍的情况下，两节点间通信成功率为100%；在稍有障碍阻隔的情况下，发送频率低于3 s/次时成功率较高；如果发送得太快，则可能会出现通信失败的情况。因此在控制器程序中设置了3 s的消息缓冲时间。

利用一个路由中继控制器，可以实现3 000 m远距离的无线通信，且通信过程稳定无压力。

森林公园中生长着大量的楠竹和樟树，目视无法穿透。三个设备被长达几十米的竹林和小山坡隔开，竹林高度在5～10 m范围内，这样的环境比实际铁路沿线环境更复杂。此外，公园小路与路由设备之间有多处弯路。首先要保证路由设备与网关之间的通信成功率为100%（与网关设备之间只有低于10 m高的竹林障碍，且直线距离约为600 m）。

结果表明：在竹林高度不超过10 m，山坡障碍物高度或宽度小于等于5 m的情况下，通信成功率极高。竹林高度超过10 m时，则信号衰减严重，无法通信。由于LoRa技术使用433 MHz的电磁波通信，波长大约为0.7 m，穿透力较强。因此对于一般的铁路沿线情况，LoRa设备直接与网关主设备通信即可。在铁路转弯半径过小处增加路由中继设备即可解决通信障碍问题。

4 结 语

本文使用LoRa无线远距离通信技术，设计了三类控制器设备，用以组建无线自组网，解决了无需基础设施的网络快速构建难题；通过自主设计的LoRa路由设备和消息传递机制，确保在铁路隧道口和隧道内超过3 km范围内实现可靠且快速的无线通信，有效保障了泥石流灾害报警系统的实时性，即便报警主机被瞬间（gt; 0.05 s）摧毁，报警信号也能被迅速传播，报警信息生效，使报警系统具备较高的实用价值。

参考文献

[1] 唐俊.泥石流塌方多次导致列车事故，铁路险情为何难以自动预警？ [N/OL].界面新闻，2022-06-04. https：//www.jiemian.com/article/7552233.html.

[2] 王雨.基于大数据分析与挖掘的铁路区域泥石流灾害预警模型研究[D].成都：电子科技大学，2022.

[3] 宋阳，耿灿欣，林娟娟，等.复杂山区泥石流环境下高铁安全运营的预警模型[J].南京理工大学学报，2020，44（4）：416-423.

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[9] 甘泉. LoRa物联网通信技术[M]. 北京：清华大学出版社，2021.

[10] 房华，彭力. NB-IoT/LoRa窄带物联网技术[M].北京：机械工业出版社，2019.

[11] 吴志辉. 基于4D设备描述协议的物联网设备智能监控方法 [J]. 物联网技术，2023，13 （7）：15-19.