夏洪峰

（武漢鐵路局工務(wù)處 武漢 430071）

0 引言

宜萬鐵路東起鴉宜鐵路宜昌東站，西至達萬鐵路萬州站，鐵路沿途穿越地質(zhì)條件極為復(fù)雜的喀斯特地貌山區(qū)，其中鐵路隧道、橋梁占線路總長的74%，是世界鐵路建設(shè)史上橋隧比例最高的鐵路，其中隧道口危巖落石對鐵路行車安全構(gòu)成重大威脅。

考慮到鐵路沿線的喀斯特地質(zhì)地貌和隧道口危巖的山區(qū)線路現(xiàn)場因素，工程防治防護手段不能完全解除危巖落石的威脅，因此，軌面和行車界限內(nèi)的落石監(jiān)測防護成為保障行車安全的最后一道屏障。

根據(jù)宜萬鐵路現(xiàn)場的環(huán)境特點，采用高頻紅外激光掃描成像、振動波檢測和目標(biāo)類型智能分析的多種技術(shù)方法，提高工程設(shè)計的技術(shù)手段，提出適應(yīng)宜萬鐵路現(xiàn)場環(huán)境的能夠完備監(jiān)測各種類型的落石險情的檢測方法，為宜萬鐵路行車安全提供全天候自動監(jiān)測和實時預(yù)警。

1 檢測技術(shù)

1.1 危巖落石監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)需求

宜萬鐵路客運列車較多，車速較高，危巖落石監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需要在全天候、全氣象條件下對各種類型的落石災(zāi)害迅速發(fā)出報警，并通過主動實時視頻的方式向相關(guān)值班人員提供完整的報警信息，由值班員根據(jù)現(xiàn)場情況及時處置報警。如果系統(tǒng)發(fā)生漏報，會直接危及行車安全；如果發(fā)生誤報，又會導(dǎo)致鐵路資源不能高效分配，因此極低的漏報率和誤報率是系統(tǒng)在檢測技術(shù)上的最大挑戰(zhàn)。

1.2 既有監(jiān)測技術(shù)

目前常用的監(jiān)測方法有視頻分析方法［1－2］、紅外激光軌面掃描成像方法［3－4］和光纖光柵振動探測方法［5－7］，3種方法經(jīng)多年的研究，已形成了應(yīng)用系統(tǒng)，且進行了小規(guī)模的試應(yīng)用，其特點可以概況如下。

2）紅外激光軌面掃描成像方法。此方法使用紅外激光發(fā)射、探測和成像器材對軌面安全高度進行掃描，通過三角測量方法或飛行時間測距方法發(fā)現(xiàn)超過安全高度的異物截面輪廓。此方法在夜間和惡劣天氣下能夠有效工作，但仍然會受到雜物、飛鳥和動物的干擾，且無法有效檢測落石撞擊導(dǎo)致軌枕損傷和穿過行車界限的障礙目標(biāo)。

3）光纖光柵振動探測方法。此方法的基本原理是通過軌枕傳遞的振動信號特征來檢測危巖落石，并對撞擊位置進行定位。其主要優(yōu)點是可以全天候工作，不受雜物干擾，缺陷是崩塌落石撞擊產(chǎn)生的振動信號受線路和地質(zhì)條件影響較大，難于精確建模，防誤報和防漏報能力無法估計。此外，該方法需要在軌枕上安裝光纖，進行日常工務(wù)作業(yè)時需要拆卸和重新安裝，實際應(yīng)用存在嚴重困難。

1.3 信息融合監(jiān)測方法

視頻分析方法和斷面掃描成像方法都基于危巖落石目標(biāo)的外部形態(tài)及運動特征；光纖光柵振動探測方法則是基于崩塌落石產(chǎn)生的振動信號特征。在發(fā)生落石時，這兩類特征或強或弱都會出現(xiàn)，且有著很高的時空域相關(guān)性，即會在較短時間間隔內(nèi)和較近的空間范圍內(nèi)發(fā)生；同時，主要的誤報因素中，這2 類特征基本不會同時同地出現(xiàn)。比如落在軌枕上的大型飛鳥，其外形和運動特征與崩塌落石相符，但不具備振動特征；這啟發(fā)我們采用基于多信息融合的檢測方法，來大幅度同時降低的漏報率和誤報率，提高檢測的有效性。為此，采用了紅外激光軌面掃描成像檢測和非接觸式振動波信號檢測相融合的技術(shù)體系，見圖1。

圖1 基于信息融合的監(jiān)測技術(shù)體系Fig.1 Infrastructure of information－fusion－based surveillance system

信息融合是1種多層次的、多方面的處理過程，這個過程是對多源數(shù)據(jù)進行檢測、結(jié)合、相關(guān)、估計和組合以達到精確的狀態(tài)估計和身份估計，以及完整、及時的態(tài)勢評估和威脅估計，按照這一定義，多傳感器系統(tǒng)是信息融合的硬件基礎(chǔ)，多源信息是信息融合的加工對象，協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理是信息融合的核心［8］。

信息融合作為1種信信綜合和處理技術(shù)，實際上是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用。為了進行信息融合，所采用的信息表示及處理方法均來自這些領(lǐng)域，融合的基本功能是相關(guān)、估計和識別，重點是估計和識別。

1）紅外激光軌面掃描成像信息的數(shù)學(xué)模型采用卡爾曼濾波［9］：

式中：xk｜k－1為k時刻狀態(tài)的估計；Pk｜k為誤差相關(guān)矩陣；Fk為在xk－1的狀態(tài)變換模型；uk為控制模型；Bk為控制器uk的輸入；wk為系統(tǒng)過程噪聲。

2）非接觸式振動波信號檢測信息的數(shù)學(xué)模型采用最大似然估計［10］：

二是建立食品藥品安全監(jiān)管機制。學(xué)校成立了食品藥品安全工作站，其是履行食品藥品監(jiān)督管理主體責(zé)任的組織協(xié)調(diào)與辦事機構(gòu)，掛靠在后勤集團，下設(shè)辦公室，按照學(xué)校設(shè)領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)，機關(guān)處（室）為成員單位，附屬單位設(shè)監(jiān)管人員，實行網(wǎng)格化管理。工作站嚴格落實劃區(qū)分片、建檔造冊、定期檢查、專項整治和嚴肅問責(zé)等制度，實施全員監(jiān)督、全時監(jiān)控、全面覆蓋，積極主動配合學(xué)校和洪山區(qū)食品藥品監(jiān)管局、武昌區(qū)食品藥品監(jiān)管局及所屬食藥所做好食品安全方面的有關(guān)工作。

式中：xn為采樣數(shù)據(jù)；fD為概率聚集函數(shù)；θ為分布參數(shù)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

基于紅外激光軌面掃描成像和非接觸式振動波信號檢測和定位這2項技術(shù)的宜萬鐵路危巖落石監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)組成見圖2。其中：

圖2 宜萬鐵路危巖落石監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成Fig.2 Structure of rockfall hozard surveillance system for yiwan railway

1）平面掃描監(jiān)測分析系統(tǒng)。發(fā)射并探測行車界限內(nèi)的疑似障礙物反射的紅外激光，主要完成目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、跟蹤和辨識。

2）振動波檢測系統(tǒng)。采用安裝在行車界限外的振動波傳感器探測落石撞擊軌枕時產(chǎn)生的振動波，通過頻譜分析監(jiān)測軌枕狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)軌枕斷裂、扭曲等異常情況。

3）核心控制系統(tǒng)。完成探測融合，做出報警判定，發(fā)出各種報警命令和告警信息，執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)備的配置、管理和相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸、處理、存儲以及系統(tǒng)的故障診斷。

4）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)，支撐各個子系統(tǒng)之間的通信。

5）微光夜視視頻系統(tǒng)。實現(xiàn)現(xiàn)場實時圖像的全天候采集，并能夠通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將現(xiàn)場圖像傳送至監(jiān)控中心。

6）后備電源保護系統(tǒng)。負責(zé)為系統(tǒng)提供備用電源保護，保障斷電后的系統(tǒng)運行，可以采用貫通電或牽引電供電。

2.2 系統(tǒng)運行情況

2011～2012年，在宜萬鐵路9個險情較為嚴重的橋隧相連防洪點安裝了該危巖落石監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能包括：

1）系統(tǒng)監(jiān)測隧道口可能發(fā)生的各種障礙物和落石險情。

2）對于不會危及行車安全的小型落物如紙盒、樹枝等雜物，系統(tǒng)發(fā)出工務(wù)報警。

3）對于可能危及行車安全的險情，系統(tǒng)同時發(fā)出行車報警和工務(wù)報警。

4）工務(wù)報警方式為短信、Internet網(wǎng)絡(luò)圖片以及遠程實時視頻。

5）系統(tǒng)配置的激光夜視成像系統(tǒng)能夠?qū)€路險情點進行聚焦和放大，在全天候和全氣象條件下提供的清晰、完整的圖片和視頻信息，便于工務(wù)防洪部門準確估計險情的規(guī)模和嚴重程度并組織搶險。

通過近1年的實際運行，在例行的維護過程中共進行了54次大小不同的模擬落石實驗，系統(tǒng)均能正常報警；系統(tǒng)在行車界限內(nèi)發(fā)現(xiàn)疑似障礙物共計25次，分別由大面積工務(wù)施工和大型飛鳥引發(fā)，由于障礙物都不具備有效的振動波信號特征，因此并未引發(fā)行車誤報，系統(tǒng)的誤報率和漏報率均在系統(tǒng)設(shè)計的范圍內(nèi)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達到預(yù)期目的。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)宜萬鐵路的實際情況，結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測方法，提出了1種基于多信號特征融合的鐵路危巖落石災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)體系，并據(jù)此提出了采用紅外激光軌面掃描技術(shù)和振動波檢測技術(shù)相融合的危巖落石災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)。此系統(tǒng)在宜萬鐵路9處橋隧相連防洪點近1年的實際運行情況表明，基于多信號特征融合的監(jiān)測方法同時大幅度降低了系統(tǒng)誤報率和漏報率，使該系統(tǒng)在不影響鐵路正常運輸?shù)那闆r下有效保障了宜萬鐵路的行車安全。

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