趙 旭，連翠玲，王 帥

（河北省自動(dòng)化研究所，石家莊 050081）

我國(guó)是一個(gè)山地、丘陵大國(guó)，每年發(fā)生的地質(zhì)自然災(zāi)害主要集中于山區(qū)地帶，而自然災(zāi)害中的山體滑坡、崩塌落石和泥石流占據(jù)了多數(shù)[1]。位于山區(qū)的鐵路，在工程的勘察建設(shè)過(guò)程中，盡管已經(jīng)盡可能地避開(kāi)重大不良地質(zhì)地段和集中的崩塌危巖落石地段，但由于山區(qū)高坡險(xiǎn)地地段覆蓋范圍廣泛，高陡邊坡和危巖落石防護(hù)仍是常見(jiàn)且無(wú)法避免的工程形式，不斷發(fā)生的高陡邊坡失穩(wěn)滑坡、危巖落石侵入交通路線等事件嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)家正常的交通運(yùn)輸安全[2]。因此我國(guó)規(guī)定客運(yùn)專(zhuān)線鐵路（高速鐵路）必須實(shí)施對(duì)自然災(zāi)害以及入侵交通線等開(kāi)展監(jiān)控，為列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)、行車(chē)計(jì)劃等提供有效的災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)。

由于邊坡落石報(bào)警系統(tǒng)長(zhǎng)期工作于環(huán)境惡劣、無(wú)人值守的野外，必須保證其使用時(shí)的可靠性與準(zhǔn)確性，因此利用振動(dòng)光纖作為傳感單元的優(yōu)勢(shì)便體現(xiàn)出來(lái)。振動(dòng)光纖采用傳統(tǒng)鎧裝通信光纜[3]，其中的光傳輸能夠在外界多變的氣候和惡劣環(huán)境的影響下，仍然能采集細(xì)小的振動(dòng)信號(hào)。利用振動(dòng)光纖與信號(hào)采集器、環(huán)境傳感器、火車(chē)探測(cè)傳感器、視頻采集與分析單元和報(bào)警裝置組成的落石報(bào)警系統(tǒng)，可自動(dòng)探測(cè)落石等侵害線路的情況，并能夠?yàn)榱熊?chē)提供預(yù)警，保證鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

1 振動(dòng)光纖簡(jiǎn)介

光纖不僅可以用于信號(hào)傳輸，還可用作特殊的傳感元件[4]。當(dāng)有振動(dòng)或壓力作用于傳感光纜上時(shí)，纖芯直徑、纖芯折射率及光纖長(zhǎng)度都將發(fā)生變化，這些變化會(huì)使得傳感光纜中傳輸光的相位發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后這種光特性變化就被轉(zhuǎn)換成攜帶了外界行為信息的光纖振動(dòng)信號(hào)。

本文所應(yīng)用的振動(dòng)光纖基于馬赫—澤德光纖干涉儀原理，其原理示意如圖1所示。為了檢測(cè)微弱振動(dòng)，采用兩芯單模光纖構(gòu)成平衡光纖干涉儀，一根光纖為信號(hào)光纖，另一根為參考光纖[5]。激光器發(fā)射激光經(jīng)光纖耦合器分別至參考光纖和信號(hào)光纖中，當(dāng)有振動(dòng)或者壓力信號(hào)作用到信號(hào)臂光纖時(shí)引起其幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳輸?shù)墓獠ㄏ辔划a(chǎn)生變化，從而兩束光再次相遇時(shí)發(fā)生干涉形成干涉光，通過(guò)光探測(cè)器探測(cè)后至光電轉(zhuǎn)換器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被直接測(cè)量的電信號(hào)，以供系統(tǒng)分析和處理。

圖1 振動(dòng)光纖原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of vibrating optical fibers

2 落石報(bào)警系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)介紹

鐵路沿線邊坡落石自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)由振動(dòng)光纖、信號(hào)采集器、傳感器系統(tǒng)、視頻采集與分析單元和報(bào)警裝置組成，系統(tǒng)安裝示意圖如圖2所示。振動(dòng)光纖安裝于鐵路沿線靠近山體的一側(cè)，地埋區(qū)域安裝有防護(hù)裝置，防止人畜經(jīng)過(guò)引起不正常的反應(yīng)；信號(hào)采集器采集光纖的振動(dòng)信號(hào)，如果振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到閾值將報(bào)警信號(hào)傳給報(bào)警裝置；視頻采集與分析單元可捕捉現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，分析圖像內(nèi)容，輔助工作人員有效觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，做出判斷；報(bào)警裝置由嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，外置DTU，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；報(bào)警裝置內(nèi)置報(bào)警的聯(lián)動(dòng)模型，實(shí)時(shí)接收傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，判斷到有落石發(fā)生或可能危及鐵路安全時(shí)，立即報(bào)警，以短信、GPRS等形式通知相關(guān)人員和調(diào)度中心進(jìn)行處理。

圖2 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of system on-site installation

2.2 振動(dòng)光纖的安裝

振動(dòng)光纖必須安裝于鐵路沿線的合適位置，既要保證災(zāi)害發(fā)生時(shí)，在落石的沖擊下傳感光纜能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)，又要避免有輕微晃動(dòng)或者小型落石不足以對(duì)鐵路造成傷害時(shí)產(chǎn)生誤報(bào)。因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，為保證探測(cè)無(wú)死角，光纖的安裝采用地埋與半坡敷設(shè)相結(jié)合的方式，每50 m設(shè)置安裝一個(gè)終端盒作為一個(gè)防區(qū)，無(wú)論是地埋還是半坡敷設(shè)，光纖采用4折的敷設(shè)方式，如圖3所示。使用該方式鋪設(shè)光纖可提高探測(cè)靈敏度，抗干擾性能好。

圖3 光纖敷設(shè)方式Fig.3 Optical fiber laying mode

所有的光纖振動(dòng)傳感單元都連接到信號(hào)采集器，每個(gè)防區(qū)都有其獨(dú)立編號(hào)，當(dāng)某一防區(qū)有報(bào)警信號(hào)時(shí)，調(diào)度中心可快速分辨出是哪個(gè)防區(qū)出現(xiàn)異常，便于快速進(jìn)行響應(yīng)。

2.3 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)包括雨量傳感器、風(fēng)速傳感器及火車(chē)探測(cè)傳感器。雨量傳感器為精密型雙翻斗式雨量計(jì)，用于測(cè)量自然界降雨量。風(fēng)速傳感器為三杯式風(fēng)速傳感器，用于測(cè)量自然界的風(fēng)速。將測(cè)量的雨量、風(fēng)速值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息量輸出，以滿(mǎn)足信息傳輸、處理、記錄和顯示等的需要。火車(chē)探測(cè)傳感器采用遠(yuǎn)距離反饋反射光電開(kāi)關(guān)，在整體防區(qū)的兩端各設(shè)有一個(gè)，當(dāng)有火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，將會(huì)有規(guī)律的遮擋光電開(kāi)關(guān)的激光信號(hào)，由此可判斷是否有火車(chē)經(jīng)過(guò)。傳感器系統(tǒng)接入報(bào)警系統(tǒng)的嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)上，由其分配地址進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.4 視頻采集與分析單元

視頻采集與分析單元包括激光監(jiān)控?cái)z像機(jī)與視頻分析系統(tǒng)，激光監(jiān)控?cái)z像機(jī)安裝于整個(gè)防區(qū)的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，視頻分析系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)視頻圖像進(jìn)行分析，通過(guò)算法規(guī)則的設(shè)定來(lái)進(jìn)行圖像中的區(qū)域異物入侵監(jiān)測(cè)，可根據(jù)情況產(chǎn)生報(bào)警。視頻采集與分析單元采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方式，在幾乎不需要人為干預(yù)的情況下，通過(guò)對(duì)激光監(jiān)控?cái)z像機(jī)拍錄的圖像序列進(jìn)行定位、識(shí)別和跟蹤，并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為，從而做到在異常情況發(fā)生的時(shí)候及時(shí)做出反應(yīng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)抗干擾處理

本系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)的干擾類(lèi)型主要有振動(dòng)信號(hào)干擾、外界環(huán)境干擾等，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抗干擾處理以保證本系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行。

3.1 振動(dòng)信號(hào)降噪

振動(dòng)光纖對(duì)于外界信號(hào)的反應(yīng)非常敏感[6]。由于其敷設(shè)于在環(huán)境復(fù)雜的山區(qū)鐵路現(xiàn)場(chǎng)，在應(yīng)用時(shí)采集到的信號(hào)包含外界的干擾噪聲，如不進(jìn)行信號(hào)的降噪處理極易造成誤報(bào)，影響用戶(hù)的使用和判斷。

為了抑制光纖振動(dòng)信號(hào)中攜帶的干擾噪聲，本系統(tǒng)采用小波閾值去噪法進(jìn)行信號(hào)降噪處理，閾值函數(shù)選取軟閾值函數(shù)[7]，其表達(dá)式為

式中：dj（k）為處理前的小波系數(shù)；η（dj（k））為處理后的小波系數(shù)；T為閾值。

閾值的估計(jì)采用改進(jìn)后的固定閾值方法[8]，即：

式中：N為信號(hào)長(zhǎng)度；σ為噪聲的標(biāo)準(zhǔn)誤差。

圖4所示為一個(gè)模擬落石的信號(hào)圖及對(duì)其進(jìn)行小波降噪后的信號(hào)圖。通過(guò)兩圖對(duì)比可看出，降噪前的模擬落石信號(hào)雖然較明顯，但是在信號(hào)的采樣過(guò)程中有許多明顯的背景噪聲信號(hào)，極易造成信號(hào)識(shí)別干擾；進(jìn)行小波降噪后，背景噪聲基本被抑制，達(dá)到了期望的效果。

圖4 小波閾值去噪法降噪對(duì)比效果圖Fig.4 Contrast effect of wavelet threshold denoising

3.2 剔除外界干擾

外界環(huán)境干擾主要有刮風(fēng)、下雨、人畜踩踏、火車(chē)經(jīng)過(guò)等，為保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確及耐用，需建立報(bào)警邏輯，進(jìn)行外界干擾誤報(bào)的甄別與剔除，實(shí)現(xiàn)落石報(bào)警信息綜合判斷并確定報(bào)警類(lèi)型。截止到目前，確定的系統(tǒng)報(bào)警判斷信息如表1所示。

表1 綜合判斷信息列表Tab.1 Comprehensive judgment information list

系統(tǒng)根據(jù)以上條件聯(lián)合進(jìn)行判斷確定報(bào)警，例如：在風(fēng)速＜2級(jí)，未下雨的天氣情況下，如果半坡光纖發(fā)出報(bào)警信號(hào)，隨后地埋光纖也發(fā)出報(bào)警信號(hào)，而火車(chē)探測(cè)傳感器未探測(cè)到火車(chē)經(jīng)過(guò)，則判斷為有落石滾落，系統(tǒng)則立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)；在風(fēng)速＜2級(jí)，未下雨的天氣情況下，如果半坡光纖未發(fā)出報(bào)警信號(hào)，而地埋光纖發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)火車(chē)探測(cè)傳感器探測(cè)到火車(chē)經(jīng)過(guò)，則判斷為有干擾信號(hào)，系統(tǒng)則過(guò)濾，不發(fā)出報(bào)警信號(hào)。以上為幾個(gè)典型聯(lián)動(dòng)判斷條件，實(shí)際聯(lián)動(dòng)模型需在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中逐步完善。

4 結(jié)語(yǔ)

及時(shí)有效地進(jìn)行鐵路沿線邊坡的落石探測(cè)及報(bào)警，可以提高因地質(zhì)災(zāi)害造成鐵路事故的處理速度，減少經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，保證鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，具有相當(dāng)重要的意義。本文所介紹的落石報(bào)警系統(tǒng)本系統(tǒng)能夠在無(wú)人值守的情況下，利用振動(dòng)光纖探測(cè)落石情況，通過(guò)進(jìn)行信號(hào)降噪、剔除外界干擾手段后將有效的報(bào)警信息發(fā)布給相關(guān)工作人員，聯(lián)動(dòng)視頻遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場(chǎng)情況，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢方式，提高監(jiān)測(cè)效率，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠滿(mǎn)足鐵路邊坡落石病害監(jiān)控的要求，而且該系統(tǒng)也可應(yīng)用于公路等其他地質(zhì)災(zāi)害報(bào)警領(lǐng)域。