丁 勇，耿寬寬

（山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012）

引言

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，鐵路的運(yùn)營安全問題便成為重中之重，其中能夠?qū)崟r監(jiān)測鐵路的路基沉降是保證鐵路安全的重要先決條件。鐵路線路不可避免地會經(jīng)過一些環(huán)境惡劣地區(qū)，由于雨水、泥石流等環(huán)境因素的影響導(dǎo)致路基下沉，最終導(dǎo)致行車事故。同時由于地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在荒無人煙處，缺乏供電支持，常規(guī)人工檢測方法效率低下，且無法隨時了解現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)測結(jié)果，很難達(dá)到及時預(yù)警的目的[1-3]。因此，本文主要研究一種新型路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在采用北斗衛(wèi)星對路基沉降進(jìn)行沉降位移監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合慣性技術(shù)進(jìn)行路基沉降的位移監(jiān)測，對于提高鐵路系統(tǒng)的安全預(yù)警、促進(jìn)沉降觀測工作的研究與發(fā)展都具有十分重要的意義。

1 鐵路路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鐵路路基沉降實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)由鐵路沉降監(jiān)測設(shè)備和云端監(jiān)控中心組成。其中監(jiān)測設(shè)備根據(jù)布置位置主要分為基準(zhǔn)站和監(jiān)測站兩類?；鶞?zhǔn)站被布置在環(huán)境空曠、地質(zhì)穩(wěn)定的地方，監(jiān)測站主要被放置在已經(jīng)發(fā)生沉降或者可能發(fā)生沉降的區(qū)域內(nèi)。如圖1 所示，鐵路沉降監(jiān)測設(shè)備主要接收北斗定位數(shù)據(jù)，同時也接受基準(zhǔn)站發(fā)送過來的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后通過GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)無線傳輸裝置遠(yuǎn)程發(fā)送到云端監(jiān)測中心。此外，整個系統(tǒng)可以在鐵路沿線安裝多個鐵路沉降監(jiān)測裝置，該系統(tǒng)可以采用一對多的形式，多個鐵路沉降監(jiān)測設(shè)備可以同時將沉降位移信息發(fā)送到云端監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測預(yù)警的功能。

圖1 鐵路路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖

1.1 鐵路路基沉降監(jiān)測設(shè)備

鐵路路基沉降監(jiān)測設(shè)備主要由核心控制單元、衛(wèi)星接收天線以及電源模塊三部分構(gòu)成，其中核心功能系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊及北斗定位模塊構(gòu)成，如圖2 所示。

1.1.1 核心功能模塊

核心功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集處理模塊、北斗定位模塊以及無線通訊模塊。該核心模塊被放置于室外露天高防護(hù)等級箱內(nèi)。防護(hù)箱具有散熱、防凍特點(diǎn)，保證內(nèi)部單元模塊能在任何天氣條件下正常工作。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成鐵路沿線各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理及存儲功能，在數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，連接數(shù)據(jù)庫，記錄所需要保留的各項數(shù)據(jù)信息；無線通信模塊用于將本地接收到的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS 無線網(wǎng)卡發(fā)送到云端監(jiān)測中心，只要有GPRS 通訊信號覆蓋和GPRS 的終端設(shè)備，就可將數(shù)據(jù)按規(guī)定的時間傳輸至云端；數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理。

1.1.2 電源模塊

電源模塊負(fù)責(zé)為整個監(jiān)測站提供穩(wěn)定的電源。因其主要被布置在環(huán)境條件較差的區(qū)域，所以電源模塊主要采用單晶硅太陽能板進(jìn)行供電。單晶硅太陽能板具有光電轉(zhuǎn)換率高、堅固耐用、壽命長等特點(diǎn)。

1.2 云端監(jiān)測中心

云端監(jiān)測中心為B/S 架構(gòu)設(shè)計，通過網(wǎng)頁即可查詢監(jiān)測情況。軟件采用多層設(shè)計，軟件中監(jiān)測變化數(shù)據(jù)將通過圖表、曲線或者柱狀圖的形式被顯示出來；軟件具有斷面分析、位移矢量分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、分級用戶管理和分級報警等功能；軟件可顯示監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖和傳感器分布圖等，軟件存儲采用Oracle數(shù)據(jù)庫。安全預(yù)警模塊的功能主要是，當(dāng)出現(xiàn)沉降量超過預(yù)定值后，將通過短信報警、網(wǎng)絡(luò)報警實(shí)現(xiàn)多種方式同時報警。

2 技術(shù)創(chuàng)新

本文采用北斗導(dǎo)航技術(shù)和慣性技術(shù)相結(jié)合的方式對沉降進(jìn)行定位。該方法不是直接采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而是通過慣性技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析處理，通過卡爾曼濾波數(shù)據(jù)模型對其進(jìn)行反饋校正得到最終沉降量。

2.1 卡爾曼濾波組合導(dǎo)航數(shù)學(xué)模型

卡爾曼濾波是將關(guān)于系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計性質(zhì)與關(guān)于系統(tǒng)動態(tài)的知識集合起來的統(tǒng)計技術(shù)。本文主要采用卡爾曼濾波作為導(dǎo)航信息算法，選擇間接法反饋校正模式設(shè)計組合系統(tǒng)，結(jié)合慣性技術(shù)推導(dǎo)出卡爾曼濾波組合導(dǎo)航數(shù)學(xué)模型，如圖3 所示。

2.2 基于模糊置信度的靜態(tài)相對定位技術(shù)

圖3 組合導(dǎo)航模型

本文提出的結(jié)合模糊理論的計算沉降位移置信度方法的設(shè)計思路是：首先，將一個較長時段T 分成n 個子時段，然后通過北斗導(dǎo)航衛(wèi)星“靜態(tài)相對定位技術(shù)”依次計算出各個子時段的沉降位移量N1，N2，…，Nn；第二，根據(jù)各個子時段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量，確定各個定位結(jié)果的置信度M（1），M（2），M（3），…，M（n）；最后，利用數(shù)據(jù)模型算出整個時段的沉降位移N。該方法的原理如圖4 所示。

圖4 基與模糊置信度的靜態(tài)相對定位技術(shù)原理圖

3 系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

該路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)（共安裝1 個基準(zhǔn)站、3 個流動站）于2020 年已被安裝到鐵路沿線（見圖5）并開始進(jìn)行實(shí)地測量，運(yùn)行期間沒有出現(xiàn)斷電情況，所有數(shù)據(jù)都能被正常傳送到數(shù)據(jù)庫，運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)界面友好，操作簡單，各個監(jiān)測點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時接收北斗衛(wèi)星信號，并將經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)被實(shí)時發(fā)送到云端監(jiān)測中心，同時云端檢測中心根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行報警。路基沉降位移監(jiān)測的誤差，水平方向為±2 mm、高程方向為±5 mm，并且可以實(shí)現(xiàn)雙基站或多基站處理功能。

圖5 現(xiàn)場安裝圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計研發(fā)的的鐵路路基沉降實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)可以及時、準(zhǔn)確地掌握鐵路沿線隱患區(qū)域的安全狀況，幫助鐵路工作人員快速定位沉降地點(diǎn)并為其提供安全預(yù)警決策，降低因沉降災(zāi)害帶來的生命威脅以及財產(chǎn)損失，可以有效地解決傳統(tǒng)方法存在的工作量大、距離受限以及自動化程度低等不足，具有高精度、全天候以及自動化程度高等特點(diǎn)，相對于同類產(chǎn)品具有突出的技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，極大地促進(jìn)了沉降觀測工作的研究與發(fā)展，有重要的實(shí)際意義和廣闊的應(yīng)用前景。