袁 焦 王 珣 李高豐 劉 勇 伏 坤

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

近年來，在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、BIM等新技術的驅動下，數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展對鐵路的建造、運營及維護帶來了革命性的變化。中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)2020年發(fā)布的《智能高速鐵路體系架構1.0》提出，智能高鐵由智能建造、智能裝備、智能運營三大板塊組成，智能檢測監(jiān)測方向作為智能裝備板塊的重要組成部分，是提升高速鐵路運輸安全的關鍵環(huán)節(jié)，它包括了基礎設施檢測監(jiān)測、自然災害監(jiān)測等創(chuàng)新內容[1]。隨著我國鐵路逐步進入400 km/h時代，影響行車安全的地質災害及基礎設施監(jiān)測成為了鐵路行業(yè)研究的熱點。

日本對鐵路災害的防范工作十分重視，防災安全監(jiān)控系統(tǒng)是日本新干線Cosmos系統(tǒng)(列車運行綜合管理系統(tǒng))的一個重要子系統(tǒng)，對地震、強風、暴雨、大雪等自然災害加強檢測監(jiān)測，確保鐵路的安全運營。法國地中海線高速鐵路最高運行速度達350 km/h，其災害監(jiān)測系統(tǒng)均按線建設并獨立運行，主要包括風、雨、雪、地震及立交橋下落物監(jiān)測。德國高速鐵路采用新型防災報警系統(tǒng)MAS90，除監(jiān)督線路裝備的運用狀況外，還可識別并及時報告環(huán)境對行車安全的影響及移動設備發(fā)生破損的情況。美國和英國自八十年代中后期就在多座橋梁上建立了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測大橋在車輛與風荷載作用下的撓度、振動、應變等響應。

我國高速鐵路目前均設置了自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)，為運營期鐵路行車提供安全保障，但尚未針對地質災害及基礎設施監(jiān)測開展全面、統(tǒng)一的系統(tǒng)設計研究。本文借鑒高速鐵路自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)設計與推廣應用的經驗，立足于400 km/h高速鐵路地質災害及基礎設施監(jiān)測的實際需求，旨在構建適應于400 km/h高速鐵路地質災害及基礎設施監(jiān)測的新體系，形成400 km/h高速鐵路地質災害和基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)的成套解決方案。

1 400 km/h高速鐵路監(jiān)測需求

1.1 地質災害監(jiān)測需求

我國地質災害復雜多樣，災害頻繁，其中鐵路常見的地質災害類型主要有滑坡、泥石流、崩塌落石三類。

滑坡是指斜坡上的土體或巖體，受河流沖刷、地下水活動、地震及人工切坡等因素的影響，致使部分或全部土體(或巖體)在重力作用下，沿著地面軟弱面(或軟弱帶)整體地或分散地順坡向下滑動的地質現(xiàn)象。滑坡會破壞線路，中斷行車，危害站場，砸壞站房，毀壞鐵路橋梁及其他設施，錯斷隧道，摧毀明硐，造成車翻人亡的行車事故。

泥石流是指在山區(qū)或其他溝谷深壑、地形險峻的地區(qū)，因暴雨、暴雪或其他自然災害引發(fā)的山體滑坡并攜帶大量泥沙以及石塊的特殊洪流。泥石流具有突然性、流速快、流量大、物質容量大、破壞力強等特點，對高速鐵路橋梁、路基等基礎設施帶來巨大威脅。

崩塌落石是山區(qū)常見的一種地質災害。在山體自然風化、降雨侵蝕及人為破壞植被等因素的作用下，山體易發(fā)生大小規(guī)模不一的落石，若發(fā)生在高速鐵路區(qū)域范圍內，將會嚴重威脅高速鐵路的行車安全[2]。

在外界因素(如降水、地震、人類工程活動等)的影響下，每年都有大量崩滑流災害單體或鏈式災害發(fā)生，給高速鐵路建造與運營安全帶來極大的威脅。因此，建立地質災害監(jiān)測系統(tǒng)是預防地質災害破壞的必然措施和有效手段。

1.2 基礎設施監(jiān)測需求

高速鐵路路基、橋梁、隧道、軌道等線下基礎設施是列車高速、安全、平穩(wěn)、可靠運行的保障。開展400 km/h高速鐵路線下基礎設施監(jiān)測是實現(xiàn)線下基礎設施狀態(tài)全面感知、安全風險預警、故障診斷預測、趨勢變化分析,推進實施精準維修和預防性狀態(tài)修,提高維修效率,降低維修成本的重要手段,是確保鐵路持續(xù)安全運營的重要技防保障[3]。

1.2.1 路基

400 km/h高速鐵路對路基整體強度及動態(tài)服役能力的要求高，由于列車車速高、行車密度大，路基承受的荷載強度大、效應大，影響路基的結構形態(tài)與穩(wěn)定性。為及時掌握運營期路基及邊坡的穩(wěn)定性和變形情況，需選擇典型過渡段、不良地質區(qū)段(采空區(qū)、軟土地帶、巖溶地帶、風化巖、滑坡等)路基、高大邊坡等進行監(jiān)測，及時掌握路基及邊坡變形的發(fā)展趨勢和穩(wěn)定狀態(tài)，提高維修養(yǎng)護效能，為線路的安全運營提供保障。

1.2.2 隧道

隧道穿越地質條件復雜地層(如新黃土、粉細砂層、軟巖、長大斷層破碎帶、巖溶、煤層、高地溫、高地應力、采空區(qū)等)時，存在發(fā)生隧道拱頂坍塌、圍巖大變形及底部結構鼓裂的風險。運營期，在400 km/h高速列車頻繁動荷載的作用下，特殊地段隧道拱墻結構、隧底結構受力加劇，加速了隧道的襯砌變形和基底結構劣化，威脅行車安全。隧道“檢養(yǎng)修”面臨著縱深長、空間狹小、有效天窗時間短的挑戰(zhàn)，為保障列車行駛安全，有必要對嚴重影響隧道結構穩(wěn)定性的重點區(qū)段的圍巖深部位移和水壓力、襯砌混凝土應力應變、基底結構位移、隧內環(huán)境變量等進行長期監(jiān)測。

1.2.3 橋梁

400 km/h高速鐵路橋梁的運營監(jiān)測不僅要關注結構承載能力，還要關注列車走行的安全性和乘客乘坐的舒適性。對大跨度橋梁、高墩橋梁、復雜橋梁、特殊結構橋梁、地質條件較差的橋梁設置健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測墩頂位移，橋梁結構關鍵部位應力、振動、變形，外部環(huán)境等數(shù)據(jù)，通過參數(shù)監(jiān)測達到對橋梁結構安全狀態(tài)、列車走行安全性、乘客舒適性及結構承載安全性的監(jiān)控與評判。

1.2.4 軌道

400 km/h高速運行列車對軌道結構的平順性、穩(wěn)定性和可靠性提出了近乎嚴苛的要求。軌道結構引導列車的運行，一旦出現(xiàn)病害將直接影響列車運行的安全性和舒適性。無砟軌道常見的病害包括上拱、梁端凸臺或底座開裂、扣件失效、砂漿層離縫、軌道結構開裂、線下基礎沉降等，因此，軌道監(jiān)測內容主要包括結構變形、位移、受力等方面。

1.3 數(shù)據(jù)中心建設需求

針對400 km/h高速鐵路地質災害及線下基礎設施監(jiān)測，建立路局級統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，實現(xiàn)多源監(jiān)測信息匯聚、存儲、綜合展示及大數(shù)據(jù)分析等，實現(xiàn)與路局既有自然災害與異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，接收國家(地方)部門地質災害監(jiān)測或氣象部門相關系統(tǒng)信息，發(fā)揮信息系統(tǒng)互聯(lián)優(yōu)勢，實現(xiàn)對高速鐵路沿線地質災害及基礎設施的報警和處置。同時，實現(xiàn)系統(tǒng)設備集中管理，提高系統(tǒng)可靠性，減少誤報漏報，推進系統(tǒng)應用，滿足系統(tǒng)運用維護管理的規(guī)范化和標準化要求。

2 監(jiān)測系統(tǒng)體系框架

2.1 架構設計

智能傳感、雷達測量、衛(wèi)星遙感、無人機航測、智能視頻識別、無線組網(wǎng)、5G等新技術的不斷成熟為構建400 km/h高速鐵路地質災害及基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)提供了新的解決方案[4]。本文采用一種功能全面、擴展性強的系統(tǒng)總體架構，滿足“全方位、全天候、全要素、全尺度”的地質災害及基礎設施智能化監(jiān)測需求。系統(tǒng)總體架構按功能定位可分為感知層、傳輸層、平臺層、應用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

(1)感知層

由布設于地質災害子系統(tǒng)、線下基礎設施監(jiān)測子系統(tǒng)的各種傳感器和采集設備組成，主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的感知、采集和預處理。

(2)傳輸層

主要包括現(xiàn)場設備間傳輸網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡，可采用光傳輸、LoRa、WiFi、5G、衛(wèi)星通信等多種通信傳輸網(wǎng)絡。

(3)平臺層

主要功能是提供面向全數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲及計算能力，對監(jiān)測領域數(shù)據(jù)資源進行集成整合，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)/文檔資料/影像的數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)存儲與分析、GIS與BIM數(shù)據(jù)融合、智能文本分析及圖像視頻分析，支撐地質災害及基礎設施智能化監(jiān)測的業(yè)務應用。

(4)應用層

結合具體監(jiān)測對象，開展不同功能的模塊設計，通過可視化模塊將數(shù)據(jù)分析結論轉化為專業(yè)生產知識，并快速準確地提供分析報表、趨勢圖、GIS+BIM等可視化方式進行全局展示，實現(xiàn)對高速鐵路地質災害及基礎設施監(jiān)測物理量的實時監(jiān)控、精確管理和綜合應用，及時發(fā)出災害預警或報警信息，為基礎設施管理養(yǎng)護科學決策提供支撐。

2.2 系統(tǒng)組成

400 km/h高速鐵路地質災害及基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)分為鐵路局中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測子系統(tǒng)兩級結構[5]，系統(tǒng)組成結構如圖2所示。中心系統(tǒng)包括服務器、存儲設備、網(wǎng)絡設備、監(jiān)測終端和配套軟件?，F(xiàn)場監(jiān)測子系統(tǒng)由沿線區(qū)間的滑坡/巖堆/高陡邊坡監(jiān)測子系統(tǒng)、落石/崩塌監(jiān)測子系統(tǒng)、泥石流監(jiān)測子系統(tǒng)、橋梁監(jiān)測子系統(tǒng)、隧道監(jiān)測子系統(tǒng)、路基監(jiān)測子系統(tǒng)、軌道監(jiān)測子系統(tǒng)等組成。

圖2 系統(tǒng)組成結構圖

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線或有線通信方式傳輸至鐵路沿線監(jiān)測主機，再通過鐵路通信網(wǎng)絡傳輸至中心系統(tǒng)[6]。中心系統(tǒng)通過鐵路通信網(wǎng)絡實現(xiàn)與路內自然災害及異物侵限監(jiān)測、綜合視頻監(jiān)控、周界入侵監(jiān)測等系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互；通過專用通信通道實現(xiàn)與路外氣象、應急管理等部門的數(shù)據(jù)交互。

2.3 部署方案研究

2.3.1 數(shù)據(jù)中心部署方案

鐵路局中心系統(tǒng)由軟件平臺(操作系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)庫、接口軟件、殺毒軟件、應用軟件、虛擬化軟件)和硬件平臺(服務器、存儲設備、網(wǎng)絡設備、報警設備、監(jiān)測終端)組成[7]。中心系統(tǒng)采用虛擬化技術、分布式存儲技術、云資源管理技術、信息安全技術等，搭建適應于400 km/h高速鐵路地質災害及基礎設施監(jiān)測的云平臺基礎設施層，實現(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡資源按需分配、統(tǒng)一管理和集中監(jiān)測，提高資源利用率，便于業(yè)務快速部署和擴展。在此基礎上，構建集多源異構海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效存儲訪問、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析服務、數(shù)據(jù)安全等功能于一體的云平臺存儲與分析層。結合具體的監(jiān)測業(yè)務要求，提供實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、GIS+BIM模型遠程快速加載、視頻圖像在線瀏覽、報警信息發(fā)布與管理等功能，實現(xiàn)GIS+BIM與多源監(jiān)測信息的融合展示。

中心系統(tǒng)設備設置在鐵路局中心機房，在調度臺、工務部、工務段、通信段、信息技術所等部門設置監(jiān)測終端。

2.3.2 地質災害監(jiān)測子系統(tǒng)部署方案

(1)滑坡/巖堆/邊坡監(jiān)測子系統(tǒng)

采用InSAR、傾斜攝影、GNSS定位、土體深部位移計、滲壓計、雨量計等多元空間網(wǎng)絡化監(jiān)測技術和設備對滑坡/巖堆/邊坡的深層土體位移、地表變形、外部環(huán)境及防治工程結構受力等參數(shù)進行監(jiān)測[8]，對災害監(jiān)測點進行自動數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)測及預警?；?巖堆/邊坡監(jiān)測方法及儀器如表1所示，典型滑坡監(jiān)測工點設備布設如圖3所示。

表1 滑坡/巖堆/邊坡監(jiān)測方法及儀器表

圖3 典型滑坡監(jiān)測工點設備布設示意圖

(2)泥石流監(jiān)測系統(tǒng)

通過雨量計、泥位計、振動傾角監(jiān)測儀、視頻監(jiān)控相結合的監(jiān)測技術實現(xiàn)對泥石流溝的泥(水)位變化、泥石流振動信息、泥石流發(fā)生地影像變化信息等參數(shù)進行監(jiān)測。典型泥石流監(jiān)測工點設備布設如圖4所示。

圖4 典型泥石流監(jiān)測工點設備布設示意圖

(3)崩塌落石監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)對災害形成演化過程中的變形、降雨量等物理參量開展實時監(jiān)測，全面掌握不穩(wěn)定坡體的發(fā)展趨勢。布設具有移動偵測、異物識別報警功能的激光雷達探測儀和高清球機，在各種天氣和氣候條件下，對鐵路隧道進口/出口線路界限上可能威脅到列車正常行駛的落石、邊坡溜塌等異物進行快速、準確判別，并對告警目標進行定位、跟蹤、放大，同時快速傳遞告警信息，輔助工務人員觀察、判斷，及時采取應急措施。子系統(tǒng)由雨量計、GNSS、振動傾角一體機、高清球機、激光雷達探測儀、地面處理主機等設備組成，如表2所示。典型泥石流監(jiān)測工點設備布設如圖5所示。

表2 主要設備表

圖5 典型崩塌落石監(jiān)測工點設備布設示意圖

2.3.3 基礎設施監(jiān)測子系統(tǒng)部署方案

(1)橋梁監(jiān)測子系統(tǒng)

現(xiàn)場設備以多類型傳感器組合的方式進行構建，以數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)為基礎，以滿足橋梁安全評價需求為出發(fā)點，根據(jù)數(shù)據(jù)采集控制策略、數(shù)據(jù)處理理論和安全評價理論，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、處理和橋梁的安全評價。橋梁監(jiān)測內容與設備如表3所示。

表3 橋梁主要監(jiān)測內容及設備表

(2)隧道監(jiān)測子系統(tǒng)

由快速智能感知系統(tǒng)、多源采集系統(tǒng)、高速傳輸系統(tǒng)和終端展示模塊組成，主要監(jiān)測隧道的狀態(tài)量化指標，如隧道上部地表位移、襯砌混凝土應變、基底結構位移、隧道內環(huán)境變量、襯砌表觀和結構變化等，通過相應的傳感器獲取數(shù)據(jù)信息。隧道監(jiān)測內容與設備如表4所示。

表4 隧道主要監(jiān)測內容及設備表

(3)路基監(jiān)測子系統(tǒng)

采用靜力水準儀、分層沉降計、水平位移計、水位計等設備全方位獲取高速鐵路路基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)[8]。通過預警分析模塊做進一步分析，判斷數(shù)據(jù)是否超過設定閾值，發(fā)現(xiàn)異常及時報警。通過可視化組件，將監(jiān)測結果以圖表的形式直觀地反饋給用戶。路基監(jiān)測內容與設備如表5所示。

表5 路基主要監(jiān)測內容及設備表

3 關鍵技術研究

3.1 無線傳輸數(shù)據(jù)壓縮技術

由于現(xiàn)場布線困難，地質災害監(jiān)測常采用無線組網(wǎng)的通信方式。無線組網(wǎng)通信帶寬小，每次可發(fā)送字節(jié)有限，需對數(shù)據(jù)進行壓縮以提高可靠性和傳輸效率。根據(jù)地質災害及基礎設施監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸需求，采用邊緣端GZIP無損壓縮、數(shù)據(jù)中心接收端解壓縮的方式提高數(shù)據(jù)傳輸能力。

GZIP 壓縮文件有固定的存放格式，即在連續(xù)壓縮塊外邊加上一層 GZIP 文件相關的信息。GZIP壓縮文件可分為文件頭、數(shù)據(jù)塊和文件尾三個部分。

對于要壓縮的災害監(jiān)測數(shù)據(jù)，先使用LZ77算法進行壓縮，再使用Huffman編碼的方法進行壓縮，數(shù)據(jù)壓縮流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)壓縮流程圖

3.2 數(shù)據(jù)訪問加密技術

本系統(tǒng)使用層面具備廣大用戶群體，業(yè)務層面應采取權限訪問控制，數(shù)據(jù)層面又涉及高速鐵路GPS坐標等敏感信息，因此，需要一種加密驗證方法將各層面的安全需求抽象出來，作為訪問驗證公共庫統(tǒng)一應對，從而在用戶與后端通信過程中起到保護用戶隱私、保全敏感信息的作用。

首先，采用非對稱加密算法對網(wǎng)絡傳輸進行封裝。但因非對稱加密會帶來性能開銷，影響用戶的使用體驗，故在公共庫的設計上還應考慮部分非敏感信息的傳輸需要，提供多種低密級、無密級的訪問方法。訪問封裝流程如圖7所示。另外，由于系統(tǒng)需部署在云平臺上，該庫還實現(xiàn)了JWT驗證方式，通過數(shù)字簽名保證令牌的合法性。

圖7 訪問的封裝流程圖

其次，從事前控制的角度出發(fā)，設計實現(xiàn)了1套注冊機制，流程如圖8所示。通過用戶提供用戶信息、機器碼，系統(tǒng)驗證通過后才允許登錄及后續(xù)操作的方法，將用戶、操作終端、權限綁定在一起，大大提高了系統(tǒng)的安全性。此外，系統(tǒng)將記錄用戶、機器碼、操作時間、操作行為等信息，作為安全審計的跟蹤記錄。

圖8 事前控制用戶注冊流程圖

最后，為降低整個訪問驗證流程的復雜程度，系統(tǒng)接口應隱藏算法、查詢的具體調用方式，僅通過提供API的方式響應調用，并對該庫進行混淆加密，進一步提供安全等級。

3.3 監(jiān)測大數(shù)據(jù)融合技術

如何對地質災害與基礎設施監(jiān)測中產生的多尺度、多元化、多類型監(jiān)測數(shù)據(jù)(含傳感數(shù)據(jù)、GIS/BIM模型、無人機傾斜攝影、遙感/航拍影像、地勘資料、視頻圖像等)[9]，開展集中數(shù)據(jù)存儲與融合處理是系統(tǒng)研究的重點[10]。

本文在關系型數(shù)據(jù)庫和分布式文件系統(tǒng)集群之外，研究并設計了基于Hadoop分布式架構的大數(shù)據(jù)存儲和分析平臺，結合Spark分布式計算引擎，為海量數(shù)據(jù)的存儲分析提供了一種穩(wěn)定、高效的解決方案。Hadoop+Spark平臺架構設計如圖9所示。

圖9 Hadoop+Spark平臺總體架構圖

在Hadoop+Spark平臺的數(shù)據(jù)源層中，由各業(yè)務監(jiān)測系統(tǒng)提供結構化數(shù)據(jù)、非結構化數(shù)據(jù)和半結構化數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)源。非結構化數(shù)據(jù)包括遙感衛(wèi)星影像、文檔數(shù)據(jù)和視頻圖像數(shù)據(jù)等，半結構化數(shù)據(jù)如JSON數(shù)據(jù)等，結構化數(shù)據(jù)包括地質災害及基礎設施監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)等。

通過平臺提供的Sqoop數(shù)據(jù)傳輸軟件將需要進行大數(shù)據(jù)存儲與分析的數(shù)據(jù)抽取到數(shù)據(jù)存儲層。數(shù)據(jù)存儲采用分布式文件系統(tǒng)HDFS、分布式數(shù)據(jù)庫Hbase及數(shù)據(jù)倉庫Hive相結合的方式。在Hadoop+Spark平臺的資源管理層中，通過Yarn進行資源管理，為集群資源利用率、資源統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享等帶來方便。在Hadoop+Spark平臺的數(shù)據(jù)計算層中，使用內存計算框架Spark實現(xiàn)快速分布式計算處理，為海量監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘提供支撐。

4 結束語

本文結合400 km/h高速鐵路地質災害及基礎設施的特點和監(jiān)測業(yè)務需求，集合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、分布式存儲、大數(shù)據(jù)等技術的深入研究與應用，設計了監(jiān)測系統(tǒng)總體架構，分析了系統(tǒng)組成，并結合不同地質災害和基礎設施監(jiān)測類型開展了部署方案的研究，此外還重點研究了監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效壓縮傳輸、加密訪問、監(jiān)測大數(shù)據(jù)融合等關鍵技術，為400 km/h高速鐵路地質災害及基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)的設計、研發(fā)與應用提供了借鑒與指導。今后，圍繞該系統(tǒng)持續(xù)深入研究與應用，不僅可有效提升高速鐵路地質災害及基礎設施監(jiān)測的信息管理、隱患分析等技術能力，還對強化基礎設施維護精細化管理、提升巡檢巡查效率、保障高速鐵路運營安全等具有重要意義。