郭志勇

（北京地鐵建筑設(shè)施維護(hù)有限公司，北京 100080）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸作為一種高效、安全、環(huán)保的交通方式，在城市化進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用。為確保鐵路運(yùn)營(yíng)線的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)尤為關(guān)鍵，該系統(tǒng)可以獲取實(shí)時(shí)、客觀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為重要鐵路線管理和領(lǐng)導(dǎo)決策提供支撐。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)需求情況，專家學(xué)者研發(fā)了各類貼合實(shí)際的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定制了相關(guān)功能模塊。葉海濤[1]對(duì)高速公路的邊坡建立了自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坡體形變情況，及時(shí)觀測(cè)、預(yù)警高速路的安全運(yùn)營(yíng)；魏海明等[2]闡述了艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集前端、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、預(yù)警軟件及管理終端組成，實(shí)現(xiàn)了采集與預(yù)警實(shí)時(shí)進(jìn)行；王松等[3]研究自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在路基監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，從監(jiān)測(cè)內(nèi)容選擇、傳感設(shè)備確定、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能建立進(jìn)行了介紹，為高速公路邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立提供參考。劉光輝等[4]主要探究基于鐵路段施工區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建內(nèi)容，驗(yàn)證系統(tǒng)建設(shè)方案在類似監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的適用性。但上述自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能單一，僅適用于變形監(jiān)測(cè)預(yù)警相關(guān)應(yīng)用，對(duì)于采用多維傳感感知手段建立環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究較少。

本文旨在利用北斗導(dǎo)航定位、北斗短報(bào)文、4G/5G通信等技術(shù)，結(jié)合多維傳感感知手段，實(shí)時(shí)獲取重點(diǎn)鐵路運(yùn)營(yíng)線的環(huán)境狀況、軌道坡體位移變化、運(yùn)營(yíng)視頻等實(shí)際動(dòng)態(tài)和預(yù)警告警信息，研究探討重點(diǎn)鐵路運(yùn)營(yíng)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)。

1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文建立的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸通訊模塊、數(shù)據(jù)分析與軟件發(fā)布構(gòu)成，技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)路線

傳感器數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控平臺(tái)能夠?qū)⒌乇砦灰票O(jiān)測(cè)站及各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)發(fā)送至原始數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及表面位移監(jiān)測(cè)、內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)、雨量監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)等功能，并提供實(shí)時(shí)的預(yù)警告警管理功能。

數(shù)據(jù)傳輸通訊模塊基于采集的原始數(shù)據(jù)通過(guò)由無(wú)線信號(hào)搭建而成的數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，可對(duì)部署在重點(diǎn)鐵路運(yùn)營(yíng)線的前端感知設(shè)備回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

數(shù)據(jù)分析與軟件發(fā)布能夠以直觀的報(bào)表、圖形等形式向用戶展示。

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸、分析功能，須在監(jiān)測(cè)區(qū)域布設(shè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行位移形變監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站應(yīng)布設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域外土質(zhì)緊致、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的地方，選擇能夠反映鐵路運(yùn)營(yíng)線穩(wěn)定性變化的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位安裝GNSS 監(jiān)測(cè)設(shè)備，視頻監(jiān)控系統(tǒng)要分布在工作區(qū)域周圍，能夠全方位監(jiān)控工作區(qū)。

（1）GNSS 基準(zhǔn)值點(diǎn)位應(yīng)選在穩(wěn)定堅(jiān)實(shí)的基巖、巖石、土層等能長(zhǎng)期保存、滿足觀測(cè)條件的地點(diǎn)，并做好選點(diǎn)標(biāo)記；選點(diǎn)時(shí)應(yīng)避開(kāi)多路徑環(huán)境影響，避免靠近水面、樹(shù)冠、高大建筑物、低洼潮濕等地點(diǎn)，應(yīng)保證15°以上無(wú)遮擋[5,6]。

（2）GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選點(diǎn)應(yīng)結(jié)合鐵路運(yùn)營(yíng)線實(shí)際情況，宜在最大坡高、有排水管通過(guò)、地質(zhì)條件變化較大的地段及鐵路運(yùn)行有異常反應(yīng)處布置監(jiān)測(cè)橫剖面[7]，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在位置開(kāi)闊、附近沒(méi)有無(wú)線電發(fā)射裝置的地方。

（3）內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)可選擇反映鐵路穩(wěn)定性變化的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位安裝內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)設(shè)備，具體位置在施工前參考區(qū)域地形圖、相關(guān)地質(zhì)勘察報(bào)告、施工設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行布設(shè)。

（4）視頻監(jiān)控點(diǎn)位設(shè)計(jì)選擇在監(jiān)視目標(biāo)附近、不易受外界損傷的地方，不影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行和工作人員正?；顒?dòng)。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)建立

以某重點(diǎn)鐵路運(yùn)營(yíng)線區(qū)域自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，以北斗高性能服務(wù)平臺(tái)為支撐，重點(diǎn)完成重點(diǎn)鐵路運(yùn)營(yíng)區(qū)域表面位移監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)等功能的設(shè)計(jì)，并在相關(guān)區(qū)域部署監(jiān)測(cè)設(shè)備。

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)計(jì)

在重點(diǎn)鐵路運(yùn)營(yíng)區(qū)域布設(shè)GNSS 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)8 個(gè)，在鐵路運(yùn)營(yíng)區(qū)附近土質(zhì)緊致、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的點(diǎn)位設(shè)置基準(zhǔn)站2 個(gè)，其中基準(zhǔn)站觀測(cè)采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)；在運(yùn)營(yíng)區(qū)周邊臨近位置布設(shè)深部位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4 套（每套均由4 個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備組成）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)1 套（由4 個(gè)攝像頭構(gòu)成），GNSS 監(jiān)測(cè)站如圖2 所示。

圖2 GNSS監(jiān)測(cè)站

3.2 視頻監(jiān)控設(shè)備建設(shè)

視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)安裝在監(jiān)視目標(biāo)附近、不易受外界損傷的地方，不影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、鐵路運(yùn)營(yíng)和工作人員正?；顒?dòng)。攝像機(jī)鏡頭應(yīng)從光源方向?qū)?zhǔn)監(jiān)視目標(biāo)，避免受強(qiáng)光直射。攝像機(jī)采用75Ω-5 同軸視頻電纜，云臺(tái)控制箱與視頻矩陣主機(jī)之間連線采用2 芯屏蔽通訊線纜（RVVP）或3 類雙絞線。云臺(tái)安裝時(shí)按攝像監(jiān)視范圍決定云臺(tái)旋轉(zhuǎn)方位，旋轉(zhuǎn)死角處在支、吊架和引線電纜一側(cè)。電動(dòng)云臺(tái)重量大，考慮其轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，支撐的支、吊架安裝要牢固可靠，旋轉(zhuǎn)時(shí)不能發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象。解碼器安裝在離攝像機(jī)不遠(yuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，安裝不要明顯。

3.3 傳感器部署

為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)鐵路的穩(wěn)定性，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用傳感器采集重點(diǎn)鐵路段水位、雨量、浸潤(rùn)線等相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析。

（1）水位監(jiān)測(cè)

選擇雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，雷達(dá)水位計(jì)是利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備，主要用來(lái)進(jìn)行水利監(jiān)測(cè)、污水處理和防洪預(yù)警等，主要測(cè)量原理是從雷達(dá)水位傳感天線發(fā)射雷達(dá)脈沖，天線接收從水面反射回來(lái)的脈沖，并記錄時(shí)間T，由于電磁波的傳播速度C是個(gè)常數(shù)，從而得出到水面的距離D。

（2）雨量監(jiān)測(cè)

利用降雨量遙測(cè)儀對(duì)降雨量實(shí)時(shí)遙測(cè)，并基于翻斗式雨量計(jì)工作原理，集成了無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。選擇的降雨量遙測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，無(wú)需人工干預(yù)；可隨時(shí)隨地獲取降水量，及時(shí)性強(qiáng)；還可自動(dòng)獲取降水強(qiáng)度信息，自動(dòng)保存降雨量資料。

（3）浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)

地下水位監(jiān)測(cè)儀是一款高精度、大量程、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的地下水位綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由高精度水位、水溫傳感器組成，可實(shí)現(xiàn)地下水位、水溫、高精度一站式測(cè)量。

3.4 功能實(shí)現(xiàn)

（1）登錄模塊

系統(tǒng)授權(quán)給登錄用戶，針對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行不同的配置，選擇不同重點(diǎn)區(qū)域即進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)，監(jiān)控目標(biāo)區(qū)域及周邊情況、各位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀況。

（2）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模塊

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模塊與傳感器連接，直接控制傳感器端數(shù)據(jù)的采集，有開(kāi)始、結(jié)束功能鍵；可根據(jù)需求設(shè)置傳感器采集頻率、采集點(diǎn)位，手動(dòng)采集與自動(dòng)采集可自由切換。

（3）預(yù)警報(bào)警模塊

預(yù)警報(bào)警模塊是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要功能之一，可提前預(yù)設(shè)預(yù)警臨界值。采集的數(shù)值可自動(dòng)計(jì)算和分析，當(dāng)達(dá)到預(yù)警臨界值時(shí)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接報(bào)警，并對(duì)形變值較大區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注警示。預(yù)警報(bào)警模塊啟用后，發(fā)生符合條件的預(yù)警時(shí)會(huì)在監(jiān)測(cè)平臺(tái)桌面彈出預(yù)警窗口，并開(kāi)始循環(huán)播放預(yù)設(shè)的預(yù)警音頻，直到用戶主動(dòng)關(guān)閉預(yù)警窗口。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)管理

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與屬性、視頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，包括監(jiān)測(cè)站點(diǎn)查詢、站點(diǎn)屬性查詢、歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、預(yù)警值設(shè)置等功能。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢主要將位移監(jiān)測(cè)站點(diǎn)各傳感器的數(shù)據(jù)調(diào)出，查看點(diǎn)位數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并制作監(jiān)測(cè)二維分析圖；預(yù)警報(bào)警查詢能定向輸入時(shí)間段內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)的不同監(jiān)測(cè)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表導(dǎo)出功能。

3.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行GNSS 位移平差解算，同步環(huán)、異步環(huán)均解算合格，且基線處理均能固定，再進(jìn)行二維約束平差求解，單位權(quán)中誤差為0.095mm，點(diǎn)位中誤差最大值為0.31mm。選取GNSS 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采集的位移數(shù)據(jù)，與人工實(shí)測(cè)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析沉降曲線。以監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2 與監(jiān)測(cè)站點(diǎn)5 為例，選取2021 年自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行形變精度分析，形變量變化曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2與人工測(cè)量精度對(duì)比

圖4 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)5與人工測(cè)量精度對(duì)比

由圖可知，將GNSS 自動(dòng)化2 號(hào)和5 號(hào)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采集數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，正值表示正偏移即凸起，負(fù)值表示負(fù)偏移即下沉，整體沉降變化趨勢(shì)相同，且監(jiān)測(cè)數(shù)值相差較小，其中監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2 與人工測(cè)量相差最大值為3.1mm，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)5 與人工測(cè)量相差最大值為4.7mm。人工測(cè)量數(shù)值普遍要比監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采集的數(shù)值小。

為進(jìn)一步驗(yàn)證GNSS監(jiān)測(cè)位移精度，采用徠卡0.5″全自動(dòng)機(jī)器人對(duì)布置點(diǎn)位基線進(jìn)行實(shí)測(cè)，同解算基線進(jìn)行比較[8,9]，具體測(cè)量位移對(duì)比統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 監(jiān)測(cè)位移精度統(tǒng)計(jì)

由表1 可知，抽取8 個(gè)站點(diǎn)相鄰位移量，與全自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，GNSS 位移監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相比誤差較小，在兩者較差限差內(nèi)，鐵路運(yùn)營(yíng)線坡體整體比較穩(wěn)定，滿足安全運(yùn)營(yíng)要求。根據(jù)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)施方案，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用了8 臺(tái)設(shè)備，全天候無(wú)人操作作業(yè)，大大提高了工作效率。

4 結(jié)論

本文闡述了重點(diǎn)鐵路運(yùn)營(yíng)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集端、通訊傳輸端、終端數(shù)據(jù)處理分析、系統(tǒng)平臺(tái)，完成位移監(jiān)測(cè)與視頻監(jiān)控的智能化、信息化管理，并得出以下結(jié)論：

（1）在重點(diǎn)鐵路運(yùn)營(yíng)區(qū)域建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不僅提高了管理和監(jiān)測(cè)效率，還保障了數(shù)據(jù)的客觀性，為鐵路安全運(yùn)營(yíng)提供真實(shí)的數(shù)據(jù)支撐；

（2）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定制登錄、實(shí)時(shí)查詢、預(yù)警報(bào)警、報(bào)表導(dǎo)出等多種功能，便于管理與決策；

（3）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用GNSS 位移監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)精度分析，位移監(jiān)測(cè)精度滿足監(jiān)測(cè)要求，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，基于重點(diǎn)鐵路運(yùn)營(yíng)區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立，提高了監(jiān)測(cè)與管理效率，符合監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，為業(yè)內(nèi)相關(guān)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)案例提供了借鑒，但是對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提高預(yù)警報(bào)警的精度還需進(jìn)一步研究。