摘 要：山區(qū)鐵路沿線崩塌落石災(zāi)害頻發(fā)，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)崩塌落石事件并發(fā)出報(bào)警信息，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全具有重要的意義。通常在一些危巖落石高發(fā)地段會(huì)設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截滾石，然而該方式并不能完全防止落石上道。為確?！奥涫簧系溃系啦蛔曹嚒?，迫切需要研發(fā)一套無人值守、全天候?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鐵路沿線被動(dòng)網(wǎng)落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文研發(fā)一種基于三軸MEMS無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的被動(dòng)網(wǎng)落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過前端感知振動(dòng)并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行邊緣計(jì)算處理得到最大加速度值，并調(diào)用攝像頭對(duì)發(fā)生振動(dòng)的被動(dòng)網(wǎng)預(yù)置點(diǎn)進(jìn)行拍照，將最大加速度值和攝像頭拍攝到的照片上傳至服務(wù)器；最后由服務(wù)器及時(shí)推送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)了鐵路沿線被動(dòng)網(wǎng)落石的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)功能。工程實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能滿足鐵路邊坡崩塌落石自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的需求，該研究成果可應(yīng)用于鐵路、公路危巖落石自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：測(cè)振儀；振動(dòng)監(jiān)測(cè)；無線自組網(wǎng)；崩塌落石；邊緣計(jì)算；報(bào)警推送

中圖分類號(hào)：TP23；TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）03-00-05

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家，尤其是西南地區(qū)山地面積約占40%。山區(qū)鐵路沿線危巖崩塌落石是威脅鐵路行車安全的一個(gè)主要因素[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，老成昆鐵路危巖落石近500處，崩塌100多處，沿線崩塌落石分布地段廣、數(shù)量多。2007年11月20日宜萬鐵路高陽寨隧道洞口發(fā)生巖崩，造成31死

1傷的安全事故。2009年7月29日焦柳線1347次旅客列車運(yùn)行到廣西境內(nèi)柳城縣時(shí)突遇坍塌落石，導(dǎo)致列車脫軌，造成4名旅客死亡，71名旅客受傷，焦柳鐵路中斷行車。2016年6月27日渝懷鐵路核桃園站因連續(xù)降雨發(fā)生山體崩塌，導(dǎo)致途經(jīng)該段的14趟旅客列車運(yùn)行受到影響，造成5 040名旅客出行受阻。2019年8月16日，成昆鐵路涼紅至埃岱站間，數(shù)萬方的高位山體邊坡發(fā)生崩塌，造成線路中斷、17名工人失聯(lián)[2]。2020年6月7日貴廣線D1862次列車在懷集站至賀州站間被落石堵住，突然剎車導(dǎo)致脫軌，造成司機(jī)受傷。2020年8月2日，成昆鐵路漢源至關(guān)村壩站區(qū)段發(fā)生巖體高位崩塌，出現(xiàn)落石上道，造成該區(qū)段封鎖。此類事件不可勝數(shù)。國(guó)家鐵路局于2020年發(fā)布的《高速鐵路周界入侵報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）中明確提出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)多源前端探測(cè)設(shè)備發(fā)送的報(bào)警信息進(jìn)行綜合分析的能力。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)崩塌落石事件并發(fā)出報(bào)警信息，對(duì)于鐵路運(yùn)營(yíng)安全具有極其重要的作用[3-5]。

針對(duì)山區(qū)鐵路落石頻發(fā)的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)落石監(jiān)測(cè)開展了大量研究。譚冬生等人[6]采用分布式光纖傳感技術(shù)，將光纖敷設(shè)于被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)上，監(jiān)測(cè)落石、崩塌的發(fā)生，通過各個(gè)光纖光柵振動(dòng)傳感器感受沖擊信號(hào)的時(shí)間先后來判定防護(hù)柵欄受到?jīng)_擊的位置。趙樹學(xué)等人[7]采用紅外激光三維精密測(cè)量技術(shù)，通過對(duì)鐵路危巖落石監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行非接觸式連續(xù)掃描，能夠快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)落石目標(biāo)，并具備對(duì)目標(biāo)物的辨識(shí)能力。然而光纖布線困難且容易被損壞，紅外激光容易受天氣影響，且成本較高。

因此本文立足工程化需求，設(shè)計(jì)了一款基于MEMS集振動(dòng)加速度采集、處理與無線自組網(wǎng)傳輸一體化的小型裝

置[8]，本文稱之為無線自組網(wǎng)測(cè)振儀，簡(jiǎn)稱為測(cè)振儀，構(gòu)建了可用于被動(dòng)網(wǎng)落石振動(dòng)的長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在鐵路沿線落石沖擊被動(dòng)網(wǎng)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被動(dòng)網(wǎng)的振動(dòng)情況，并輸出報(bào)警信號(hào)通知維護(hù)人員及時(shí)查看，可避免崩塌落石上道威脅行車安全，確保“落石不上道，上道不撞車”的監(jiān)測(cè)目標(biāo)。該裝置將加速度信號(hào)感知、處理與傳輸?shù)裙δ苓M(jìn)行集成設(shè)計(jì)，使整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加小型化，更利于現(xiàn)場(chǎng)快速施工安裝。

1 被動(dòng)網(wǎng)落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足被動(dòng)網(wǎng)落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)于振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)及應(yīng)用展示的要求，系統(tǒng)架構(gòu)分為信號(hào)感知及處理層、數(shù)據(jù)傳輸及控制層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及應(yīng)用展示層（如圖1所示），實(shí)現(xiàn)對(duì)被動(dòng)網(wǎng)落石沖擊的精準(zhǔn)采集、有效處理、可靠傳輸、集中存儲(chǔ)、報(bào)警信息及時(shí)推送與數(shù)據(jù)可視化展示等功能。

以無線自組網(wǎng)振動(dòng)儀為感知探測(cè)前端，將無線自組網(wǎng)測(cè)振儀安裝于被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)之上，當(dāng)被動(dòng)網(wǎng)受到落石沖擊而產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，安裝其上的無線自組網(wǎng)測(cè)振儀就會(huì)隨之振動(dòng)立即產(chǎn)生振動(dòng)報(bào)警信號(hào)，并聯(lián)動(dòng)對(duì)應(yīng)區(qū)域的攝像頭調(diào)用相應(yīng)的預(yù)置點(diǎn)拍照，最后將無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的最大加速度值以及攝像頭拍攝到的對(duì)應(yīng)照片立即上傳至服務(wù)器，并由服務(wù)器將報(bào)警信息及時(shí)推送至用戶監(jiān)測(cè)終端。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的信號(hào)采集終端采用的硬件平臺(tái)核心MCU是基于Cortex-M4內(nèi)核的超低功耗微控制器STM32L476，無線自組網(wǎng)測(cè)振儀還集成三軸MEMS加速度傳感器、太陽能電池模塊、電源模塊、LoRa無線自組網(wǎng)模塊等，具體組成原理框圖如圖2所示。

采用三軸MEMS加速度傳感器ADXL345作為振動(dòng)信號(hào)感知芯片來采集監(jiān)測(cè)環(huán)境周圍的加速度值。ADXL345適用范圍廣，可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度；其高分辨率（3.9 mg/LSB）能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化；還提供活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能，通過比較任意軸上的加速度值與設(shè)置的閾值來判斷有無振動(dòng)發(fā)生。

太陽能電池模塊中太陽能控制器的功耗直接影響系統(tǒng)整體功耗，通過改進(jìn)現(xiàn)有太陽能控制器充放電策略來降低系統(tǒng)整體功耗。優(yōu)化后的充放電策略通過電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能板的輸出電壓，該電壓與鋰電池組電壓通過一個(gè)電壓比較電路進(jìn)行比較，控制太陽能控制器開關(guān)電路動(dòng)作。優(yōu)化后的充放電控制策略可以減少太陽能控制器在光照不足情況下的自身損耗，達(dá)到延長(zhǎng)電池續(xù)航的目的。

無線自組網(wǎng)測(cè)振儀采用470 MHz LoRa無線自組網(wǎng)通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該無線自組網(wǎng)通信模塊基于美國(guó) Semtech公司生產(chǎn)的全新一代超低功耗射頻芯片，采用全新的無線自組網(wǎng)調(diào)制技術(shù)，其抗干擾性能強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)[9]。

2.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

無線自組網(wǎng)測(cè)振儀作為被動(dòng)網(wǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要解決山區(qū)鐵路沿線落石沖擊被動(dòng)網(wǎng)時(shí)，通過實(shí)時(shí)感知振動(dòng)，發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)能夠在無市電能源補(bǔ)給條件下，長(zhǎng)期穩(wěn)定工作?；贛EMS的無線自組網(wǎng)測(cè)振儀集成加速度信號(hào)感知、加速度閾值可動(dòng)態(tài)設(shè)置等功能，實(shí)現(xiàn)在無振動(dòng)發(fā)生時(shí)深度休眠，在落石沖擊后實(shí)時(shí)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制[10]，解決低功耗能源管理與實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)感知之間的相互沖突。

如圖3所示，無線自組網(wǎng)測(cè)振儀常處于待機(jī)休眠狀態(tài)，具備兩種喚醒機(jī)制：振動(dòng)觸發(fā)和定時(shí)觸發(fā)。振動(dòng)觸發(fā)即在感受到外部振動(dòng)并任一軸的加速度值超過設(shè)定的閾值時(shí)，MEMS加速度傳感器ADXL345通過主動(dòng)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)喚醒主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。定時(shí)觸發(fā)即定時(shí)時(shí)間達(dá)到時(shí)，主控芯片自動(dòng)喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。具體的嵌入式軟件工作流程如下：

（1）無線自組網(wǎng)測(cè)振儀待機(jī)休眠，等待外部振動(dòng)觸發(fā)或定時(shí)觸發(fā)；

（2）外部振動(dòng)觸發(fā)或定時(shí)觸發(fā)后，設(shè)備被喚醒；

（3）若是通過振動(dòng)方式喚醒設(shè)備，則立即調(diào)用攝像頭相應(yīng)預(yù)置點(diǎn)拍照，同時(shí)采集一段時(shí)間各軸加速度值，邊緣計(jì)算處理得到各軸最大加速度值，然后上傳各軸最大加速度值和攝像頭所拍攝的相應(yīng)照片；

（4）若是通過定時(shí)喚醒，則定時(shí)采集一次各軸加速度值，然后上傳加速度數(shù)據(jù)；

（5）服務(wù)器收到定時(shí)喚醒方式上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后直接將該數(shù)據(jù)推送至客戶端顯示。服務(wù)器收到振動(dòng)喚醒方式上傳的報(bào)警信息后立即推送報(bào)警信息并在客戶端顯示。

無線自組網(wǎng)測(cè)振儀用于落石振動(dòng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，在有落石沖擊被動(dòng)網(wǎng)時(shí)，設(shè)備才會(huì)被觸發(fā)喚醒工作并聯(lián)動(dòng)攝像頭拍照，同時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，其余時(shí)間處于休眠狀態(tài)，以降低設(shè)備功耗。

2.2.1 MCU低功耗控制

為延長(zhǎng)無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的使用時(shí)間，需對(duì)其MCU進(jìn)行低功耗控制。在實(shí)際應(yīng)用中，通常MCU在絕大部分時(shí)間都處于空閑狀態(tài)，在空閑狀態(tài)MCU可以進(jìn)入深度睡眠模式，關(guān)閉絕大部分功能，從而大幅降低功耗。另外系統(tǒng)時(shí)鐘頻率對(duì)功耗的影響也非常大，合理控制系統(tǒng)時(shí)鐘頻率也可以較大幅度地降低系統(tǒng)功耗。通過采用低功耗控制技術(shù)，無線自組網(wǎng)測(cè)振儀內(nèi)置10 Ah鋰電池在無外部能量供給的情況下續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3年。

MCU在空閑狀態(tài)下進(jìn)入低功耗休眠模式是降低系統(tǒng)功耗的一種重要手段。應(yīng)用中使用的操作系統(tǒng)采用基于時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的搶占式任務(wù)調(diào)度機(jī)制，當(dāng)MCU在執(zhí)行IDLE（空閑）任務(wù)時(shí)，使其進(jìn)入低功耗休眠模式，并盡可能使系統(tǒng)更長(zhǎng)時(shí)間停留在低功耗休眠模式中，在適當(dāng)?shù)臈l件下再通過定時(shí)中斷或者外部振動(dòng)觸發(fā)事件喚醒MCU執(zhí)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸任務(wù)。

降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率也是降低功耗可以考慮的方面。時(shí)鐘是系統(tǒng)中頻率最高的信號(hào)，其功耗之高是不容置疑的。考慮應(yīng)用需求，將系統(tǒng)設(shè)置為不同的工作模式，加入時(shí)鐘控制模塊，在不同的工作模式下選用不同頻率的時(shí)鐘。通過程序配置可以使系統(tǒng)在不同的工作模式下選用不同頻率的時(shí)鐘，在喚醒后的工作模式下使用高速晶振HIS（內(nèi)部高速晶振16 MHz）作為時(shí)鐘源以便系統(tǒng)迅速執(zhí)行工作任務(wù)；在空閑時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗休眠模式時(shí)將系統(tǒng)時(shí)鐘配置成低速時(shí)鐘LSI（內(nèi)部低速晶振37 kHz），從而較大地節(jié)省了系統(tǒng)在低功耗休眠模式下的功耗。

2.2.2 RTC定時(shí)喚醒數(shù)據(jù)采集

為便于確定無線自組網(wǎng)測(cè)振儀是否存活且正常工作，在無振動(dòng)觸發(fā)時(shí)定時(shí)喚醒設(shè)置每天兩次（每次喚醒間隔12 h），周期性地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，為滿足功耗要求選擇RTC定時(shí)喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。STM32L476系列MCU的RTC模塊是一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器。該模塊擁有一組連續(xù)計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，在相應(yīng)軟件配置下，可提供時(shí)鐘日歷的功能。修改計(jì)數(shù)器的值可以重新設(shè)置系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間和日期。RTC還可以配置鬧鐘事件使MCU退出低功耗待機(jī)模式。本文采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC定時(shí)器產(chǎn)生的中斷將STM32L476從低功耗待機(jī)模式下周期性定時(shí)喚醒。

STM32L476的RTC外設(shè)，實(shí)質(zhì)是一個(gè)掉電后還繼續(xù)運(yùn)行的定時(shí)器，具備計(jì)時(shí)和觸發(fā)中斷的功能，還具備掉電后繼續(xù)運(yùn)行的特性。在低功耗待機(jī)模式下RTC仍然處于工作狀態(tài)，可編程自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器（WUTR寄存器）產(chǎn)生喚醒信號(hào)，使MCU退出睡眠和深度睡眠等低功耗模式，開始振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。數(shù)據(jù)傳輸完成后無線自組網(wǎng)測(cè)振儀自動(dòng)進(jìn)入低功耗待機(jī)休眠模式，等待下一次RTC定時(shí)喚醒或被動(dòng)網(wǎng)振動(dòng)觸發(fā)喚醒。

2.2.3 基于信號(hào)強(qiáng)度的多基站冗余節(jié)點(diǎn)管理技術(shù)

為提高無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性，本文采用基于信號(hào)強(qiáng)度的多基站冗余節(jié)點(diǎn)管理技術(shù)，即通過多個(gè)基站實(shí)時(shí)監(jiān)聽各無線自組網(wǎng)測(cè)振儀發(fā)出的數(shù)據(jù)。LoRa無線自組織網(wǎng)絡(luò)憑借其輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而無線信號(hào)的傳播會(huì)伴隨著能量的衰減，包括路徑損耗和穿透損耗，大大限制了LoRa無線自組網(wǎng)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于信號(hào)強(qiáng)度的多基站冗余節(jié)點(diǎn)管理技術(shù)，該技術(shù)主要內(nèi)容如下：

（1）針對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸易受環(huán)境噪聲干擾導(dǎo)致傳輸失敗問題，采用三次重傳握手方法，通過確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制，提高無線數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

（2）為提高系統(tǒng)冗余性，加大無線覆蓋范圍，采用多個(gè)基站節(jié)點(diǎn)布設(shè)。從節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無線數(shù)據(jù)，能夠同時(shí)被多臺(tái)基站節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)不丟失。

（3）為降低傳輸過程中無線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送過程產(chǎn)生的碰撞概率，采用多基站監(jiān)聽，單信號(hào)質(zhì)量最優(yōu)基站進(jìn)行三次握手應(yīng)答機(jī)制。通過減少無線收發(fā)次數(shù)，降低無線傳輸可能存在的碰撞概率。

無線自組網(wǎng)測(cè)振儀設(shè)備節(jié)點(diǎn)依防護(hù)網(wǎng)的位置而布設(shè)，因此在連綿山脈陡峭的位置布設(shè)距離可能超過3 km，同時(shí)山巒起伏地形復(fù)雜、樹木叢生使得無線信號(hào)傳輸易受遮擋。通過布設(shè)多臺(tái)基站接收無線自組網(wǎng)測(cè)振儀發(fā)出的振動(dòng)數(shù)據(jù)，不僅能解決無線長(zhǎng)距離傳輸困難問題，同時(shí)在信號(hào)遮擋嚴(yán)重的重點(diǎn)區(qū)域通過加強(qiáng)布設(shè)基站解決信號(hào)遮擋難題，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)冗余性，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3 信號(hào)采集精度測(cè)試

為了測(cè)試無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的采集精度，將無線自組網(wǎng)測(cè)振儀通過試驗(yàn)夾具固定于標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，X軸方向垂直地面。給振動(dòng)臺(tái)施加不同頻率和振幅的正弦波信號(hào)（y=Acos（wt+ψ），其中A為標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)設(shè)定的振幅）。無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的高速數(shù)據(jù)傳輸接口通過網(wǎng)線與工控機(jī)連接，測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入工控機(jī)。

本次測(cè)試設(shè)定振動(dòng)臺(tái)頻率為15 Hz，并按正弦規(guī)律振動(dòng)，無線自組網(wǎng)測(cè)振儀與標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)一起振動(dòng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原理框圖如圖4所示，振動(dòng)控制器發(fā)出控制信號(hào)到功率放大器，在功率放大器的驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)臺(tái)按照振動(dòng)控制器設(shè)定的參數(shù)振動(dòng)。

通過振動(dòng)控制器設(shè)置振動(dòng)臺(tái)的加速度振幅在0.2～1.5g范圍內(nèi)變化，振動(dòng)頻率固定為15 Hz，并按正弦規(guī)律振動(dòng)，工控機(jī)收到的無線自組網(wǎng)測(cè)振儀采集的加速度信號(hào)見表1所列。從測(cè)試結(jié)果可以看出，無線自組網(wǎng)測(cè)振儀可準(zhǔn)確測(cè)量出標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的加速度頻率和幅值。

2.4 報(bào)警信息推送

當(dāng)落石沖擊防護(hù)網(wǎng)時(shí)，MEMS加速度傳感器感知到的最大振動(dòng)加速度大于設(shè)定的閾值后立即喚醒無線自組網(wǎng)測(cè)振儀進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和邊緣計(jì)算處理分析，同時(shí)立即聯(lián)動(dòng)視頻攝像頭調(diào)用相應(yīng)預(yù)置點(diǎn)進(jìn)行拍照，并將邊緣計(jì)算處理得到的各軸最大加速度數(shù)據(jù)結(jié)果通過470 MHz LoRa無線自組網(wǎng)通信的方式傳輸至各監(jiān)聽基站，基站收到數(shù)據(jù)后立即將無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的數(shù)據(jù)與攝像頭拍攝到被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)振動(dòng)發(fā)生位置處的圖片轉(zhuǎn)發(fā)給DTU和4G路由器，通過DTU和4G路由器上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器；服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后立即將含最大加速度值和現(xiàn)場(chǎng)攝像頭拍攝到的對(duì)應(yīng)位置防護(hù)網(wǎng)的照片以短信的方式推送至用戶手機(jī)，同時(shí)在用戶監(jiān)測(cè)終端及時(shí)推送聲光報(bào)警彈窗提醒用戶查看報(bào)警信息。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

無線自組網(wǎng)測(cè)振儀由于具備對(duì)落石沖擊防護(hù)網(wǎng)事件監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、安裝方便、功耗超低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于渝懷線、大瑞線、大臨線等多條鐵路干線多個(gè)隧道進(jìn)出口邊坡危巖落石監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。本文以無線自組網(wǎng)測(cè)振儀在渝懷線某隧道出口危巖落石自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用為例進(jìn)行闡述。

渝懷鐵路某隧道出口仰坡山體高差210 m，邊坡坡度80°，山體陡峻，基巖裸露，植被較少發(fā)育。段內(nèi)巖層緩傾，陡傾卸荷裂隙發(fā)育，上部陡崖處節(jié)理裂隙多呈張開狀，受層理、節(jié)理裂隙的相互切割，形成危巖體，部分危巖體已呈倒懸，危巖體將以傾倒、墜落方式下落，極易發(fā)生崩塌落石災(zāi)害，嚴(yán)重威脅行車安全。為了降低危巖落石崩塌上道的風(fēng)險(xiǎn)，確保列車運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)渝懷線某隧道出口等重點(diǎn)區(qū)域開展危巖落石自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，輔助相關(guān)部門進(jìn)行列車安全運(yùn)營(yíng)管理。在該隧道出口處的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)立柱上通過夾具安裝無線自組網(wǎng)測(cè)振儀，對(duì)落石沖擊防護(hù)網(wǎng)事件開展自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)落石撞擊防護(hù)網(wǎng)事件與立柱變化情況的實(shí)時(shí)感知。無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的布置平面圖如圖5所示，振動(dòng)設(shè)備與視頻聯(lián)動(dòng)形式如圖6所示，無線自組網(wǎng)測(cè)振儀現(xiàn)場(chǎng)安裝照片及實(shí)物如圖7所示。

2022年3月16日12時(shí)15分無線自組網(wǎng)測(cè)振儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到一起落石沖擊被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)事件，并及時(shí)推送報(bào)警信息。報(bào)警信息截圖如圖8（a）所示，現(xiàn)場(chǎng)人員確認(rèn)照片如圖8（b）所示。

經(jīng)相關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn)，有近5 m3落石撞擊被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，導(dǎo)致防護(hù)網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重變形。由于無線自組網(wǎng)測(cè)振儀及時(shí)報(bào)警，相關(guān)人員及時(shí)清理落石和修理防護(hù)網(wǎng)，未危及行車安全。

4 結(jié) 語

針對(duì)山區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)安全極易受崩塌落石影響的問題，本文明確了被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求，研發(fā)了基于無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的被動(dòng)網(wǎng)落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲得結(jié)論如下：

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)精準(zhǔn)。無線自組網(wǎng)測(cè)振儀不僅能實(shí)時(shí)感知防護(hù)網(wǎng)振動(dòng)，還具備邊緣計(jì)算功能，實(shí)時(shí)處理感知到的振動(dòng)信號(hào)，降低了無線傳輸數(shù)據(jù)量，減輕了中心服務(wù)器數(shù)據(jù)處理壓力。

（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。采用冗余多基站節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)冗余性，基于信號(hào)強(qiáng)度的多基站冗余節(jié)點(diǎn)管理選擇單信號(hào)質(zhì)量最優(yōu)基站進(jìn)行三次握手應(yīng)答機(jī)制，降低傳輸中無線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸產(chǎn)生的碰撞概率。

（3）超低功耗保障系統(tǒng)超長(zhǎng)續(xù)航。采用充放電管理、降頻、低功耗深度休眠、振動(dòng)觸發(fā)喚醒、RTC定時(shí)喚醒等策略，節(jié)約系統(tǒng)工作能耗，延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間（在無外部能量供給的情況下續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3年）。

綜上所述，本文提出的基于無線自組網(wǎng)測(cè)振儀的被動(dòng)網(wǎng)落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特別適用于山區(qū)鐵路沿線崩塌落石災(zāi)害監(jiān)測(cè)，具有高效、穩(wěn)定可靠、成本低廉等特點(diǎn)，可以多點(diǎn)同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障崩塌落石頻發(fā)地段的鐵路運(yùn)營(yíng)安全，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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楊 森（1992—），男，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與處理。

鄒文露（1990—），女，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。

劉 勇（1988—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殍F路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警與評(píng)估。

虞 凱（1982—），男，博士，正高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殍F路通信與電磁兼容設(shè)計(jì)。