宜万铁路危岩落石监测预警系统

夏洪峰

（武汉铁路局工务处 武汉 430071）

0 引言

宜万铁路东起鸦宜铁路宜昌东站，西至达万铁路万州站，铁路沿途穿越地质条件极为复杂的喀斯特地貌山区，其中铁路隧道、桥梁占线路总长的74%，是世界铁路建设史上桥隧比例最高的铁路，其中隧道口危岩落石对铁路行车安全构成重大威胁。

考虑到铁路沿线的喀斯特地质地貌和隧道口危岩的山区线路现场因素，工程防治防护手段不能完全解除危岩落石的威胁，因此，轨面和行车界限内的落石监测防护成为保障行车安全的最后一道屏障。

根据宜万铁路现场的环境特点，采用高频红外激光扫描成像、振动波检测和目标类型智能分析的多种技术方法，提高工程设计的技术手段，提出适应宜万铁路现场环境的能够完备监测各种类型的落石险情的检测方法，为宜万铁路行车安全提供全天候自动监测和实时预警。

1 检测技术

1.1 危岩落石监测系统的技术需求

宜万铁路客运列车较多，车速较高，危岩落石监测预警系统需要在全天候、全气象条件下对各种类型的落石灾害迅速发出报警，并通过主动实时视频的方式向相关值班人员提供完整的报警信息，由值班员根据现场情况及时处置报警。如果系统发生漏报，会直接危及行车安全；如果发生误报，又会导致铁路资源不能高效分配，因此极低的漏报率和误报率是系统在检测技术上的最大挑战。

1.2 既有监测技术

目前常用的监测方法有视频分析方法［1－2］、红外激光轨面扫描成像方法［3－4］和光纤光栅振动探测方法［5－7］，3种方法经多年的研究，已形成了应用系统，且进行了小规模的试应用，其特点可以概况如下。

2）红外激光轨面扫描成像方法。此方法使用红外激光发射、探测和成像器材对轨面安全高度进行扫描，通过三角测量方法或飞行时间测距方法发现超过安全高度的异物截面轮廓。此方法在夜间和恶劣天气下能够有效工作，但仍然会受到杂物、飞鸟和动物的干扰，且无法有效检测落石撞击导致轨枕损伤和穿过行车界限的障碍目标。

3）光纤光栅振动探测方法。此方法的基本原理是通过轨枕传递的振动信号特征来检测危岩落石，并对撞击位置进行定位。其主要优点是可以全天候工作，不受杂物干扰，缺陷是崩塌落石撞击产生的振动信号受线路和地质条件影响较大，难于精确建模，防误报和防漏报能力无法估计。此外，该方法需要在轨枕上安装光纤，进行日常工务作业时需要拆卸和重新安装，实际应用存在严重困难。

1.3 信息融合监测方法

视频分析方法和断面扫描成像方法都基于危岩落石目标的外部形态及运动特征；光纤光栅振动探测方法则是基于崩塌落石产生的振动信号特征。在发生落石时，这两类特征或强或弱都会出现，且有着很高的时空域相关性，即会在较短时间间隔内和较近的空间范围内发生；同时，主要的误报因素中，这2 类特征基本不会同时同地出现。比如落在轨枕上的大型飞鸟，其外形和运动特征与崩塌落石相符，但不具备振动特征；这启发我们采用基于多信息融合的检测方法，来大幅度同时降低的漏报率和误报率，提高检测的有效性。为此，采用了红外激光轨面扫描成像检测和非接触式振动波信号检测相融合的技术体系，见图1。

图1 基于信息融合的监测技术体系Fig.1 Infrastructure of information－fusion－based surveillance system

信息融合是1种多层次的、多方面的处理过程，这个过程是对多源数据进行检测、结合、相关、估计和组合以达到精确的状态估计和身份估计，以及完整、及时的态势评估和威胁估计，按照这一定义，多传感器系统是信息融合的硬件基础，多源信息是信息融合的加工对象，协调优化和综合处理是信息融合的核心［8］。

信息融合作为1种信信综合和处理技术，实际上是许多传统学科和新技术的集成和应用。为了进行信息融合，所采用的信息表示及处理方法均来自这些领域，融合的基本功能是相关、估计和识别，重点是估计和识别。

1）红外激光轨面扫描成像信息的数学模型采用卡尔曼滤波［9］：

式中：xk｜k－1为k时刻状态的估计；Pk｜k为误差相关矩阵；Fk为在xk－1的状态变换模型；uk为控制模型；Bk为控制器uk的输入；wk为系统过程噪声。

2）非接触式振动波信号检测信息的数学模型采用最大似然估计［10］：

二是建立食品药品安全监管机制。学校成立了食品药品安全工作站，其是履行食品药品监督管理主体责任的组织协调与办事机构，挂靠在后勤集团，下设办公室，按照学校设领导机构，机关处（室）为成员单位，附属单位设监管人员，实行网格化管理。工作站严格落实划区分片、建档造册、定期检查、专项整治和严肃问责等制度，实施全员监督、全时监控、全面覆盖，积极主动配合学校和洪山区食品药品监管局、武昌区食品药品监管局及所属食药所做好食品安全方面的有关工作。

式中：xn为采样数据；fD为概率聚集函数；θ为分布参数。

2 系统实现

2.1 系统组成

基于红外激光轨面扫描成像和非接触式振动波信号检测和定位这2项技术的宜万铁路危岩落石监测预警系统的系统组成见图2。其中：

图2 宜万铁路危岩落石监测预警系统组成Fig.2 Structure of rockfall hozard surveillance system for yiwan railway

1）平面扫描监测分析系统。发射并探测行车界限内的疑似障碍物反射的红外激光，主要完成目标的发现、跟踪和辨识。

2）振动波检测系统。采用安装在行车界限外的振动波传感器探测落石撞击轨枕时产生的振动波，通过频谱分析监测轨枕状态，发现轨枕断裂、扭曲等异常情况。

3）核心控制系统。完成探测融合，做出报警判定，发出各种报警命令和告警信息，执行系统设备的配置、管理和相关数据的传输、处理、存储以及系统的故障诊断。

4）数据传输系统。工业以太网，支撑各个子系统之间的通信。

5）微光夜视视频系统。实现现场实时图像的全天候采集，并能够通过数据传输系统将现场图像传送至监控中心。

6）后备电源保护系统。负责为系统提供备用电源保护，保障断电后的系统运行，可以采用贯通电或牵引电供电。

2.2 系统运行情况

2011～2012年，在宜万铁路9个险情较为严重的桥隧相连防洪点安装了该危岩落石监测系统。系统主要功能包括：

1）系统监测隧道口可能发生的各种障碍物和落石险情。

2）对于不会危及行车安全的小型落物如纸盒、树枝等杂物，系统发出工务报警。

3）对于可能危及行车安全的险情，系统同时发出行车报警和工务报警。

4）工务报警方式为短信、Internet网络图片以及远程实时视频。

5）系统配置的激光夜视成像系统能够对线路险情点进行聚焦和放大，在全天候和全气象条件下提供的清晰、完整的图片和视频信息，便于工务防洪部门准确估计险情的规模和严重程度并组织抢险。

通过近1年的实际运行，在例行的维护过程中共进行了54次大小不同的模拟落石实验，系统均能正常报警；系统在行车界限内发现疑似障碍物共计25次，分别由大面积工务施工和大型飞鸟引发，由于障碍物都不具备有效的振动波信号特征，因此并未引发行车误报，系统的误报率和漏报率均在系统设计的范围内，系统工作稳定可靠，达到预期目的。

3 结束语

本文根据宜万铁路的实际情况，结合现有的监测方法，提出了1种基于多信号特征融合的铁路危岩落石灾害监测技术体系，并据此提出了采用红外激光轨面扫描技术和振动波检测技术相融合的危岩落石灾害监测系统实现。此系统在宜万铁路9处桥隧相连防洪点近1年的实际运行情况表明，基于多信号特征融合的监测方法同时大幅度降低了系统误报率和漏报率，使该系统在不影响铁路正常运输的情况下有效保障了宜万铁路的行车安全。

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