山区铁路异物侵限监测技术应用研究

摘 要：危岩落石是山区常见的一种不良地质现象，严重威胁着山区铁路建设及行车安全。虽然山区铁路设计中采取绕避方式，但由于山区山高坡陡地段覆盖范围广泛，仍然无法完全避免这种危险源。随着我国铁路建设的发展，危岩落石对铁路特别是高速铁路的安全影响越来越需要慎重考虑，因此，有必要采取监测等技术手段，实现提前报警，尽可能的在发生事故之前清楚危险或者降低损失，保障人民生命财产。本文通过对几种山区铁路路基边坡危岩落石异物侵限监测技术的介绍，包括光纤光栅技术、视频分析技术、雷达监视技术以及卫星定位技术等，分析其工作原理和技术特点。针对其各自的特点，结合山区铁路的特殊工程情况，提出可行性的建议方案，作为系统设计和建设的参考。

关键词：山区铁路 路基危岩落石 监测报警

中图分类号：U298 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

作者简介：肖琨，男，1975年生，高级工程师，中铁二院通号院副总工程师，中铁二院四川旷谷信息工程有限公司（信息中心）副总经理，第九批四川省学术和技术带头人后备人选。牵头负责中铁二院在中国铁路公司和国家地震局联合科研项目“高速铁路地震监测预警系统”科研项目中的研制工作；曾担任武广、郑西、福厦、厦深、海南东环线、成绵乐、成渝等多条铁路重大干线和成都地铁OCC中心信息专业设计负责人或技术管理负责人；担任中铁二院委内瑞拉北部铁路整体系统集成工程总承包项目部副经理。

我国幅员辽阔，山区地形众多，滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频繁发生，多为突发性和灾难性，特别是高陡边坡的崩塌、危岩落石，更是难以预测，严重威胁山区铁路建设和运营安全。一旦灾害发生，将给人民生命及国家财产造成严重危害和巨大损失。

虽然技术人员在山区铁路设计中采取尽可能的绕避重大不良地质地段和较集中的危岩落石地段方式，但由于山区山高坡陡地段覆盖范围广泛，且地质构造极为复杂，深路堑、高陡边坡（人工及自然边坡）、危岩落石等仍然无法完全避免。因此，如何进一步加强对铁路运营期间不良地质地段的长期监测，最大可能的避免或降低损失成为必要，在山区铁路设置相应监测系统的重要性显得尤为突出。

本文通过介绍国内交通领域的几种异物监测技术，初步探讨了可应用于中国山区铁路防路基边坡危岩落石侵限监测技术方案。

1 高速铁路异物侵限监测技术

我国高速铁路在公跨铁立交桥、公铁并行段、隧道洞口段设置了异物侵限监控系统。该系统采用双层电网传感器，并且和信号列控系统进行了联动控车。

当异物撞坏防护网，若一层电网损坏，则向调度中心告警；若双层电网同时损坏，告警同时与信号设备联动，相应区段中的列车紧急停车。

高速铁路异物侵限监控系统同时配合使用视频监控装置，调度或维护人员进一步通过视频方式了解现场，评估损害情况和采取有效的措施。

若将双电网监测技术用于危岩落石的监测，由于电网中的传感器导线固化在高强度脆性复合材料中，只能采用监测电网单元独立竖直方式，安装于边坡灾害及危岩落石可能冲击的铁路沿线（一般设置于铁路防护栏内侧），当灾害发生后灾害体或落石侵入铁路限界，破坏电网，出发报警，联动列控系统控车。

该技术方案优点是在高速铁路领域已经有大量应用，技术逐步趋向成熟。缺点是传感器电网与防护网为一体构造，与路基专业设置的防护网无法实现一体化安装，需单独设置，防护范围不全，易形成防护不到位情况。

2 光纤光栅技术

光纤光栅技术是利用反射光的波长对温度、应力和应变敏感，通过光刻技术在光纤芯中引起折射的周期性变化原理而形成。当环境温度、应力或应变发生变化时，光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量就可以实现对温度、应力和应变的感测。

光纤光栅监测系统主要由光纤光栅传感器、光纤光栅波长解调仪、计算机和相应的计算软件组成。

2.1 在柔性被动防护网上的设置方案

在铁路常用的被动柔性防护系统中，锚拉绳为主要受力部件。安装时可以将光纤光栅拉力传感器串接在锚拉绳上。当异物或者巨石撞击上防护网时，锚拉绳受到巨大冲击力，拉力传感器据此不仅可测量出冲击力大小，还可以根据受到冲击前后的状态来判断防护网是否受到破坏，并通过软件系统给出相应的报警信息。

图2.1 光纤光栅拉力传感器在柔性被动防护网上的布置示意图

2.2 在刚性防护栅栏上的设置方案

光纤光栅振动传感器在刚性防护栅栏上的布置如下图所示。考虑到尽可能采取到信息，光纤光栅振动传感器安装位置一般考虑在振动幅度较大处，即通过专用固定设施固定在刚性防护栅栏钢丝网的中间位置。通过各个振动传感器感受冲击信号的时间先后，来判定防护栅栏受到冲击的位置；传感器感测的冲击幅度和冲击距离来计算受到损伤的程度。

图2.2 光纤光栅振动传感器在防护栅栏上的布置示意图

光纤光栅技术目前已在长大桥梁的长期健康监测方面有较多应用，但应用于危岩落石的监测，还有待进一步的试验和验证。同时，该技术方案的成本也较高。

3 视频监控及图像分析技术

基于野外红外激光三维精密测量技术的红外激光方式的视频监控及图像分析技术，通过对监测区域进行连续扫描，能够在各种天气和气候条件下快速、准确的发现目标，同时通过后台软件的分析实现对目标物的辨别能力。

系统由现场视频监测系统、通信网络、中心报警系统部分组成。具备现场行车告警和视频追踪功能。

现场监测系统由红外激光夜视摄像机、智能图像分析单元、红外激光扫描成像装置、数据分析软件等组成。系统通过视频图像的智能分析和对比判别，实现监控区域内发生危岩落石的监测报警。

由于线路周边环境的复杂性，该系统存在误报率高的可能性较高。如小型动物、慢速通过或停止的机车以及杂草等都有可能造成误报。该种监测方式在铁路领域已有尝试性应用案例。

4 雷达监测技术

雷达监测技术是借助电磁波反射原理完成对进入监测区域的目标物体的速度、距离等有效信息的采集、分析和处理，实现对监测区域的实时监测。当有危岩落石等异物进入事先划定的雷达监控区域时，通过后台软件对采集到的信息进一步分析，确定侵限告警级别，实现告警。

该技术方案测量视频监控及图像分析技术类似，为非接触式监测技术。其不足的地方在于当车辆或其他物体经过扫描区域时，可能会造成误报。这种技术方案存在应用较少，处于初期实验阶段和设备价格较高，监测距离有限的缺点。

5 卫星定位监测技术

该技术方案利用北斗或GPS卫星导航定位系统提供的位置、速度、时间等信息来完成对高陡边坡及危岩落石体的三维位置变化信息监测。

通过现场布设卫星定位模块，作为主要监测传感器，然后再通过后台软件的技术处理，实现对危岩落石的监测，其精度可达厘米级。

传感器布设于高陡边坡危岩落石监测点所处的危险坡体、危岩落石体、高路堤、深路堑或灾害发生可能的铁路沿线防护栏立柱上。当高陡边坡发生变形时，系统通过定位模块测量的三维数据，然后分析出监测点的水平和高程位移；当灾害发生冲击铁路沿线防护栏上道时，可通过防护栏上安装的传感器变形情况判断灾害的影响程度，并通过设置于铁路沿线的专用视频监控系统对现场信息加以确认。

图2.11危险坡体安装图 2.12铁路沿线防护栏立柱安装传感器

该技术方案可实现对各监测点平面和高程观测数据的同步，实时掌握监测点位置信息和变形情况，但卫星通道成本较高，对柔性防护网区段的测试方案还有待进一步研究。

6 方案研究

根据我们目前对山区铁路危岩落石防护的初步研究，从技术成熟度、工程可实施性和投资等多方面综合分析，光纤光栅技术+视频监控具有比较大的优势。用光纤光栅技术应用于危岩落石的监测报警，再通过视频监控系统进行确认和实现远程调度指挥。在工程中，光纤光栅技术需要与主动或被动防护网共同设置，在系统报警阈值、传感器布置方式等方面还有点进一步研究和通过实际工程验证，不断优化。

山区铁路地形复杂，对于无法进行接触式安装的危岩落石危险地段，采用视频监控及图像分析技术实施较为方便，在技术成熟度和投资上具有相对的优势。但同时也应看到，视频分析系统投入使用后，为减少误报，需要一个长时间的 “学习”和补充信息库的过程，这个过程要专业技术人员和运维管理人员一起，共同反复进行试验、验证和测试，才能让系统达到一个可接受的误报率指标。因此，该方案最大的不足在于若系统“学习”过程不完善，不充分或运维管理人员的素质不能满足要求，造成实际使用中误报率高，最后流于形式，仅作为人工远程视频监控使用，无法真正起到智能分析，减少劳动强度的作用。

7 结束语

新技术、新产品的涌现，对实现山区铁路危岩落石的监测提供了可能。集团公司在多个项目中对危岩落石监测也进行了科学研究和探索。我们看到，如果要从可靠性、可实施性、性价比是否合适等多方面考虑，现有某一种监测技术还无法完全满足要求，需要结合工程实际情况，进行对比和综合分析，多种技术组合，才能实现我们的技术目标。而技术方案的实施要经过一个论证、试验和验证的过程，这样才能保证系统监测的可靠性，实现保证行车安全的目标。

参考文献

[1] 《高速铁路设计规范》（试行）（TB10621-2009/J971-2009 铁建设【2009】209号）

[2] 刘建斌 《基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系统研究》 （《交通科技》2011年第03期）

[3] 赵树学 《客运专线、高速铁路异物侵限监测方案优化》 （《铁路通信信号工程技术》2010年10月第7卷第5期）

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