物联网在高速铁路灾害监测领域应用现状及前景分析

李亚群，王 瑞

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所， 100081）

在2016年11月发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中，将智能安防、智能交通列为了物联网重点应用发展领域，高铁灾害监测系统是列车安全运行的重要保障系统之一，对铁路沿线风、雨、雪及异物侵限进行实时自动数据采集、报警及紧急处置，具备高度的专业化、程序化和集约化等特点，并且涉及到跨专业、多工种间的紧密协作，需要先进的物联网[1]等信息化基础设施进行支撑。王彤、王瑞、孙汉武在高速铁路灾害监测系统智能采集、系统集成技术等方面开展了相关研究[2-4]，包云、李亚群等人在高速铁路灾害监测系统的监测数据质量、设备可靠性等方面进行了相关研究[5-6]，史天运等人分析了物联网技术在铁路行业的应用现状[7]。目前，尚缺乏物联网技术在高速铁路灾害监测系统的应用研究，本文分析RFID、无线传感网、智能传感等物联网技术在设备管理、大风报警信息自动处置、铁路崩塌落石及异物侵限监测中的应用前景，提出物联网在国内高速铁路铁路灾害监测新的应用场景。

1 物联网在高速铁路灾害及异物侵限监测领域应用现状

截至2017年底，我国高速铁路运营里程已超过2.3万km，各高铁线路均建设了灾害监测系统，累计建设风监测点2 882处、雨量监测点1 551处、雪深监测点173处、异物侵限监测点1 212处、地震监测点116处，形成全天候、全方位、全过程的自然灾害及异物侵限监测网络，实现对所有高速铁路运营线路全覆盖监测监控和闭环管理，对保证高速铁路运输安全、确保行车安全持续稳定起到了重要的支撑作用。

物联网在高速铁路灾害监测领域的应用主要是利用各种传感器对自然灾害、异物侵限等监测信息进行智能采集，借助铁路专用通信网传输数据，在应用层对收集到的信息进行二次汇总和处理，基于这些信息建立智能系统以达到智能控制和报警。采用的智能传感技术主要有以下几种。

1.1 风监测

高铁灾害监测系统风监测设备主要有机械式、超声波式和热场式风速风向传感器，将风速和风向实时转换成数字信号传送至灾害监测铁路局中心系统。

（1）机械式风速风向传感器

机械式风速风向传感器的风速和风向测量分别由两个部分完成，头部的螺旋桨用于测量风速，尾翼用来测量风向，如图1所示。其风速测量原理是在风力作用下螺旋桨或风杯带动码盘旋转，在码盘的一侧装有光源，另一侧相应位置上装有光敏晶体管，码盘旋转不断切割从光源至光敏管的光路，使光敏管不断输出脉冲信号，最后利用脉冲信号来计算风速大小。风向测量原理是利用格雷码光码盘，风向的信号是由风向传感器转轴带动6位格雷码光码盘旋转产生的，码盘由6个等分的同心圆构成，由里到外分别作 2、22、23、24、25、26等分，相邻两个同心圆分别设置为透光和不透光，经过安装在码盘两边相同半径上的6对光电耦合部件产生相应的6位格雷码，码盘的上方设计有多个红外发光二极管，下方有多个光电转换部件，对应着码盘上的6个轨道。风向标的转动带动码盘旋转，使得下方的光敏晶体管发出不同的信号，每一个格雷码表示一个风向。

图1 机械式风传感器

（2）超声波式风速风向传感器

常用的二维超声波风速风向传感器由安装在同一平面上的两对相互正交的拥有收发功能的超声波传感器构成，如图2所示。使用的测风方法主要有时差法、多普勒法、涡街法和相关法等。其中，时差法是应用最多的一种，其原理是利用超声波在空气中传播时顺风比逆风时的传播速度快，在传播同样距离的情况下有一个时间差，这个时间差和风速呈线性关系，依据测量、计算时差方法的不同，又分为直接时差法、频差法和相位差法。直接时差法是通过测量超声波的发射和接收时间，然后用两个时间之差计算出当前风向风速。

图2 超声波式传感器

（3）热场式风速风向传感器

热场式测风传感器如图3所示，其基本的测风原理是热平衡原理，即通过电流来加热的金属丝，根据流场中不同流速使得加热金属丝的散热速度不同，流速越大散热越快，对于恒温式来说，就是利用反馈电路使热线温度和电阻保持恒定，根据施加的电流大小来计算风速。

图3 热场式传感器

1.2 雨量监测

高铁灾害监测系统雨量监测设备主要为压电式和微波式雨量传感器。

（1）压电式雨量传感器

高速铁路普遍采用的压电式雨量计为VAISALA WXT 520，如图4所示，包括钢盖和压电传感器，测量原理采用压电效应，即材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生而实现非电荷测量。降雨传感器检测各个雨滴的影响，影响信号与雨滴数量成正比，因此，每个雨滴信号可以直接转换为累计降雨量，不是雨滴产生的信号则用高级噪音过滤技术进行过滤。

图4 压电式雨量传感器

可测量的参数包括累计降雨量、降雨当前强度、降雨峰值强度和降雨事件的持续时间。目前，高铁上一般通过监测累计降雨量计算10 min降雨量、小时降雨量、日降雨量和连续降雨量4个指标。

（2）微波式雨量传感器

微波式雨量传感器如图5所示，其监测原理是雷达电磁波，通过采用24 GHz多普勒雷达感知的每一个雨点、每一片雪花来测量降水或降雪。通过雨滴（雪花）的降落速度与大小计算降水量和降水强度。雷达测试装置相比传统的翻斗式雨量计，没有活动部件，免维护。

图5 微波式雨量传感器

1.3 雪深监测

雪深监测设备的功能是实时监测无砟轨道板/道床板或有砟轨道轨枕上的雪深，并将雪深值以数字信号输出，目前高铁现场雪深采集设备均采用激光式雪深计，如图6所示，通过发出红外激光，打到被测平面，测量这个传播过程的时间，从而计算出从探头到被测目标表面的距离，智能推算出积雪深度。

图6 激光式雪深计

1.4 异物侵限监测

异物侵限监测系统通过设置于上跨铁路的道路桥梁两侧的双电网，如图7所示，实时监测异物侵限状态[8]，发生异物侵限造成双电网断开时通过监控单元继电接口电路触发信号系统动作，同时系统发出报警信息。

图7 双电网异物侵限监测设备

1.5 地震监测

目前，地震监测一般采用力平衡式地震加速度计—FBAES-T型传感器，适用于多种地震记录应用的三分向数字地面地震加速度计，如图8所示。该传感器包含3个力平衡式加速度计模块，相互垂直地集成在一个便于使用的小型外壳内。

2 物联网在高速铁路灾害监测领域前景分析

2.1 RFID技术在高速铁路灾害监测系统设备管理中的应用前景

图8 地震监测设备

随着科学技术的进步和现代化生产的发展，机械设备的结构越来越复杂。这些发展提高了产品的质量和生产效率、满足了生产要求。同时也增加了设备发生故障的概率，发生故障的设备会影响整个生产的正常进行，从而造成经济损失。截至2017年底，全路已建设84条线路的灾害监测系统，系统设备众多。在运行中暴露出诸多问题，如灾害监测系统风、雨、雪现场监测设备主要依靠进口，国内没有检测标定的依据，导致设备出现故障时只能返厂维修，造成高昂的系统维护管理费用。灾害监测系统设备的维护和管理仍然以传统的人工台账式管理为主，相关设备缺少统一的监测平台和数据采集手段，不能实时反映出设备的数量、运行状态以及维护信息。

通过采用RFID技术快速采集设备的出厂编号、使用位置变更记录、维修记录、校准记录、启用时间等特征参数，对设备进行信息化、标准化的全生命周期管理[9]。通过对采集信息的数据挖掘、关联分析、神经网络等智能算法，对设备可能发生的故障进行智能预报，提出控制故障发展的措施。通过采用RFID技术的应用，可以实现设备的快速巡检、数据快速上传和智能决策，提高系统可靠性和可用性。

2.2 无线传感技术在大风报警信息自动处置中的应用前景

目前高铁灾害及异物侵限监测系统提示大风报警信息时，列车调度员根据风监测系统报警提示在CTC终端输入列车限速或停车的调度命令，对来不及发布调度命令的列车，通过电话通知司机限速运行或停车，大风报警紧急处置时效性不高。且在大风天气下，多点多级别连续报警、限速区段重合等复杂报警处置情况频繁发生，调度员需频繁对多列车或同列车多次传送不同限速命令，大风报警处置工作量大导致调度员无法及时处置所有报警信息，容易造成大风报警处置滞后，同时可能存在来不及处置及漏处置的风险。

通过无线传感器网络的应用，可以实现地面多点环境风速的快速采集和汇总，并及时的将大风报警信息发送至列车上，以提高高铁灾害监测系统紧急处置能力、保证紧急处置的时效性。

2.3 无线传感技术在高速铁路崩塌落石监测中的应用前景

我国高速铁路建设有自然灾害及异物侵限监测系统，对重点的公跨铁、隧道口等建设有异物侵限监测系统，但我国既有山区铁路大多建设年代较早，受当时条件限制，建设标准普遍较低，防护等级不足，沿线山体受多年风化、地震和风雨影响，多地存在崩塌、滑坡和泥石流的灾害，容易造成严重行车事故[10]。且为降低汛期行车影响，铁路总公司、铁路局投入大量人力、物力常年开展搜山扫石工作，但由于崩塌落石隐患点多、线长，单纯靠派人看守难以保证行车安全，为此，急需建设铁路崩塌落石自动监测报警系统，当发生泥石流、崩塌和落石等异物侵限时，自动发出报警，使列车停车，保证列车的安全。

铁路崩塌落石自动监测报警系统需在现场布设雨量计、位移计、振动光纤、激光雷达等大量多类型传感器，一般监测点存在公网、GPS信号较差，电力供应困难，且需长时间持续监测及无人值守，通过无线传感器网络的应用可解决以上问题，并实现现场多传感器不同类型监测数据的快速采集和汇总，并发送至监控中心，以实现铁路边坡崩塌落石的自动监测和报警。

2.4 智能传感技术在高速铁路异物侵限监测中的应用前景

既有高速铁路公跨铁异物侵限监测技术均采用双电网传感器的监测方式，监测范围有限，对于隧道口、公铁并行等区段和山体落石等其他异物侵限事件缺乏有效的监测技术，同时，2014年之前的异物侵限监测电网使用化学锚栓安装于上跨铁路的道路桥梁两侧，随着使用时间的增长，存在一定的安全隐患，缺乏可替代性的异物侵限监测手段。

通过红外、微波、雷达、视频智能识别等智能传感技术在高速铁路异物侵限监测方面的应用，可以减少施工、维护的工作量，减少异物侵限监测盲区，提高高速铁路异物侵限监测的自动化、智能化水平。

3 结束语

目前，灾害监测系统中应用的物联网技术主要为智能传感技术，在设备状态信息监测、异物侵限监测、无线传输等方面尚有RFID、无线传感网、视频智能识别等需求。通过物联网技术在高速铁路灾害监测系统的进一步运用，可提高系统灾害监测、设备维护管理的自动化和智能化，提高高速铁路灾害监测系统的安全保障能力。