基于红外激光图像识别和物联网技术的铁路路基沉降监测技术研究

卢容仁 龙庭该 胡峰

摘要：基于红外激光图像识别和物联网技术，研发了一款铁路路基沉降实时监测系统。系统由测量和传输两部分构成。监测过程中，在测量范围的前后2公里地段安装声控传感器，以收集列车接近信息。当列车经过时，声控传感器将列车信息通过声控传输线路传递至测量系统，测量系统基于红外激光图像识别技术获取路基沉降数据。如若路基沉降量超限，测量系统将立即通过预警传输线路向列车控制中心发送预警信息，提醒紧急停车。该监测系统与传统的人工监测相比，具有便携性、安全性、经济性、高效性等优势，极大地推动了路基监测技术的发展。

关键词：铁路路基，沉降;监测;系统研发;图像识别;物联网

引言

铁路路基是承受和传递列车、机车重力及列车动态作用的结构层，岩土应力分布相对集中，周围岩土层的轻微扰动，都可能导致岩土应力重新分布，引起不均与的沉降，导致铁路线路几何尺寸超限，危机行车安全。因此，对可能改变铁路路基岩土应力分布的外界施工，都应该对铁路路基实施位移监测[1-4]。目前对路基沉降的监测主要分为人工定期测量和安装设备实时监测。前者属于病害检查，根据前期沉降规律定期到现场测量，适合于有规律的铁路路基沉降，对岩土应力聚变引起的路基加速沉降病害，具有一定的潜在安全风险，无法保证列车运行安全。后者属于实时监测，如铁环分层沉降仪法、剖面沉降仪法、沉降板法、沉降水杯法、光纤光栅法、地温推测法、GPS测绘观测等。将监测的数据传入固定监测平台，能够远程实时监控现场路基沉降情况。但因监测设备昂贵，安装复杂，很难在现场大规模推广。因此本文基于红外激光图像识别、物联网[5]等技术，设计了一款便携、实时传输、经济、高效的铁路路基沉降监测系统。

1 监测系统设计

本文路基沉降监测系统由测量和传输两部分构成，见图1。传输系统将列车往来信息传输至测量系统;测量系统根据预设指令对线路路基进行测量，基于红外激光图像识别技术对沉降量进行分析，并将分析结果上传至传输系统;若路基沉降量超限，传输系统将预警信息传输至列车控制中心，提醒紧急停车。

测量系统由红外激光成像系统和分析系统构成，见图2。成像系统包含红外激光光源、光学显微镜、相机等，用以获取超高清的被测目标路基照龙庭该片，作为分析系统的数据来源。分析系统基于图像识别相关算法，对路基变形前后的两幅数字图像进行分析处理，得到相应的变形（位移）信息。

传输系统由声控传感器、声控传输线路、预警传输线路等3部分组成。在测量范围的前后2公里地段安装声控传感器，以收集列车接近信息。当列车经过时，声控传感器采集到列车通过的信息，通过声控传输线路传递至测量系统，促使测量系统立即采集路基沉降数据。如若路基沉降量超限，测量系统将立即通过预警传输线路向列车管理中心发送预警信息，提醒紧急停车。

2 监测系统工作原理

2.1 测量系统工作原理

通过光学显微镜和相机获取路基图像后，通过图像处理来提高其表达能力（图像增强）。图像的视觉表达取决于两个分量：入射光源的照明成分，对应于图像在频域中的低频分量;场景的反射成分，对应于图像在频域中的高频分量，这个分量与人眼感知的场景密切相关。由于卷积结果更接近于照明成分，因此本文测量系统利用高斯卷积函数对原始图像进行卷积运算，在最大程度上消除了图像中的照明成分，并保留和增强了其反射成分，由此实现了图像增强的目的。

图像增强后进行数据分析，其基本原理是，對变形前图像中的测量区域进行网格划分，将每个子区域当作刚性运动。再通过一定的搜索方法按预先定义的相关函数对每个子区域进行相关计算。在变形后的图像中寻找与该子区域的互相关系数为最大值的区域，即该子区域在变形后的位置，进而获得该子区域的位移。之后对全部子区域进行计算，即可获得全场的变形信息。

该测量系统具有无靶标、多点同步、非接触的特点。现场无需安装靶标或者标记物即可直接测量，可多点同步实时高速测量被测目标的二维变形，同时无需接触被测物体表面。测量系统的各项性能参数见表1。

2.2 传输系统工作原理

本文基于NB-LoT低速率窄带物联网通信技术构建信息传输系统，该系统具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少、架构优等特点，可用于多种垂直行业。

与传统的物联网技术相比，NB-LoT蜂窝结构具有更优越的连接能力。一个NB-LoT可以同时满足10万个客户端的在线连接，也可以在一个相对饱和的状态下，保持一个较低的延时率。

本文利用NB-LoT无线物联网技术，实现了测量系统与列车管理中心的实时通信。当列车经过时，声控传感器将信息通过NB-LoT传递至测量系统。测量系统采集路基沉降数据并分析后，再通过NB-LoT反馈给列车管控中心。期间数据信息传输及时、准确。

3 系统安装、运行关键点

在监测系统安装、运行过程中，需要注意以下关键点：

（1）对于交通量较大的线路，应在列车接近和列车通过后各采集一次路基沉降数据。对于交通量较小的线路，可根据线路路基沉降发展规律，来自定义测量频率。

（2）当列车距离监测点400米时，测量装置即开始采集数据，如若路基沉降超限，立即进行第二次测量。如果连续5次采集的沉降数据都达到预警值，系统即启用预警功能，提醒紧急停车。

（3）根据实际监测需要，可用一个测量装置同时监测多个观测点，以提高监测效率，并可以结合不沉降基准点进行补正，提高测量精度。

4 系统特点

本文监测系统具有如下特点：

（1）在保证测试数据精度的基础上，便携易安装。一般来讲，路基沉降监测精度和便捷易安装是矛盾的。但本文监测设备与监测点之间的位移变化量经过了第三点的换算，进而推算现场实际沉降量，有效解决了监测设备安装地点路基不稳导致的监测数据失真问题。

（2）相比传统的人工测量，本文监测系统的安全性优势突出。传统的人工测量只能在天窗点内开展，无法实时监测路基沉降数据，故难以应对路基位移突变状况，具有一定的安全风险。本文监测系统可实时监测多个点位并能及时预警，有效提高了行车安全性。

（3）相比传统的人工测量，本文监测系统的经济性优势突出。据统计，每个观测点每个月可节约路基沉降监测费用2万元。

（4）相比传统的人工测量，本文监测系统不占用班组劳力，不干扰现场日常工作，极大地减轻了线路管理压力。

5 结论

本文研发了铁路路基沉降实时监测系统，该系统由测量和传输两部分构成。

测量系统包含红外激光成像系统和分析系统。成像系统包含红外激光光源、光学显微镜、相机等，用以获取超高清的路基照片，作为分析系统的数据来源。分析系统基于图像识别相关算法，对路基变形前后的两幅数字图像进行分析处理，得到相应的变形（沉降）信息。

传输系统由声控传感器、声控传输线路、预警传输线路等3部分组成。监测过程中，在测量范围的前后2公里地段安装声控传感器，以收集列车接近信息。当列车经过时，声控传感器采集到列车通过的信息，通过声控传输线路传递至测量系统，促使测量系统立即采集路基沉降数据。如若路基沉降量超限，测量系统将立即通过预警传输线路向列车管理中心发送预警信息，提醒紧急停车。

本文基于图像识别、物联网等技术，实现了路基沉降量的实时监测。与传统的人工监测相比，具有便携性、安全性、经济性、高效性等优势，从而极大地推动了路基监测技术的发展。

参考文献

[1]梁勇. 铁路路基沉降观测的技术探讨[J]. 科技创新导报，2017，11（v.14;No.406）：50-51.

[2]李海滨，唐国茜，赵桂娟，等. 三維激光扫描技术在路堤沉降观测中的应用[J]. 西安科技大学学报，41（1）：7.

[3]陈义滔.含软土高等级公路搅拌桩施工路基沉降监测研究[J].西部交通科技，2021（09）：30-32.

[4]王敏，李义杰，徐林荣.高铁路基动载沉降现场监测分析[J].土木建筑与环境工程，2017，39（06）：22-29.

[5]曹一家，何杰，黄小庆，等. 物联网技术在输变电设备状态监测中的应用[J]. 电力科学与技术学报，2012，027（003）：16-27.