高速铁路隧道口边坡监测系统研究

叶一彪 刘建 黄大吉

摘 要：高铁路网在山区地段隧道口附近易发生地质灾害，针对现有隧道口边坡监测技术，提出“光纤围栏+异物哨兵+视频分析”的高速铁路隧道口边坡安全监测系统，实现视频自动化巡查、对安全隐患自动告警以及自动复核。在综合分析系统中心按线路布置、按独立中心布置和纳入灾害中心三种设置方案的优缺点后，给出推荐方案，进而提出现场设备的选点、传输以及供电方式的参考建议。希望该系统能够对提升高速铁路灾害防范能力，对灾前感知预警体系建设具有一定的借鉴意义。

关键词：高速铁路；边坡监测；自动告警；中心布置

中图分类号：U284.95                             文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2023）06-0090-03

0 引言

截止2021年底，中国高铁运营里程突破4万km。高速铁路设有自然灾害及异物侵限监测系统，对铁路沿线风、雨、雪、地震及异物侵限事件进行实时监测，并制定了相应的设计、施工、维护的规范。但铁路除了受到风、雨、雪、异物侵限、地震灾害影响外，还可能随时遭受泥石流、崩塌落石或者突发危险源入侵等安全威胁。特别是隧道口附近易发生地质灾害，比如危岩落石、山体滑坡、隧道口崩塌、泥石流、地面塌陷与沉降、地裂缝、水土流失等，严重影响人们的生命、财产安全。因此，对隧道口进行安全监测并及时预警、告警，可以有效阻止事故的发生，保障铁路运输的效率与安全，推动铁路特殊地形监测技术发展，实时获知铁路安全信息，保障铁路运营安全刻不容缓。

1 监测系统技术概述及总结

目前已经有一些学者针对隧道口自然灾害的防御开展相关研究，但是缺乏与既有系统的统筹考虑，尚未形成有效的防御方法[1]。当前隧道口边坡主要监测技术有GNSS、激光雷达、光纤围栏以及视频分析等。

1.1 GNSS监测

GNSS的设计思想是将空间的人造卫星作为参照点，确定一个物体的空间位置。根据几何学理论，通过精确测量地球上某个点到3颗人造卫星之间的距离，对此点的位置进行测定，通过监测站与基准站相位差来计算是否产生位移[2]。该技术设备适合单点监测场景。

1.2 激光雷达监测

激光雷达的工作原理，是利用可见光和近红外光发射一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定。该技术精度高、准确率高，但单独激光雷达监测范围较小。

1.3 光纤围栏监测

光纤围栏监测技术应用了“光弹效应”的机理，探测因为震动引起的光波相位变化，通过变化的情况识别引起振动的原因。该技术具有灵敏度高、精度高、响应迅速的特点，同时具备抗自然环境干扰的模式识别能力，可以有效减少误报。

1.4 视频分析监测

视频智能化分析的基本过程是从给定的视频中读取每帧图像，并对输入图像进行预处理，如滤波、灰度转换等，然后判断输入图像中是否有运动目标，判断运动目标是否为监控目标，最后对该目标进行监控、跟踪或行为理解等分析。该技术通过AI分析，准确率较高，但易受雨、雾等恶劣天气影响。

1.5 异物哨兵监测

异物哨兵是融合面阵激光雷达及视频分析技术研发的一体化智能监测系统。它通过面阵激光雷达通过发射激光光束来探测目标，并通过搜集反射回来的光束来形成点云和获取数据，这些数据经光电处理后可生成为精确的三维立体图像。

1.6 监测系统技术总结

综上所述，GNSS受风雨雪等恶劣天气、云层及树木植被遮挡影响；单独视频易受雨、雾等恶劣天气影响，但视频显示直观；雷达、光纤围栏不受恶劣环境影响，但是报警不直观，难以判断监测对象类型。具体对比见表1。

通过技术对比分析，单一的监测技术或多或少有其局限性，建议选择“视频分析+光纤围栏+异物哨兵”的手段，技术互补实现全天候、智能化、无人化、精确化的监测。通过在隧道口主被动网等区域敷设光纤复合围栏，辅以视频监控，并在隧道口增设异物哨兵，应对高速铁路隧道口泥石流、塌方、落石、滑坡等突发情况。

2 监测系统方案

2.1 整体架构

系统采用监测中心系统、现场监测设备两级架构部署[3]，整体框架如图1所示。

隧道口边坡滑移现场采集单元主要由异物哨兵、振动光纤复合围栏、智能视频等模组组成。对于有框架梁或骨架防护边坡，沿防护框架敷设光纤复合围栏；对于无防护边坡，于坡底增设防护网，并沿防护网安装光纤复合围栏。当发生边坡滑移时，智能监测中心自动判断报警阈值，自动联控调用现场视频监控摄像或在边坡对面新增智能视频，实时上传报警信息并对报警信息进行综合管理。

利用安装简单、成本低廉、不受恶劣天气影响的光纤复合围栏作为基础的监测手段，通过调整其震动报警的阈值来减少误报率。利用异物哨兵获取地表监测场景的三维形变信息，有效弥补光纤复合围栏无法实现三维形变测量、时空连续、面监测的劣势。最后通过视频分析来解决传统的监测方式需要专人盯控的问题，大大减轻工作人员的劳动强度。

系统可通过网络安全设备与铁路综合视频监控系统、铁路数据服务平台、铁路时间同步系统连接并交换相关数据。系统可实现视频自动化巡查，对安全隐患自动告警，与视频监控系统的自动联动复核，實现监测内容的趋势预测分析以及监测点位的自动告警，提供告警事件的自动化预案。

2.2 中心系统设计方案

高速铁路建设初期，灾害监测系统均是按照线路、路局维管分界来设置数据处理中心、灾害监测终端。随着灾害监测系统相关技术条件和设计标准的相继发布，各铁路局灾害监测中心系统开始立项并投入建设[4]。

结合既有灾害监测中心设置的方式，隧道口边坡监测中心系统有3种推荐设置方式：纳入既有灾害中心、建立线路中心以及独立中心设置方式。其主要优缺点如表2所示。

纳入灾害监测中心虽然可以有效整合系统，实现资源的优化配置，但是無相关规范标准的支撑，不同厂家的兼容性问题不好解决，且暂时只有郑州局、成都局、武汉局、太原局已建成灾害监测铁路局中心系统，其他均为线路级中心[5]。

设置线路中心这一方案，可以灵活配置线路方案且无兼容性接口问题，但无法互联互通，造成资源与效率的浪费[6]。虽然建立独立的局级隧道口边坡监测系统中心可以很好地解决以上问题，但是建设难度高、时间长、投资大，在标准规范位发布以及系统大范围应用之前不推荐。

综上，前期实施线路中心，后期实施独立中心，有条件的情况可接入灾害监测系统中心。

2.3 现场监测方案

2.3.1 设备选点

采用单线围栏沿整个边坡防护框架梁及锚索横向敷设。监控摄像机立杆安装于坡面的正对面或本侧，距离、摄像头角度为视频图像可覆盖坡面监测区域为宜。在边坡底部路基处每隔50 m设置一台异物哨兵，异物哨兵内侧面安装距线路中心≥2 700 mm。

2.3.2 传输网络

现场监测设备可通过铁路数据专网传入数据机房进行汇聚，可利用既有或增加敷设的数据专网线路，实现数据上下传输。如与风、雨、雪、异物共用光电缆传输通道或者借用直放站光电缆，原点位光电缆利旧。

2.3.3 供电方式

供电方式有限就近取电，主要从隧道口的照明用电线路中取点。当现场监测设备点位布设附近没有供设备就近取电时，结合当地气候条件可考虑采用太阳能光伏发电、风能发电、风光互补型等新能源供电方式，保障设备正常运行。

3 结束语

随着高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统的不断发展完善，隧道口的安全监测也越发引起重视。本文对比分析现有隧道口边坡监测技术的优缺点，设计一种“光纤围栏+异物哨兵+视频分析”的高速铁路隧道口边坡安全监测系统，系统可对安全隐患自动告警。实现各监测点位告警后，与视频分析系统的自动联动复核，可实现监测内容的趋势预测分析。

对比3种系统中心的设置方案，得出先期实施线路中心，后期实施独立中心，有条件的情况可接入灾害监测系统中心，并对现场设备布点、传输网络以及供电方式提出了建议。该系统能够对提升高速铁路灾害防范能力和灾前感知预警体系建设有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 孙海富.中国高速铁路安全保障体系[J].铁道工程学报，2021， 38（6）：93-97.

[2] 强小俊.北斗定位技术在高速铁路沉降变形监测中的应用[J].铁道建筑，2020，60（7）：81-84.

[3] 王祥.微型桩在高速铁路滑坡治理中的设计和应用[J].铁道工程学报，2021，38（2）：19-22+29.

[4] 王娇娇，包云，杨雪，等.高速铁路灾害监测系统架构及关键技术研究[J].铁道运输与经济，2020，42（8）：58-62.

[5] 吕华伟.既有灾害监测系统接入铁路局中心系统方案研究[J].铁道通信信号，2020，56（2）：60-63.

[6] 马祯，王彤，陈中雷.高速铁路灾害监测铁路局中心系统接口方案研究[J].铁道运输与经济，2019，41（6）：64-68.