轨道交通控制保护区智能巡查预警技术应用现状浅析

傅 涛,王 芳,谢玉林,王道淮,杨 坤,方 黎

[1.重庆市轨道交通（集团）有限公司,重庆 401121; 2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司,北京 100101]

0 引言

城市轨道交通作为城市的生命线工程，其安全性能关系国计民生。根据《城市轨道交通运营管理办法》（中华人民共和国交通运输部令2018 年第8 号）第二十九条规定：城市轨道交通工程项目应当按照规定划定保护区。因我国城市建设规划、地形地貌等诸多因素影响，各地轨道交通控制保护区的划定略有差异，但均对主体结构和附属建、构筑物等划出明确范围。此外，各地轨道交通管理办法或规定中也明确了控制保护区范围内不得作业或需经审批允许方可作业的条文。

然而，随着城市轨道交通建设不断完善和发展，沿线地块开发、市政基础设施建设等作业活动更加频繁。控制保护区内违章建筑物和构筑物、林木侵界、违章施工、地下管线铺设等，是威胁轨道交通安全的主要因素。特别是紧邻运营线路、在建线路的基坑项目逐年增多，并且呈现出“深、大、近、难、险”的特点[1]。例如，2012年8 月，某项目施工将轨道交通二号线大堰村—动物园D213-16、17 号墩桩基有效嵌岩破坏，对轨道墩柱结构安全形成严重安全隐患；2013 年2 月，某项目在轨道交通国博线平场至礼嘉区间隧道上方擅自作业，对轨道隧道结构及防水造成严重隐患[2]。据不完全统计，北京地铁负责运营总里程达538 km，保护区管理面积高达486 500 km2；京港地铁负责管理线路总里程约200 km；深圳地铁负责运营总里程达516.7 km，保护区管理面积高达975 000 km2；郑州地铁负责运营管理8 条线路，运营总里程达233 km；南宁地铁负责运营管理总里程达128.2 km；武汉地铁运营总里程达504 km 等。可见，城市轨道交通控制保护区范围十分巨大，安全巡查管理工作若仅依靠人工巡查为主的方式会变得非常艰巨。

基于此，该文针对光纤测振技术、卫星遥感技术、无人机技术与智能视频监控技术等常用的巡查预警技术，分析现阶段各项技术在我国不同地区城市的应用情况，综合评价现阶段轨道交通控制保护区智能巡查预警技术进展，有助于减少人力物力的大量消耗，促使城市智能化发展，推动科学技术融合进步，对于城市的现代化建设和管理具有重要的现实意义。

1 智能巡查预警技术应用分析

1.1 光纤测振技术

该技术按照感知元件不同可分为光栅阵列光纤传感技术和光纤地震计阵列技术。两类技术工作原理相同[3]，均通过感知外部振动经识别分析后发出报警信息。经试验和实际应用的验证，表明两种光纤测振技术具有较好的时效性。

1.1.1 光栅阵列光纤传感技术

光栅阵列光纤传感技术是光纤光栅与分布式光纤两种光纤传感技术的有机融合，系统传感部分由超弱反射FBG 阵列光栅组成传感网络，可感知光纤上任意位置的振动响应，单个系统（仪表+光缆）可实现百千米感知覆盖。基于光栅阵列光纤传感技术，武汉地铁联合武汉理工大学开发了应用于轨道保护区管理的光栅阵列全时全域智能系统[4]，解决了分布式振动传感中的多点定位问题，有传输距离长、容量大、分辨率高及灵敏度高等技术特点。通过大数据统计和智能分析方法，基于保护区内机械施工的振动特征或运营列车产生的振动特征，可以提供保护区外部入侵监测与报警、列车运行状态实时监测、轮轨状态评估、道床结构健康状态评估、道床减震效果评估等功能。

基于光栅阵列光纤传感技术的智能巡查预警技术应用如下：

（1）武汉地铁7 号线：2018 年3 月至今，武汉地铁在7 号线湖北工业大学站—野芷湖站（3 站2 区间）进行了光纤光栅阵列振动传感系统试验。此次试验的“新一代城市轨道交通工程结构监测与安全评估系统”，不仅可感知光纤上任意位置的振动响应，同时还解决了分布式振动传感中的定位问题，能够对大区间范围内振动信号实现全时全域检测，满足地铁工程结构在线监测与预警。

（2）武汉地铁8 号线：在7 号线试验成果基础上，武汉地铁将8 号线（全隧道约39 km，26 站）作为光栅阵列传感技术成果转化示范线，并完成夜间破拆机模拟入侵实验以及日间地勘钻探机模拟入侵实验。当前在实际使用中能够检测到的入侵地点范围从隧道正上方到隧道边界3～5 m。

（3）重庆地铁4 号线：重庆轨道4 号线二期龙兴—龙驿大道区间部署了光栅阵列全时全域地铁运营安全智能系统，于2023 年4 月27 日开展了外部入侵监测与报警功能试验，并对试点项目进行了验收。

1.1.2 光纤地震计阵列技术

光纤地震计阵列技术则是由光纤地震检波器阵列、光纤信号解调设备和监测报警软件三部分构成。光纤地震检波器阵列用于感测地质钻施工过程中引起的入侵振动信号，并通过光缆将光信号传输至解调设备；光纤信号解调设备将光纤地震检波器阵列的光干涉信号解调为振动数字信号；光纤地铁隧道入侵监测报警软件对振动数字信号进行识别并对打钻事件进行报警。以光纤干涉式地震检波器为例，采用目前测量精度最高的光纤激光干涉式相位感测原理、自主产权的高灵敏度光纤震动传感结构，具有全光纤传感、超低噪声水平、本质安全、电绝缘、易于布设、长距离、高密度等优势，不会对地铁列车及其他设施的运行造成不良影响。

基于光纤地震计阵列技术的智能巡查预警技术应用如下：

（1）深圳：深圳地铁于2018 年在非运营段和运营段均开展了初步实验并取得了一定成果。此外，在5号线、11 号线共10.7 km 范围内开展了外界入侵监测预警盲测试验，试验结果较理想，但并未实际投入到轨道交通控制保护区安全巡查工作中使用。

（2）南宁：南宁地铁于2022 年7 月18 日至2022年7 月24 日在清平坡站—龙岗站区间开展了隧道入侵试验。监测系统可以在1 min 内多个位置的传感器同时报警时，取中间位置的传感器作为报警定位位置，误差小于14.4 m。目前该隧道防入侵智能感知系统可实现深度15 m 以上，垂直隧道25 m 远的地质钻信号报警。

1.2 卫星遥感技术

遥感技术不直接接触物体，在空中通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息，经过对信息处理来识别地物。随着遥感技术的发展，遥感平台高度由几百米车载遥感发展到百千米以上的航天遥感，利用已发射的绕地卫星对被测物进行观测。卫星遥感技术借助卫星为媒介平台，根据监测区域需求动态采集监测区域内的卫星遥感影像图，利用航空摄影软件对影像图数据分析处理，获取所需信息进而达到监测目的。近年来，遥感影像精度随着技术的发展有所提升，目前可达厘米级，长期连续观测局部可达毫米级。但遥感卫星图像清晰度与拍摄次数成反比，拍摄次数越多会导致图片越模糊。在保障轨道交通保护正常使用的前提下，如若要求周期性监测以及图像清晰度，当前可以每月采集一次2 m 精度的遥感图像，对比不同时期的变化信息，通过智能分析得出预警信息。

目前应用于轨道交通保护方面的主要有光学卫星、合成孔径雷达卫星。光学卫星的影像特点为颜色鲜亮、比较清晰，成像原理和照相机一样，便于对被监测物体的观测。其依照太阳辐射到达地球表面物体的反射来获取影像。因此，平原地区城市建筑较稀疏、天气状况好的城市采取光学卫星有一定优势。合成孔径雷达卫星利用合成孔径雷达干涉测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR），该系统获取的图像能够提供用于测量变形的信息，雷达信号能够穿透云雨，并且不受太阳辐射的影响，与前者相比，在山地城市、多云多雾地区等具有一定优势。

在城市轨道交通安全巡查方面，由于工程施工线路长，人工很难做到对每处非法侵占行为的排查。而在遥感影像上，以工程施工区域为中心划定红线控制区，通过多时期遥感影像比对或变化监测技术，可以容易地判定红线控制区内是否存在非法侵占以及侵占物的位置和面积。InSAR 技术可以克服光学遥感易受云雾遮蔽、GNSS 点位稀疏、地面调查通达不易等困难，极大地拓展了形变监测信息获取的手段，在地面沉降、滑坡、地震[5]、活动断裂、火山、冰川、工程监测等方面的研究和应用取得了显著效果。InSAR 技术在轨道交通保护中可用于周期性项目监测、非法入侵监测、沉降监测、地铁形变监测、地灾监测等。随着遥感影像分辨率的逐步提高和相关算法的不断改进，遥感技术在公路、铁路、水路、航空等各个交通领域得到了越来越广泛的应用[6]。这几年高分遥感卫星的亚米级观测能力提高，实现了从点到面的多尺度观测，同时兼顾了细节和宏观信息的获取，有效提高了交通行业信息化发展水平，也为交通部门的建设、管理、养护等工作节省了大量的人力物力成本[7]。

现阶段，卫星遥感技术并未应用于轨道交通控制保护区日常巡查工作中，其应用案例较少，使用频次尚无法满足控制保护区相关要求，卫星遥感技术更多是作为季度性地观测土地沉降等情况。

1.3 无人机技术

无人机技术以其高效、灵活、覆盖面广等优点，在城市轨道交通控制保护区的补充巡查工作中发挥了作用。该技术具备机动灵活、远距离、快速作业的能力[8]，克服区域、地形的限制，能够到达日常人员无法覆盖的区域，如河流、峡谷、大山等复杂地形，快速、准确地获取控制保护区的实时图像和数据，实现了对控制保护区的全方位巡查，有效弥补了特殊区域的巡查工作。其飞行控制方式主要包括：一是人工控制手动飞行模式：操作人员通过地面控制站或操作手柄来控制或管理无人机飞行；二是自动航行模式：通过人工设置飞行航线使用操作平台、通信链路和为保证无人机安全运行所需要的任何其他辅助设备，从而进行完全自主飞行。自主飞行在飞行拍摄过程中不需要人为直接地控制决策，其意义在于“无外界控制干涉”以及“自我控制决策”。

北京、深圳、郑州等城市目前均有使用无人机作为轨道交通巡查辅助手段的应用案例，但使用方式、频次等略有不同。

（1）北京：北京地铁保护区巡查工作采用无人机进行地面数据采集，全面快速掌握地铁沿线周边环境。通过对不同期航飞影像数据对比，快速识别土地变化情况，提升地铁保护区安全管理水平。2021 年12 月和2022 年11 月完成两次航飞数据采集，采集数据区间为地铁13 号线龙泽—回龙观—霍营三站两区间。通过航飞影像的对比，支持巡查关键对象的发现和识别，比如异物入侵、桥下堆积物、树木侵界等安全隐患、外部工程施工进展等。

（2）深圳：深圳地铁运营办于2018 年进行无人机在安保区巡查可行性试点研究，受限于试点内禁飞区、限飞区较多，导致无人机技术不具备监测的连续性。随后，在2022 年，依据深圳地区无人机飞行管理办法，开展了以深圳地铁16 号线为试点的巡查工作，16 号线巡查项目航线、高度均属于适飞范围内，实现16 号线安保区无人机自动化巡查全覆盖。巡查范围共29.2 km，其初步设计隔6～7 km 部署一个机场点，每个机场点的无人机负责约半径4 km 内的安保区巡查。

（3）南宁：南宁地铁目前按需求频次使用带摄像功能的常见无人机到交通受限、视角受限区域进行项目监管以及日常巡查。自2020 年起南宁地铁开始使用无人机+AI 智能分析，频次为1 次/年，由第三方单位每年进行操作。具体表现为设置航线后，无人机自动起飞，避开军区、机场等禁飞区域，对南宁地铁全线网识别的控制保护区进行巡护，对全线网施工项目识别并记录保护区内的现状情况。

（4）郑州：郑州地铁2019 年开始委托第三方单位开展地铁保护区无人机巡查工作，巡查频次为1 次/周，巡护范围为郑州市轨道交通1 号线、2 号线一期、城郊线一期，总里程为100.007 km（含出入段场线）。当前郑州地铁利用无人机开展对项目的巡查，日常巡查以人工巡查为主。

1.4 智能视频监控技术

智能视频监控是利用计算机视觉技术对视频信号进行处理、分析和理解，通过对序列图像自动分析对监控场景中的变化进行定位、识别和跟踪，能在异常情况发生时及时发出警报或提供有用信息，有效地协助相关人员处理危机。智能视频监控系统的逻辑结构主要分为视频采集、智能视频分析、监控中心三部分，其基本原理主要分为视频图像采集、视频图像处理、数据通信、决策报警和传感器控制系统等部分，在城市轨道交通方面，智能视频监控具有广泛应用空间。如视频移动侦测，实现非工作人员绊线报警、禁区报警、尾随检测和人员运动方向检测；关键岗位人员作业过程的监控、异常行为报警和追溯[9]；车站人群控制、人流量检测、面部识别、烟火检测、遗留物品/非法滞留检测等[10]。按照巡查方式可以分为车载视频监控技术和定点视频监控技术。

1.4.1 车载视频监控技术

车载智能视频监控技术即由汽车搭载摄像头的方式进行摄像巡查，通过与AI 智能分析相结合的方式给相关人员推送报警信息。通过车载摄像头与AI 技术的结合，车辆驾驶途中即可抓取预先设计好的识别目标，实现车载巡查管理。

（1）深圳：深圳地铁打造的“地铁安保区施工智能识别预警系统”当中包含车载智能视频监控技术。该系统可自动采集出视频图像中是否存在不当施工行为以及钻探机、打桩机等对地铁运营线路产生威胁的大型施工器械出现，一旦分析处保护区存在人员施工或大型施工器械，系统可自动推送报警信息给相关工作人员，提示巡查人员及时处理。由于车载视频监控技术受限于城市地形、路况、交规等，深圳地铁虽然进行了试验，但目前并未投入到实际使用中。

（2）南宁：南宁地铁目前在已具备设备基础上，正在进一步开发AI 识别功能，现阶段通过人工对拍摄照片和录像进行处理分析，把控道路沿线地铁保护区的施工情况，可将影像信息作为巡查记录或证据保存。

1.4.2 定点视频监控技术

定点视频监控即以高清摄像头为前端、图像算法为核心，通过定点摄像头结合人工智能图像识别技术达成监控目的的技术，已在各类勘察、巡检方面广泛应用，如地形勘察、风电巡检、违章建筑巡检等，在轨道交通安保区监测施工机械方面也逐渐增加应用和研究案例。

通过在轨道交通沿线挂载监控摄像头，可以实现地铁线路全线7×24 h 实时监控效果，并基于人工智能识别技术，对保护区内的施工车辆、施工人员、施工行为、违规行为进行智能识别，发现可疑事件通过监控平台生成报警信息并将信息推送给一线巡查人员，做到及时发现、及时处理。

（1）深圳：深圳地铁在高架段采用定点摄像头对高架段开展“视频监控+智能判图”模式的巡查。2022 年深圳地铁“深圳地铁安保区施工智能识别预警系统”，为国内首例地铁安保区施工机械管理及施工行为识别应用案例。2022 年5 月，深圳地铁1 号线、3 号线、5 号线、11 号线高架段视频监控项目投入使用，同时也开展了6号线高架段视频监控系统的施工。预警系统通过定点摄像头的监控画面，自动识别画面中大型施工器械并予以标注。此外，深圳地铁在不具备施工条件的巡查受限区域安装太阳能无线监控设备，弥补了定点视频监控的盲区，同时将“视频监控+智能判图”这一方式推广至其他线路。

（2）郑州：郑州地铁自2020 年10 月已开展定点智能视频监控技术的试点工作，对已运营的地铁1 号线、2号线等8 条线路，布设234 个点位，全程233 km 的轨行区均利用安装在铁塔上的高位定点摄像头进行高位监控。郑州地铁使用的摄像头1 s 可以拍摄100 张照片，该系统经过10 s 分析处理即可推送至终端。同时，郑州地铁可自行按照事件类型、程度将报警分为一级事件、二级事件，一级事件立刻进行报警，二级事件依照使用方设置的推送时间进行报警。

此外，北京京港地铁在部分管理的地铁线路重点区域应用智能视频监控技术，相对其他城市规模较小；成都市建立了视频监控中心，对保护区现场情况进行实时监控，未来逐步结合AI 技术实现智能化监控。

2 结语

科学技术正在影响着轨道交通控制保护区安全巡查工作的发展方向，不仅降低了人力物力财力的消耗，还提高了轨道交通运营与维护的安全性。伴随着城市交通建设与基础设施建设的飞速发展，智能巡查预警技术也面临着许多挑战，亟待提升这些技术在我国各个城市中的应用能力。因此，轨道交通控制保护区智能巡查预警技术的研究具有重要的现实意义和长远的发展价值，对于城市的现代化建设和未来发展具有无可比拟的推动作用，通过不断试点和发展完善，智能巡查预警技术将为城市轨道交通安全巡查工作提供更为可靠的支持。