李亞群，王 瑞

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所， 100081）

在2016年11月發(fā)布的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，將智能安防、智能交通列為了物聯(lián)網(wǎng)重點應(yīng)用發(fā)展領(lǐng)域，高鐵災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是列車安全運行的重要保障系統(tǒng)之一，對鐵路沿線風、雨、雪及異物侵限進行實時自動數(shù)據(jù)采集、報警及緊急處置，具備高度的專業(yè)化、程序化和集約化等特點，并且涉及到跨專業(yè)、多工種間的緊密協(xié)作，需要先進的物聯(lián)網(wǎng)[1]等信息化基礎(chǔ)設(shè)施進行支撐。王彤、王瑞、孫漢武在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)智能采集、系統(tǒng)集成技術(shù)等方面開展了相關(guān)研究[2-4]，包云、李亞群等人在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量、設(shè)備可靠性等方面進行了相關(guān)研究[5-6]，史天運等人分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀[7]。目前，尚缺乏物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究，本文分析RFID、無線傳感網(wǎng)、智能傳感等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)備管理、大風報警信息自動處置、鐵路崩塌落石及異物侵限監(jiān)測中的應(yīng)用前景，提出物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)高速鐵路鐵路災(zāi)害監(jiān)測新的應(yīng)用場景。

1 物聯(lián)網(wǎng)在高速鐵路災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

截至2017年底，我國高速鐵路運營里程已超過2.3萬km，各高鐵線路均建設(shè)了災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，累計建設(shè)風監(jiān)測點2 882處、雨量監(jiān)測點1 551處、雪深監(jiān)測點173處、異物侵限監(jiān)測點1 212處、地震監(jiān)測點116處，形成全天候、全方位、全過程的自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對所有高速鐵路運營線路全覆蓋監(jiān)測監(jiān)控和閉環(huán)管理，對保證高速鐵路運輸安全、確保行車安全持續(xù)穩(wěn)定起到了重要的支撐作用。

物聯(lián)網(wǎng)在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用主要是利用各種傳感器對自然災(zāi)害、異物侵限等監(jiān)測信息進行智能采集，借助鐵路專用通信網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，在應(yīng)用層對收集到的信息進行二次匯總和處理，基于這些信息建立智能系統(tǒng)以達到智能控制和報警。采用的智能傳感技術(shù)主要有以下幾種。

1.1 風監(jiān)測

高鐵災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)風監(jiān)測設(shè)備主要有機械式、超聲波式和熱場式風速風向傳感器，將風速和風向?qū)崟r轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送至災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)。

（1）機械式風速風向傳感器

機械式風速風向傳感器的風速和風向測量分別由兩個部分完成，頭部的螺旋槳用于測量風速，尾翼用來測量風向，如圖1所示。其風速測量原理是在風力作用下螺旋槳或風杯帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，在碼盤的一側(cè)裝有光源，另一側(cè)相應(yīng)位置上裝有光敏晶體管，碼盤旋轉(zhuǎn)不斷切割從光源至光敏管的光路，使光敏管不斷輸出脈沖信號，最后利用脈沖信號來計算風速大小。風向測量原理是利用格雷碼光碼盤，風向的信號是由風向傳感器轉(zhuǎn)軸帶動6位格雷碼光碼盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，碼盤由6個等分的同心圓構(gòu)成，由里到外分別作 2、22、23、24、25、26等分，相鄰兩個同心圓分別設(shè)置為透光和不透光，經(jīng)過安裝在碼盤兩邊相同半徑上的6對光電耦合部件產(chǎn)生相應(yīng)的6位格雷碼，碼盤的上方設(shè)計有多個紅外發(fā)光二極管，下方有多個光電轉(zhuǎn)換部件，對應(yīng)著碼盤上的6個軌道。風向標的轉(zhuǎn)動帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，使得下方的光敏晶體管發(fā)出不同的信號，每一個格雷碼表示一個風向。

圖1 機械式風傳感器

（2）超聲波式風速風向傳感器

常用的二維超聲波風速風向傳感器由安裝在同一平面上的兩對相互正交的擁有收發(fā)功能的超聲波傳感器構(gòu)成，如圖2所示。使用的測風方法主要有時差法、多普勒法、渦街法和相關(guān)法等。其中，時差法是應(yīng)用最多的一種，其原理是利用超聲波在空氣中傳播時順風比逆風時的傳播速度快，在傳播同樣距離的情況下有一個時間差，這個時間差和風速呈線性關(guān)系，依據(jù)測量、計算時差方法的不同，又分為直接時差法、頻差法和相位差法。直接時差法是通過測量超聲波的發(fā)射和接收時間，然后用兩個時間之差計算出當前風向風速。

圖2 超聲波式傳感器

（3）熱場式風速風向傳感器

熱場式測風傳感器如圖3所示，其基本的測風原理是熱平衡原理，即通過電流來加熱的金屬絲，根據(jù)流場中不同流速使得加熱金屬絲的散熱速度不同，流速越大散熱越快，對于恒溫式來說，就是利用反饋電路使熱線溫度和電阻保持恒定，根據(jù)施加的電流大小來計算風速。

圖3 熱場式傳感器

1.2 雨量監(jiān)測

高鐵災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)雨量監(jiān)測設(shè)備主要為壓電式和微波式雨量傳感器。

（1）壓電式雨量傳感器

高速鐵路普遍采用的壓電式雨量計為VAISALA WXT 520，如圖4所示，包括鋼蓋和壓電傳感器，測量原理采用壓電效應(yīng)，即材料受力作用變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生而實現(xiàn)非電荷測量。降雨傳感器檢測各個雨滴的影響，影響信號與雨滴數(shù)量成正比，因此，每個雨滴信號可以直接轉(zhuǎn)換為累計降雨量，不是雨滴產(chǎn)生的信號則用高級噪音過濾技術(shù)進行過濾。

圖4 壓電式雨量傳感器

可測量的參數(shù)包括累計降雨量、降雨當前強度、降雨峰值強度和降雨事件的持續(xù)時間。目前，高鐵上一般通過監(jiān)測累計降雨量計算10 min降雨量、小時降雨量、日降雨量和連續(xù)降雨量4個指標。

（2）微波式雨量傳感器

微波式雨量傳感器如圖5所示，其監(jiān)測原理是雷達電磁波，通過采用24 GHz多普勒雷達感知的每一個雨點、每一片雪花來測量降水或降雪。通過雨滴（雪花）的降落速度與大小計算降水量和降水強度。雷達測試裝置相比傳統(tǒng)的翻斗式雨量計，沒有活動部件，免維護。

圖5 微波式雨量傳感器

1.3 雪深監(jiān)測

雪深監(jiān)測設(shè)備的功能是實時監(jiān)測無砟軌道板/道床板或有砟軌道軌枕上的雪深，并將雪深值以數(shù)字信號輸出，目前高鐵現(xiàn)場雪深采集設(shè)備均采用激光式雪深計，如圖6所示，通過發(fā)出紅外激光，打到被測平面，測量這個傳播過程的時間，從而計算出從探頭到被測目標表面的距離，智能推算出積雪深度。

圖6 激光式雪深計

1.4 異物侵限監(jiān)測

異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)通過設(shè)置于上跨鐵路的道路橋梁兩側(cè)的雙電網(wǎng)，如圖7所示，實時監(jiān)測異物侵限狀態(tài)[8]，發(fā)生異物侵限造成雙電網(wǎng)斷開時通過監(jiān)控單元繼電接口電路觸發(fā)信號系統(tǒng)動作，同時系統(tǒng)發(fā)出報警信息。

圖7 雙電網(wǎng)異物侵限監(jiān)測設(shè)備

1.5 地震監(jiān)測

目前，地震監(jiān)測一般采用力平衡式地震加速度計—FBAES-T型傳感器，適用于多種地震記錄應(yīng)用的三分向數(shù)字地面地震加速度計，如圖8所示。該傳感器包含3個力平衡式加速度計模塊，相互垂直地集成在一個便于使用的小型外殼內(nèi)。

2 物聯(lián)網(wǎng)在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域前景分析

2.1 RFID技術(shù)在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備管理中的應(yīng)用前景

圖8 地震監(jiān)測設(shè)備

隨著科學技術(shù)的進步和現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。這些發(fā)展提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率、滿足了生產(chǎn)要求。同時也增加了設(shè)備發(fā)生故障的概率，發(fā)生故障的設(shè)備會影響整個生產(chǎn)的正常進行，從而造成經(jīng)濟損失。截至2017年底，全路已建設(shè)84條線路的災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備眾多。在運行中暴露出諸多問題，如災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)風、雨、雪現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備主要依靠進口，國內(nèi)沒有檢測標定的依據(jù)，導致設(shè)備出現(xiàn)故障時只能返廠維修，造成高昂的系統(tǒng)維護管理費用。災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的維護和管理仍然以傳統(tǒng)的人工臺賬式管理為主，相關(guān)設(shè)備缺少統(tǒng)一的監(jiān)測平臺和數(shù)據(jù)采集手段，不能實時反映出設(shè)備的數(shù)量、運行狀態(tài)以及維護信息。

通過采用RFID技術(shù)快速采集設(shè)備的出廠編號、使用位置變更記錄、維修記錄、校準記錄、啟用時間等特征參數(shù)，對設(shè)備進行信息化、標準化的全生命周期管理[9]。通過對采集信息的數(shù)據(jù)挖掘、關(guān)聯(lián)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法，對設(shè)備可能發(fā)生的故障進行智能預(yù)報，提出控制故障發(fā)展的措施。通過采用RFID技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)設(shè)備的快速巡檢、數(shù)據(jù)快速上傳和智能決策，提高系統(tǒng)可靠性和可用性。

2.2 無線傳感技術(shù)在大風報警信息自動處置中的應(yīng)用前景

目前高鐵災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)提示大風報警信息時，列車調(diào)度員根據(jù)風監(jiān)測系統(tǒng)報警提示在CTC終端輸入列車限速或停車的調(diào)度命令，對來不及發(fā)布調(diào)度命令的列車，通過電話通知司機限速運行或停車，大風報警緊急處置時效性不高。且在大風天氣下，多點多級別連續(xù)報警、限速區(qū)段重合等復(fù)雜報警處置情況頻繁發(fā)生，調(diào)度員需頻繁對多列車或同列車多次傳送不同限速命令，大風報警處置工作量大導致調(diào)度員無法及時處置所有報警信息，容易造成大風報警處置滯后，同時可能存在來不及處置及漏處置的風險。

通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)地面多點環(huán)境風速的快速采集和匯總，并及時的將大風報警信息發(fā)送至列車上，以提高高鐵災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)緊急處置能力、保證緊急處置的時效性。

2.3 無線傳感技術(shù)在高速鐵路崩塌落石監(jiān)測中的應(yīng)用前景

我國高速鐵路建設(shè)有自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)，對重點的公跨鐵、隧道口等建設(shè)有異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)，但我國既有山區(qū)鐵路大多建設(shè)年代較早，受當時條件限制，建設(shè)標準普遍較低，防護等級不足，沿線山體受多年風化、地震和風雨影響，多地存在崩塌、滑坡和泥石流的災(zāi)害，容易造成嚴重行車事故[10]。且為降低汛期行車影響，鐵路總公司、鐵路局投入大量人力、物力常年開展搜山掃石工作，但由于崩塌落石隱患點多、線長，單純靠派人看守難以保證行車安全，為此，急需建設(shè)鐵路崩塌落石自動監(jiān)測報警系統(tǒng)，當發(fā)生泥石流、崩塌和落石等異物侵限時，自動發(fā)出報警，使列車停車，保證列車的安全。

鐵路崩塌落石自動監(jiān)測報警系統(tǒng)需在現(xiàn)場布設(shè)雨量計、位移計、振動光纖、激光雷達等大量多類型傳感器，一般監(jiān)測點存在公網(wǎng)、GPS信號較差，電力供應(yīng)困難，且需長時間持續(xù)監(jiān)測及無人值守，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可解決以上問題，并實現(xiàn)現(xiàn)場多傳感器不同類型監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速采集和匯總，并發(fā)送至監(jiān)控中心，以實現(xiàn)鐵路邊坡崩塌落石的自動監(jiān)測和報警。

2.4 智能傳感技術(shù)在高速鐵路異物侵限監(jiān)測中的應(yīng)用前景

既有高速鐵路公跨鐵異物侵限監(jiān)測技術(shù)均采用雙電網(wǎng)傳感器的監(jiān)測方式，監(jiān)測范圍有限，對于隧道口、公鐵并行等區(qū)段和山體落石等其他異物侵限事件缺乏有效的監(jiān)測技術(shù)，同時，2014年之前的異物侵限監(jiān)測電網(wǎng)使用化學錨栓安裝于上跨鐵路的道路橋梁兩側(cè)，隨著使用時間的增長，存在一定的安全隱患，缺乏可替代性的異物侵限監(jiān)測手段。

通過紅外、微波、雷達、視頻智能識別等智能傳感技術(shù)在高速鐵路異物侵限監(jiān)測方面的應(yīng)用，可以減少施工、維護的工作量，減少異物侵限監(jiān)測盲區(qū)，提高高速鐵路異物侵限監(jiān)測的自動化、智能化水平。

3 結(jié)束語

目前，災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要為智能傳感技術(shù)，在設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測、異物侵限監(jiān)測、無線傳輸?shù)确矫嫔杏蠷FID、無線傳感網(wǎng)、視頻智能識別等需求。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的進一步運用，可提高系統(tǒng)災(zāi)害監(jiān)測、設(shè)備維護管理的自動化和智能化，提高高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的安全保障能力。