CN103824422B - 铁路沿线危岩落石监控报警系统 - Google Patents

Abstract

在此公开现场监测设备、信号处理系统和监控报警系统。所述现场监测设备包括：光纤光栅传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和光纤光栅解调仪，其中，所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器或由其构成的阵列通过信号传输光纤相连接，所述光纤光栅传感器设置在铁轨的预定位置，用于实时地监测与铁轨上落有落石时相关联的信号，并将该信号返回给所述光纤光栅解调仪。

Description

铁路沿线危岩落石监控报警系统

技术领域

本发明涉及现场监测设备、信号处理系统和监控报警系统，更具体地，涉及用于铁路沿线危岩落石的现场监测设备、信号处理系统和监控报警系统。

背景技术

危岩落石作为边坡尤其是高陡边坡的一种浅表部破坏方式，是严重的地质灾害之一。它突发性强，随机性大，速度快，发生猛烈，一直是边坡工程勘察中的重点。由于形成崩塌落石灾害的危岩体多分布于高陡边坡上，从源头完全治理将耗费巨大的人力物力，目前更多的是采取致灾前的落石防护措施。落石是我国山区一种多发地质灾害, 给公路、铁路建设及运营和山区人民生活带来巨大的危害。我山区道路两侧山体受多种因素影响，岩石坠落现象时有发生，轻则使铁路和车辆遭到轻微毁坏，重则使道路中断，给铁路运输带来重大损失; 更有甚者，落石的巨大冲击能量严重威胁到人民群众生命安全，其危害程度不亚于泥石流、滑坡等地质灾害。地质灾害严重威胁着铁路、公路等交通运输安全和旅客生命安全。特别是山区铁路，一旦发生断道，成千上万的旅客滞留外地，不能按时到达目的地，正常的生产、生活秩序也被打破，给社会安定带来极大压力，同时也给交通运营部门及旅客带来难以估计的间接经济损失，为此，积极采取措施，对各种地质灾害尽可能进行监测预警有着重大深远的意义和影响。

铁路危岩落石监控报警系统技术，主要涉及到危岩落石地质灾害防灾安全监控与报警系统、危岩落石等异物侵入自动监测技术、防灾报警系统数据监测传输技术研究及危岩落石防灾安全监控系统技术实施细则与维护使用管理办法等，根据大量的真实数据对铁路危岩落石灾害进行监控技术研究。常规的防护技术通过安装主动防护网系统及被动防护网实现。主动防治技术适用于勘察确定的、大型的危岩体治理；被动防治技术适用于危岩带, 或线状工程受危岩落石灾害威胁下的防护。其优点是可以全面有效保护落石灾害威胁对象, 但限于被动防护系统的拦截能力, 通常用来拦截小型落石。被动防护系统的有效设置有赖于落石运动行为预测的可靠程度, 如运动路径、弹跳高度、运动速度、动能等参数的获取。目前，主动和被动防治技术都存在不足，一旦落石跳过或冲破被动防护网进入铁路界限内将对线路正常运营产生重大的危害。

在铁路沿线危岩落石监控技术方面，国内外已开展了部分的研究与应用，普遍存在以下问题：一是部分监测设备费用昂贵，无法大量应用；二是因测试元件安装方法不当引起的破损与数据不准确现象经常发生，三是预报模型与报警触发条件的确定比较困难；四是耐久性问题比较突出，特别是测试元件受恶劣气候影响容易失效。

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。光纤传感技术也逐步被应用到铁路防灾安全监测领域，还待进一步完善。目前除主动监测系统和被动监测系统外，其它技术研究中普遍存在的问题归纳如下：

（1）电测方法: 采用应变电阻, 其精度低,抗干扰能力差, 寿命短, 现场需要用电源, 信号难以远距离传输, 不适合长期监测；

（2）GPS 方法: 采用卫星定位系统, 其现场设备需维护, 现场需要电源, 特殊地域无法取得信号, 特别是无法测得地质内部的应力变化, 所以无法对塌方进行预报, 如进行多点监测, 则该系统造价昂贵；

（3）图像法: 采用室外摄像法, 比较直观。但雨、雾和雪天难以识别, 不能预报,且现场需要电源, 设备容易被破坏；

（4）光纤光栅方法: 光纤光栅传感器具有体积小、精度高、寿命长、高可靠性, 与光纤兼容等优点, 极易埋入到待测物体内部, 实现对物体的高精度、无干扰的实时监测。可实现数字化传感, 尤其是在铁路无人区、无电区以及恶劣的环境下可长期稳定工作。

考虑到西南铁路主要在山区, 又是多雾多雨少人地区, 设备维护困难, 一般外置设备存在损坏和盗窃的隐患, 故工程采用国内最先进的光纤光栅传感技术。

发明内容

期望提供一种克服现有技术不足并且符合经济高效需求的用于铁路防灾安全监测的现场监测设备、信号处理系统和监控报警系统。

根据本发明的实施例，提供了一种用于监测铁路沿线危岩落石的现场监测设备，包括：光纤光栅传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和光纤光栅解调仪，其中，所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器或由其构成的阵列通过信号传输光纤相连接，所述光纤光栅传感器设置在铁轨的预定位置，用于实时地监测与铁轨上落有落石时相关联的信号，并将该信号返回给所述光纤光栅解调仪。

优选地，根据本发明实施例的现场监测设备，其中，所述光纤光栅传感器为光纤光栅振动传感器，用于监测当铁路界限内落有落石时，光纤光栅的波长相对于光纤光栅的特征波长的振动量信号，并将其返回给所述光纤光栅解调仪。

优选地，根据本发明实施例的现场监测设备，其中，所述光纤光栅的波长信号实时传递给所述光纤光栅解调仪。

优选地，根据本发明实施例的现场监测设备，所述光纤光栅解调仪包括：激光发射装置，用于生成激光；以及输入输出端口，用于将激光输出到信号传输光纤中，其中，所述信号传输光纤与光纤光栅传感器相连接，激光经光纤光栅传感器反射后返回到所述光纤光栅解调仪，并且其中，激光在光纤光栅传感器内反射时，在受到外部的作用的情况下，反射激光的波长发生变化，且所述变化与外部作用之间具有预定的相关性。

优选地，根据本发明实施例的现场监测设备，所述光纤光栅传感器可以设置在铁轨的下侧。

优选地，根据本发明实施例的现场监测设备，所述光纤光栅解调仪可以对从所述光纤光栅传感器反射回来的信号进行解调处理，并得出相应的波长信号。

根据本发明的另一实施例，提供了一种信号处理系统，包括：信号接收装置，用于接收来自根据权利要求1所述的现场监测设备的信号；处理器单元，设置成通过分析来确定：1）每个波长信号涉及哪个光纤光栅传感器；2）所涉波长的变化以及对应的所代表的振动量；3）所述振动量是否达到危险程度。

优选地，根据本发明实施例的信号处理系统，所述信号处理系统还包括存储装置，其中预先存储：光纤光栅传感器与特征波长之间的对应关系；波长变化和光纤光栅传感器所测的振动量之间的关系；振动量和发生危岩落石的危险之间的对应关系。

优选地，根据本发明实施例的信号处理系统，所述处理器单元可以还设置成用于：确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了危岩落石和/或哪条光纤光缆损毁。

优选地，根据本发明实施例的信号处理系统，所述处理器单元可以还设置成用于确定：相对于时间，所述振动量增加的速度是否大于预定的阈值。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种用于铁路沿线危岩落石的监控报警系统，包括：上述现场监测设备；上述信号处理系统；报警系统，在所述信号处理系统确定振动量发生和/或达到危险程度的情况下，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。

优选地，根据本发明实施例的监控报警系统，所述现场监测设备与所述信号处理系统通过有线或者无线方式远距离连接。

优选地，根据本发明实施例的监控报警系统，所述监控报警系统包括一个或多个所述现场监测设备，并且所述一个或多个现场监测设备向一个或多个所述信号处理系统提供收集到的信息。

根据本发明实施例的现场监测设备、信号处理系统和监控报警系统能够接入其它路内系统和路外信息系统，来完善此系统的外部互通功能，也给准确、有效的报警带来保障，更为铁路安全运营增加了保驾护航。

根据本发明实施例的现场监测设备、信号处理系统和监控报警系统，可以实现结构简单、适应性强、稳定性好的监测系统，尤其适合于在铁路无人区、无电区以及恶劣的环境下长期稳定工作。另外，整体系统结构清晰，统一为整体，又相互之间独立分系统，并采用双机热备形式，能够在艰难困苦的情况下稳定不间断运行。再者，本系统的信息传输和处理均采用新技术实现，为铁路防灾系统互通奠定了基础。通过本发明，不仅克服了现有监测系统诸多缺点，更为铁路运营安全防灾监控技术提供了一个全新的思路和方向。

附图说明

图1 是根据本发明实施例的铁路沿线危岩落石监控报警系统的总体架构图；

图2A和2B是根据本发明实施例的光纤光栅传感器的轨道安装图；和

图3是根据本发明实施例的信号处理系统中的处理器单元执行的处理的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、结构和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的优选实施例进一步地进行详细描述。

图1是根据本发明实施例的铁路沿线危岩落石监控报警系统的总体架构图。图1中所示的铁路沿线危岩落石监控报警系统能够实现现场监测设备监测数据、光纤传输通道传送信号、解调设备转换信号、处理中心完成运算、最终报警并互通其它系统的功能。下面以示例的方式分别描述各部分结构。

现场监测设备

根据本发明的一实施例，现场监测设备包括：光纤光栅传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和光纤光栅解调仪。其中，所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器或由其构成的阵列通过信号传输光纤相连接，所述光纤光栅传感器设置在铁轨的预定位置，用于实时地监测与铁路界限内落有落石时相关联的信号，并将该信号返回给所述光纤光栅解调仪。

优选地，所述光纤光栅传感器以抱装形式安装于铁轨下侧，用不锈钢螺钉加以固定。光纤光栅传感器可以通过传感器单轨间距25米布设方式，采用双传感器同时报警策略来实现监测功能。

具体地，如图2A和2B中所示，光纤光栅传感器可以以与轨道平行的方式安装在轨道的下侧。然而，光纤光栅传感器也可以根据需要以其他方式安装在轨道的预定位置。

作为一个示例，光纤光栅传感器可以为光纤光栅振动传感器，用于监测当铁路界限内落有落石时，光纤光栅的波长相对于光纤光栅的特征波长的振动量信号，并将其返回给所述光纤光栅解调仪。然而，也可以使用其他类型的光纤光栅传感器来监测其他的物理量以监测铁路沿线危岩落石。另外，在实际的应用中，可以仅当光纤光栅的波长相对于光纤光栅的特征波长的振动量信号大于预定阈值时，才将该振动量信号返回给所述光纤光栅解调仪，从而使得可以排除不必要的干扰信号，或者仅通知对于火车通过有危险的较大落石的信号。

在本发明的一个实施例中，所述光纤光栅解调仪可以包括：激光发射装置，用于生成激光；以及输入输出端口，用于将激光输出到信号传输光纤中。所述信号传输光纤与光纤光栅传感器相连接，激光经光纤光栅传感器反射后返回到所述光纤光栅解调仪。此外，激光在光纤光栅传感器内反射时，在受到外部的作用的情况下，反射激光的波长发生变化，且所述变化与外部作用之间具有预定的相关性。所述光纤光栅解调仪对从所述光纤光栅传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号。得到的波长信号经铁路专用传输通道传送至中央处理系统。

中央处理系统

根据本发明的一个实施例，中央处理系统（即，信号处理系统）可以包括信号接收装置和处理器单元。信号接收装置用于接收来自现场监测设备的信号。处理器单元可设置成通过分析来确定每个波长信号涉及哪个光纤光栅传感器、所涉的波长的变化以及对应的所代表的振动量、所述振动量是否达到危险程度（如图3所示）。

此外，所述信号处理系统还可以包括存储装置，其中预先存储：光纤光栅传感器与特征波长之间的对应关系；波长变化和光纤光栅传感器所测的振动量之间的关系；振动量和发生危岩落石的危险之间的对应关系。

再者，处理器单元可以还设置成用于：确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了危岩落石和/或哪条光纤光缆损毁。

另外，处理器单元可以还设置成用于确定：相对于时间，所述振动量增加的速度是否大于预定的阈值。

在本发明的另一个实施例中，中央处理系统可以包括：应用服务器、数据库服务器、UPS、网络交换设备。所有设备均为双机热备，双网络通道，确保系统中心运行稳定。

其中， 应用服务器根据实时数据进行计算，根据双传感器报警制定规则来进行判断报警信息，并将信息存储到数据库服务器中，同时上传至终端用户。应用服务器之间有心跳线连接，如遇到故障可在短时间内切换，平均故障间隔时间（MTBF）不小于2×10⁵h。

数据库服务器存储历史基础信息、报警信息、设备故障信息等数据，并配有磁盘阵列来提升数据的安全性。同样，平均故障间隔时间（MTBF）不小于2×10⁵h。

UPS电源采用一路AC220v/50Hz电源由电力电源配电盘引入，经双机热备在线式UPS后，提供不小于0.5小时的备用电源，平均故障间隔时间（MTBF）不小于1×10⁵h，为中央处理中心设备提供可靠工作电源。

网络交换设备利用通信MSTP传输系统提供的网络接口，网络为带宽不低于2Mbps的业务专网，以实现各监控单元、中央处理中心及终端用户设备间的数据传输。传输网络采用双以太网、TCP/IP协议，双网络通道分别接入不同的业务板卡，任一网络发生故障不影响系统运行。IP地址的分配应纳入全路统一规划，符合铁道部对全路灾害监测系统IP地址分配管理办法、标准的相关要求，并采用防火墙进行网络接口隔离。

此外，中央处理系统会将所需信息传送至防洪管理信息系统，便于防洪工作的开展；中央处理系统会将所需信息传送至综合视频监控系统，便于综合判断危岩落石险情，做好及时、准确的措施；中央处理系统会同步铁路时间系统，有利于数据查询和报警信息的准确性；中央处理系统会将所需信息传送至综合运营调度管理系统，便于上级部门统筹规划运调工作，带来提示保障。在条件允许的情况下，可接入信号系统和牵引变电系统，直接参与列车运营控制，对于突发险情的处理更为及时。

针对于路外信息系统的气象部门和地震部门，同样可以信息共享，这样可以提前预测险情的发生，从而起到铁路沿线危岩落石监控预警的作用。

设备终端区

终端用户为铁路工务部门，由工控机（含显示器）、黑白激光打印机、告警箱、计算机桌椅等组成。工务终端设备按单机配置，采用双网卡结构，确保系统的正常运行。终端以图形、文本并伴音响报警方式，提落石及设备故障等报警、预警信息和相应的维护预案。发生灾害时，弹出报警界面，提供维护预案，提醒维修人员及时采取应对措施。

系统软件及应用软件组成，其中系统软件主要包括操作系统、数据库管理软件、集群管理软件、通信中间件等，应用软件主要包括灾害监测系统应用软件、防病毒软件及维护管理软件等。灾害监测系统应用软件有远程实验功能，便于工程前期调试工作和日后设备维护，但在日常使用中会根据用户级别的不同进行限制。终端界面有查看实时数据、查询历史数据、查看报警记录、确认报警等功能。已做到统一的图形界面，操作界面简单、便于维护。在经过分析得到灾害发生或者危害程度的信息后，将此信息以某种媒介的形式发送给有关的人员，比如区域负责铁路安全的人员、维修人员，和上级决策者。其中，由负责安全监控的人员，根据监测的情况，可以通过有线或者无线的方式，比如电话、短信、广播、警示灯，向有关人员进行示警或通告。

根据本发明的另一实施例，提供了一种用于铁路沿线危岩落石的监控报警系统，其包括：前述现场监测设备；前述信号处理系统；以及报警系统，其在所述信号处理系统确定振动量发生和/或达到危险程度的情况下，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。在该监控报警系统中，所述现场监测设备与所述信号处理系统通过有线或者无线方式远距离连接。另外，监控报警系统可以包括一个或多个所述现场监测设备，并且所述一个或多个现场监测设备向一个或多个所述信号处理系统提供收集到的信息。此外，监控报警系统可以接入其它路内系统和路外信息系统，来完善此系统的外部互通功能，也给准确、有效的报警带来保障，更为铁路安全运营增加了保驾护航。

综上，本系统制定了一套开放性好、可以扩展的通讯协议，便于三个分系统之间的数据传输，并且有利于建立统一的防灾体系。

根据本发明的监控报警系统，可以取得下列优点：

1、可靠性：灾害监测系统应具有高可靠性，确保系统7×24小时不间断运行。数据库服务器、应用服务器、接口服务器、存储设备的平均故障间隔时间（MTBF）不小于2×10⁵h；路由器、交换机、防火墙、UPS电源的平均故障间隔时间（MTBF）不小于1×10⁵h。中央处理系统数据库服务器、应用服务器、存储设备、核心网络设备及监控单元主机应采用冗余配置。监控单元应采用工业级设备。

2、可维护性：系统硬件设备应采用通用的设备，功能相同的板件宜采用同一类型的产品，便于相互替换，减少备品备件种类。

3、安全性：系统应具有操作权限设置及口令认证功能；系统应具有较强的容错和抵御非法用户及病毒攻击的能力。

4、可扩展性：系统硬件具备可扩展性；系统软件使用开放性的操作系统，应用软件应采用模块化设计，并具备良好的扩展性，支持在线配置与软件的升级。

本发明的功能特征不限于前面给出的那些例子，这样可以设想本发明精神内的任意种类的功能。尽管已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但并非为了将本发明限制为这里所阐述的具体例子。相反，本发明的范围仅受限于所述权利要求。

Claims (11)

1.一种用于铁路沿线危岩落石的监控报警系统，包括用于监测铁路沿线危岩落石的现场监测设备以及信号处理系统，其中所述现场监测设备包括：

光纤光栅传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和

光纤光栅解调仪，

其中，所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器或由其构成的阵列通过信号传输光纤相连接，所述光纤光栅传感器设置在铁轨的预定位置，用于实时地监测与铁轨上落有落石时相关联的信号，并将该信号返回给所述光纤光栅解调仪，其中，所述光纤光栅传感器为光纤光栅振动传感器，用于监测当铁路界限内落有落石时，光纤光栅的波长相对于光纤光栅的特征波长的振动量信号，并将其返回给所述光纤光栅解调仪；

所述信号处理系统包括：

信号接收装置，用于接收来自所述现场监测设备的信号；

处理器单元，设置成通过分析来确定：

1）每个波长信号涉及哪个光纤光栅传感器；

2）所述波长的变化以及对应的所代表的振动量；

3）所述振动量是否达到危险程度，

以及存储装置，其中预先存储：

光纤光栅传感器与特征波长之间的对应关系；

波长变化和光纤光栅传感器所测的振动量之间的关系；

振动量和发生危岩落石的危险之间的对应关系。

2.如权利要求1所述的监控报警系统，其中，所述光纤光栅的波长实时传递给所述光纤光栅解调仪。

3.如权利要求1所述的监控报警系统，其中，所述光纤光栅解调仪包括：

激光发射装置，用于生成激光；以及

输入输出端口，用于将激光输出到信号传输光纤中，

其中，所述信号传输光纤与所述光纤光栅传感器相连接，激光经光纤光栅传感器反射后返回到所述光纤光栅解调仪。

4.如权利要求1到3中任一项所述的监控报警系统，其中，所述光纤光栅传感器设置在铁轨的下侧。

5.如权利要求4所述的监控报警系统，其中，所述光纤光栅解调仪对从所述光纤光栅传感器传导回来的信号进行解调处理，并得出传导信号的波长信号。

6.根据权利要求1所述的监控报警系统，其中，处理器单元还设置成用于：

确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及

根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了危岩落石和/或哪条光纤光缆损毁。

7.根据权利要求1所述的监控报警系统，其中，处理器单元还设置成用于确定：相对于时间，所述振动量增加的速度是否大于预定的阈值。

8.根据权利要求1所述的监控报警系统，还包括：

报警系统，在所述信号处理系统确定振动量发生和/或达到危险程度的情况下，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。

9.根据权利要求8所述的监控报警系统，其特征在于，所述现场监测设备与所述信号处理系统通过有线或者无线方式远距离连接。

10.根据权利要求8或9所述的监控报警系统，其特征在于，包括一个或多个所述现场监测设备，并且所述一个或多个现场监测设备向一个或多个所述信号处理系统提供收集到的信息。

11.如权利要求8所述的监控报警系统，其中，所述信号处理系统接入其它路内系统或路外信息系统，所述其它路内系统包括防洪管理信息系统、综合视频监控系统、铁路时间同步网系统、运营调度管理系统之一，而所述路外信息系统包括信号系统、牵引变电系统、气象系统和地震系统之一。