摘 要：危巖落石是山區(qū)常見的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著山區(qū)鐵路建設(shè)及行車安全。雖然山區(qū)鐵路設(shè)計中采取繞避方式，但由于山區(qū)山高坡陡地段覆蓋范圍廣泛，仍然無法完全避免這種危險源。隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，危巖落石對鐵路特別是高速鐵路的安全影響越來越需要慎重考慮，因此，有必要采取監(jiān)測等技術(shù)手段，實現(xiàn)提前報警，盡可能的在發(fā)生事故之前清楚危險或者降低損失，保障人民生命財產(chǎn)。本文通過對幾種山區(qū)鐵路路基邊坡危巖落石異物侵限監(jiān)測技術(shù)的介紹，包括光纖光柵技術(shù)、視頻分析技術(shù)、雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)以及衛(wèi)星定位技術(shù)等，分析其工作原理和技術(shù)特點。針對其各自的特點，結(jié)合山區(qū)鐵路的特殊工程情況，提出可行性的建議方案，作為系統(tǒng)設(shè)計和建設(shè)的參考。

關(guān)鍵詞：山區(qū)鐵路 路基危巖落石 監(jiān)測報警

中圖分類號：U298 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

作者簡介：肖琨，男，1975年生，高級工程師，中鐵二院通號院副總工程師，中鐵二院四川曠谷信息工程有限公司（信息中心）副總經(jīng)理，第九批四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選。牽頭負(fù)責(zé)中鐵二院在中國鐵路公司和國家地震局聯(lián)合科研項目“高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”科研項目中的研制工作；曾擔(dān)任武廣、鄭西、福廈、廈深、海南東環(huán)線、成綿樂、成渝等多條鐵路重大干線和成都地鐵OCC中心信息專業(yè)設(shè)計負(fù)責(zé)人或技術(shù)管理負(fù)責(zé)人；擔(dān)任中鐵二院委內(nèi)瑞拉北部鐵路整體系統(tǒng)集成工程總承包項目部副經(jīng)理。

我國幅員遼闊，山區(qū)地形眾多，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，多為突發(fā)性和災(zāi)難性，特別是高陡邊坡的崩塌、危巖落石，更是難以預(yù)測，嚴(yán)重威脅山區(qū)鐵路建設(shè)和運(yùn)營安全。一旦災(zāi)害發(fā)生，將給人民生命及國家財產(chǎn)造成嚴(yán)重危害和巨大損失。

雖然技術(shù)人員在山區(qū)鐵路設(shè)計中采取盡可能的繞避重大不良地質(zhì)地段和較集中的危巖落石地段方式，但由于山區(qū)山高坡陡地段覆蓋范圍廣泛，且地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，深路塹、高陡邊坡（人工及自然邊坡）、危巖落石等仍然無法完全避免。因此，如何進(jìn)一步加強(qiáng)對鐵路運(yùn)營期間不良地質(zhì)地段的長期監(jiān)測，最大可能的避免或降低損失成為必要，在山區(qū)鐵路設(shè)置相應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)的重要性顯得尤為突出。

本文通過介紹國內(nèi)交通領(lǐng)域的幾種異物監(jiān)測技術(shù)，初步探討了可應(yīng)用于中國山區(qū)鐵路防路基邊坡危巖落石侵限監(jiān)測技術(shù)方案。

1 高速鐵路異物侵限監(jiān)測技術(shù)

我國高速鐵路在公跨鐵立交橋、公鐵并行段、隧道洞口段設(shè)置了異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙層電網(wǎng)傳感器，并且和信號列控系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)動控車。

當(dāng)異物撞壞防護(hù)網(wǎng)，若一層電網(wǎng)損壞，則向調(diào)度中心告警；若雙層電網(wǎng)同時損壞，告警同時與信號設(shè)備聯(lián)動，相應(yīng)區(qū)段中的列車緊急停車。

高速鐵路異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)同時配合使用視頻監(jiān)控裝置，調(diào)度或維護(hù)人員進(jìn)一步通過視頻方式了解現(xiàn)場，評估損害情況和采取有效的措施。

若將雙電網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)用于危巖落石的監(jiān)測，由于電網(wǎng)中的傳感器導(dǎo)線固化在高強(qiáng)度脆性復(fù)合材料中，只能采用監(jiān)測電網(wǎng)單元獨立豎直方式，安裝于邊坡災(zāi)害及危巖落石可能沖擊的鐵路沿線（一般設(shè)置于鐵路防護(hù)欄內(nèi)側(cè)），當(dāng)災(zāi)害發(fā)生后災(zāi)害體或落石侵入鐵路限界，破壞電網(wǎng)，出發(fā)報警，聯(lián)動列控系統(tǒng)控車。

該技術(shù)方案優(yōu)點是在高速鐵路領(lǐng)域已經(jīng)有大量應(yīng)用，技術(shù)逐步趨向成熟。缺點是傳感器電網(wǎng)與防護(hù)網(wǎng)為一體構(gòu)造，與路基專業(yè)設(shè)置的防護(hù)網(wǎng)無法實現(xiàn)一體化安裝，需單獨設(shè)置，防護(hù)范圍不全，易形成防護(hù)不到位情況。

2 光纖光柵技術(shù)

光纖光柵技術(shù)是利用反射光的波長對溫度、應(yīng)力和應(yīng)變敏感，通過光刻技術(shù)在光纖芯中引起折射的周期性變化原理而形成。當(dāng)環(huán)境溫度、應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化時，光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量就可以實現(xiàn)對溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測。

光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器、光纖光柵波長解調(diào)儀、計算機(jī)和相應(yīng)的計算軟件組成。

2.1 在柔性被動防護(hù)網(wǎng)上的設(shè)置方案

在鐵路常用的被動柔性防護(hù)系統(tǒng)中，錨拉繩為主要受力部件。安裝時可以將光纖光柵拉力傳感器串接在錨拉繩上。當(dāng)異物或者巨石撞擊上防護(hù)網(wǎng)時，錨拉繩受到巨大沖擊力，拉力傳感器據(jù)此不僅可測量出沖擊力大小，還可以根據(jù)受到?jīng)_擊前后的狀態(tài)來判斷防護(hù)網(wǎng)是否受到破壞，并通過軟件系統(tǒng)給出相應(yīng)的報警信息。

圖2.1 光纖光柵拉力傳感器在柔性被動防護(hù)網(wǎng)上的布置示意圖

2.2 在剛性防護(hù)柵欄上的設(shè)置方案

光纖光柵振動傳感器在剛性防護(hù)柵欄上的布置如下圖所示?？紤]到盡可能采取到信息，光纖光柵振動傳感器安裝位置一般考慮在振動幅度較大處，即通過專用固定設(shè)施固定在剛性防護(hù)柵欄鋼絲網(wǎng)的中間位置。通過各個振動傳感器感受沖擊信號的時間先后，來判定防護(hù)柵欄受到?jīng)_擊的位置；傳感器感測的沖擊幅度和沖擊距離來計算受到損傷的程度。

圖2.2 光纖光柵振動傳感器在防護(hù)柵欄上的布置示意圖

光纖光柵技術(shù)目前已在長大橋梁的長期健康監(jiān)測方面有較多應(yīng)用，但應(yīng)用于危巖落石的監(jiān)測，還有待進(jìn)一步的試驗和驗證。同時，該技術(shù)方案的成本也較高。

3 視頻監(jiān)控及圖像分析技術(shù)

基于野外紅外激光三維精密測量技術(shù)的紅外激光方式的視頻監(jiān)控及圖像分析技術(shù)，通過對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行連續(xù)掃描，能夠在各種天氣和氣候條件下快速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，同時通過后臺軟件的分析實現(xiàn)對目標(biāo)物的辨別能力。

系統(tǒng)由現(xiàn)場視頻監(jiān)測系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、中心報警系統(tǒng)部分組成。具備現(xiàn)場行車告警和視頻追蹤功能。

現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)由紅外激光夜視攝像機(jī)、智能圖像分析單元、紅外激光掃描成像裝置、數(shù)據(jù)分析軟件等組成。系統(tǒng)通過視頻圖像的智能分析和對比判別，實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)發(fā)生危巖落石的監(jiān)測報警。

由于線路周邊環(huán)境的復(fù)雜性，該系統(tǒng)存在誤報率高的可能性較高。如小型動物、慢速通過或停止的機(jī)車以及雜草等都有可能造成誤報。該種監(jiān)測方式在鐵路領(lǐng)域已有嘗試性應(yīng)用案例。

4 雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)

雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)是借助電磁波反射原理完成對進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域的目標(biāo)物體的速度、距離等有效信息的采集、分析和處理，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的實時監(jiān)測。當(dāng)有危巖落石等異物進(jìn)入事先劃定的雷達(dá)監(jiān)控區(qū)域時，通過后臺軟件對采集到的信息進(jìn)一步分析，確定侵限告警級別，實現(xiàn)告警。

該技術(shù)方案測量視頻監(jiān)控及圖像分析技術(shù)類似，為非接觸式監(jiān)測技術(shù)。其不足的地方在于當(dāng)車輛或其他物體經(jīng)過掃描區(qū)域時，可能會造成誤報。這種技術(shù)方案存在應(yīng)用較少，處于初期實驗階段和設(shè)備價格較高，監(jiān)測距離有限的缺點。

5 衛(wèi)星定位監(jiān)測技術(shù)

該技術(shù)方案利用北斗或GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供的位置、速度、時間等信息來完成對高陡邊坡及危巖落石體的三維位置變化信息監(jiān)測。

通過現(xiàn)場布設(shè)衛(wèi)星定位模塊，作為主要監(jiān)測傳感器，然后再通過后臺軟件的技術(shù)處理，實現(xiàn)對危巖落石的監(jiān)測，其精度可達(dá)厘米級。

傳感器布設(shè)于高陡邊坡危巖落石監(jiān)測點所處的危險坡體、危巖落石體、高路堤、深路塹或災(zāi)害發(fā)生可能的鐵路沿線防護(hù)欄立柱上。當(dāng)高陡邊坡發(fā)生變形時，系統(tǒng)通過定位模塊測量的三維數(shù)據(jù)，然后分析出監(jiān)測點的水平和高程位移；當(dāng)災(zāi)害發(fā)生沖擊鐵路沿線防護(hù)欄上道時，可通過防護(hù)欄上安裝的傳感器變形情況判斷災(zāi)害的影響程度，并通過設(shè)置于鐵路沿線的專用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場信息加以確認(rèn)。

圖2.11危險坡體安裝圖 2.12鐵路沿線防護(hù)欄立柱安裝傳感器

該技術(shù)方案可實現(xiàn)對各監(jiān)測點平面和高程觀測數(shù)據(jù)的同步，實時掌握監(jiān)測點位置信息和變形情況，但衛(wèi)星通道成本較高，對柔性防護(hù)網(wǎng)區(qū)段的測試方案還有待進(jìn)一步研究。

6 方案研究

根據(jù)我們目前對山區(qū)鐵路危巖落石防護(hù)的初步研究，從技術(shù)成熟度、工程可實施性和投資等多方面綜合分析，光纖光柵技術(shù)+視頻監(jiān)控具有比較大的優(yōu)勢。用光纖光柵技術(shù)應(yīng)用于危巖落石的監(jiān)測報警，再通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)和實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度指揮。在工程中，光纖光柵技術(shù)需要與主動或被動防護(hù)網(wǎng)共同設(shè)置，在系統(tǒng)報警閾值、傳感器布置方式等方面還有點進(jìn)一步研究和通過實際工程驗證，不斷優(yōu)化。

山區(qū)鐵路地形復(fù)雜，對于無法進(jìn)行接觸式安裝的危巖落石危險地段，采用視頻監(jiān)控及圖像分析技術(shù)實施較為方便，在技術(shù)成熟度和投資上具有相對的優(yōu)勢。但同時也應(yīng)看到，視頻分析系統(tǒng)投入使用后，為減少誤報，需要一個長時間的 “學(xué)習(xí)”和補(bǔ)充信息庫的過程，這個過程要專業(yè)技術(shù)人員和運(yùn)維管理人員一起，共同反復(fù)進(jìn)行試驗、驗證和測試，才能讓系統(tǒng)達(dá)到一個可接受的誤報率指標(biāo)。因此，該方案最大的不足在于若系統(tǒng)“學(xué)習(xí)”過程不完善，不充分或運(yùn)維管理人員的素質(zhì)不能滿足要求，造成實際使用中誤報率高，最后流于形式，僅作為人工遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控使用，無法真正起到智能分析，減少勞動強(qiáng)度的作用。

7 結(jié)束語

新技術(shù)、新產(chǎn)品的涌現(xiàn)，對實現(xiàn)山區(qū)鐵路危巖落石的監(jiān)測提供了可能。集團(tuán)公司在多個項目中對危巖落石監(jiān)測也進(jìn)行了科學(xué)研究和探索。我們看到，如果要從可靠性、可實施性、性價比是否合適等多方面考慮，現(xiàn)有某一種監(jiān)測技術(shù)還無法完全滿足要求，需要結(jié)合工程實際情況，進(jìn)行對比和綜合分析，多種技術(shù)組合，才能實現(xiàn)我們的技術(shù)目標(biāo)。而技術(shù)方案的實施要經(jīng)過一個論證、試驗和驗證的過程，這樣才能保證系統(tǒng)監(jiān)測的可靠性，實現(xiàn)保證行車安全的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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