盧容仁 龍庭該 胡峰

摘要：基于紅外激光圖像識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)了一款鐵路路基沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由測(cè)量和傳輸兩部分構(gòu)成。監(jiān)測(cè)過程中，在測(cè)量范圍的前后2公里地段安裝聲控傳感器，以收集列車接近信息。當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，聲控傳感器將列車信息通過聲控傳輸線路傳遞至測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)基于紅外激光圖像識(shí)別技術(shù)獲取路基沉降數(shù)據(jù)。如若路基沉降量超限，測(cè)量系統(tǒng)將立即通過預(yù)警傳輸線路向列車控制中心發(fā)送預(yù)警信息，提醒緊急停車。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)相比，具有便攜性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、高效性等優(yōu)勢(shì)，極大地推動(dòng)了路基監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鐵路路基，沉降;監(jiān)測(cè);系統(tǒng)研發(fā);圖像識(shí)別;物聯(lián)網(wǎng)

引言

鐵路路基是承受和傳遞列車、機(jī)車重力及列車動(dòng)態(tài)作用的結(jié)構(gòu)層，巖土應(yīng)力分布相對(duì)集中，周圍巖土層的輕微擾動(dòng)，都可能導(dǎo)致巖土應(yīng)力重新分布，引起不均與的沉降，導(dǎo)致鐵路線路幾何尺寸超限，危機(jī)行車安全。因此，對(duì)可能改變鐵路路基巖土應(yīng)力分布的外界施工，都應(yīng)該對(duì)鐵路路基實(shí)施位移監(jiān)測(cè)[1-4]。目前對(duì)路基沉降的監(jiān)測(cè)主要分為人工定期測(cè)量和安裝設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。前者屬于病害檢查，根據(jù)前期沉降規(guī)律定期到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，適合于有規(guī)律的鐵路路基沉降，對(duì)巖土應(yīng)力聚變引起的路基加速沉降病害，具有一定的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，無法保證列車運(yùn)行安全。后者屬于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如鐵環(huán)分層沉降儀法、剖面沉降儀法、沉降板法、沉降水杯法、光纖光柵法、地溫推測(cè)法、GPS測(cè)繪觀測(cè)等。將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳入固定監(jiān)測(cè)平臺(tái)，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)路基沉降情況。但因監(jiān)測(cè)設(shè)備昂貴，安裝復(fù)雜，很難在現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模推廣。因此本文基于紅外激光圖像識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)[5]等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款便攜、實(shí)時(shí)傳輸、經(jīng)濟(jì)、高效的鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由測(cè)量和傳輸兩部分構(gòu)成，見圖1。傳輸系統(tǒng)將列車往來信息傳輸至測(cè)量系統(tǒng);測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)指令對(duì)線路路基進(jìn)行測(cè)量，基于紅外激光圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)沉降量進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果上傳至傳輸系統(tǒng);若路基沉降量超限，傳輸系統(tǒng)將預(yù)警信息傳輸至列車控制中心，提醒緊急停車。

測(cè)量系統(tǒng)由紅外激光成像系統(tǒng)和分析系統(tǒng)構(gòu)成，見圖2。成像系統(tǒng)包含紅外激光光源、光學(xué)顯微鏡、相機(jī)等，用以獲取超高清的被測(cè)目標(biāo)路基照龍庭該片，作為分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。分析系統(tǒng)基于圖像識(shí)別相關(guān)算法，對(duì)路基變形前后的兩幅數(shù)字圖像進(jìn)行分析處理，得到相應(yīng)的變形（位移）信息。

傳輸系統(tǒng)由聲控傳感器、聲控傳輸線路、預(yù)警傳輸線路等3部分組成。在測(cè)量范圍的前后2公里地段安裝聲控傳感器，以收集列車接近信息。當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，聲控傳感器采集到列車通過的信息，通過聲控傳輸線路傳遞至測(cè)量系統(tǒng)，促使測(cè)量系統(tǒng)立即采集路基沉降數(shù)據(jù)。如若路基沉降量超限，測(cè)量系統(tǒng)將立即通過預(yù)警傳輸線路向列車管理中心發(fā)送預(yù)警信息，提醒緊急停車。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

2.1 測(cè)量系統(tǒng)工作原理

通過光學(xué)顯微鏡和相機(jī)獲取路基圖像后，通過圖像處理來提高其表達(dá)能力（圖像增強(qiáng)）。圖像的視覺表達(dá)取決于兩個(gè)分量：入射光源的照明成分，對(duì)應(yīng)于圖像在頻域中的低頻分量;場(chǎng)景的反射成分，對(duì)應(yīng)于圖像在頻域中的高頻分量，這個(gè)分量與人眼感知的場(chǎng)景密切相關(guān)。由于卷積結(jié)果更接近于照明成分，因此本文測(cè)量系統(tǒng)利用高斯卷積函數(shù)對(duì)原始圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算，在最大程度上消除了圖像中的照明成分，并保留和增強(qiáng)了其反射成分，由此實(shí)現(xiàn)了圖像增強(qiáng)的目的。

圖像增強(qiáng)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其基本原理是，對(duì)變形前圖像中的測(cè)量區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將每個(gè)子區(qū)域當(dāng)作剛性運(yùn)動(dòng)。再通過一定的搜索方法按預(yù)先定義的相關(guān)函數(shù)對(duì)每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。在變形后的圖像中尋找與該子區(qū)域的互相關(guān)系數(shù)為最大值的區(qū)域，即該子區(qū)域在變形后的位置，進(jìn)而獲得該子區(qū)域的位移。之后對(duì)全部子區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，即可獲得全場(chǎng)的變形信息。

該測(cè)量系統(tǒng)具有無靶標(biāo)、多點(diǎn)同步、非接觸的特點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)無需安裝靶標(biāo)或者標(biāo)記物即可直接測(cè)量，可多點(diǎn)同步實(shí)時(shí)高速測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的二維變形，同時(shí)無需接觸被測(cè)物體表面。測(cè)量系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)見表1。

2.2 傳輸系統(tǒng)工作原理

本文基于NB-LoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)構(gòu)建信息傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，可用于多種垂直行業(yè)。

與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，NB-LoT蜂窩結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)越的連接能力。一個(gè)NB-LoT可以同時(shí)滿足10萬個(gè)客戶端的在線連接，也可以在一個(gè)相對(duì)飽和的狀態(tài)下，保持一個(gè)較低的延時(shí)率。

本文利用NB-LoT無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)與列車管理中心的實(shí)時(shí)通信。當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，聲控傳感器將信息通過NB-LoT傳遞至測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)采集路基沉降數(shù)據(jù)并分析后，再通過NB-LoT反饋給列車管控中心。期間數(shù)據(jù)信息傳輸及時(shí)、準(zhǔn)確。

3 系統(tǒng)安裝、運(yùn)行關(guān)鍵點(diǎn)

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝、運(yùn)行過程中，需要注意以下關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）對(duì)于交通量較大的線路，應(yīng)在列車接近和列車通過后各采集一次路基沉降數(shù)據(jù)。對(duì)于交通量較小的線路，可根據(jù)線路路基沉降發(fā)展規(guī)律，來自定義測(cè)量頻率。

（2）當(dāng)列車距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)400米時(shí)，測(cè)量裝置即開始采集數(shù)據(jù)，如若路基沉降超限，立即進(jìn)行第二次測(cè)量。如果連續(xù)5次采集的沉降數(shù)據(jù)都達(dá)到預(yù)警值，系統(tǒng)即啟用預(yù)警功能，提醒緊急停車。

（3）根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需要，可用一個(gè)測(cè)量裝置同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，以提高監(jiān)測(cè)效率，并可以結(jié)合不沉降基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)正，提高測(cè)量精度。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）在保證測(cè)試數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上，便攜易安裝。一般來講，路基沉降監(jiān)測(cè)精度和便捷易安裝是矛盾的。但本文監(jiān)測(cè)設(shè)備與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的位移變化量經(jīng)過了第三點(diǎn)的換算，進(jìn)而推算現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際沉降量，有效解決了監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝地點(diǎn)路基不穩(wěn)導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真問題。

（2）相比傳統(tǒng)的人工測(cè)量，本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性優(yōu)勢(shì)突出。傳統(tǒng)的人工測(cè)量只能在天窗點(diǎn)內(nèi)開展，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路基沉降數(shù)據(jù)，故難以應(yīng)對(duì)路基位移突變狀況，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)點(diǎn)位并能及時(shí)預(yù)警，有效提高了行車安全性。

（3）相比傳統(tǒng)的人工測(cè)量，本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)每個(gè)月可節(jié)約路基沉降監(jiān)測(cè)費(fèi)用2萬元。

（4）相比傳統(tǒng)的人工測(cè)量，本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不占用班組勞力，不干擾現(xiàn)場(chǎng)日常工作，極大地減輕了線路管理壓力。

5 結(jié)論

本文研發(fā)了鐵路路基沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由測(cè)量和傳輸兩部分構(gòu)成。

測(cè)量系統(tǒng)包含紅外激光成像系統(tǒng)和分析系統(tǒng)。成像系統(tǒng)包含紅外激光光源、光學(xué)顯微鏡、相機(jī)等，用以獲取超高清的路基照片，作為分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。分析系統(tǒng)基于圖像識(shí)別相關(guān)算法，對(duì)路基變形前后的兩幅數(shù)字圖像進(jìn)行分析處理，得到相應(yīng)的變形（沉降）信息。

傳輸系統(tǒng)由聲控傳感器、聲控傳輸線路、預(yù)警傳輸線路等3部分組成。監(jiān)測(cè)過程中，在測(cè)量范圍的前后2公里地段安裝聲控傳感器，以收集列車接近信息。當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，聲控傳感器采集到列車通過的信息，通過聲控傳輸線路傳遞至測(cè)量系統(tǒng)，促使測(cè)量系統(tǒng)立即采集路基沉降數(shù)據(jù)。如若路基沉降量超限，測(cè)量系統(tǒng)將立即通過預(yù)警傳輸線路向列車管理中心發(fā)送預(yù)警信息，提醒緊急停車。

本文基于圖像識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了路基沉降量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)相比，具有便攜性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、高效性等優(yōu)勢(shì)，從而極大地推動(dòng)了路基監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

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