CN115303329B - 一种基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统 - Google Patents

Abstract

一种基于钢轨电位‑压力特征的铁路地质灾害预警系统，由监测模块、信号机模块、信号处理模块、无线传输模块、监控终端组成。通过电压传感器和压力传感器持续采集钢轨对地电位信号和压力信号，主控单元接收电位信号、压力信号和信号机传输的列车轨道占位信号，以有效区分来车和地质灾害发生的不同情况。本发明具有预警灵敏度高，准确度高以及全天候、全方位、零延迟等特点。

Description

一种基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统

技术领域

本发明涉及高速铁路安全预警领域，尤其是一种基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统。

背景技术

地质灾害是在世界范围内都具有严重危害性的自然灾害，在我国的山地地区，泥石流等地质灾害危及人民生命安全、制约经济发展、破坏环境生态稳定，应该着力减小灾害带来的威胁。例如，泥石流就是一种突发的地质灾害现象，多发生于山区、地形险峻的地区，在雨季具有群发性，由于暴雨、洪水或其它自然因素的作用，将含有砂石且松软的土质山体经饱和稀释后形成洪流。地质灾害造成的异物入侵铁路轨道具有突发性、速度快、流量大、破坏性强等特点，其在高速流动时具有强大的能量，因而破坏力极强。

随着我国铁路逐步进入400km/h时代以及高速铁路路网规模的不断扩大，影响行车安全的地质灾害及基础设施监测成为了铁路行业研究的热点、难点。以成昆、成兰、川藏铁路为代表的艰险山区铁路沿线地质灾害具有分散性、破坏力强、高位隐蔽及人工巡查困难等特点，对铁路工程建设及运营安全提出了严峻的挑战。在铁路沿线上分布有许多乡镇和村庄，是当地居民生产生活集中地区，植被砍伐、放牧及公路修建等，导致地表植被受到严重破坏，在一定程度上直接影响到众多地质灾害的发育和发生，而地质灾害一旦发生并且没有准确及时预警，就会给山区铁路沿线乘客和居民的生命财产安全带来极大威胁。异物侵限问题事关道路交通安全，例如，2022年6月4日，贵广高铁上的D2809次列车，在榕江站附近撞上溜坍入侵线路的泥石流，导致两节车厢脱线，造成重大伤亡。高速铁路沿线环境的滑坡、泥石流等地质灾害入侵轨道作为目前高速铁路主要严重威胁之一，亟需采取一种可行的准确可靠高效的针对性侵限监测预警方案。

现有技术主要为人工监测、卫星遥感技术监测、次声测量监测技术以及光纤光栅传感器测量技术等。其中，人工监测主要依靠铁路工人定时定点对铁路线路进行巡逻观察，并且辅助摄像头进行监控。但此种方案非常耗时耗力效率不高，且在夜间、地形偏僻的地方以及恶劣情况下实施困难，视频监控成本高并且不可能实现列车轨道全领域覆盖摄像头，监测准确率不高。卫星遥感技术监测，利用卫星实时定点拍摄地形实况图并进行比对，但是该方案在监测过程中会出现一定的延迟，因此无法达到实时监测预警。并且，其对天气条件要求苛刻，而泥石流等地质灾害主要发生在阴雨天，故识别准确率也有限。次声测量检测技术主要采用次声测量传感器对泥石流等所携带的独特的低频声波部分进行采集，但其容易被一些其他的低频信号如雷管爆炸以及雷电等声源干扰，尚需进一步建立更丰富的数据库以及建立永久式大区域次声监测阵列来准确的识别判定泥石流灾害。

目前，虽然已有人提出通过分析地面压力来判断是否发生地质灾害，但是没有应用在铁路领域，然而就算用在铁路领域，无法判断压力变化是异物入侵钢轨，还是来车途经钢轨。

发明内容

为了克服上述监测方案所存在的弊端，本发明的目的是提供一种以基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统，旨在“钢轨对地压力”、“钢轨对地电位”以及“列车轨道占位信号”相结合的方式，有效区分来车和地质灾害发生的不同状况，保障高铁行车安全。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明的一种基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统由监测模块、信号机模块、信号处理模块、无线传输模块以及监控终端组成。

一种基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统，包括监测模块、信号机模块、信号处理模块、无线传输模块、监控终端。

监测模块：由电压传感器和压力传感器组成，钢轨由绝缘节隔离开，在地质灾害易发区段中的每一段两个钢轨外侧分别安装一个电压传感器，用于采集钢轨电压信号，监测钢轨对地电位是否发生突变，压力传感器安装在每一根钢轨的下方，用于采集钢轨压力信号，监测钢轨压力的异常变化。

信号处理模块：包括A/D转换模块、主控单元,监测模块输出的钢轨电压信号和压力信号通过A/D转换模块转变为数字信号后输入主控单元。

信号机模块：由轨道电路和铁路信号机组成，轨道电路为：直流电源正极串接限流电阻和继电器后接于该段中一个钢轨，直流电源负极接于另一钢轨，继电器的一对闭触点连接在铁路信号机的绿灯的供电回路中，继电器的一对常开触点连接在铁路信号机的红灯的供电回路中；铁路信号机的信号灯信号输出至主控单元。

无线传输模块：采用SigFox通信技术，将主控单元的输出信号无线传输至监控终端；监控终端：接到报警后及时通知人员应急修理，完成报警。

一种基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统，还具有驱动模块：主控单元的报警驱动信号经电阻输入至三极管基极，三极管发射极接地，继电器串接在三极管集电极与电源正极之间，二极管正极接于三极管集电极，二极管负极接于电源正极，继电器的一对常开触点分别连接在一段钢轨中的两个钢轨上。

所述信号处理模块还具有上位机存储，所述电压传感器为霍尔电压传感器。

所述信号处理模块的主控单元采集信号机的信息，将电压信号、压力信号、信号灯信号三者结合进行处理分析，若由电压传感器传出的信号为正常、压力传感器传出的信号为正常以及信号机传出的信号为绿色，该情况属于正常一般情况，不予报警；

若由电压传感器传出的信号为突变、压力传感器传出的信号为异常以及信号机传出的信号为绿色，即可断定该区域发生地质灾害且异物入侵轨道，立即将此结果以及位置信息通过无线传输模块无线传输至监控终端以完成报警，并同时通过驱动模块控制继电器而使报警的红灯亮，保持红光带以完成现场报警；

若由电压传感器传出的信号为突变、压力传感器传出的信号为异常以及信号机传出的信号为红色，即可初步判断为该区域有列车驶入，立即将此结果以及位置信息从信号处理模块传输至监控终端，如若监控终端显示没有车辆，则可判断为钢轨被地质灾害引起的异物砸断，监控终端人员即可及时通知人员应急修理，完成报警；

若由电压传感器传出的信号为正常、压力传感器传出的信号为异常以及信号机传出的信号为绿色，由于在距离行驶中的列车大约5公里处压力传感器即可感受到压力震动，因此即可判断为距离该区域一段距离处有列车即将驶入，不予报警；

若由电压传感器传出的信号为正常、压力传感器传出的信号为正常以及信号机传出的信号为红色，即可断定该信号机烧毁而出现故障，立即将此结果以及位置信息通过信号处理模块无线传输至监控终端，监控终端人员即可及时通知人员应急修理，完成报警。

本发明的有益技术效果为：

1、地质灾害导致异物入侵轨道造成的后果非常严重，故需要求监测预警系统十分准确及时。本发明综合考虑了钢轨电位、钢轨对地压力以及铁路信号机（列车轨道占位信号）三个主要指标，以有效区分来车和地质灾害发生的不同状况，形成了极为精准的铁路地质灾害预警机制，有效避免了单一指标构成的预警系统出现的误报、漏报等情况。

2、本发明取代卫星遥感等监测系统，由于压力传感器维护简单，安装调试都极为简单。并且，其灵敏度以及准确度极高，可以实现几乎零延迟的监测预警。

3、本发明所采用电压传感器为霍尔电压传感器，其工作温度区精度优于1%，精度极高，完美符合铁路异物入侵监测系统的精度要求。

4、本发明相比于已有的铁路地质灾害预警机制，不受天气、地形等影响，可以实现“全天候、全方位、零延迟”的精准预警，更为有效且便于实施，解决了长期以来铁路行业对异物监测的难点，有效保证了安全的铁路的运行环境。

附图说明

图1为绝缘节式轨道电路占位信号原理图。

图2为本发明基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统整体示意图。

图3为本发明基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统侧面示意图。

图4为本发明铁路地质灾害预警系统工作流程图。

图5为本发明所述压力传感器结构示意图。

图6为本发明所述电压传感器采用霍尔电压传感器工作原理图。

图7为现场报警驱动电路（即驱动模块）。

附图标号释义：1-钢轨、2-轨枕、3、绝缘节、4-触点、5-电源、6-限流电阻、7-地质灾害异物、8-地质异物电阻、9-泄漏电流、10-信号灯、11-电磁铁、12-弹簧、13-衔铁、14-（铁路）信号机、15-地面控制台、16-连接线、17-大地、18-硅油、19-充油孔、20-芯片、21-波纹膜片、22-基体、23-引线、24-磁芯、25-霍尔元件、26-电压传感器、27-压力传感器、28-监测模块、29-信号机模块、30-信号处理模块、31-无线传输模块、32-监控终端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

绝缘节是隔离相邻区段轨道电路的一种绝缘材质，一般铁路轨道间隔1.5公里放置一对绝缘节，可以使相邻区段的轨道电路信息隔离，保证列车的行车安全。在没有通车的情况下，被绝缘节隔断的一段轨道中仅有来自于轨道电路的电源输出电流进而在钢轨上产生电位。正常情况下，当该区段未来车时，轨道电路电源输出电流经轨道电路完成电流通路，此时轨道电路里的轨道继电器由于通电将衔铁吸附，控制占位信号机显示绿灯。当列车驶入该区段时，由于列车轮对是良导体，会使两根钢轨直接连接，将轨道继电器短路。轨道继电器因没有电流通过，故衔铁无法吸附，此时占位信号机显示红灯，警示后车该区段已有车辆占用。当山体发生地质灾害时，泥石流等异物覆盖钢轨。若地质灾害导致的异物覆盖单根钢轨而没有砸断钢轨时，信号灯不会有反应，仍然显示绿灯。若地质灾害导致的异物覆盖两根钢轨时，由于地质异物导电率很高，故无法导致两根钢轨短接，即无法使占位信号机传输占位信号，因此信号机仍旧显示绿灯可通行状态，该情况十分危险，可能导致人身安全受到严重威胁。

由于地质异物如泥石流等将钢轨连接至地，故必定会有泄露电流经地质异物泄露至大地，即会造成钢轨的电位发生突变。考虑到地质灾害导致的异物覆盖钢轨单侧的情况，于两根钢轨的绝缘节两端处各安装一个电压传感器，当安装于轨道的电压传感器检测出电压突变，并且当占位信号机显示绿灯的时候，基本判断地质灾害导致异物入侵钢轨。

本发明的铁路灾害预警系统还包括钢轨对地压力检测模块，于每一段钢轨的两个钢轨下方安装一个压力传感器。当压力传感器检测出压力异常时，有两种情况，一种是由于前方远距离来车导致钢轨震动，另一种即为地质灾害导致异物入侵钢轨轨道导致的震动。当压力传感器检测异常并且上述电压传感器检测电压突变并且信号机显示绿灯即可最终判定该区域发生地质灾害，立即通过无线传输模块发送报警信号警示来车以及将信号传送至调度终端以及监控中心，以此完成及时准确的预警功能。

如图所示，基于钢轨电位-压力特征的铁路地质灾害预警系统包含监测模块28、信号机模块29、信号处理模块30、无线传输模块31、监控终端32。

所述监测模块包括电压传感器26和压力传感器27，所述电压传感器26采用霍尔直流电压传感器。将霍尔电压传感器其布设于铁路钢轨的外侧，用于检测钢轨的对地电压有无突变。钢轨1由绝缘节3隔离开，在地质灾害易发区段每一段钢轨外侧安装一个电压传感器。当该区域发生地质灾害导致异物入侵覆盖钢轨时，霍尔电压传感器可以及时准确检测到钢轨电压的突变，并将该信号传送至信号处理模块30。霍尔电压传感器需安装在远离强磁场位置的区域，应与变压器等保持距离。其原理图如下图6所示，在电隔离条件下能对0V～200V的直流电压信号进行检测，将直流15V的电池作为工作电源。

所述压力传感器27安装于每一根钢轨的下方，当有地质灾害导致异物入侵钢轨或者当前方几公里处来车时，压力传感器27可以感受到明显的异常，并将此异常信息传送至信号处理模块30。由于压力传感器27的工作环境恶劣，如有大的振动、冲击，需对传感器提出更为严格的要求，安装过程要保证机械密封可靠，防松动。

所述信号机模块包含信号机和轨道电路，所述信号机14为铁路轨道旁依靠显示不同颜色来指挥行车、调车命令的固定信号机，其应用原理如图1所示。当线路中该区段无车占用时，轨道电路中的直流电源正极发出电流，电流经过继电器流回至负极。此过程中继电器持续通入电流，衔铁被吸起信号显示为绿灯。当线路中该区段有车占用时，由于车体轮对的导电性非常良好，即轨道电路电流回路被轮对短路，继电器中无电流流过，衔铁失磁落下，信号显示为红灯。此外，所述信号处理模块30的驱动电路可以短路继电器，使其一直呈现红灯。

所述信号处理模块30，包括A/D转换模块、主控单元、上位机存储、地面控制台以及驱动模块，将从传感器以及信号机得到的信号数据传至主控模块进行综合分析处理，将A/D转换模块按一定的采样频率采样后转换为的数字信号储存在上位机存储模块中，如若处理结果为报警信号，则该信号经过无线传输模块31上传至监控终端32中。与此同时，驱动模块控制短路所述继电器，使衔铁一直处于失磁落下状态，即可使信号机一直输出红灯，即呈现红光带，完成现场预警。

详细为：信号处理模块30采集信号机的信息，即将电压信号、压力信号、信号灯信号三者结合进行处理分析，若由电压传感器26传出的信号为正常、压力传感器27传出的信号为正常以及信号机14传出的信号为绿色，该情况属于正常一般情况，不予报警。

若由电压传感器26传出的信号为突变、压力传感器27传出的信号为异常以及信号机14传出的信号为绿色，即可断定该区域发生地质灾害且异物入侵轨道，立即将此结果以及位置信息从信号处理模块30传输至监控终端32以完成报警，并同时控制继电器使其短路，使衔铁一直保持失磁状态，保持红光带以完成现场报警。

若由电压传感器26传出的信号为突变、压力传感器27传出的信号为异常以及信号机14传出的信号为红色，即可初步判断为该区域有列车驶入，立即将此结果以及位置信息从信号处理模块30传输至监控终端32，如若监控终端32显示没有车辆，则可判断为钢轨被地质灾害引起的异物砸断，监控终端人员即可及时通知人员应急修理，完成报警。

若由电压传感器26传出的信号为正常、压力传感器27传出的信号为异常以及信号机14传出的信号为绿色，由于在距离行驶中的列车大约5公里处压力传感器27即可感受到压力震动，因此即可判断为距离该区域一段距离处有列车即将驶入，不予报警。

若由电压传感器26传出的信号为正常、压力传感器27传出的信号为正常以及信号机14传出的信号为红色，即可断定该信号机烧毁而出现故障，立即将此结果以及位置信息从信号处理模块30传输至监控终端32，监控终端人员即可及时通知人员应急修理，完成报警。

所述无线传输模块31采用功耗低的SigFox通信技术，所述SigFox广域网通信技术采用超窄带调制的技术，以低数据速率传送短消息。该技术采用窄带宽和短消息，适用于发送较小的不频繁数据的地质灾害监测预警应用。SigFox的协议简单，通过传输三次的方法来提高成功率，无需确认，降低了终端的开发难度和成本。且SigFox的物理层简单，方案实现简单，多家半导体公司都有实现类似的芯片，有助于终端的选型和推广。并且，SigFox的穿透性高，可以通过提高功率谱密度实现高的链路预算，完美适合基于轨道电压检测的泥石流预警系统。报警信息以及位置信息经广域网通信模块SigFox传送至监控终端32，完成报警。

Claims (1)

1.一种基于钢轨“电位-压力”特征实时监测的铁路地质灾害预警系统，其特征在于，包括监测模块、信号机模块、信号处理模块、无线传输模块、监控终端；

监测模块（28）：由电压传感器和压力传感器组成，钢轨由绝缘节隔离开，在地质灾害易发区段中的每一段两个钢轨外侧分别安装一个电压传感器，用于采集钢轨电压信号，监测钢轨对地电位是否发生突变，压力传感器安装在每一根钢轨的下方，用于采集钢轨压力信号，监测钢轨压力的异常变化；

信号处理模块（30）：包括A/D转换模块、主控单元,监测模块输出的钢轨电压信号和压力信号通过A/D转换模块转变为数字信号后输入主控单元；

信号机模块（29）：由轨道电路和铁路信号机（14）组成，轨道电路为：直流电源正极串接限流电阻（6）和继电器后接于该区段中一个钢轨，直流电源负极接于另一钢轨，继电器的一对闭触点连接在铁路信号机的绿灯的供电回路中，继电器的一对常开触点连接在铁路信号机的红灯的供电回路中；铁路信号机的信号灯信号输出至主控单元；

无线传输模块：采用SigFox通信技术，将主控单元的输出信号无线传输至监控终端；监控终端：接到报警后及时通知人员应急修理，完成报警；

还具有驱动模块：主控单元的报警驱动信号经电阻输入至三极管基极，三极管发射极接地，继电器串接在三极管集电极与电源正极之间，二极管正极接于三极管集电极，二极管负极接于电源正极，继电器的一对常开触点分别连接在一段钢轨中的两个钢轨上；

所述信号处理模块还具有上位机存储，所述电压传感器为霍尔电压传感器；

所述信号处理模块（30）的主控单元采集信号机的信息，将电压信号、压力信号、信号灯信号三者结合进行处理分析，若由电压传感器（26）传出的信号为正常、压力传感器（27）传出的信号为正常以及信号机（14）传出的信号为绿色，情况属于正常一般情况，不予报警；

若由电压传感器（26）传出的信号为突变、压力传感器（27）传出的信号为异常以及信号机（14）传出的信号为绿色，即可断定该区段发生地质灾害且异物入侵轨道，立即将此结果以及位置信息通过无线传输模块无线传输至监控终端（32）以完成报警，并同时通过驱动模块控制继电器而使报警的红灯亮，保持红光带以完成现场报警；

若由电压传感器（26）传出的信号为突变、压力传感器（27）传出的信号为异常以及信号机（14）传出的信号为红色，即可初步判断为该区段有列车驶入，立即将此结果以及位置信息从信号处理模块（30）传输至监控终端（32），如若监控终端（32）显示没有车辆，则可判断为钢轨被地质灾害引起的异物砸断，监控终端人员即可及时通知人员应急修理，完成报警；

若由电压传感器（26）传出的信号为正常、压力传感器（27）传出的信号为异常以及信号机（14）传出的信号为绿色，由于在距离行驶中的列车5公里处压力传感器（27）即可感受到压力震动，因此即可判断为距离该区段一段距离处有列车即将驶入，不予报警；

若由电压传感器（26）传出的信号为正常、压力传感器（27）传出的信号为正常以及信号机（14）传出的信号为红色，即可断定该信号机烧毁而出现故障，立即将此结果以及位置信息通过信号处理模块（30）无线传输至监控终端（32），监控终端人员即可及时通知人员应急修理，完成报警。