運營線滑坡體綜合檢測體系研究

周丹 闕衛東 師文斌

摘 要：蘭渝線蘭廣段處于青藏高原東北緣復雜特殊的地質構造環境，為了避免地質災害引起鐵路行車事故，建立有效的運營線滑坡體綜合檢測體系，采用無人機對地質災害頻發的山體進行多次航拍，建立三維建模模型，獲取地質災害山體大面積變形數據。采用三維激光雷達掃描技術，對接近鐵路線山體三維掃描建模，建立毫米級山體點云數據，通過多次測量對比，掌握山體變形趨勢。采用線路雷達測量及三維激光雷達掃描技術，研制的運營線滑坡體綜合檢測系統基本解決了鐵路沿線異物入侵、山體大面積崩塌、落石的自動監測和預警的問題，實現了將最新傾斜攝影技術、三維激光掃描及雷達測量技術應用于既有鐵路線運營監測，相對于傳統鐵路監測手段具有監測手段的創新性。

關鍵詞：無人機航拍;三維激光掃描;鐵路沿線異物入侵監測

中圖分類號：P258 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0100-02

蘭渝鐵路蘭州至廣元段處于青藏高原東北緣復雜特殊的地質構造環境，尤其是強烈的擠壓構造作用。地質構造十分復雜，屬高-極高地應力狀態。受多期強烈變形和極低級變質作用改造以及構造、斷層、高地應力、地下水等多種因素的影響，施工中出現了軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂等一系列特殊復雜地質問題。

蘭渝鐵路范家坪隧道進口山體在2012年-2015年間多次出現表層滑移，目前已采取的工程措施有抗滑樁和錨索框架梁;楓相院車站特大橋在2012年-2015年間多次出現表層滑移，在線路上行側方向設置了3排72棵抗滑樁。目前，國內外高校、企業均對鐵路滑坡災害作為重要研究課題，但采用傳統的監測手段技術。已不能滿足鐵路安全運營要求。

1 航拍無人機在鐵路運營線路監測中的作用

蘭渝線、蘭廣段處于青藏高原東北緣復雜特殊的地質構造環境，尤其是強烈的擠壓構造作用。地質構造十分復雜，屬高-極高地應力狀態。受多期強烈變形和極低級變質作用改造以及構造、斷層、高地應力、地下水等多種因素的影響，施工中出現了軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂等一系列特殊復雜地質問題。針對蘭渝線鐵路地質的復雜性和特殊性，結合現場情況，對涉及軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂的12座隧道進行隧道結構安全性監測顯得極為緊迫。通過無人機測控快速建模，可對監測點微小位移進行實時監控量測，同時根據被測目標特征預測監測點將發生的變化情況，并在情況緊急時進行報警提醒。

采用航拍無人機傾斜攝影技術，實現了對鐵路線路地質災害嚴重的山體、隧道口進行三維建模，建立線路山體點云數據，通過多次航拍對比，實現對山體大面積變形數據獲取，通過對多次航拍所得的三維模型數據的對比分析，實現了對鐵路運營線路地質災害頻發的鐵路沿線滑坡體的地質變化的全方位監測。

2 雷達掃描技術在鐵路運營地質災害調查中的作用

研究通過三維激光雷達掃描技術，對接近鐵路線山體三維掃描建模，建立毫米級山體點云數據，通過多次測量對比，掌握山體變形趨勢。

眾所周知，地質災害調查尤其是鐵路運營線路滑坡體、危巖體的調查在傳統鐵路沿線地質工作中是存在一定困難的，特別是對于那些鐵路運營線路滑坡體、邊坡高陡情況下。由于滑坡體、邊坡高陡造成調查人員難以企及，軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂、高位巖體隨時可能崩落、失穩，給調查工作帶來人身安全問題，由于人員的地質調查造成滑坡體崩塌、落石掩埋鐵路運營線路，造成的鐵路運營線路中斷，危及鐵路運營安全等問題，所以不能采用傳統的地質災害調查方法，并且傳統的測繪技術方法難以實施且精度較低。

結合三維激光掃描技術的獨特技術優勢，將其應用于鐵路運營線路滑坡體地質災害具體調查工作中，是傳統調查方法的有益補充，在某些情況下可以獲取傳統方法難以得到的數據結果。

3 線路雷達入侵監測技術研究

隨著我國鐵路建設的快速發展，列車運行速度不斷提高，鐵路沿線突發落石、泥石流、山體滑坡、行人、動物等異物侵入鐵路限界，頻頻引發嚴重鐵路交通事故，嚴重威脅到人民生命財產安全和鐵路線路的安全運營。傳統的軌道檢測主要采用人力，通過專業巡路人員來達到軌道檢測的效果。但人工的方式太過于浪費人力和財力，且對于緊急事故的反應不夠迅速。目前基于防護網探測電纜傳感技術的解決方案、基于智能圖像分析技術的解決方案以及基于應力光纖光柵技術的解決方案等均存在誤報、漏報多，施工維護不方便等問題?；谌S激光掃描雷達和智能分析識別算法的“運營線滑坡體綜合檢測系統”，能在各種天氣和氣候條件下，對各種鐵路運行線路限界上可能威脅到列車正常行駛的落石、泥石流、山體滑坡、行人、動物等各類異物進行快速、準確地判斷，并對報警障礙物進行定位和圖像記錄，同時通過遠程網絡及無線列調等設備向監控中心和列車司機上報報警信息，提示相關人員及時采取措施防止事故的發生。系統掃描雷達安裝于運營線路的兩側，通過7天24小時不間斷掃描和分析，實時檢測障礙物入侵行為。系統主要有以下特點：第一，采用非接觸式監測，不影響鐵路正常運行;第二，利用雷達和圖像相結合的方式，獲取運行線路障礙物入侵的全面現場信息;第三，遠程無線傳輸和本地無線傳輸集合，及時向監控中心和本地司機傳遞報警信息，提示相關人員采取應急措施。

3.1 系統功能架構

運營線滑坡體綜合檢測體系功能架構如圖1所示。

3.2 實現報警系統與視頻監控系統的聯動

實現報警系統與視頻監控系統的融合，報警信息與視頻監控畫面的聯動功能，報警發生時自動切換到對應的報警現場畫面，并對報警信息進行處理操作。

3.3 實現對三維雷達掃描設備的接入

系統需實現對三維雷達掃描設備的平臺接入，通過軟件平臺管理三維雷達掃描設備。三維雷達掃描設備實現對障礙物、行人、泥石流等異物入侵的判斷，并及時向報警中心報警。

3.4 實現用戶權限管理功能

實現對不同用戶權限用戶的管理，將用戶對應到不同的站段，實現不同用戶對不同站段的分開管理。

3.5 優化用戶操作界面

實現用戶操作界面的優化，讓用戶在使用過程中有更好的體驗，方便用戶操作。

3.6 安裝試用

通過對線路雷達測量技術及三維激光雷達掃描技術的研究，研制了“運營線滑坡體綜合檢測系統”對范家坪隧道進口進行了“運營線滑坡體綜合檢測系統”的安裝及測試，目前進入測試運行階段，如圖2所示。

4 結語

通過對通過航拍無人機傾斜攝影技術的研究，實現了對鐵路線路山體進行三維建模，建立線路山體點云數據，通過多少航拍對比，實現對山體大面積變形數據獲取。通過對三維激光雷達掃描技術，實現了對接近鐵路線山體三維掃描建模，建立毫米級山體點云數據，通過多次測量對比，掌握山體變形趨勢。通過對線路雷達測量技術研究，實現了“基于三維模式的線路障礙自動報警監測系統”的研制，通過與合作伙伴進行不斷的技術溝通和交流，基本實現了課題研究預期的目標。運營線滑坡體綜合監測體系研究在目前是全新的系統，具有很大的推廣價值，本次課題研發的“運營線滑坡體綜合檢測系統”基本解決了鐵路沿線異物入侵、山體大面積崩塌、落石的自動監測和報警的問題，實現了將最新傾斜攝影技術、三維激光掃描及雷達測量技術應用于既有鐵路線運營監測，相對于傳統鐵路監測手段具有監測手段的創新性。

本課題通過對課題研究內容及關鍵技術的研究，實現了本課題既定的課題目標，本課題研制的“運營線滑坡體綜合檢測系統”在隴南工務段長時間的試用和測試，根據客戶的需求進行不斷的改進，基本滿足了用戶的需求。