高速铁路综合安全监控系统设计

引言

　　技术安全是铁路运输永恒的主题，是铁路的生命线。我国地域辽阔，地形复杂，气候变化大，致使铁路灾害分布广泛、类型众多、发生频繁，铁路灾害的分布遍及全国，基本上凡有铁路的地方均受程度不同的灾害侵袭，由此平均每年造成铁路运输中断100余次，累计10002000h，最高峰曾达到年断道211次。已发生灾害路段占全路总运营里程的20%以上，尚有许多线路灾害处于潜伏状态，严重威胁铁路的行车安全。

　　高速铁路由于列车运行速度高、密度大，运送对象以旅客为主，一旦发生事故后果不可想象。因此，除了要求机车车辆、供电、线路以及通信信号设备高性能外，对各种可能发生的灾害，如自然灾害(强风、暴雨、大雪、地震)、突发事故(坍方落石、异物侵限)、列车及设备故障、突发的大规模群体事件等，都要实施全面监测。世界各国已建成和正在建成的高速铁路均将综合安全保障体系的研究放在首位。如何针对可能发生的各类危及行车安全的灾害，建立安全、可靠、实时、准确的铁路安全防灾监控和信息传输体系，制定科学有效的预警机制和应急预案，在灾害发生前或发生后及时控制运行列车减速或停车，使各种多发、随机的铁路灾害造成的破坏力降低到最小程度或避免灾害的发生，这对铁路部门科学、合理地调度列车、指挥运行，确保铁路客运专线运行安全有着重大的实践意义。

1 高速铁路综合安全防灾的需求分析

　　1.1综合防灾安全监控功能需求

　　综合防灾安全监控系统是对危及列车运行安全的自然灾害(风、雨、洪水、地震等)、异物侵限、突发事故和事件等进行实时监测;对各种监测信息进行分析、处理、汇总，判定设备安全隐患、灾害及故障的类型、性质和级别;实时显示经处理后的信息及灾害预警、限速、停运、恢复运营等处理建议，为运营调度中心调整运行计划，下达行车管制、抢险救援、维修等指令提供依据。

　　1.2覆盖内容需求

　　高速铁路安全监控的主要监测内容按对象不同可大致分为5大类：自然灾害监测(如地震、雨量及洪水、风速和风向等);线路监测(如轴温、路基灾害等);大型结构物监测(如车站站房、隧道、牵引变电所及通信信号机械室内及周围自然状况监测等);物体侵入监测;列车运行状况与车厢监测等。

　　1.2.1自然灾害监测

　　强风监测：监测点设置在易发生强风或突发性大风地区的车站、高架线和桥梁上。

　　雨量及洪水监测：洪水灾害不像地震、风灾那样具有突发性，而是按积少成多、循序渐进的规律因汛期雨水多而形成灾害的。高速铁路受雨及洪水破坏主要表现在路堤、桥梁以及路堑自然边坡破坏三大方面。

　　地震监测：地震是属于发生概率较小，但危害最大的一种特殊灾害，高速铁路沿线地震仪应设置在地震烈度大于等于VII度的线路区段，一般考虑设在牵引变电所内，以利于及时断电响应。

　　高速铁路同普速铁路一样，还应针对不同地理环境条件、不同的运营机制，设置相应的防火灾、防雷击、防冰雪等设施。

　　1.2.2线路监测

　　轨温监测：轨温的升高使无缝线路钢轨的纵向应力加大，超过一定标准时会导致胀轨跑道事故，对行车安全有极大的危害。钢轨温度传感器设置地点应选择在线路条件如路基、道床、曲线、坡度等不利的地点。在桥梁较多地段或曲线较多地段，可根据实际情况适当增设。

　　路基灾害监测：主要监测路基病害的发生、发展和发出预警信息，这部分属于“渐进”灾害。对于路基病害要结合发生灾害处的地形、地质、环境和降雨量作出安全评估。

　　1.2.3大型结构物监测

　　车站监测：在大型车站设有相应的安全监测系统，对周围环境、设备状态等具有自动监测和报警功能。当发生重大灾害和事件可能影响行车时(如事故、停电、火灾等)将信息通过车站综合信息系统传至调度中心安全调度台处理。

　　桥梁、隧道监测：高速铁路为了提高行车速度，大量地使用了桥梁和隧道，所以必须设置桥梁、隧道监测系统。系统所收集的可能或直接影响行车安全的信息(如火灾、非法侵限等)，应直接或通过综合信息系统传送至调度中心安全调度台汇总处理。

　　牵引供电、通信信号监测：作为客运专线重要设备的牵引供电和通信信号等系统应具有高度的可靠性，保证设备总处于良好的状态，或一旦设备存在危及行车安全的隐患时，能及时地发出警告，强制列车减速甚至停车，需要具有防火、防水、防盗等监测。

　　1.2.4物体入侵监测

　　依据线路建筑标准，对于一些易发生土、石崩溃和塌方，落物难以预测巨整治投资大、施工困难的地段，根据预测的塌方范围及落物轨迹，设置崩塌、落物防护监测网是必要的。按照要求高速铁路为全封闭线路，但是如果防护网被破坏以后有物体进入也会造成事故，因此同样需要进行监测。

2 基于视频的高速铁路综合安全防灾的构成

　　传统的高速铁路综合安全防灾系统都是基于各种传感器来进行的，但是随着视频监控及其分析技术的不断发展和进步，基于视频的综合监测系统得到了更多的重视和应用。

　　2.1综合安全防灾系统总体设计

　　高速铁路客专综合安全防灾监控系统的运用和管理分为客运专线公司、综合调度中心、基层站段和前端采集设备四级，均配备相应的防灾显示设备、工作站和网络传输设备等。系统可与客运专线的其他信息系统共享基础信息资源，并与其他信息系统进行数据交换。整个系统是一个分布式结构，由客运专线铁路公司安全设备、综合调度中心防灾设备、基层站段防灾设备、现场采集设备四部分组成，系统的总体结构如图1所示。

高速铁路客专综合安全防灾系统总体结构图

　　2.2综合安全防灾系统组成及其功能简析

　　现场采集设备的工作是从设置在客运专线铁路沿线的视频采集点、各种监测设备/系统采集有关环境状况以及设备工况等安全监控数据;将这些数据按照灾害信息种类、灾害信息程度分别进行初步处理后经网络传输传送至基层站段。运行的列车通过自诊断系统检测到列车上的故障信息，通过区间或站内无线基站传送至车站综合信息系统，并继续通过专用数据通信网传送至综合调度中心的安全监控台汇总、存贮和处理。

　　车站综合信息系统将接收到的各类灾害基础数据进行汇集，实时传送至综合调度中心安全监控台。综合维修段将接收到的各类灾害基础数据结合视频信息进行统计分析，形成报表，将结果上报客运专线公司。

　　调度中心安全监控台对接收的数据进行处理，处理后的视频、强风、暴雨、洪水、轨温、地震等报警信息中包括灾害强度、线路状态、行车规定和巡检要求等具体规定。按照灾害处理规程给出预警处理建议和方案，将建议和方案传送至各相关业务调度台，并在相关区域运行的列车上显示。行车调度台将其作为调整行车运行计划的参考因索，必要时行车调度台通知维修和救援部门作好准备。救援列车由车辆调度台通知动车段调动，救援部门由相关车站出而协调。客运专线公司将从调度中心安全监控台接收到的信息存档记录以供决策。

3 基于视频的高速铁路综合安全防灾系统涉及的监控技术

　　3.1主动红外夜视技术

　　综合安全防灾系统的前端视频监控点通常在户外自然环境较为恶劣的场所，同时需要对目标进行全天候的监控，在夜间也没有路灯、建筑物灯光等其它的环境光源可以利用，对于雨天、雾天等特殊气象条件要求能够保持良好的可视距离，可视距离最好能在1-2公里左右。目前市场上能够提供的夜视技术主要有三种：被动红外成像技术、基于红外灯的主动红外夜视技术、基于激光器的主动红外夜视技术。被动红外成像技术适合于监控夜间人或车等运动物体，对于环境监控力不从心，基于红外灯的主动红外夜视技术可视距离近(300米以内)，光源体积大寿命短故障率高，很难适应户外恶劣的自然环境。基于激光器的主动红外夜视技术目前已经比较成熟，包括红外激光照明器灯、超低照度彩转黑摄像机、红外夜视专用监控镜头三大部分。激光的特性决定了激光可以照摄更远的距离，而且光强度也比常规光源要强的多。激光具有亮度高、单色性好、方向性好等优点，通过对波长的选择可以增大CCD对波长的感应程度。激光灯的寿命很长，一般都在10000个小时以上。摄像机的选择则主要顾及两个方面：一个是白天成像效果;一个是是否是感红外的低照度。白天要求效果好，就是要求其有滤光片切换结构，白天滤掉不可见光，使成像色彩更真实;晚上切换到夜视模式，把不可见光放进来，这样既能保证白天不失色，又能保证夜视效果。夜视镜头的F数一般比常规镜头的F数要小，这就意味着镜头的进光量要比常规镜头要大，有较强的光收集能力，好的夜视镜头的镜片对近红外光进行了增透，提高了近红外光的透过率。为了看清楚远距离的物体，一般选用电动长焦镜头。

　　3.2智能视频分析技术

　　智能视频(IV，IntelligentVideo)技术源自计算机视觉(CV，ComputerVision)与人工智能(AI，ArtificialIntelligent)的研究，其发展目标在于将图像与事件描述之间建立一种映射关系，使计算机从纷繁的视频图像中分辩、识别出关键目标物体，这一研究应用于视频监控系统、将能借助计算机强大的数据处理能力过滤掉图像中无用的或干扰信息、自动分析、抽取视频源中的关键有用信息，从而使传统的监控系统中的摄像机不但成为人的眼睛，也使“智能视频分析”计算机成为人的大脑，并具有更为“聪明”的学习思考方式。这一根本性的改变，可极大地发挥与拓展视频监控系统的作用与能力，使监控系统具有更高的智能化，大幅度降低资源与人员配置，同时，必将全面提升安全防范工作的效率。智能视频分析在火灾报警、异物入侵报警、车站与桥梁监测方面能够发挥很多积极作用

　　3.3综合监控主机

　　传统的矩阵监控系统有单独的报警主机，但是通常只能接入开关量报警，而现有的网络视频编码器在报警接入方面数量较少，不能满足多种监测系统：强风、雨量、地震，多种数据协议：485总线，CANBUS总线等接入的要求，对多路模拟和数字量的采集无能为力。而集成了设备监控、周边区域音视频监控录像，周界报警系统、消防报警系统、门禁控制系统、灯光语音控制系统、动力环境监控、模拟量数字量采集等多种功能的天地伟业综合监控主机能够实现与其它多种传感器/系统的对接。采用基于Arm9的嵌入式系统提供了极高的系统稳定性。多路插卡式设计，通过不同的插卡可以在一台主机上支持多路门禁控制、RS-485总线或CANBUS总线、开关量输入输出、RS-232接口。

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