山区铁路边坡结构体姿态无线无源监测技术.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07001405山区铁路边坡结构体姿态无线无源监测技术李竹庆 闫宏业 尧俊凯 蔡德钩中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081摘要 山区铁路边坡受到地震、冻融等动力作用易发生边坡结构体失稳，威胁铁路建设与安全运营，而已有监测技术受可靠性、稳定性等限制无法直接使用。鉴于此，融合加速度传感与物理辅助传感技术，通过系统逻辑优化、物理结构设计、无线组网设计等，研发了无线无源、免维护、易安装、稳定性好的铁路边坡结构体姿态监测系统，数据发送次数不少于7 000次，报警时延为毫秒级。通过现场验证，该系统稳定可靠，可用于山区复杂环境下结构体姿态长期可靠监测。关键词 铁路边坡；危岩状态；姿态监测；异物侵限；长期监测；无源监测；无线监测中图分类号 U213.1 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.03引用格式：李竹庆，闫宏业，尧俊凯，等.山区铁路边坡结构体姿态无线无源监测技术 J.铁道建筑，2023，63（7）：1418.我国山区铁路地质条件、气候环境复杂，地震、严寒、强风、多雪等不利条件下铁路边坡稳定性安全防控问题亟待解决1。受浅层冻融、地震、冻土退化等特殊因素影响，铁路边坡易出现结构体失稳，威胁到铁路安全服役，开展边坡稳定状态监测是安全防控的有效手段2。现有监测技术受山区复杂环境影响存在性能不稳定、功耗大、寿命低、易损坏、不便安装等缺点，无法直接用于山区边坡危岩体姿态长期监测。基于光学分析的监测技术应用最广，通过增加架设距离，往往可以监测整个坡面及周边情况，而且由于远离坡面，在发生灾害时不受影响，保持正常工作状态。其缺点为：设备单价高，还需配备单价更高的配套工具；使用成本高，经常需要人工参与数据采集，无法真正做到自动化；维护成本高，一般需要定期高频次地对仪器设备进行校准，对光学镜头进行清洁，而且功耗较高，不易取电3-5。基于卫星定位的监测技术精度受天气环境、地面基站数量影响较大，而在山区基站极少甚至没有，加之气候条件复杂，定位精度无法保证6。表面位移类传感器比较适合安装在结构稳固、形状较平整规则的结构物表面，一般来说量程范围不宜过大，监测面积和长度较小，同时表面位移类传感器需要配合采集器使用，需考虑采集器安装位置与供电，无法适用于结构体长期监测；阵列式深层位移监测技术能对高陡边坡岩土体进行直接测量，更能及时反映边坡整体安全系数和变化趋势，但施工成本和设备成本偏高，往往只在重点部位使用7。近年来，随着重力加速度与姿态转换方式监测技术逐步成熟，基于加速度原理的姿态传感器在一般环境下应用效果良好。因单点式倾角传感器精度选择范围大，安装自由度大，比较适合在不规则危岩体高密度、大范围布点。但是山区铁路边坡结构体姿态监测对监测系统传感器精度、组网方式、供电方式及长期可靠性提出了更高要求。已有的监测系统普遍采用太阳能+外置采集系统的布设安装方式，安装复杂，维护成本极高，无法很好适用于山区野外环境8。本文基于微电子机械传感技术（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）及辅助角度传感技术研发山区铁路边坡结构体姿态无线无源监测系统，可长期监测结构体姿态变化，并能对监测目标的姿态角进行实时计算，成灾时准确报警。1 监测系统研发 1.1 基本原理 山区铁路边坡危岩体姿态无线无源监测系统主要利用MEMS加速度传感器及其他辅助传感器，通过收稿日期：20230322；修回日期：20230510基金项目：国家自然科学基金（U2268216）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（P2021G047）；中国铁道科学研究院集团有限公司基金（2022YJ086）第一作者：李竹庆（1995），男，助理研究员，硕士。E-mail：li_第 7 期李竹庆等：山区铁路边坡结构体姿态无线无源监测技术周期性采集目标物姿态角，实现24 h不间断的监测。当目标物姿态角变化超过设定阈值后，立即发出报警信息。所有监测设备通过无线组网方式接入网关设备，由网关设备统一将数据转发至云平台，不仅可以缩短监测设备数据上传的时间，也减小了设备功耗。1.2整体功能设计危岩体姿态无线无源监测系统整体功能设计主要突出低功耗、实时性和可靠性三个特点，采用单片机作为主控芯片，集成加速度传感器、LoRa 芯片、4G模块、蓝牙芯片、霍尔开关、滚珠开关、地磁传感器、电源管理模块、FLASH存储芯片、天线等组件，实现整体硬件设计目标。系统功能框架见图1。考虑设备需在野外无供电环境下长期监测，硬件所有器件选型首先要考虑是否低功耗，在权衡性能和可靠性时优先考虑后者。危岩地质灾害发生时，报警信息反馈到数据平台耗时越短，采取应急措施的时间就越宽裕，因此系统采用 LoRa技术作为无线通信技术，不仅可以达到数公里的超远距离传输，且功耗要求特别低，启动耗时短，预警信息发送时间为毫秒级。可靠性设计尤为关键，长期稳定运行不仅要保证硬件系统的可靠性，还要保证软件逻辑的可靠性，设备的功能逻辑必须是完备的，不能有功能上的缺失和逻辑上的错误，因此系统不宜过度复杂，逻辑力求清晰。1.3逻辑功能设计姿态传感设计是监测系统的核心，其实现方案优劣决定着设备是否适用。传统的结构姿态监测系统过于强调姿态精度，并结合多种附加传感器进行多元解算，其目的依然是对精度的提高。但地质灾害监测往往更关心反应速度而非精度，因此如何在提高反应速度的情况下，兼顾低功耗和高精度便成了研发重点。MEMS传感器有着非常好的精度和稳定性，但其高功耗使得无法长期开启，采集周期往往需要设成几十秒或几分钟，并且通过MEMS传感器计算角度值时也只能计算静态稳定数据，若目标物缓慢变化后超过阈值，动态数据对计算姿态角无效。因此当发生地质灾害时，监测系统剧烈震荡、跌落、翻滚时，一是无法及时响应和报警，二是无法准确判断当前状态是否超过阈值，这就需要一种辅助方法帮助判断这类特殊情况。从设备生产完成到现场安装使用往往需要经历数月之久，因此在仓储和运输时期设备完全处在休眠待激活状态，只需每月上报一帧心跳数据即可，这样可最大程度减少电池消耗。设备在激活后进入已部署模式，功能逻辑如图2所示。系统会开启2个任务分支，分别对加速度传感器和滚珠开关状态进行判断。第一条分支每隔30 s读取一次加速度值，若判断为动则调整采样周期到2 s，加速采样频率，直到设备回到静止状态后计算角度偏移量。当偏移量超过阈值后则直接进入超阈值报警状态，同时仍不停采样计算角度偏移量，在预警的同时上报实时姿态信息，直到预警报警次数达到上限或电池电量消耗完。另一条分支则是实时读取滚珠开关状态，一旦滚珠开关触发，则进行开关异常报警，同时加速度传感器采样周期调整为2 s，直到设备回到静止状态后计算角度偏移量。当偏移量超过阈值后进入超阈值报警状态，同时仍不停采样计算角度偏移量，在预警的同时上报实时姿态信息，直到预警次数达到上限或电池电量消耗完。滚珠开关或震动开关是一类标准的无源开关器件，多用于电子产品旋转、倾倒、震动等判断。滚珠开图1危岩姿态监测系统硬件功能图2系统部署后工作逻辑15铁道建筑第 63 卷关可选择不同倾角模式，如180、90或45等，它的优点是不耗电，反应速度快，因此可采用中断触发方式快速唤醒单片机，缺点是角度固定，无法像MEMS传感器一样设置任意阈值。本文通过滚珠开关的组合构造，仍然可以设定所需范围内的阈值，从而得到一种超低功耗、超低延迟的灾时姿态传感器。具体的设计是采用2个倾角45的滚珠开关，一个相对电路板倾斜60，另一个相对电路板倾斜30，两者相差30。当监测系统安装角度在030时启用前者，当安装角度在3060时两者都启用，当安装角度在6090时启用后者。具体对应关系见图3。1.4长效供电功能设计设备的低功耗设计主要通过器件选型和代码逻辑实现。通常功耗主要取决于单片机主控芯片，因此需要单片机具备多级休眠模式，最低静态功耗达到微安级，且唤醒过程无需重启。其他主要芯片也都需要具备休眠功能，且休眠时功耗不得超过1 A。若芯片模块不具备休眠功能或休眠功耗仍较大，则必须采用开关电路保证其彻底断电，且尽量让统一逻辑单元芯片共用一个开关电路，以将整体功耗及成本降到最低。电池本身也存在自放电，因此需要选择一次性锂-二氧化锰电池，自放电量低，容量大，性能稳定，适合低功耗场景使用。代码逻辑对低功耗设计起着同等重要的作用，好的程序设计可以在保证功能和实时性的情况下，延长设备使用寿命。首先设备在出厂后立即进入深度休眠，只保留定时器功能，每月唤醒一次，此时平均功耗仅相当于电池自放电消耗。设备在激活后立刻完成必要的初始化工作，然后继续进入休眠状态，并提高唤醒时间到 1 s/次。正常工作状态下只需用到加速度传感器，因此合理设置采集周期尤为重要。为满足5年的超长使用寿命，静态30 s采集一次可满足要求。无线通信耗电巨大，应尽可能降低频次，由于正常状态下无需频繁播报，所以每日一次平安报即可。出现灾情报警时，将无线模块常开，快速上发信息直至电量耗完。系统不同状态下最低功耗测试结果见表1。1.5系统组网功能设计系统主要由GW101（无线网关）与AS101（无线监测系统）组成。GW101负责创建本地无线局域网络，并建立起本地无线局域网与公网的通信通道；AS101负责目标物的实时监测与预警，配备4G备用网络服务，当本地无线网络出现异常时，若网关设备异常导致网络失效，仍可主动切换到 4G 网络，自行上传数据。该方案目前使用LoRa技术作为无线通信手段，其最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，相比传统的无线射频通信距离扩大了35倍。无线网络模式采用星形组网方式，可设计添加路由中继节点，单频段网络节点容量上限为100个，通信距离可达1 km。本系统自底向上分为三个层级：最底层是由AS101组成的传感器层，主要负责传感数据采集、入网流程、设备在（离）线等；中间层是由GW101组成的网关层，负责无线网络的选择、创建与维持，黑白名单的维护，防网络冲撞等，并保证与上层服务器的通畅连接；最上层是应用服务器层，主要负责对传感端上传数据进行分析、过滤与计算，使数据能够正确显示到业务终端上，并具有终端管理及配置功能，如图 4所示。图3滚珠开关组合结构阈值关系表1系统功耗测试结果A系统状态（输入电源3 V）单片机关闭所有外设，只保留下载调试接口打开低功耗串口外设打开实时时钟外设打开通用IO口外设打开ADC外设打开低功耗定时器外设，每秒中断一次增加霍尔传感器电路打开开门狗电路增加三轴加速度计LIS3DH电路增加电源管理电路增加电源转换电路整板测试深度休眠模式1.31.41.41.41.41.53.33.34.14.84.84.8低功耗运行模式166.1176.7图4监测系统组网功能设计16第 7 期李竹庆等：山区铁路边坡结构体姿态无线无源监测技术系统的实时性主要由以下三个方面来保证：1）在 AS101传感器端，设备 24 h不间断监测，秒级高频采样，具备阈值管理模块，超阈值响应时间可达毫秒级；能始终保持与网关的网络链接，当网络发生异常时能够及时切换网络频段或更换入网网关。2）GW101提供不间断的网络维持服务，包括无线局域网络与以太网络，无线局域网络采用多频段接收，独立频段发送，以有效降低网络冲撞与延时，提高单台网关的组网容量，保持通信畅通不间断，无线通信时延在毫秒级。3）通过优化通信协议与数据压缩技术，可使服务器接收到的网关数据包体积减小，以便快速处理数据并呈现业务端，其时延亦在毫秒级。因此整套系统具备秒级响应服务能力，在发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的瞬间即可产生中断，并快速发送预警信息。预警过程中能保持高频发送，保证平台数据实时更新。1.6系统工业设计危岩体姿态监测系统作为户外设备多安装于轨道沿线护坡、围挡墙以及高危地区山体之中，需要保证设备在严寒、酷暑、粉尘、潮湿、雨水等恶劣的环境下正常工作，因此对于结构设计和外壳材料具有很高要求。结构设计分为主体、外壳和安装配件三个部分。主体和外壳采用ABS+PC合金材料，该材料具备高耐热、高刚度、耐冲击等主要特性，既能保证产品的耐用性，又可以保证产品内部网络天线的工作稳定性。安装配件则根据安装方式选用高强度的不锈钢和螺纹钢。2 性能测试与验证 为测试验证系统的工作性能，从功能、稳定性、低功耗三方面开展了测试。2.1系统功能测试监测系统功能测试分为设备、平台现场测试。其中功能测试包括设备部署、数据上传、偏转报警等，共14项；平台数据测试包括数据查询、远程数据管理、参数配置，共4项。测试结果分别见表2、表3，各项测试均满足现场监测数据采集、传输、管理等要求。2.2反复通电稳定性测试针对监测系统长期定时采集数据，传感器反复通电可能出现的数据偏移情况，本文开展了传感器反复通电稳定性测试。在2022年10月11日15日选取待测传感器10套，将其固定在工装板上面。将样品连同工装一同放置于测试地基上面，并用重物压实。断电1 h，通电1 min后采集数据，如此循环。该项测试结果见表4。可知，测试传感器中x轴、y轴方向最大变化量均为0.012，验证了长期监测过程中传感器工作性能稳定。3 现场测试与应用 选取某山区铁路边坡，采用螺栓锚固的方式安装危岩体姿态监测系统，监测周期为2022年7月至今。现场安装情况见图5。表2监测系统功能测试试验结果项目设备静止时将磁铁放在标识上约25 s数据上传偏转10以内偏转超过10偏转幅度过大报警时长重置电量测试结果平台显示“正在部署”，510 s显示“已部署”部署首日前5 min每分钟上传一帧数据，5 min1 h间每5 min一帧，之后30 min一帧。第2天开始8:00时上传一帧数据（未发生报警情况），帧序号不归零设备不报警，数据上传正常平台显示“异常”平台显示“异常”偏转角度超过（阈值）报警，一直上传数据直到电量耗尽设备报警后，点击“重置”,部署状态显示“重置中”，约10 s后，设备进入“未部署”状态正常显示电量，上传数据次数 7 200 次，接近7 200次时电量显示“0%”表3平台数据测试结果项目数据查询报警信息设备管理参数配置测试结果点击“数据查询”，选择设备对应的ID号查看设备信息；点击“历史数据”，会显示该设备上传的所有历史数据，点击“报文”可以复制设备的每一帧数据报文“报警信息”栏可以看到所有设备报警情况、报警时间等数据点击“设备管理”可以给出配置参数可正常配置，修改后设备上传信息，按照新设置的阈值报警表4反复上下点稳定性测试结果传感器12345678910 x轴/（）最大-0.934-0.0220.050-0.1170.1210.028-0.2290.2220.296-0.636最小-0.942-0.0300.047-0.1220.1160.016-0.2340.2160.289-0.645变化量0.0080.0080.0030.0050.0050.0120.0050.0060.0070.009y轴/（）最大1.0161.6041.5581.5490.9541.1310.8380.6150.8420.761最小1.0101.6001.5461.5440.9491.1250.8320.6100.8330.754变化量0.0060.0040.0120.0050.0050.0060.0060.0050.0090.00717铁道建筑第 63 卷监测期内，该监测系统所测角度时程曲线见图6。可见在2 800、3 500 m两个海拔等级环境下监测系统数据采集传输连续、稳定，可以满足山区铁路边坡危岩体姿态长期监测需求。4 结语 针对山区铁路边坡结构体长期监测报警难题，融合 MEMS加速度传感器及其他辅助传感器研发了结构体长期监测系统，实现了恶劣环境简易安装、免维护长效监测，数据发送超7 000次。当目标物姿态角变化超过设定阈值后，系统毫秒内可立即发出报警信息。该技术解决了已有常规系统安装方式复杂、供电系统维护成本高、报警时延长的问题，经在山区环境应用验证，可满足山区铁路边坡结构体长期监测需求。参考文献1 黄润秋.岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制 J.岩石力学与工程学报，2008，27（8）：1525-1544.2 张治平，夏志雄，杨诗源，等.巨型危岩体预加固研究 J.中国铁道科学，2022，43（6）：29-38.3 兰思炼，胡静云.高陡边坡危岩体变形量边坡雷达监测设计方案研究 J.采矿技术，2022，22（5）：96-99.4 褚宏亮，邢顾莲，李昆仲，等.基于地面三维激光扫描的三峡库区危岩体监测 J.水文地质工程地质，2021，48（4）：124-132.5 岳发政，郭金城，汪娟，等.GB-InSAR技术在山体崩塌残余危岩体监测中的应用 J.中国地质灾害与防治学报，2018，29（5）：78-80，88.6 王利.地质灾害高精度GPS监测关键技术研究 D.西安：长安大学，2014.7 闫宏业，蔡德钩，李竹庆，等.运营高速铁路路基高精度水平位移监测技术研究 J.铁道建筑，2021，61（2）：53-57.8 刘飞飞，任安虎，张博超.MPU9250九轴传感器的危岩危石监测系统 J.单片机与嵌入式系统应用，2018，18（12）：62-65，73.Wireless Passive Monitoring Technology for Posture of Railway Slope Structural Body in Mountainous AreasLI Zhuqing，YAN Hongye，YAO Junkai，CAI DegouRailway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，ChinaAbstract Due to complex dynamic effects such as earthquakes and freeze-thaw，railway slopes in mountainous areas were prone to instability of slope structural bodies，posing a threat to the railway construction and safe operation.Some monitoring technologies were limited by reliability，stability，and other limitations and could not be directly applied.In view of this，a wireless passive，maintenance free，easy to install，and stable railway slope structural body posture monitoring system was developed by integrating acceleration sensing and physical assisted sensing technology，through system logic optimization，physical structure design，wireless networking design，etc.The system could send data no less than 7 000 times，and the alarm delay was milliseconds.Through on-site verification，the system meets the long-term reliable monitoring of the posture of structural bodies in complex mountainous environments.Key words railway slope；dangerous rock state；posture monitoring；foreign object invasion limit；long-term monitoring；passive monitoring；wireless monitoringCitation format：LI Zhuqing，YAN Hongye，YAO Junkai，et al.Wireless Passive Monitoring Technology for Posture of Railway Slope Structural Body in Mountainous Areas J.Railway Engineering，2023，63（7）：1418.（编辑：刘莉 校对：葛全红）图6危岩体姿态监测系统现场监测角度时程曲线图5监测系统现场安装情况18