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前 言
安全是鐵路運輸永恒的主題，是鐵路的生命線。我國地域遼闊，地形復雜，氣候變化大，致使鐵路災害分布廣泛、類型眾多、發生頻繁，鐵路災害的分布遍及全國，基本上凡有鐵路的地方均受程度不同的災害侵襲，由此平均每年造成鐵路運輸中斷100余次，累計1 0002 000 h，最高峰曾達到年斷道211次。已發生災害路段占全路總運營里程的20%以上，尚有許多線路災害處于潛伏狀態，嚴重威脅鐵路的行車安全。 高速鐵路由于列車運行速度高、密度大，運送對象以旅客為主，一旦發生事故后果不可想象。因此，除了要求機車車輛、供電、線路以及通信信號設備高性能外，對各種可能發生的災害，如自然災害(強風、暴雨、大雪、地震)、突發事故(坍方落石、異物侵限)、列車及設備故障、突發的大規模群體事件等，都要實施全面監測。世界各國已建成和正在建成的高速鐵路均將綜合安全保障體系的研究放在首位。如何針對可能發生的各類危及行車安全的災害，建立安全、可靠、實時、準確的鐵路安全防災監控和信息傳輸體系，制定科學有效的預警機制和應急預案，在災害發生前或發生后及時控制運行列車減速或停車，使各種多發、隨機的鐵路災害造成的破壞力降低到最小程度或避免災害的發生，這對鐵路部門科學、合理地調度列車、指揮運行，確保鐵路客運專線運行安全有著重大的實踐意義。 一 高速鐵路綜合安全防災的需求分析 1.1 綜合防災安全監控功能需求 綜合防災安全監控系統是對危及列車運行安全的自然災害(風、雨、洪水、地震等)、異物侵限、突發事故和事件等進行實時監測；對各種監測信息進行分析、處理、匯總，判定設備安全隱患、災害及故障的類型、性質和級別；實時顯示經處理后的信息及災害預警、限速、停運、恢復運營等處理建議，為運營調度中心調整運行計劃，下達行車管制、搶險救援、維修等指令提供依據。 1.2 覆蓋內容需求 高速鐵路安全監控的主要監測內容按對象不同可大致分為5大類：自然災害監測(如地震、雨量及洪水、風速和風向等)；線路監測(如軸溫、路基災害等)；大型結構物監測(如車站站房、隧道、牽引變電所及通信信號機械室內及周圍自然狀況監測等)；物體侵入監測；列車運行狀況與車廂監測等。 1.2.1 自然災害監測 強風監測：監測點設置在易發生強風或突發性大風地區的車站、高架線和橋梁上。 雨量及洪水監測：洪水災害不像地震、風災那樣具有突發性，而是按積少成多、循序漸進的規律因汛期雨水多而形成災害的。高速鐵路受雨及洪水破壞主要表現在路堤、橋梁以及路塹自然邊坡破壞三大方面。 地震監測：地震是屬于發生概率較小，但危害最大的一種特殊災害，高速鐵路沿線地震儀應設置在地震烈度大于等于VII度的線路區段，一般考慮設在牽引變電所內，以利于及時斷電響應。 高速鐵路同普速鐵路一樣，還應針對不同地理環境條件、不同的運營機制，設置相應的防火災、防雷擊、防冰雪等設施。 1.2.2 線路監測 軌溫監測：軌溫的升高使無縫線路鋼軌的縱向應力加大，超過一定標準時會導致脹軌跑道事故，對行車安全有極大的危害。鋼軌溫度傳感器設置地點應選擇在線路條件如路基、道床、曲線、坡度等不利的地點。在橋梁較多地段或曲線較多地段，可根據實際情況適當增設。 路基災害監測：主要監測路基病害的發生、發展和發出預警信息，這部分屬于“漸進”災害。對于路基病害要結合發生災害處的地形、地質、環境和降雨量作出安全評估。 1.2.3 大型結構物監測 車站監測：在大型車站設有相應的安全監測系統，對周圍環境、設備狀態等具有自動監測和報警功能。當發生重大災害和事件可能影響行車時(如事故、停電、火災等)將信息通過車站綜合信息系統傳至調度中心安全調度臺處理。 橋梁、隧道監測：高速鐵路為了提高行車速度，大量地使用了橋梁和隧道，所以必須設置橋梁、隧道監測系統。系統所收集的可能或直接影響行車安全的信息(如火災、非法侵限等)，應直接或通過綜合信息系統傳送至調度中心安全調度臺匯總處理。 牽引供電、通信信號監測：作為客運專線重要設備的牽引供電和通信信號等系統應具有高度的可靠性，保證設備總處于良好的狀態，或一旦設備存在危及行車安全的隱患時，能及時地發出警告，強制列車減速甚至停車，需要具有防火、防水、防盜等監測。 1.2.4物體入侵監測 依據線路建筑標準，對于一些易發生土、石崩潰和塌方，落物難以預測巨整治投資大、施工困難的地段，根據預測的塌方范圍及落物軌跡，設置崩塌、落物防護監測網是必要的。按照要求高速鐵路為全封閉線路，但是如果防護網被破壞以后有物體進入也會造成事故，因此同樣需要進行監測。 二 基于視頻的高速鐵路綜合安全防災的構成 傳統的高速鐵路綜合安全防災系統都是基于各種傳感器來進行的，但是隨著視頻監控及其分析技術的不斷發展和進步，基于視頻的綜合監測系統得到了更多的重視和應用。 2.1 綜合安全防災系統總體設計 高速鐵路客專綜合安全防災監控系統的運用和管理分為客運專線公司、綜合調度中心、基層站段和前端采集設備四級，均配備相應的防災顯示設備、工作站和網絡傳輸設備等。系統可與客運專線的其他信息系統共享基礎信息資源，并與其他信息系統進行數據交換。整個系統是一個分布式結構，由客運專線鐵路公司安全設備、綜合調度中心防災設備、基層站段防災設備、現場采集設備四部分組成，系統的總體結構如圖1所示。
圖1 高速鐵路客專綜合安全防災系統總體結構圖 2.2 綜合安全防災系統組成及其功能簡析 現場采集設備的工作是從設置在客運專線鐵路沿線的視頻采集點、各種監測設備/系統采集有關環境狀況以及設備工況等安全監控數據；將這些數據按照災害信息種類、災害信息程度分別進行初步處理后經網絡傳輸傳送至基層站段。運行的列車通過自診斷系統檢測到列車上的故障信息，通過區間或站內無線基站傳送至車站綜合信息系統，并繼續通過專用數據通信網傳送至綜合調度中心的安全監控臺匯總、存貯和處理。 車站綜合信息系統將接收到的各類災害基礎數據進行匯集，實時傳送至綜合調度中心安全監控臺。綜合維修段將接收到的各類災害基礎數據結合視頻信息進行統計分析，形成報表，將結果上報客運專線公司。 調度中心安全監控臺對接收的數據進行處理，處理后的視頻、強風、暴雨、洪水、軌溫、地震等報警信息中包括災害強度、線路狀態、行車規定和巡檢要求等具體規定。按照災害處理規程給出預警處理建議和方案，將建議和方案傳送至各相關業務調度臺，并在相關區域運行的列車上顯示。行車調度臺將其作為調整行車運行計劃的參考因索，必要時行車調度臺通知維修和救援部門作好準備。救援列車由車輛調度臺通知動車段調動，救援部門由相關車站出而協調�？瓦\專線公司將從調度中心安全監控臺接收到的信息存檔記錄以供決策。 三 基于視頻的高速鐵路綜合安全防災系統涉及的監控技術 3.1 主動紅外夜視技術 綜合安全防災系統的前端視頻監控點通常在戶外自然環境較為惡劣的場所，同時需要對目標進行全天候的監控，在夜間也沒有路燈、建筑物燈光等其它的環境光源可以利用，對于雨天、霧天等特殊氣象條件要求能夠保持良好的可視距離，可視距離最好能在1-2公里左右。目前市場上能夠提供的夜視技術主要有三種：被動紅外成像技術、基于紅外燈的主動紅外夜視技術、基于激光器的主動紅外夜視技術。被動紅外成像技術適合于監控夜間人或車等運動物體，對于環境監控力不從心，基于紅外燈的主動紅外夜視技術可視距離近（300米以內），光源體積大壽命短故障率高，很難適應戶外惡劣的自然環境�；诩す馄鞯闹鲃蛹t外夜視技術目前已經比較成熟，包括紅外激光照明器燈、超低照度彩轉黑攝像機、紅外夜視專用監控鏡頭三大部分。激光的特性決定了激光可以照攝更遠的距離，而且光強度也比常規光源要強的多。激光具有亮度高、單色性好、方向性好等優點，通過對波長的選擇可以增大CCD對波長的感應程度。激光燈的壽命很長，一般都在10000個小時以上。攝像機的選擇則主要顧及兩個方面：一個是白天成像效果；一個是是否是感紅外的低照度。白天要求效果好，就是要求其有濾光片切換結構，白天濾掉不可見光，使成像色彩更真實；晚上切換到夜視模式，把不可見光放進來，這樣既能保證白天不失色，又能保證夜視效果。夜視鏡頭的F數一般比常規鏡頭的F數要小，這就意味著鏡頭的進光量要比常規鏡頭要大，有較強的光收集能力，好的夜視鏡頭的鏡片對近紅外光進行了增透，提高了近紅外光的透過率。為了看清楚遠距離的物體，一般選用電動長焦鏡頭。 3.2 智能視頻分析技術 智能視頻（IV，Intelligent Video）技術源自計算機視覺（CV，Computer Vision）與人工智能（AI，Artificial Intelligent）的研究，其發展目標在于將圖像與事件描述之間建立一種映射關系，使計算機從紛繁的視頻圖像中分辯、識別出關鍵目標物體，這一研究應用于視頻監控系統、將能借助計算機強大的數據處理能力過濾掉圖像中無用的或干擾信息、自動分析、抽取視頻源中的關鍵有用信息，從而使傳統的監控系統中的攝像機不但成為人的眼睛，也使“智能視頻分析”計算機成為人的大腦，并具有更為“聰明”的學習思考方式。這一根本性的改變，可極大地發揮與拓展視頻監控系統的作用與能力，使監控系統具有更高的智能化，大幅度降低資源與人員配置，同時，必將全面提升安全防范工作的效率。智能視頻分析在火災報警、異物入侵報警、車站與橋梁監測方面能夠發揮很多積極作用 3.3 綜合監控主機 傳統的矩陣監控系統有單獨的報警主機，但是通常只能接入開關量報警，而現有的網絡視頻編碼器在報警接入方面數量較少，不能滿足多種監測系統：強風、雨量、地震，多種數據協議：485總線，CAN BUS總線等接入的要求，對多路模擬和數字量的采集無能為力。而集成了設備監控、周邊區域音視頻監控錄像，周界報警系統、消防報警系統、門禁控制系統、燈光語音控制系統、動力環境監控、模擬量數字量采集等多種功能的天地偉業綜合監控主機能夠實現與其它多種傳感器/系統的對接。采用基于Arm9的嵌入式系統提供了極高的系統穩定性。多路插卡式設計，通過不同的插卡可以在一臺主機上支持多路門禁控制、RS-485總線或CAN BUS總線、開關量輸入輸出、RS-232接口。 |
