一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统

技术领域

本发明涉及铁路监测领域，尤其涉及一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统。

背景技术

随着我国铁路快速发展，不同设计时速的铁路不断建成通车。而对于铁路运输来说，列车行车安全以及旅客安全永远是第一位的。采取在一些特长隧道设置紧急救援站、实时监测铁路沿线气候条件等措施可以更有效地保障列车及旅客的安全。尤其对于高速铁路、客运专线等，列车运行速度越高，受铁路沿线自然环境的影响就越明显，因此如何避免自然灾害及异物或减小自然灾害及异物对行车安全的影响成为了现阶段我国铁路建设过程中正重点研究的对象，一套完善的高精度铁路监测系统对保障列车行车安全具有重大的社会意义和经济意义。

在高速铁路建设过程中，“遇山开洞、遇谷架桥，以桥代路”是目前高速铁路建设中选线的一个重要理念，尤其是在西南山区，桥隧的占比非常之大，隧道过后紧接桥梁的设计缩短了两点之间的距离。而隧道口的结构较为不稳定，容易在自然灾害的情况下发生坍塌、变形等，而桥梁与隧道口路面的连接处也最容易发生路基沉降事故，导致钢轨随之下沉，不平衡的钢轨在列车的压力下容易产生断裂，钢轨断裂后轨道电路会产生异常，导致信号机发出错误的信号，后面的列车将会在错误的信号指引下前进，容易导致两车相撞。

现有技术中主要采取人工沿线巡检和巡检车进行巡检，人工巡检需要手持检测仪沿线检测，增加了工作人员的劳动强度。巡检车巡检是在车上安装相应的传感器对轨道定期进行检测，不具备实时性，不能够实时对钢轨的沉降、隧道形变进行实时检测。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统，在隧道口洞顶安装隧道监测系统，在隧道口路面与桥面交接处安装两个路基监测系统，远离隧道口处设置观测台，观测台上安装全局监测系统，通过北斗卫星定位技术分别确定隧道监测系统的坐标、两个路基监测系统的坐标、全局监测系统的坐标，根据各个点的坐标计算隧道监测系统、两个路基监测系统到全局监测系统之间的距离，通过计算得到的距离确定隧道洞口是否发生异常，并启动激光成像雷达采集隧道洞口图像，进而确定隧道洞口形变情况，通过计算全局监测系统分别到两个路基监测系统的距离来计算路基的沉降量，当隧道口出现坍塌或路基沉降量超出预设值时，通过5G通信技术向铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车发送报警信息，让工作人员实时了解铁路的情况，提高列车运行的安全性。

为了实现上述目的，本发明提供的一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统是这样实现的：

一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统，包括隧道监测系统、路基监测系统、观测台、全局监测系统，在隧道口洞顶安装隧道监测系统，在隧道口路面与桥面交接处安装两个路基监测系统，远离隧道口处设置观测台，观测台上安装全局监测系统，通过北斗卫星定位技术分别确定隧道监测系统的坐标、两个路基监测系统的坐标、全局监测系统的坐标，根据各个点的坐标计算隧道监测系统、两个路基监测系统到全局监测系统之间的距离，通过计算得到的距离确定隧道洞口是否发生异常，并启动全局监测系统对隧道口异常进行图像识别，以判断隧道口出现的是形变还是坍塌事故，进而确定隧道洞口形变情况，通过计算全局监测系统分别到两个路基监测系统的距离来计算路基的沉降量，当隧道口出现坍塌或路基沉降量超出预设值时，通过5G通信技术向铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车发送报警信息。

本发明的隧道监测系统、两个路基监测系统、全局监测系统作为监测点，采用北斗定位技术来计算出每个监测点的具体位置坐标，计算各个监测点之间的距离，就可以知道隧道监测系统、两个路基监测系统分别与全局监测系统之间的相对位置，当隧道口发生形变或者坍塌时，隧道监测系统的相对位置也跟着改变，以此来判断隧道洞口是否发生异常，而隧道口路面或桥面的路基发生沉降时，路基监测系统与全局监测系统也会发生相应的改变，通过计算沉降后路基监测系统与全局监测系统的距离，进而计算出路基的沉降量。

本发明的隧道监测系统、两个路基监测系统、全局监测系统计算隧道口异常和路基沉降的方案为：

(1)令全局监测系统处坐标为O(x

(2)计算O点分别到A、B、C三点的距离，以确定全局监测系统与隧道监测系统、两个路基监测系统之间的相对位置，其中：

(3)令隧道口发生形变或坍塌时隧道监测系统的坐标变为A′(x′

再计算OA与OA′之间的夹角：

OA的向量坐标为

OA与OA′之间的夹角的正弦值为：

那么隧道口竖直方向上的形变量或者坍塌距离为：

A′H＝OA′×sinα (7)

通过比较OA与OA′的大小及A′H来确定隧道口是否发生异常；

(4)令隧道口路面路基发生沉降后的路基监测系统坐标为B′(x′

O点到B′之间的距离则变为了：

同理隧道口桥面的路基竖直方向上的沉降量为：

O点到C′之间的距离则变为了：

(5)通过比较OB与OB′的大小来判断隧道口路面路基是否发生沉降，且沉降量为BB′，比较OC与OC′的大小来判断隧道口桥面路基是否发生沉降，且沉降量为CC′。

本发明的隧道监测系统和两个路基监测系统采用的是相同的结构，包括第一北斗定位模块、第一5G模块、第一控制电路板，隧道监测系统上的第一北斗定位模块用于定位隧道口的位置，两个路基监测系统的第一北斗定位模块分别用于定位隧道口路面路基和桥面路基的位置，并将采集到的位置信息传输至第一控制电路板进行处理，并通过第一控制电路板控制第一5G模块实时将第一北斗定位模块的定位信息传输至全局监测系统，在全局监测系统中计算出隧道口是否发生形变和坍塌及隧道口路面路基和桥面路基的沉降量。

本发明的全局监测系统包括第二北斗定位模块、第二5G模块、激光成像雷达、高清摄像头、第二控制电路板，第二北斗定位模块用于定位观测台的位置信息，并将检测到的位置信息传输至第二控制电路板进行处理，第二5G模块与第一5G模块之间建立无线连接，接收第一5G模块传来的定位信息，并传输至第二控制电路板，当第二控制电路板计算出隧道口发生异常时，启动激光成像雷达对隧道口进行图像采集识别，并将识别到的图像传输至第二控制电路板进行图像处理，识别出隧道口异常属于形变还是坍塌，并由高清摄像头实时采集隧道口的图像，由第二控制电路板控制第二5G模块将计算后的隧道口异常情况、图片信息、路基沉降量传输至铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车，当隧道口发生形变时，第二控制电路板控制第二5G模块向监控中心发送需要维修的报警信息，当隧道口发生坍塌或者路基沉降量超出预设值时，第二控制电路板控制第二5G模块向铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车发送隧道口坍塌或路基故障的报警信息。

由于本发明采用北斗定位技术和5G通信技术相结合来监测铁路的结构，从而可以得到以下有益效果：

在隧道口洞顶安装隧道监测系统，在隧道口路面与桥面交接处安装两个路基监测系统，远离隧道口处设置观测台，观测台上安装全局监测系统，通过北斗卫星定位技术分别确定隧道监测系统的坐标、两个路基监测系统的坐标、全局监测系统的坐标，根据各个点的坐标计算隧道监测系统、两个路基监测系统到全局监测系统之间的距离，通过计算得到的距离确定隧道洞口是否发生异常，并启动激光成像雷达采集隧道洞口图像，进而确定隧道洞口形变情况，通过计算全局监测系统分别到两个路基监测系统的距离来计算路基的沉降量，当隧道口出现坍塌或路基沉降量超出预设值时，通过5G通信技术向铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车发送报警信息，让工作人员实时了解铁路的情况，避免司机盲目的将列车驶向出现故障的路段，提高列车运行的安全性。

附图说明

图1为本发明一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统的安装结构示意图；

图2为本发明一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统的隧道监测系统、两个路基监测系统、全局监测系统与北斗卫星的结构示意图；

图3为本发明一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统的计算模型图；

图4为隧道监测系统的坐标A发生变化时的计算模型图；

图5为隧道口路面的路基监测系统坐标B发生变化时的计算模型图；

图6为隧道口桥面的路基监测系统坐标C发生变化时的计算模型图；

图7为本发明一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统的隧道监测系统的结构示意图；

图8为本发明一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统的全局监测系统结构示意图；

图9为本发明一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统的第一5G模块与第二5G模块之间的通信结构示意图。

主要元件符号说明。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1至图9，本发明中的一种基于北斗定位技术的铁路监测预警系统，包括隧道监测系统1、路基监测系统2、观测台3、全局监测系统4。

如图1所示，在隧道口洞顶安装所述的隧道监测系统1，在隧道口路面与桥面交接处安装两个路基监测系统2，远离隧道口处设置观测台3，观测台3上安装全局监测系统4，通过北斗卫星定位技术分别确定隧道监测系统1的坐标、两个路基监测系统2的坐标、全局监测系统4的坐标，根据各个点的坐标计算隧道监测系统1、两个路基监测系统2到全局监测系统4之间的距离，通过计算得到的距离确定隧道洞口是否发生异常，并启动全局监测系统4对隧道口异常进行图像识别，以判断隧道口出现的是形变还是坍塌事故，进而确定隧道洞口形变情况，通过计算全局监测系统4分别到两个路基监测系统2的距离来计算路基的沉降量，当隧道口出现坍塌或路基沉降量超出预设值时，通过5G通信技术向铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车发送报警信息，让工作人员实时了解铁路的情况，提高列车运行的安全性。

如图2所示，所述的隧道监测系统1、两个路基监测系统2、全局监测系统4作为监测点，采用北斗定位技术来计算出每个监测点的具体位置坐标，计算各个监测点之间的距离，就可以知道隧道监测系统1、两个路基监测系统2分别与全局监测系统4之间的相对位置，当隧道口发生形变或者坍塌时，隧道监测系统1的相对位置也跟着改变，以此来判断隧道洞口是否发生异常，而隧道口路面或桥面的路基发生沉降时，路基监测系统2与全局监测系统4也会发生相应的改变，通过计算沉降后路基监测系统2与全局监测系统4的距离，进而计算出路基的沉降量。

如图3至图6所示，所述的隧道监测系统1、两个路基监测系统2、全局监测系统4计算隧道口异常和路基沉降的方案为：

(1)令全局监测系统4处坐标为O(x

(2)计算O点分别到A、B、C三点的距离，以确定全局监测系统4与隧道监测系统1、两个路基监测系统2之间的相对位置，其中：

(3)令隧道口发生形变或坍塌时隧道监测系统1的坐标变为A′(x′

再计算OA与OA′之间的夹角：

OA的向量坐标为

OA与OA′之间的夹角的正弦值为：

那么隧道口竖直方向上的形变量或者坍塌距离为：

A′H＝OA′×sinα (7)

通过比较OA与OA′的大小及A′H来确定隧道口是否发生异常；

(4)令隧道口路面路基发生沉降后的路基监测系统2坐标为B′(x′

O点到B′之间的距离则变为了：

同理隧道口桥面的路基竖直方向上的沉降量为：

O点到C′之间的距离则变为了：

(5)通过比较OB与OB′的大小来判断隧道口路面路基是否发生沉降，且沉降量为BB′，比较OC与OC′的大小来判断隧道口桥面路基是否发生沉降，且沉降量为CC′。

如图7所示，所述的隧道监测系统1和两个路基监测系统2采用的是相同的结构，包括第一北斗定位模块5、第一5G模块6、第一控制电路板7，第一北斗定位模块5、第一5G模块6与第一控制电路板7之间电性连接，隧道监测系统1上的第一北斗定位模块5用于定位隧道口的位置，两个路基监测系统2的第一北斗定位模块5分别用于定位隧道口路面路基和桥面路基的位置，并将采集到的位置信息传输至第一控制电路板7进行处理，并通过第一控制电路板7控制第一5G模块6实时将第一北斗定位模块5的定位信息传输至全局监测系统4，在全局监测系统4中计算出隧道口是否发生形变和坍塌及隧道口路面路基和桥面路基的沉降量。

如图8所示、图9，所述的全局监测系统4包括第二北斗定位模块8、第二5G模块9、激光成像雷达10、高清摄像头11、第二控制电路板12，第二北斗定位模块8、第二5G模块9、激光成像雷达10、高清摄像头11与第二控制电路板12之间电性连接，第二北斗定位模块8用于定位观测台3的位置信息，并将检测到的位置信息传输至第二控制电路板12进行处理，第二5G模块9与第一5G模块6之间建立无线连接，接收第一5G模块6传来的定位信息，并传输至第二控制电路板12，当第二控制电路板12计算出隧道口发生异常时，启动激光成像雷达10对隧道口进行图像采集识别，并将识别到的图像传输至第二控制电路板12进行图像处理，识别出隧道口异常属于形变还是坍塌，并由高清摄像头11实时采集隧道口的图像，并通过第二控制电路板12控制第二5G模块9将图像传输至铁路有关部门的监控中心，便于工作人员更直观的查看隧道口的情况，由第二控制电路板12控制第二5G模块9将计算后的隧道口异常情况、图片信息、路基沉降量传输至铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车，当隧道口发生形变时，第二控制电路板12控制第二5G模块9向监控中心发送需要维修的报警信息，当隧道口发生坍塌或者路基沉降量超出预设值时，第二控制电路板12控制第二5G模块9向铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车发送隧道口坍塌或路基故障的报警信息，以提醒工作人员前往处理，避免司机盲目的将列车驶向出现故障的路段，提高列车运行的安全性。

本发明的工作原理与工作过程如下：

两个路基监测系统2的第一北斗定位模块5分别定位隧道口路面路基和桥面路基的位置，并将采集到的位置信息传输至第一控制电路板7进行处理，第一控制电路板7控制第一5G模块6实时将第一北斗定位模块5的定位信息传输至第二控制电路板12，在第二控制电路板12中计算出隧道口是否发生形变和坍塌及隧道口路面路基和桥面路基的沉降量，当隧道口发生形变或者坍塌时，隧道监测系统1的相对位置也跟着改变，以此来判断隧道洞口是否发生异常，发生异常时，启动激光成像雷达10对隧道口进行图像采集识别，并将识别到的图像传输至第二控制电路板12进行图像处理，识别出隧道口异常属于形变还是坍塌，并由高清摄像头11实时采集隧道口的图像，并通过第二控制电路板12控制第二5G模块9将图像传输至铁路有关部门的监控中心，便于工作人员更直观的查看隧道口的情况，由第二控制电路板12控制第二5G模块9将计算后的隧道口异常情况、图片信息、路基沉降量传输至铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车，当隧道口发生形变时，第二控制电路板12控制第二5G模块9向监控中心发送需要维修的报警信息，当隧道口发生坍塌或者路基沉降量超出预设值时，第二控制电路板12控制第二5G模块9向铁路有关部门的监控中心和该条线段上的列车发送隧道口坍塌或路基故障的报警信息。