一种铁路地质防灾安全监测系统及方法与流程

本发明实施例涉及铁路安全防护、北斗差分定位技术、地质防灾监测领域，具体涉及一种铁路地质防灾安全监测系统及方法。

背景技术：

北斗卫星导航系统(bds)是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

铁路作为国家重要的基础设施和国民经济的大动脉,安全是铁路的“重中之重”。目前在我国铁路网规模不断扩大、高铁大量投产、列车开行数量尤其是高速列车大幅度增加、自然环境和治安环境更为复杂的情况下,运输安全面临的风险不断加大,急需在安全领域开展技术创新。积极推进北斗卫星导航系统在铁路领域的应用,充分发挥其在定位、通信、高精度测量等方面的技术优势,符合国家发展战略和安全要求,对于完善铁路技术体系、促进铁路技术发展、增强铁路运输战略安全性,有着十分重要的意义,也可为北斗卫星导航系统的优化完善提供更多更具有代表性的应用数据。

当前，卫星导航技术在铁路行业应用已较为普遍，在授时、工程勘察、移动装备定位、物流运输追踪、作业管理等领域，卫星导航技术已有普遍应用。前期以gps为主，近几年，随着北斗卫星导航技术的发展，北斗卫星定位导航、精确授时、短报文通信等功能已在铁路机车远程监测、铁路时间同步及客货运输等方面展开应用。并且铁路行业已取得了北斗民用分理级服务资质，可统筹开展行业内北斗应用业务。

截止目前，北斗系统星座部署已基本完成，2020年服务范围将覆盖全球。目前北斗终端产品，从芯片模块到整机设备都已实现自主国产，性能指标等与gps产品相当，完全可满足业务性能要求。北斗在各行业领域(交通、电网、民政、旅游、地质等)开展了广泛的示范应用，应用效果良好。

同时，相应的北斗标准体系建设基本完善，包括国家标准、行业标准以及北斗专项标准，涵盖北斗卫星导航系统的方案论证、工程建设、使用维护以及应用推广与产业化全寿命周期。同时也涵盖系统工程建设和应用产业化中的系统及分系统、单机和关键件等全部产品所需标准项目。以上标准体系可为铁路北斗应用推广提供科学的指导依据。

北斗卫星导航系统在铁路地质防灾领域主要针对四方面问题：

1.路基沉降监测

路基下沉是铁路施工过程中常见问题之一，路基下沉会导致铁路基床的形状、轨道的集合尺寸以及行车过程的平稳性受到影响，路基沉降监测可包括路基表面、本体及基底沉降监测等。

2.边坡滑坡监测

不良的地质条件对于铁路的建设、运营都会产生较大的危害，尤其在施工过程中，边坡滑坡屡见不鲜。在对铁路及滑坡地段地质及水文地质、环境因素进行分析的基础上，结合北斗卫星定位技术，可较好的提高滑坡问题的解决。

3.路基冻胀变形监测

在寒冷及严寒地区，季节性冻土在气温低于0℃时体积会发生膨胀，造成冬季路基面抬升，引起铁路轨道不平顺。这种现象对高速铁路影响尤为严重，因此严寒地区高速铁路路基防冻胀设计、监测尤为重要。

4.桥梁挠度变化监测

混凝土徐变、温度变化等都会引起桥梁各部分轴线位置的变化，如果对设计位置的偏离超过规定值，桥梁的内力分布甚至行车性能就会受到影响。因此，梁轴线、拱轴线或斜拉桥和悬索桥的主梁、索塔的轴线位置高精准监测，尤为重要。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种铁路地质防灾安全监测系统及方法，以解决现有铁路列车沿线移动网络信号薄弱或覆盖盲区的地质变化难以实时监测的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，公开了一种铁路地质防灾安全监测系统，所述系统包括无线防灾监测终端、北斗差分防灾监测终端、北斗防灾监测站、铁路北斗地质防灾安全监测系统平台；其中，所述无线防灾监测终端及所述北斗差分防灾监测终端采用lora通信协议与所述北斗防灾监测站实现数据互通；所述北斗防灾监测站具备bd定位微基站、移动通信模块，可通过移动网络及bd短报文两种方式进行数据传输。

进一步地，所述无线防灾监测终端采用低功耗lora通讯模块进行数据传输；采用太阳能、超级电容、电池组三级供电模式，以工业级锂亚电池、磷酸铁锂电池、超级电容为电源。

进一步地，所述无线防灾监测终端和北斗防灾监测站正常工作时采用太阳能供电，太阳能供电不足时，优先从可充电电池取电，当可充电电池电量过低时再使用不可充电电池进行供电，最小化使用不可充电电池从而保证减少电池维护，提高使用时间。

进一步地，所述无线防灾监测终端包含防灾数据采集模块、lora物联网传输模块、太阳能板、电源管理模块，各终端通过lora组网，与北斗防灾监测站通信；防灾数据采集模块位移传感器、震动传感器、雨量计、倾角传感器、孔缝水压力计、土压力计、风力计。

进一步地，所述北斗差分防灾监测终端在无线防灾监测终端的基础上，增加了北斗差分定位模块，可通过北斗差分定位技术实现精确定位。

进一步地，所述北斗差分防灾监测终端通过北斗差分定位，实现厘米级精确定位，微小位移即可实时上报至所述北斗防灾监测站，监测精度更高、实时性更强，适用于桥梁等需重点监测的特殊地形。

进一步地，所述北斗防灾监测站包括射频天线、太阳能板、电源管理模块、主控cpu板、lora通信模块、北斗差分微基站、移动通信模块、防拆监测开关、温湿度传感器、以及nb-iot备用扩展接口。

进一步地，所述北斗差分微基站，可实现在移动网络信号薄弱或覆盖盲点，通过bd短报文方式进行数据传输；同时作为北斗差分定位基准站，可实现所述北斗差分防灾监测终端的实时精确定位，并可通过通信模块实时发送差分信息；所述移动通信模块支持5g/4g/3g/2g多种通信制式，支持ltefdd、ltetdd、wcdmahspa+、td-scdma、gsm/gprs/edge通信制式；所述主控cpu板采用msp430。

进一步地，所述铁路北斗地质防灾安全监测系统平台实时接收防灾监测数据，分析汇总，及时预警、报警。

根据本发明的第二方面，公开了一种铁路地质防灾安全监测方法，所述方法为：

各无线防灾监测终端/北斗差分防灾监测终端通过所述防灾数据采集模块中的位移传感器、震动传感器、雨量计、倾角传感器、孔缝水压力计、土压力计、风力计，采集实时地质信息；

各北斗差分防灾监测终端通过北斗差分定位实时上报位置信息；

各无线防灾监测终端/北斗差分防灾监测终端通过lora无线通信方式组网，并与所述北斗防灾监测站进行数据传输；

北斗防灾监测站将接收到的地质信息数据、北斗差分信息，通过移动网络实时上传，当移动网络信号薄弱或在移动网络覆盖盲点，自动切换北斗短报文方式进行数据传输；

铁路北斗地质防灾安全监测系统平台对监测数据、差分信息进行实时分析、处理、汇总，当有监测到灾害发生时，及时预警/报警，并通过北斗实时定位数据给出具体的灾害发生地点。

本发明实施例具有如下优点：

本发明公开了一种铁路地质防灾安全监测系统及方法，其针对性强、覆盖范围广；采用三级供电方式，续航时间长，维护周期长；采用lora低功耗组网技术，稳定可靠功耗低；基于北斗定位及北斗短报文技术，解决了移动网络信号薄弱或覆盖盲点数据无法实时上传问题；通过北斗差分定位技术，提高了桥梁等需重点监测地形的监控实时性、精确性。针对铁路沿线地质出现的问题能够及时上报，发出告警，避免出现列车事故。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种铁路地质防灾安全监测系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种铁路地质防灾安全监测系统的北斗防灾监测站结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种铁路地质防灾安全监测系统的无线防灾监测终端结构框图；

图4为本发明实施例提供的一种铁路地质防灾安全监测系统的北斗差分防灾监测终端结构框图；

图5为本发明实施例提供的一种铁路地质防灾安全监测系统的北斗差分定位拓扑图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参考图1和图5，本实施例公开了一种铁路地质防灾安全监测系统，所述系统包括无线防灾监测终端、北斗差分防灾监测终端、北斗防灾监测站、铁路北斗地质防灾安全监测系统平台；其中，所述无线防灾监测终端及所述北斗差分防灾监测终端采用lora通信协议与所述北斗防灾监测站实现数据互通；所述北斗防灾监测站具备bd定位微基站、移动通信模块，可通过移动网络及bd短报文两种方式进行数据传输。

无线防灾监测终端采用低功耗lora通讯模块进行数据传输；采用太阳能、超级电容、电池组三级供电模式，以工业级锂亚电池、磷酸铁锂电池、超级电容为电源。无线防灾监测终端和北斗防灾监测站正常工作时采用太阳能供电，太阳能供电不足时，优先从可充电电池取电，当可充电电池电量过低时再使用不可充电电池进行供电，最小化使用不可充电电池从而保证减少电池维护，提高使用时间。

参考图3，所述无线防灾监测终端包含防灾数据采集模块、lora物联网传输模块、太阳能板、电源管理模块，各终端通过lora组网，与北斗防灾监测站通信；防灾数据采集模块位移传感器、震动传感器、雨量计、倾角传感器、孔缝水压力计、土压力计、风力计。

北斗差分防灾监测终端在无线防灾监测终端的基础上，增加了北斗差分定位模块，可通过北斗差分定位技术实现精确定位。

参考图4，北斗差分防灾监测终端通过北斗差分定位，实现厘米级精确定位，微小位移即可实时上报至所述北斗防灾监测站，监测精度更高、实时性更强，适用于桥梁等需重点监测的特殊地形。

参考图2，北斗防灾监测站包括射频天线、太阳能板、电源管理模块、主控cpu板、lora通信模块、北斗差分微基站、移动通信模块、防拆监测开关、温湿度传感器、以及nb-iot等备用扩展接口。

北斗差分微基站，可实现在移动网络信号薄弱或覆盖盲点，通过bd短报文方式进行数据传输；同时作为北斗差分定位基准站，可实现所述北斗差分防灾监测终端的实时精确定位，并可通过通信模块实时发送差分信息；所述移动通信模块支持5g/4g/3g/2g多种通信制式，支持ltefdd、ltetdd、wcdmahspa+、td-scdma、gsm/gprs/edge通信制式；所述主控cpu板采用msp430。所述铁路北斗地质防灾安全监测系统平台实时接收防灾监测数据，分析汇总，及时预警、报警。

实施例2

本实施例公开了一种铁路地质防灾安全监测方法，所述方法为：

各无线防灾监测终端/北斗差分防灾监测终端通过所述防灾数据采集模块中的位移传感器、震动传感器、雨量计、倾角传感器、孔缝水压力计、土压力计、风力计，采集实时地质信息；

各北斗差分防灾监测终端通过北斗差分定位实时上报位置信息；

各无线防灾监测终端/北斗差分防灾监测终端通过lora无线通信方式组网，并与所述北斗防灾监测站进行数据传输；

北斗防灾监测站将接收到的地质信息数据、北斗差分信息，通过移动网络实时上传，当移动网络信号薄弱或在移动网络覆盖盲点，自动切换北斗短报文方式进行数据传输；

铁路北斗地质防灾安全监测系统平台对监测数据、差分信息等进行实时分析、处理、汇总，当有监测到灾害发生时，及时预警/报警，并通过北斗实时定位数据给出具体的灾害发生地点。

本实施例公开的一种铁路地质防灾安全监测方法，其针对性强、覆盖范围广；采用三级供电方式，续航时间长，维护周期长；采用lora低功耗组网技术，稳定可靠功耗低；基于北斗定位及北斗短报文技术，解决了移动网络信号薄弱或覆盖盲点数据无法实时上传问题；通过北斗差分定位技术，提高了桥梁等需重点监测地形的监控实时性、精确性。针对铁路沿线地质出现的问题能够及时上报，发出告警，避免出现列车事故。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。