采用压力和浮力全方位监测的铁路沿线地质灾害预警系统

本发明属于高速铁路防灾减灾领域，尤其涉及一种采用压力和浮力全方位监测的铁路沿线地质灾害预警系统。

背景技术：

1、泥石流和洪涝是在山区常见的具有严重危害性的自然灾害，在我国的山地地区，泥石流灾害危及人民生命安全、制约经济发展、破坏环境生态稳定，应该着力减小灾害带来的威胁。泥石流是一种突发的地质灾害现象，多发生于山区地貌比较陡峭的地区，一旦发生持续性大暴雨或大量冰融水的流出，将含有砂石且松软的土质山体经饱和稀释后形成的洪流，而当泥石流中的大量砂石涌入地道管道时，容易使得地下排水系统阻塞导致雨季雨水倒灌，从而发生洪涝灾害，两种自然灾害往往交替发生于山区和河床交汇的地带，因而一旦发生灾害难以判别灾害发生的状况，救援往往十分棘手。

2、我国铁路的发展迎来了我国高速铁路建设新时代，中国高铁是目前世界上规模最大、运营里程最长、客流量最大、现代化程度最高的高速铁路网。然而如此高的时速的车辆，一旦车辆行驶路况发生不可控事件或自然灾害，车体往往由于不能承受剧烈冲击而发生危险。因此作为未来首选的交通工具，如何运行相关的基础设施进行监测突发情况并作出防灾减灾措施，是铁路研究行业保证乘客安全等一系列问题的当务之急。我国地势西高东低,呈阶梯状分布，西部地形以山地、盆地高原为主，因而我国成昆、成兰、川藏铁路大多处于艰险山区铁路，铁路常常经过山区和河床交汇的地带，往往地质复杂，岩溶、瓦斯、高地应力、断层、水位突变、突泥、泥石流等高风险灾害频发，且山区多隧道，地质灾害一旦发生并且没有准确及时监测到灾情，就会使得列车受困于事故多发地，甚至威胁到沿线乘客和居民的生命安全。

3、目前，高铁无线通信技术受到全球学术界和工业界的极大关注。中国国家铁路集团在其发布的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》中提出，到2035年，智能高铁率先建成，智慧铁路加快实现。未来铁路发展对无缝高数据速率通信、信号覆盖范围等提出更高要求。随着智能高铁业务的持续增多和应用需求的不断提升，高铁移动通信系统在防灾预警信号领域的应用也成为至关重要的问题，在防灾预警的同时也要实现高移动速度下高数据速率的持续在线的信号可靠传输。在信号传输的过程中，不管利用有线通信技术还是无线通信技术，都不可能完全适用于所有场合。因此，为了有效地克服两种技术中存在的局限性，灾害预警系统中的关键信号传输的硬件设备就需要加强对有线技术和无线技术的融合应用，提高整个系统信号传输及其应用的范围以及适应能力。

技术实现思路

1、鉴于现有技术在运营过程中存在的问题，本发明提供一种采用压力和浮力全方位监测的铁路沿线地质灾害预警系统。

2、本发明的一种采用压力和浮力全方位监测的铁路沿线地质灾害预警系统，包括灾情监测模块、灾情发生判断模块、信号处理转换模块和灾害判别模块。

3、灾情监测模块包括洪涝灾情监测装置和全方位泥石流灾情监测装置，用于监测轨道上积水状况，同时监测山体一侧钢轨是否有异物从各个方位侵袭，来判断钢轨所处地理环境的灾害情况。灾情发生判断模块使用轨道灾情示警平台和信号机制硬件设备，用于记录监测装置触发产生的模拟信号和装置的地理位置，并发送报警信号，来判断灾害发生与否。信号处理转换模块用于模拟信号的调制解调和模数转换，通过信号判断发出的报警信号种类和位置信号。灾害判别模块使用曼彻斯特编码信号接收器，用于分析二进制编码组成的电平信号，来判别灾情发生的状况并发出报警信号应对两种灾害。

4、进一步的，洪涝灾情监测装置包括方形浮子和拉力传感器，方形浮子由细绳穿过渗水井盖、弹簧与拉力传感器相连接，方形浮子周围和上方均由光滑防腐蚀金属挡板密封，且下方与渗水井盖相连接，保证方形浮子不会因异物冲撞导致拉力传感器触发。当该区域发生山洪等自然灾害导致地下水位上涨，地下渗水倒灌至装置内部使得方形浮子上浮产生拉力，下方的拉力传感器可以及时精确地检测到来自方形浮子的浮力变化。

5、全方位泥石流灾情监测装置上部分为多方位渗泥孔，下部分为光滑压力挡板通过弹簧连接压力传感器。装置上方由防腐蚀金属挡板隔绝雨水，保证装置内部不会由于积水导致光滑挡板下压而产生压力。当该区域发生类似泥石流或山体滑坡的自然灾害导致泥沙等异物从各个方位侵入钢轨并通过渗泥孔压入光滑压力挡板上方时，下方的压力传感器可以及时精确地检测到来自挡板的压力变化。

6、进一步的，灾情发生判断模块通过拉力传感器和压力传感器与模拟信号控制器相连接，并分别记录拉力或压力所产生的连续变化的物理量的突变，若突变超出检测临界值，将报警信号和突变信号传入信号处理转换模块。信号处理转换模块包括信号转换器以及地面控制塔，信号转换器通过a/d转换将模拟信号转换为数字信号，使用曼彻斯特编码把量化生成的二进制数排列在一起形成顺序脉冲序列，将相应数字信号传输到灾害判别模块。灾害判别模块包括编码解析平台、主控模块以及无线信号传输模块，无线信号传输模块采用lora通信技术进行未授权频谱通信传输。

7、当泥石流等山体异物从侧方滑落至钢轨两侧进入装置内部，光滑压力挡板上方受压，压力传感器只能感应到侧方位的异物侵袭，以精准判断是异物侵袭轨道而非其他因素。当轨道周围积水，浮子上浮触发拉力传感器，以精准判断地下管道是否阻塞而发生洪涝。当灾害监测装置触发时，模拟信号采集器通过对波形的调制解调，比较发生事故时的波形，防止其装置由于轻微拉力或压力影响而触发，误判灾害发生。当波形比对成功将该模拟信号传输至信号中转装置，并通过数字信号接线传输至编码信号接受器，判断信号种类并发送至信号收集与数据发送装置，通过信号塔发送无线信号至救援抢险中心，即时对该路段的灾情进行救援部署。

8、本发明的有益技术效果为：

9、1、本发明监测装置采用全方位监测山体滑坡异物，通过全方位泥石流压力监测装置上方的五个方位的渗孔检测来自各个方位的异物对轨道的侵袭，相较于传统的泥石流监控仪通过监测异物时速的方法，不知局限于检测山体一个方向上的泥石流侵袭，且不受山区地形由于雨季光线昏暗及监控设备探测范围受天气、地形等条件的限制。

10、2、本发明监测准确度较高，通过每个装置的检测产生的模拟信号，通过信号处理，将不稳定且混乱的信号转换为简洁规整的二进制编码，通过比对事先采集的突变信号波形和拉压力的数值比较，从而来确定灾害事故的发生。传统的监测方式采用监控终端对事故发生现场进行数字图像处理，处理方式需大量智能机械，成本较高，且容易出现错误判断灾情而错误部署抢险救援，本发明需多重比对和信号转换，监测效果更为准确。

11、3、本发明采用特殊设计的传感器装置，由于压力和拉力传感器维护简单，且装置的设计也从一定程度上减少对传感器的损耗，以减少装置维护的频率，且装置的安装调试都极为简单。并且，其灵敏度以及准确度较高，可以实现快速高效的监测防灾预警。

12、4、本发明相较于已有的铁路泥石流或洪水监测系统，其将两种自然灾害同时同地进行监测，通过精确地信号传输与转换，再配合监控终端系统对灾害现场情况进行初步的判别，并且通过触发的装置精准定位灾害发生的位置，救援部队可以通过不同的报警信号对灾害提前进行精准部署，即时派遣相关救援部队到灾害发生地点即时处理，提高灾害处理的效率。