隧道内结冰智能监测预警系统研制与应用--中国期刊网

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隧道内结冰智能监测预警系统研制与应用

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：张芙蓉沈通

[导读] 摘要：本文借助图像采集系统、无线数据传输系统及数据分析系统，实现对隧道冰害自动监测及预警，降低维护工作人员的劳动强度，同时提高机车在隧道内的行车安全性，该系统已在大秦线部分隧道得到应用，具有较高的实用价值和推广价值。

        大秦铁路股份有限公司大同西供电段山西省大同市 037005
        摘要：本文借助图像采集系统、无线数据传输系统及数据分析系统，实现对隧道冰害自动监测及预警，降低维护工作人员的劳动强度，同时提高机车在隧道内的行车安全性，该系统已在大秦线部分隧道得到应用，具有较高的实用价值和推广价值。
        关键词：隧道内结冰；智能监测预警系统
        前言：隧道内的漏水地段在冬季容易形成结冰，部分结冰会形成冰柱,结冰发展严重时会侵入限界影响行车安全。在电力牵引区段，隧道拱部漏水会造成接触网跳闸、放电漏电，影响安全运营。现供电段一般都是定期巡查，采用绝缘打冰工具人工除冰的方式对漏水眼形成的冰柱进行除冰处理。人工在隧道内巡查存在很大的安全隐患，供电段每年都有相关的安全事故发生，所以需要建立一套隧道冰害自动监测及预警系统，对冰害现状及发展变化趋势进行在线监测是十分必要的。一旦发现冰害发展到危及供电及行车安全时可自动及时报警，责任人员接到报警后可第一时间赶往现场处理。
        1方案设计详情
        依据《TB1003-2016铁路隧道设计规范》、《TB10006-2016铁路通信设计规范》、《铁路信号施工工艺及技术标准》；项目组在对安装地点进行实地调研和论证之后，确定采用对监测点的图像进行采集，并将其传输到中心服务器后进行再分析，以便对漏水点进行监控和预警。
        根据整体设计思路，系统硬件设计的重点是如何为隧道内的抓拍设备供电，如何保证所抓拍到的图片的清晰度，如何将抓拍到的图片稳定上传至中心服务器。具体方案如图所示，系统前端硬件采用锂电池给隧道口4G路由器工控机、无线网桥、网络摄像机供电；隧道口工控机主动发送开机命令至抓拍控制器，启动洞内无线网桥和网络摄像机开启摄像，视频流数据通过无线网桥传输至工控机，工控机从视频流中截取所需图像，图像截取成功后，发送指令关闭洞内设备电源。工控机截取的图片再通过4G路由器经4G网络传输至中心服务器。

        图方案示意图
        2系统工作原理和功能特点
        2.1系统工作原理
        隧道内结冰智能监测预警系统是一套基于视频图像处理技术、多频段无线传输技术、串口通信技术、计算机网络技术、风能及太阳能发电等技术，将高清数字网络图像采集模块、高性能充电锂电池供电模块、高速无线数字传输单元、太阳能及风力发电模块、工控机及服务器、专用图像管理软件、专用系统配置软件、图像智能分析预警软件及客户端WEB显示查询软件相结合对隧道内结冰点进行智能监测并预警的系统。该系统在无信号的隧道区域内，能实现高清视频图像采集、高清视频数据无线网桥传输，并通过4G网络将压缩后的图像数据远程传输至中心服务器；服务器实时整理存储隧道内现场图像数据，通过对图像进行智能分析，达到对隧道内结冰点状态进行可视化监测并预警，提高机车在隧道内的行车安全性。
        2.2系统功能特点
        隧道内结冰智能监测预警系统具有以下特点：第一，图像清晰度高：采用高清数字网络图像单元，像素200万，支持1080P/30fps。第二，利用高速网桥和4G工业路由器，数据传输带宽稳定性高，实现隧道无信号区域的无线覆盖和数据远程传输。第三，采用高性能充电锂电池供电，解决隧道内设备待机短的问题，减少维护工作量。第四，系统设备一体化设计，可大幅降低现场施工量，缩短施工周期，减少维护工作量；同时采用专用防尘装置，解决隧道防尘难题；第五，宽温设计，系统适合于北方低温环境。第六，通过专用智能处理软件分析采集的现场冰害高清图片进行归档存储，查询方便快捷，可实现自动预警。第七，采用TCP/IP传输协议，可达到扩容和联网简单易操作。第八，系统具有自检功能，维护工作量小，可远程升级软件和操作指导。第九，系统集成风力发电单元，利用机车经过时产生的气流进行发电，增加设备的续航时间。
        3系统方案实现
        3.1硬件技术方案实现
        3.1.1图像抓拍设计
        中心服务器通过4G网络，向隧道口单片机主控板发送设备启动命令，通过433M无线通信，将控制命令传输至隧道内单片机控制板中，隧道内单片机主控板对摄像机，无线网桥，补光灯上电启动。隧道口中转设备中的工控机通过无线网桥查询摄像机是否在线，判断摄像机上电在线后，工控机获取摄像机视频流，提取视频流中的图像。
        3.1.2图像转发设计
        隧道口工控机在视频流中提取图像后，通过专用软件对图片进行压缩处理，降低单张图片容量，通过4G网络，将图片上传至中心服务器指定文件夹中。
        3.2软件技术方案的实现
        3.2.1抓拍单元
        抓拍单元软件工作流程：中心服务器发送启动命令后，单片机主控板上电启动隧道口工控机，图像抓拍软件开机自动启动后发送前端设备在线检测命令，查询前端设备是否在线。检测到前端设备在线后发送启动前端设备摄像机、无线网桥、补光灯供电命令。命令下达后，工控机通过无线网络ping前端摄像机判断后端摄像机是否启动完成，获取视频流，从视频流中提取图片，压缩图片，主动上传至中心服务。图片上传成功后，工控机自动关机。
        3.2.2分析单元
        图像智能分析模块软件设计的基本原理概述：对输入图像进行预处理，第一步采用中值滤波滤除噪点和干扰，第二步取原图灰度图，第三步构造预处理图像的边缘数组，第5步通过冰柱特征编辑相应算法识别冰柱位置及相应像素点数量及前期对参照物进行像素点与实际换算得到每个像素大小（mm）,冰柱实际长度（mm）=像素大小（mm）*冰柱像素点数量，最终通过预设阀值智能判断，从而实现远程报警功能。图像分析精度10mm,洞顶挂冰分析准确率99%。
        3.2.3传输单元
        传输单元由前端传输客户端、服务器数据中心组成，由前端传输客户端将抓拍图像进行压缩打包，并将打包后的图像传输到服务器数据中心。
        3.2.4存储单元
        存储单元由服务器数据中心组成，主要功能为接收并处理客户端上传的数据信息，并对数据信息进行分类存储，监测值分级分发，三级在WEB端显示，达到二级时发送预警通知，一级时连续发送三次告警通知。
        3.2.5显示单元
        WEB界面设计使用现代网站开发的html5+css3的开发方式，界面简洁大方，网站整体采用自适应布局以适应不同终端的访问，项目后台采用wcf通信服务，稳定收集和处理服务器收到的图片。
        结束语：
        隧道内结冰智能监测预警系统设备分别在大秦线大岭沟一号隧道、上房子隧道、铁炉二号隧道及花果山隧道内安装隧道冰情监控装置，系统采用高清成像、无线网络传输等技术，实现了监测点远程在线监测。系统基于图像智能分析算法，通过对冰柱智能识别及智能长度判断，结合报警阀值设置，最终实现铁路隧道内冰害远程报警功能。通过技术手段减少人工冰情出巡检查次数，降低人工巡视作业人身安全风险，取得了良好的经济效益和社会效益，该系统具有较高的实用价值和推广价值。