铁路沿线设备设施环境监测和异物侵入监测的方法和系统与流程

本发明属于轨道交通领域，具体涉及单独或综合监测铁路沿线设备设施环境监测，以及异物侵入监测，一旦检测出异常及时预警，并指导隐患、故障或灾害处理，方法包括设备承载平台安装线路和环境监测设备，单独或跟随列车运行实施监测线路及周边环境状态，列车头部位置可安装线路和环境监测设备，利用车地、列车首尾通信实时交互数据；通过沿线关键位置安装固定监测装置，通过无线通信与地面监测中心交互数据并实现关键位置线路状态和周边环境检测；通过空天遥感技术包括高、中、低轨道卫星、无人机等实现铁路线路及环境状态检测，可通过低轨道大容量低延时的空地通信实现数据交互；通过钢轨传递诊断信号用以监测钢轨状态，通过上述办法单独或组合实现铁路沿线监测的需求，保障列车安全运行。

背景技术：

1、中国铁路作为公众交通工具，在中国综合交通运输体系中处于骨干地位，截止2021年12月30日，铁路运营总里程超过15万公里，高铁运营里程超4万公里，到2035年，全国铁路网运营里程达到20万公里左右，其中高铁为7万公里左右。同时随着铁路线跨越距离远，线路经过地质条件复杂，这些都给线路周边环境和线路状态的实时监测、故障或灾害处理带来难处，迫切需要一种新的解决办法，实现铁路线路沿线状态和环境的实时监测以及数据大容量实时传输，以及故障或灾害法发生后的事件处理。

2、现有的轨道状态和周边环境的监测现状存在下述问题：

3、1)需要检测监测的状态对象越来越多，涉及工务、电务、供电等多个部门，目前检测监测设备针对单一或较少状态进行检测监测，设备繁多，分别由各段自行安排检测监测所负责部分，造成工作量大，占据时间多。

4、2)目前部分设备智能化不高，需要人工深度参与现场工作，包括高强度体力工作及面对现场恶劣环境。

5、3)目前轨道沿线状态和周边环境监测周期长，不能满足突发事件的响应要求。

6、4)目前轨道沿线状态和周边环境监测采用同步遥感卫星监测，监测空间分辨率低，也有采用高、低轨遥感卫星结合的方式，但满足不了监测时间分辨率要求。

7、5)目前采用的轨检车使用机车、动车或车辆改造，成本高昂，灵活性差，或使用飞机等平台受到领空管制的限制。

8、经专利检索，与本发明有一定关系的专利主要有以下专利：

9、1、申请号为“202010509813 .9”、申请日为“2020 .06 .08”、公开号为“cn111709335a”、公开日为“2020.09.25”、名称为“基于卫星遥感的铁路线路安全预警方法”、申请人为“成都唐源电气股份有限公司”的中国发明专利，该发明涉及铁路线路安全预警领域，尤其是一种基于卫星遥感的铁路线路安全预警方法，包括步骤一，持续获取覆盖铁路线路区域的遥感卫星图像；步骤二，将所述遥感卫星图像与铁路线路图进行匹配，基于铁路线路图走向对所述遥感卫星图像沿铁路线路进行网格划分；步骤三，对于划分后的各个网格，按照设定的时间间隔，持续比对各个网格内的图像特征变化；步骤四，若所述图像特征变化超过指定阈值，则发出预警信号。本方法基于卫星遥感图像数据对铁路沿线安全情况进行持续监控，能够及时、全面地掌握铁路沿线的运行环境，及时根据监控异常发送预警信号。

10、2、申请号为“201711227352.0”、申请日为“2017-11-29”、公开号为“cn107858883a”、公开日为“2018-03-30”、名称为“一种轨道系统安全状态综合监测及智能分析方法”、申请人为“北京交通大学、中国铁路总公司”的中国发明专利，该发明公开了一种轨道系统安全状态综合监测及智能分析方法，该方法融合了三种传感监测技术，基于光纤光栅技术监测结构温度等低频数据，采用修正应力-应变技术监测钢轨横、垂向应力等高频数据，对于道岔尖轨等难以接触测量的敏感结构，利用视频感知技术观测结构大变形及表面状态，形成铁路轨道系统从外观到内在、从高频到低频的全天候系统监测。通过对采集的多源数据进行融合分析，可有效对轨道状态进行评估、诊断及预测，进而实现轨道安全状态及时预警。本发明测点布置合理，监测过程自动程度高，对线路状态评估准确，对异常情况预警及时，实现了铁路轨道系统服役的安全可控，为列车的安全、平稳运行提供了可靠保障。

11、3、申请号为“202011586882.6”、申请日为“2020-12-29”、公开号为“cn112308858a”、公开日为“2021-02-02”、名称为“一种轨道系统安全状态综合监测及智能分析方法”、申请人为“南京派光智慧感知信息技术有限公司”的中国发明专利，该发明本发明提出一种铁路轨道、轨道板状态多维智能监测方法及系统，监测方法包括：s1多维智能监测系统获取铁轨和轨道板的表面温度，测量铁轨的距离并转化为铁轨偏心距离，获取观测图像；s2将表面温度、铁轨偏心距离传输给控制模块，并将观测图像传输给处理模块，处理模块结合深度学习网络和视觉检测技术计算出轨道板位移和轨道爬移；s3将表面温度、铁轨偏心距离以及轨道板位移、轨道爬移测量结果封装并传输到管理中心；s4管理中心对各监测点位进行温度、位移态势分析，推送铁路轨道、轨道板异常位移报警。该多维智能监测方法和系统实现了对铁路轨道、轨道板状态的综合、长期、智能监测，提高了铁路运行的安全性。

12、4、申请号为“202111107515 .8”、申请日为“2021 .09 .22”、公开号为“cn113790763a”、公开日为“2021.12.14”、名称为“一种铁路线路状态综合监测方法与系统”、申请人为“北京国兴力德新材料技术有限公司”的中国发明专利，该发明涉及铁路状态监测技术领域，特别是一种铁路线路状态综合监测系统，包括铁路线路的状态监测单元，所述状态监测单元通过无线传输网络递进传输给雨棚单元，雨棚单元为无线收据接收的终点；雨棚单元将获得的传输数据通过局域网传输到检测数据中心，所述状态检测单元通过供电电源供电。本发明具有检测范围系统、适用性较强、识别方法可靠、在线监测、单元结构简单且可根据实际设备排序设置的优点。

13、5、申请号为“202110326555.5”、申请日为“2021-03-26”、公开号为“cn113200077a”、公开日为“2021-08-03”、名称为“基于5g的铁路设备设施状态监测和管理方法及系统”、申请人为“邯黄铁路有限责任公司”的中国发明专利，该发明提供了一种基于5g的铁路设备设施状态监测和管理方法及系统的，该方法采用通过检测桥涵左右支柱的冲击及姿态，评估冲击对支柱、横梁姿态造成的影响，之后将冲击报警信息、冲击力大小、桥涵姿态信息上传至桥涵监控平台，可以通过数据接口与铁路外部环境安全隐患动态数据库和开放式智能监管平台进行数据交互，可以实现铁跨公桥梁防撞梁、沿线通道门和平交道口道杆等的日常运行状态评估、工作状态识别、异常状态报警、异常事件视频采集等功能，从而实现了铁路固定设备设施运行状态在线监控和数字化管理。

14、上述专利均没有解决铁路沿线线路状态和周边环境监测的实时性，没有综合提出铁路沿线线路状态和周边环境监测的办法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供铁路沿线线路状态包括路基和轨道、周边环境及设施、异物侵入的监测，异常及超标情况的报警，以及故障或灾后指导应急处理的方法、设备和系统。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：通过天基成像（可见光、红外、多光谱或高光谱以及微波雷达等）遥感技术，采用被动式和主动式遥感技术，利用高、中、低遥感轨道卫星构成多层遥感卫星星座组网，实现成像系统的高空间分辨率、低重返时间即高时间分辨率以及全天候实施监测，通过星间通信如激光通信、低轨道卫星星座的大容量低延时的天地通信，地面控制中心实时获取高质量对地遥感图像并不断更新，铁路相关监测部门尽可能短间隔获取覆盖铁路沿线区域的更新的遥感图像，通过图像和谱图分析和数据对比，用于铁路沿线路基、轨道状态和沿线地表三维形变监测、沿线设施状态检测、异物侵入监测，对沿线自然灾害和异物侵入及时报警。

3、通过空基成像遥感技术，采用无人机和浮空器装配遥感设备，减少地面地理条件限制，避免天基成像易受云层等遮挡不利因素，响应速度快，部署时间短，并配置存储单元，用于铁路沿线定期巡检，可用于关键线路设施如桥梁隧道等、铁路沿线易受恶劣天气影响的导致滑坡泥石流等灾害地段的重点监测，也可用于铁路线路故障和铁路沿线灾后的救援维修指导，空基遥感平台与地面设备可采用低轨卫星通信、或移动通信如4g、5g等无线通信方式，也可采用微波或wifi等无线通信方式，地面监测中心定期获取高质量铁路沿线成像图片用于分析，在铁路线路故障和铁路沿线灾后的救援维修指导时现场指挥中心和现场设备可获取现场高质量成像图片用于指导救援。

4、基于轨道移动平台监测铁路沿线路基、轨道状态和周边环境设施等，通过设备承载平台（提供电力、通信和设备安装空间，同时提供速度定位装置）安装铁路路基、轨道状态和周边环境设施监测设备和遥感平台，挂靠列尾或动力车后方，跟随列车运行过程中实施铁路沿线路基、轨道、周边环境及设施状态监测，列车头部位置也可安装路基、轨道和周边环境设施监测设备，利用设备承载平台的车地无线通信、列首的车地无线通信、设备承载平台与列首间的无线通信，满足车地间监测数据的传输，实现列首和列尾设备承载平台间交互数据及对地通信冗余，或列尾设备承载平台的车地通信作为监测数据传输通道，地面监测中心可实时获取监测数据，列首车载相关设备可实时获取列尾设备承载平台的监测数据，列尾设备承载平台也可获取列首的监测数据；设备承载平台可自带动力驱动在天窗期沿轨道运行进行铁路沿线路基、轨道及周边环境设施状态监测，利用设备承载平台的车地无线通信，地面监测中心可实时收到铁路沿线路基、轨道状态和周边环境设施的监测数据进行分析和处理，设备承载平台和列首车载监测设备可具备数据智能分析并具备异常预警报警，设备承载平台和列首相关车载设备具有记录数据功能。

5、通过铁路沿线关键位置（桥梁、隧道、灾害易发地段等）安装固定监测装置，通过通信与地面监测中心交互数据从而实现关键位置铁路线路状态、周边环境及设施检测，区间监测装置与监测中心间通信可采用无线通信，站内监测装置与监测中心间通信可采用无线通信或有线通信方式，区间监测设备供电可采用周边可再生能源发电并配置储能装置稳定电源供应，或采用电源线引入电源，站内监测设备供电采用电源线引入电源，地面监测中心可实时收到铁路沿线关键位置的监测数据。

6、通过钢轨传递诊断信号用以监测钢轨状态，实现钢轨状态监测，可取消钢轨传输轨道电路功能，通过电信号、或超声波信号、或光纤等技术检测钢轨状态，地面监测中心可实时收到监测数据，状态超标及时作出报警和紧急处理。

7、天基监测系统以及空基监测系统采用的是经纬度坐标，采用铁路沿线固定监测系统以及轨道移动监测系统采用的是铁路公里表或铁路公里表与经纬度坐标，通过经纬度坐标与铁路公里表换算，统一位置，确定隐患、故障、灾害发生明确地点，用以监测铁路沿线线路状态和周边环境及设施。

8、通过上述办法单独或组合、定期或实时生成铁路沿线路基、轨道、周边区域及设施基准状态信息和地理信息系统和基准图像，通过铁路沿线线路数据和周边的图像和数据分析识别现场隐患及预警、铁路异物侵线预警、识别故障和灾害及报警、故障后和灾害发生后的现场分析及指导救援。

9、地面监控中心能够通过上述途径实时或定期收到监测数据，实现铁路沿线线路状态、铁路异物侵线预警、和周边环境监测预警。

10、监测的对象包括路基和轨道状态监测、铁路沿线环境和设施监测，路基状态包括路基本体、排水设施、防护加固设备等，轨道状态包括钢轨状态、扣件状态、道岔状态、道床状态等，周边环境包括沿线边坡、隔离栏、山体、树木及自然灾害如水淹、泥石流等，周边设施包括隧道结构及进出口端加固设施、桥梁结构和桥墩等。

11、天基监测平台适合铁路沿线环境、路基整体结构、铁路沿线设施整体结构、以及异物侵入监测；空基监测平台适合定期监测路基和轨道状态、铁路沿线环境和设施监测；轨道移动平台适合定期监测路基和轨道状态、铁路沿线环境、铁路沿线设施状态如隧道内结构及进出口端加固设施等；固定监测平台适合关键设备、设施、区段的监测。

12、遥感或监测技术采用光学成像技术如采用可见光、红外、多光谱或高光谱、紫外等一种或多种融合，光学成像可采用双目或多目摄像头立体成像，可实现成像技术和光谱技术结合，在成像的基础上可用于铁路沿线地质勘测，利用紫外成像技术可实现铁路沿线高压发电和电晕成像识别；同时可单独和组合融合4d毫米波雷达成像、超宽带雷达成像、太赫兹雷达成像等立体成像技术，均具备全天候工作且有一定穿透性，可用于边坡结构、山体表层、隧道内壁结构、桥梁及桥墩结构、路基结构进行监测。

13、轨道状态监测采用光学成像、激光成像或4d毫米波雷达或超宽带雷达融合成像监测，当设备承载平台自驱动运行轨道检测设备监测方向建议朝前，当挂靠列尾或动力车后方是轨道检测设备监测方向朝后，光学成像采用多摄像头左右多个角度的成像融合，可采用可见光和红外摄像头融合立体成像，4d毫米波雷达成像和超宽带雷达可全天候工作，激光成像易受天气影响，通过不同传感技术的图像融合分析和比对，识别钢轨状态包括钢轨表面不平顺、钢轨磨耗、钢轨裂纹、钢轨纵向和横向位移监测（钢轨附近设置比对标记）、轨道几何形状如轨间距和左右轨面高度差超标（通过双目摄像头的距离识别）；通过图像分析和比对，识别扣件的松动、缺失、弹条断裂等缺陷，识别道岔尖轨、基本轨、尖轨密贴度、道床异物等隐患和故障，识别轨枕裂纹、掉块、挡肩破损等病害，识别道床几何尺寸状态包含沉降、脏污和板结程度等，识别异物侵入轨道，指导现场维护、清洗和更换。

14、铁路沿线接触网系统监测可通过无人机平台和轨道移动平台实施，通过光学成像（包括可见光、红外、紫外成像融合）、超宽带雷达或4d毫米波雷达或激光成像融合，监测储接触网结构状态、漏电和电晕、绝缘体结构状态监测；同样适用于城市轨道交通等采用第三轨供电系统监测。

15、铁路沿线环境如山体、边坡、路基、隧道内壁等，通过光学成像和超宽带雷达（或4d毫米波雷达或太赫兹雷达等）立体成像融合监测，光学成像可采用双目或多目摄像头立体成像，可采用可见光摄像头与红外摄像头融合，同时通过超宽带雷达良好的穿透性如穿透草丛树木和土壤水分测量，可结合使用合成孔径技术，从而通过成像系统识别铁路沿线附件山体和边坡出现的裂纹、松动和含水量超标，提前预警并指导现场处理，预防山体护坡的滑坡、泥石流、地质塌陷等灾害，通过成像系统识别隧道内壁的裂纹和松动、隧道口外壁状态，提前预警，通过成像系统识别路基状态。

16、固定监测平台的监测对象为铁路线路关键设备和设施，如道岔、桥梁、隧道、墩台等，采用光学成像和4d毫米波雷达立体成像融合监测，光学成像可采用双目或多目摄像头立体成像，通过图像分析和比对，实现对道岔、桥梁、隧道、墩台等关键设备和设施状态的实时监控。

17、同时可通过在铁路沿线关键设施处安装gnss装置，利用gnss导航卫星+低轨道卫星的导航增强（采用信息增强和信号增强）+地面基准站，实现高精度定位和高程定位，监测关键设备的形变实现关键设施的位移和沉降监测，如边坡和山体位移监测、墩台位移和沉降监测、隧道口支撑设施的位移、桥梁面倾斜监测等。

18、通过天基遥感技术短间隔获取的铁路沿线不同传感器的新的成像数据，通过空基成像技术定期获取铁路沿线高质量成像数据，通过轨道移动监测定期获取高质量铁路沿线轨道状态和沿线周边地形、设施状态，通过固定监测装置实时获取关键设施和灾害易发线路的状态数据，通过钢轨状态检测设备实施获取钢轨状态数据，地面监测中心获取这些数据，进行大数据存储、通过多源数据融合分析、图像合成、数据比对判断，对铁路沿线轨道状态、周边地形和实时状态全面感知、诊断，全面掌握线路状态，通过收集分析历史数据形成专家诊断系统和智能训练学习系统，通过图像和数据的自动比对，对轨道沿线线路状态和周边环境进行智能评估，自动识别隐患，安排计划性的维护或更换；同时维护铁路沿线线路和周边环境的基础线路数据和基准图像数据，对轨道周边环境设施进行数据比对分析，结合气象、地震等预报，实时监测铁路沿线周边环境，自动识别故障、自然灾害等，以及超标情况的预警和报警，同时可用于故障或灾后处理指导，保障列车安全运行。

19、无线通信可采用低轨卫星无线通信、或移动通信如4g、5g等无线通信方式，近距离无线通信可采用微波、数传电台、感应通信、wlan、wimax等通信方法，可采用扩频、跳频、定向天线等技术，区间固定监测装置无线通信可采用低轨道卫星通信、移动通信技术等，站内固定监测装置无线通信可采用移动通信技术、微波、wifi等。

20、轨道移动平台的车地通信可采用低轨卫星无线通信、或移动通信如4g、5g等无线通信方式，站内及周边可采用微波或wifi等无线通信，满足车地间监测数据的传输要求，列尾设备承载平台可与列首相关通信设备可依此进行数据间接交互；列尾设备承载平台可与列首相关通信设备进行无线通信直接交互数据，无线通信可采用微波、数传电台、感应通信、wlan、wimax等通信方法，可采用扩频、跳频、定向天线等技术。

21、本法明的技术同样适用于城市轨道交通系统、市域铁路系统。

22、本发明的有益效果为：通过天基遥感平台、空基遥感平台、轨道移动平台检测、固定检测平台以及钢轨状态检测设备单独或组合实现铁路沿线路基和轨道状态、以及周边环境和设施的全面感知，通过数据积累形成专家诊断系统，通过建立深度学习训练提高隐患和故障识别能力，，合理安排养护和维修，对铁路沿路基和线轨道状态、及周边环境和设施隐患危险的预警和报警，对侵入轨道的异物及时报警，结合气象对铁路沿线自然灾害进行预警和报警，同时指导引导故障后和灾后的现场救援，保证列车运行安全。