基于北斗融合多源传感器技术的铁路路基稳定性监测研究

　　摘 要：针对常规GNSS自动化监测和传统路基自动化监测技术的不足，提出了基于北斗融合多源传感器技术的铁路软基稳定性监测系统的架构及实现路径，并以北斗融合静力水准在软基沉降变形监测中的应用为例进行了现场试验。结果表明：北斗融合静力水准沉降监测系统为路基监测提供了统一的时空信息基准，可满足铁路路基从建设到运营全生命周期对沉降监测时序性、及时性、有效性和精确性的要求;实现了多源监测数据深度融合，协同复核分析，可以实时为路基外部及内部测点提供高精度沉降数据;通过北斗三维数据提供边坡顶部及坡脚位置的水平位移数据，同时可为路基边坡稳定性提供监测和预警;通过北斗监测站与静力水准测点构成的水准附合线路，实现了各层基点数据实时分析及校核，避免了层间中继误差的传导，提高了监测的实效性和精度。

　　关键词：北斗定位技术;时空信息基准;多源传感器;静力水准仪;铁路路基;沉降变形

　　0引言

　　为贯彻落实党中央、国务院决策部署，加快建设交通强国，推动交通运输领域新型基础设施建设，交通运输部于2020年8月印发了《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》，提出打造融合高效的智慧交通基础设施、助力信息基础设施建设、完善行业创新基础设施等三大领域14项主要任务[1]。

　　推动交通基础设施与公共信息基础设施的统筹布局、共建共享，既能够有利于在交通基础设施沿线推广应用具备多维感知、智能网联等功能的终端设备，构建云边协同的一体化管控平台，又能够为5G、物联网、北斗系统、人工智能等推广应用创造有利条件，支撑网络强国、数字中国等国家战略，是实现综合立体交通网服务质量和效率提升的主攻方向。在新基建和数字化转型的时代背景下，作为传统基础设施的路基工程需要融合新的信息与通信技术(ICT)向融合智慧交通基础设施转变，实现智慧路基的建设目标。

　　因此，处于感知层的具备多维感知、智能网联等功能的终端设备的研发和应用是实现智慧路基的物理前提，处于数据汇集分析层的云边协同的一体化管控平台则是物理世界的数字孪生。北斗在变形监测方面已成熟应用于铁路、公路、机场、港口、水电和矿山的边坡监测[2-7]以及地质滑坡的灾害预警[8-10]，目前针对铁路路基的北斗融合沉降监测研究还不成熟，有待进一步开展试验研究。本文从贯穿铁路路基工程全生命周期的沉降监测入手，探究基于北斗融合多源传感器技术的铁路软基稳定性监测系统的实用性，为以北斗定位技术为代表的新信息与通信技术赋能路基工程智慧化转型提供借鉴。

　　1基于不同感知终端的路基监测系统

　　1.1常规GNSS自动化监测系统

　　常规GNSS路基自动化监测系统。主要监测路基表面的位移，由GNSS地基增强站、监测站、通讯系统、数据处理和分发系统构成，但缺少对于路基内部隐蔽工程的监测能力。

　　1.2传统路基自动化监测系统

　　传统路基自动化监测系统由感知系统、采集系统、传输系统和控制分析系统构成。属于传统的自动化监测手段，缺少统一的时空信息基准。

　　2北斗融合多源传感器智能监测系统

　　2.1关键技术

　　北斗高精度变形监测技术：采用三差残差法进行周跳探测与修复，并基于此实现事后静态高精度定位。通过设计基于双差模型的北斗/GPS双系统数据融合处理算法，建立一套适合于变形监测的高精度基线处理方案。该方案首先通过NTRIP或TCP/IP协议接收与存储接收机原始观测数据，经解码技术，转换为标准数据格式。

　　通过时空基准统一、基准站与监测站组双差，消除或削弱大部分空间相关性误差后，经周跳探测、法方程叠加、质量控制等，筛选出最优的观测值，组成观测方程，最后利用最小二乘法进行参数估计，得到监测站坐标变化。多传感器数据融合技术：铁路变形监测方法多种多样，不同的专业侧重点不同会用到不同的传感器。但受费用及规格等因素影响，传感器监测存在着量程、精度、基准等方面的差异，也无法准确测量区域沉降对铁路工程的影响，在北斗位置基准服务的框架下实施卫星定位自动化监测可避免这方面的问题。

　　融合多种传感器对铁路工程重点区段实施监测可提高监测效率、精度，满足各专业对后续观测成果数据的分析需求。铁路工程构筑物变形高精度监测与分析技术：采用基于北斗信息处理、实时沉降测量及事后变形分析等一系列核心技术，通过长时间连续实时数据处理，提供监测点的变形情况。

　　主要通过对沉降监测点数据进行解析，采用卡尔曼滤波算法和高精度差分定位模型进行解算，得到沉降监测点的实时厘米级和后处理毫米级定位结果，实现对铁路实体结构的高精度监测，并实现基于北斗地基增强基准的多传感器数据融合处理及平台接入。

　　智能预警技术包括瞬时阀值和累计阀值两个重要数值。瞬时阀值是指列车经过时自身荷载对路基产生的瞬时压强造成路基沉降变形瞬时变化值，列车驶出该段路基后沉降变形恢复正常，此时在满足路基强度和变形要求的基础上设定一个沉降变形安全值即为瞬时阀值，超过这一数值时系统自动报警。

　　累计阀值是指在一段时间内路基与列车轨道荷载作用下对该段路基的累计压强造成的沉降变形累计变化值。北斗智能预警技术既可实现铁路路基沉降变形值的瞬时预警、累计沉降值预警，也可通过无线数据传输技术的应用，利用卫星定位信息反馈到监测终端进行解算预警，超前预判铁路路基及沿线周边沉降变形安全隐患，起到控沉、防沉的作用，具体内容包括了卫星定位、嵌入式GIS、移动通信以及现场多模式数据采集。

　　2.2实现路径

　　北斗融合多源传感器智能监测系统平台采用成熟的J2EE架构技术，基于MVC体系结构进行开发。其技术结构主要包括4个主要部分：业务功能模块、数据库、平台基础服务和平台支撑服务。业务功能模块是平台的用户接口，提供方便的查询服务和相关系统管理功能等;数据库是平台的数据存储中心，负责存储基准数据和多源监测业务数据，具备大并发数据量处理能力;平台基础服务负责监测终端的接入，数据处理和平台服务总线的功能;平台支撑服务提供了平台运行的基础数据支撑。

　　3北斗融合静力水准路基稳定性监测试验应用

　　常规的静力水准仪，主要采用连通器原理监测计算路基内部测点和路基外部基准点之间的压力差来换算沉降值，属于区域性相对沉降量。常规GNSS自动化变形监测，虽然是绝对测量值，但目前主要用来监测路基表层及边坡等无遮盖区域的沉降变形，无法测量路基内部变形沉降。如何在统一的GNSS时空基准下，对路基内部和外部同时进行高精度时序性自动化沉降变形监测，是未来PNT体系下路基全生命周期健康监测的重要内容。从路基全生命周期稳定性最重要的路基沉降指标，来探讨北斗在路基监测过程中的融合应用。

　　3.1常规自动化变形监测技术

　　贯穿路基建设和运营全生命周期的变形监测的重要指标就是沉降和水平位移。传统的测量主要采用水准仪、经纬仪和全站仪等光学设备进行的周期性人工测量;进入自动化监测时代主要采用测量机器人(自动全站仪)、静力水准仪、单点(多点)沉降计，剖面仪和深层水平位移计等自动化测量终端进行的全天候自动化数据采集。

　　在主要以沉降控制为主要指标的现代路基工程中，应重点关注路基沉降监测的时空信息基准、有效性、精确性和及时性。现有路基沉降监测主要采用压差式静力水准仪进行测点数据采集，通过对液体和大气的压差的测量，将压力信号转化为电信号，实时计算得到竖向位移高程;可设定基准点和测点，测点相对基准点的竖向位移高程就是相对沉降值，再加上基准点的绝对沉降值，可以得到各测点的绝对沉降值。常用路基沉降自动监测系统布设。

　　现有路基沉降监测技术的主要问题是：测线只有一端有基点，构成的水准线路既不是闭合线路，也不是附合线路，测量精度无法校核;多层测点共用一个坡脚基点，路基表层基准值通过层间预留中继杆传导坡脚基点基准值，存在施工破坏风险和传导累积误差;坡脚基点绝对基准值通过人工定期复测向下入岩基准杆或向上基准桩获取，频次较低且存在人为误差，也不能提供实时绝对基准数据;无法监测路基边坡水平位移变化;没有预埋传感器通道，测线易损坏，后期维护更换困难。

　　3.2北斗融合静力水准自动化沉降变形监测技术

　　3.2.1系统组成及原理

　　根据GNSS自动化变形监测和压差式静力水准自动化监测各自特点，在北斗三号高精度定位授时技术的基础上融合研发的基于北斗时空信息基准的路基高精度时序性自动化沉降变形监测系统[11-12]。北斗融合路基监测系统构成示意。

　　北斗融合路基监测装置数据采集发布流程。主要流程为：北斗卫星坐标数据与压差式静力水准传感器监测数据采集后，通过无线传输网络发送到互联网云平台上进行后台数据处理分析，再通过客户端将路基各测点监测数据及预警情况实时发布到用户终端。

　　3.2.2技术创新点

　　北斗融合技术与传统静力水准监测技术的对比。北斗融合监测技术已经取得相关专利授权[11-12]，在创新应用方面具有以下特点：

　　(1)实现了卫星坐标数据与压差式静力水准传感器监测数据深度融合，协同复核分析，可实时为路基外部及内部测点提供高精度沉降数据。采用基于北斗信息处理、实时沉降变形测量及事后变形分析等一系列技术，通过长时间连续实时数据处理，提供路基表面监测点的变形情况;通过融合压差式静力水准仪和测斜数据，可获得路基结构体内部的沉降变形情况。通过对沉降监测点数据进行解析，采用卡尔曼滤波算法和高精度差分定位模型进行解算，得到沉降监测点的实时厘米级和后处理毫米级定位结果，实现对铁路路基结构的高精度监测。同时，通过预埋剖面管通道，实现了测线上不同测点传感器的定位，也实现了后期设备维护、测点同位替换，以及既有线路基内部测点的埋设定位。

　　(2)通过卫星坐标数据提供路基边坡顶部及坡脚位置的水平位移数据，为施工过程、静置期及运营期的路基边坡稳定性提供监测和预警。通过全天候监测可对路基的沉降及水平位移健康状态进行实时监测，实时反馈边坡关键点位的水平和沉降变形数据，能够及时发现路基病害及周边地质灾害风险，为路基施工期提供实时数据支撑，也提升了运营期工务段的监测管理水平，有助于消除铁路运营中的重大隐患，为路基提供了全生命周期保障。

　　(3)通过卫星坐标传感器与竖向位移传感器构成了水准复合线路，实现了基点数据实时分析及校核，避免了路基表层和底层监测过程中继误差的传导，提高了监测的实效性和精度。底层坡脚竖向位移基准点及表层路肩竖向位移基准点位置同时设置卫星定位坐标传感器，通过卫星坐标数据为各层监测传感器实时提供基准数据，并通过每层远端测点也同步设置的卫星校核坐标传感器获取实时校核数据，构成水准测量的复合线路，实现各测点测量数据的精度控制。各层独立校核的情况下，可以取消各测线间的中继连接杆。克服了常规变形监测系统的分散、滞后、低效及人为干扰因素多等缺点。

　　3.3北斗融合静力水准沉降监测现场试验应用

　　3.3.1系统设计

　　在某高铁复合地基试验段，为对比研究干湿法深长双向搅拌桩沉降控制效果，设置了北斗地基增强站、监测站、静力水准物位计、单点沉降计、沉降磁环和测斜管等多源沉降变形监测设备。在试验断面分别设置了北斗融合静力水准的沉降监测系统。北斗融合静力水准的沉降监测系统功能。基于北斗的自动化变形监测平台界面。

　　4结语

　　随着微电子技术的不断发展和北斗三号星座系统组网完成并服务全球，压差式静力水准测量技术和卫星自动化变形监测等关键技术进一步完善、可靠性高，采用多源融合的方式形成的路基沉降变形监测技术成熟度较高，且可以迭代升级。基于北斗融合多源传感器技术的铁路软基稳定性监测系统主要推广应用价值如下：

　　(1)采用多种关键技术，提高路基多元监测基准点的观测精度。北斗融合路基监测系统采用多模GNSS系统数据融合技术，对北斗、GPS等系统的观测数据进行融合，对各系统间的时空基准进行统一。从多角度全方位提高了卫星定位系统在路基多元监测系统中的精度，实现了路基监测坐标基准的实时自动维护，推动了卫星定位系统，特别是北斗定位系统在路基健康监测中的融合发展，赋能路基全生命周期健康状态监测、病害监测及地质灾害预警。

　　(2)实现了路基运营期长期实时多元自动化监测。北斗融合路基监测系统可适用于新建线监测、既有线影响监测、运营期监测等多种工况。通过卫星定位系统与路基多元自动化监测的融合技术，可以实现对路基基础、本体、表层不间断地实时高精度三维坐标监测。

　　(3)推动了“北斗+”的标准化技术应用。通过“北斗+路基监测”示范应用，推动了新建铁路“北斗+”的标准化技术应用，赋能路基自动化变形监测方案设计。

　　参考文献(References)：

　　[1]交通运输部.交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见[J].中国水运,2020(8):16−18.MinistryofTransportofthePeople'sRepublicofChina.GuidingopinionsoftheMinistryofTransportonpromotingnewinfrastructureconstructioninthefieldoftransport[J].ChinaWaterTransport,2020(8):16−18.

　　[2]强小俊.北斗定位技术在高速铁路沉降变形监测中的应用[J].铁道建筑,2020,60(7):81−84.QIANGXJ.ApplicationofBeidoupositioningtechnologyinsettlementmonitoringofhighspeedrailway[J].RailwayEngineering,2020,60(7):81−84.

　　[3]刘永琦,詹志英.北斗高精定位在输电杆塔边坡监视上的研究与应用[J].电气技术,2021,22(1):79−84.DOI:10.3969/j.issn.1673-3800.2021.01.016.

　　作者：时洪斌，刘柏林，毛忠良