浅谈川藏铁路天地空一体化边坡安全监测及预警系统的设计与研究

一、引言

川藏铁路起于，终至西藏拉萨，全长 1639km ，穿越横断山脉、青藏高原等地质活动剧烈区域，沿线分布着大量滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害隐患点。铁路行进路线位于北纬30°地形急变带，大高差跌宕的台阶状地貌特征显著，导致基础设施面临高地应力、地热、地下水耦合场效应等多重威胁。据统计，川藏铁路沿线地质灾害与冰川泥石流频发，传统的人力巡查与离散点传感器监控方式已无法满足特殊地理环境下的监测需求，亟需建立基于现代信息技术的全系统实时监测预警体系。 现有边坡监测技术主要分为简易观测法、设站监测法和远程自动化监测法，但单一手段均存在局限性。例如，简易观测法依赖人工巡检，实时性差且受主观因素影响；设站监测法需在监测点布设设备，对复杂地形适应性不足；远程自动化监测法（如雷达监测）虽技术先进，但建设成本高昂，难以大范围推广。因此，整合多源监测技术，构建天地空一体化的边坡安全监测系统，成为解决川藏铁路边坡安全问题的必然选择。

二、系统设计背景与目标

（一）设计背景

川藏铁路的特殊性体现在三个方面：一是地质环境复杂，断裂带活动频繁，岩体破碎且风化严重；二是气候条件恶劣，高海拔地区低温、强紫外线辐射及季节性冻融作用显著；三是地形切割剧烈，边坡高度差大，易发生崩塌、滑坡等灾害。传统监测手段在该区域面临三大挑战：人力巡检在高原地区危险性高且效率低下；单一传感器网络难以覆盖复杂地形；数据传输受限于高原通信条件，实时性无法保障。

（二）系统目标

1.多维数据采集：通过天地空一体化网络，实现地表位移、裂缝扩展、土壤含水率、气象参数等多维度数据的实时采集与融合。

2.智能预警响应：建立灾害预警模型，实现从数据异常到风险预警的自动化处理，预警响应时间≤10 分钟。

3.协同管理决策：构建跨部门信息共享平台，支持列调、工务、设计单位的协同决策，提升应急处置效率。

4.经济高效运维：通过网格化管理与技术集成，降低系统建设与运维成本，较传统方案成本降低 30% 以上。

三、天地空一体化系统架构与技术实现

（一）系统组成

项目主要包括研究内容是打造一套川藏铁路天地空一体化边坡安全监测及预警平台，系统由四大子系统及综合可视化平台组成：

1.GNSS（北斗）位移监测子系统：包含基准站与监测站，利用北斗卫星定位技术实现毫米级地表位移监测，定位精度可达±2mm。

2.视频监控子系统：由地面固定视频站与巡航无人机组成，配备4K 高清摄像头与AI 图像识别模块，可自动检测边坡裂缝、垮塌等异常。

3.物联网监测子系统：集成雨量计、裂缝计、土壤含水率传感器、倾斜计等设备，通过LoRa/NB-IoT 网络实现数据传输。

4.网格管理子系统：通过微信小程序调动沿线群众参与监测，实现灾害隐患的群防群治，任务响应时间 ≤30 分钟。

（二）技术架构

川藏铁路天地空一体化边坡安全监测及预警系统通过多纬度、多层次、多手段构建了一套全方位的铁路边坡安全治理解决办法。通过对监测点的实际勘察可灵活的配置系统组成。

1.感知层：部署各类传感器与终端设备，实现地质、环境参数的实时采集。

网络层：融合4G/5G、北斗短报文、LoRa 等通信技术，构建多链路冗余传输网络。

2.应用层：通过综合可视化平台实现数据展示、预警分析、应急指挥等功能，基于GIS 技术构建三维可视化监测场景。

（三）关键技术

1.多源数据融合技术：通过卡尔曼滤波算法融合 GNSS 位移数据、传感器数据及视频图像数据，提高监测精度与可靠性。

2.AI 图像识别技术：利用深度学习模型（如 YOLOv5）对视频图像进行实时分析，识别边坡裂缝、土体变形等特征，识别准确率 295% 。

3.北斗高精度定位技术：采用单频 RTK 远程云计算方法，实现 GNSS单频、高动态、毫米级位移解算，满足高原地区高精度监测需求。

4. 无人机智能巡检技术：结合GIS 地图规划巡检航线，实现边坡全景影像采集与灾后快速评估，数据回传延迟≤5 分钟。

四、系统功能与应用价值

（一）核心功能

1. 实时监测与数据可视化：平台整合多源数据，通过三维GIS 地图、动态曲线、热力图等方式直观展示边坡状态，支持多维度数据对比分析。

2. 智能预警与应急响应：设置多级预警阈值（蓝色、黄色、橙色、红色），根据风险等级自动触发相应处置流程，如加密监测、列车限速、人员撤离等。

3. 设备远程管理：支持前端设备的远程控制与状态监测，可实时调整数据采集频率、重启设备或更新算法模型。

4.网格任务管理：通过微信小程序发布巡查任务，网格员可上传现场照片与异常报告，任务完成后自动积分兑换，提升群众参与度。

（二）应用价值

1. 安全保障价值：系统可提前 72 小时预测边坡失稳风险，结合应急响应机制，预计可降低地质灾害导致的铁路中断事故率 80% 以上。

2. 技术创新价值：突破传统监测技术在高原复杂地形的应用瓶颈，形成“天-地-空”协同监测的技术范式，为类似工程提供借鉴。

3. 经济社会效益：通过智能化监测与网格管理，减少人力巡检成本 60% 以上，同时提升监测覆盖度，保障铁路运营效率，促进区域经济发展。

4. 科学研究价值：积累川藏铁路沿线地质灾害大数据，为高原地质灾害演化规律研究提供数据支撑，推动相关学科发展。

五、结语

川藏铁路天地空一体化边坡安全监测及预警系统的设计与研究，针对高原复杂地质环境下的铁路边坡安全问题，提供了一套融合多源技术的创新解决方案。系统通过天地空协同监测、智能预警与网格管理，实现了边坡安全的全时段、高精度监控，为川藏铁路运营安全提供了技术保障。未来，可进一步优化多源数据融合算法，提升预警准确性；拓展系统与铁路其他管理系统的接口，实现数据深度共享；结合数字孪生技术，构建更精准的边坡演化模型，为类似复杂地形区域的工程安全监测提供可复制的技术范式。

参考文献

[1]川藏铁路地质监测对行车指挥的影响[A].康逢财, 杨敏炯.川藏铁路工程建造技术研讨会论文集[C].2019.

[2]多因素耦合作用下地热影响区域的选线思路——以川藏铁路拉月隧道为例[A].童军. 复杂艰险山区铁路勘察设计创新与应用[C].2020.

[3]高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究[D].张浩.北京交通大学.2013.

作者简介

王加梁，教授，张瑜，助理研究员，王静，助理研究员，文霓，助理研究员，

川藏智慧旅游工程研究中心项目：川藏铁路天地空一体化边坡安全监测及预警系统设计与研究

项目编号：ZLGC2022B10