铁路路基关键参数长期监测方法与系统的研究

杨 婧，冯其波，高 瞻，崔建英，王连俊

(1. 北京交通大学 理学院，北京 100044； 2. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

一、引 言

路基质量的好坏直接影响着铁路运输的安全与效能。随着我国高速、重载铁路的快速发展，对路基质量提出了严格的施工工艺与技术要求。很多既有线路的路基难以承受大轴重、高速度的机车车辆，导致我国铁路路基病害广泛而严重。因此，对路基含水量和路基动态响应特性等路基关键参数的监测，已成为路基设计与维护的重要课题。目前铁路路基参数监测方法主要有：车载雷达法[1-3]、波速法[4-5]、动力触探法[6-7]、核子密度仪法[8-9]、落锤式弯沉仪法[3]等。这些方法针对特定工程环境、地质条件进行测量，得到特定的路基参数；大多数方法还依靠人工测量或记录，测量效率低且不能实现自动、远程监测；此外，在选择不同仪器测量相应参数时，稳定性与成本难以兼顾，影响测量方法的广泛使用。针对以上缺点与不足，研发了铁路路基关键参数实时监测系统，该系统经实验室验证后以应用于大秦重载铁路进行现场监测。

二、系统总体设计

研制的铁路路基关键参数长期监测系统如图1所示。系统由路基动应力与含水量自动测量子系统、路基动位移自动测量子系统、路基沉降自动测量子系统和数据自动采集与无线传输子系统组成，各子系统通过有线或无线传输方式接入网络存储器，网络存储器再通过DTU(data transfer unit)设备接入CDMA网络。值控中心通过CDMA网络对各子系统的现场设备进行设置，控制测量方式、获取测量数据，实现对各监测点路基关键参数的长期远程自动监测。

图1 系统构成

对于路基动应力与含水量的测量，有较多成熟的动应力传感器与水分传感器。本文选用的ICP 8904压电式动应力传感器是基于敏感端的压电材料的正效应来测量路基的动应力，选用的8909A水分传感器是基于介电理论并运用频域测量技术来测量土壤介质的体积含水量。

如图2所示，为了方便测量控制与信号处理，两种传感器统一选用电压输出，与网络数据采集器相连接，完成数据的采集、存储；之后网络数据采集器将原始数据上传到网络存储器，由后者对原始数据进行简单处理，并将结果通过基于CDMA网络的DTU模块上传到远端的值控中心。

图2 路基动应力与含水量子系统组成结构图

三、表面沉降与动位移测量

1. 基于自标定的测量原理

设计的基于星点的表面沉降测量及路基动位移光学测量方法如图3所示。

图3 自标定路基动位移测量原理

被测处设测量桩，其上设置有两个点光源L1、L2作为目标星点；在道砟外设置深6 m的基准桩，其上安装测量装置。该装置主要包括成像透镜、线阵CCD(charge-coupled device)及其控制与处理电路。未发生沉降或无列车经过时，间距为Io的两个星点经过透镜在CCD上所成的像的间距为Ii；产生沉降后或列车经过时，两个星点发生相同距离的位移So，星点经过透镜在CCD上所成的像也随之发生相应的位移Si，但由于星点的间距Io未发生改变，两者的像间距依然为Ii。Io已知，Ii和Si由CCD测得，根据成像关系可计算出星点位移

在不同的子系统中，So分别代表了被测点的表面沉降值、路基动位移值。通过该方法测量星点位移时，无需现场测量成像系统的物距，即星点到动位移测量装置之间的距离Do，减少了由此带来的误差，提高了测量精度，实现了自行标定。

2. 光斑中心提取算法

利用线阵CCD进行位置测量，光斑中心提取是最为重要的环节，常用的提取算法有中心法[10]、质心法[11]、加权质心法[11]、曲线拟合法[12]等。综合考虑精度、抗干扰性及计算时间，本文采取加权质心法进行光斑中心提取。

由于星点成像光斑仅覆盖线阵CCD的部分区域，在提取光斑中心之前先确定光斑图像特征区域，以减少参与计算的像素数量。本文采取动态阈值法确定特征区域，计算流程如图4所示。读取整个CCD的灰度最大值Gmax与最小值Gmin，取两者均值作为动态阈值

图4 光斑特征区域选取

将灰度值大于阈值Gth的左、右边缘像素坐标记为Pl、Pr，取两者均值作为初始中心值

特征区域W可由下式定义

式中，k为特征区域半宽参数，根据光斑成像大小而定，一般取5～9。当Pmid属于自然数N时，W为以Pmid为中心、宽2k+1个像素的区域；当Pmid不属于自然数时，W为以Pmid-0.5、Pmid+0.5两个像素为中心、宽2k+2个像素的区域。

特征区域W确定以后，由加权质心法计算光斑中心位置

(5)

式中，i为参与计算的像素的坐标；G(i)为像素i对应的灰度值。

3. 动位移采样频率

动位移是由列车经过对钢轨施加的动荷载引起的连续的形变，CCD一次只能记录某一瞬间的位移变换量，要使测量结果完整保留原始的连续形变信息，由采样定理可知，必须让CCD的采样频率大于连续形变最高频率的2倍。由于转向架通过时动位移变化最大，目前大秦线重载货车相邻车厢的两个转向架最小间距为2 m，最高运行速度为120 km/h，可以算得动位移的最大频率为

fmax=vmax/smin=120(km/h )/ 2 m=16.67 Hz

(6)

因此，线阵CCD采样频率应大于33.34 Hz。实际中设定动位移测量装置的采样频率为49.75 Hz，在保证原始信息不丢失的基础上，为将来预留了一定的提速空间。

四、实验室验证及现场应用

1. 实验室验证

在实验室内搭建实验装置，模拟路基动位移变形、路基沉降的情况，进行路基关键参数实时监测系统各子系统的性能测试(如图5所示)。

(1) 路基动位移测量

如图5(a)所示，将星点安装在激振器上，由激振器的振动模拟动位移，测得振动图形如图6所示。可以看出，星点低频振动时可描绘出实际振动状态，高频振动时能测出振动的周期，通过叠加方式能描绘出一个周期的振动状态。

(2) 路基沉降测量

如图5(c)所示，将星点安装在与测量装置相距40 m、竖直放置的电动位移台上，位移台上下移动，模拟路基表面沉降过程。依次进行了成像放大倍数标定实验和稳定性误差实验，结果如图7所示，非线性误差为0.2 mm，稳定性误差为0.38 mm。

图5 实验装置图

图6 不同频率的动位移测量结果

图7 沉降模拟测量实验结果

2. 现场应用

路基关键参数实时监测系统于2010年12月在大秦重载铁路k13+700, k266+314, k266+414处安装、调试和运行，其中断面k13+700位于山西省大同市南郊区御河大桥重载线路一侧；断面k266+314, k266+414位于北京市怀柔区茶坞附近。以k266+314断面为例，现场传感器与监测装置布置情况见表1、图8，随后的监测结果如图9所示。

图8 k266+314断面测点布置图

图9 路基关键参数监测结果

表1 k266+314断面传感器及测量装置布置一览表

由沉降曲线可以看出，在两个月内被测点处有约1.5 mm的沉降，在准许的范围以内；由动应力与动位移的时程曲线图可以看出：列车经过时产生的动应力和动位移都表现出明显的周期性，其中波谷出的“V”型曲线表示一节车厢前后两个转向架通过被测断面，波峰处的“M”型曲线表示两节车厢相邻两个转向架通过被测断面。由含水量曲线可以看出：2011年6月24日、7月15日及7月26日3天有大雨的时候，含水量都有一个明显的增加。

五、结束语

本文研发的路基关键参数监测系统可以实现对铁路路基沉降、含水量、动位移和动应力等参数测量，通过无线通信方式，实现对路基相关参数的远程长期自动监测。

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