无线缆的路基竖向位移测试方法及竖向位移预警系统的制作方法
【专利摘要】一种无线缆、可长期独立工作的路基竖向位移测试方法及竖向位移预警系统，该方法包括步骤：沿路基纵向间隔水平布置多个竖向变形无线感知传感器；其中，较优地，竖向变形无线感知传感器低功耗自供电，与监测基站之间无线通讯，且不需供电及通讯线缆，体积小，安装简便，安装后不需额外保护，价格低廉，可实现至少五年的长期独立工作，彻底解决常规监测系统线缆易损坏的难题；当路基发生不均匀沉降或隆起时，根据各竖向变形无线感知传感器获取的竖向变化量及对应间隔；通过连续地分段计算竖向位移量，得到区段最大竖向位移量，与规定的允许竖向位移量相比较，进行预警。本发明可监测铁路、公路的路基沉降、隆起等竖向不均匀变形情况并进行预警。
【专利说明】
无线缆的路基竖向位移测试方法及竖向位移预警系统
技术领域
[0001]本发明涉及铁路工程、公路工程的路基沉降、隆起等竖向不均匀变形监测，尤其涉及一种无线缆、可长期独立工作的路基竖向位移测试方法及竖向位移预警系统，特别适用于尚速铁路路基的监测。
【背景技术】
[0002]路基不均匀沉降或隆起是高速铁路工程中最常见的病害之一，路基的不均匀沉降或隆起直接影响着高速列车的运行安全，决定着高速列车乘客的安危。目前对于高速铁路路基监测的技术还主要集中于建设期间为保证路基施工质量进行的沉降监测，而对于影响列车行车安全的沿线路纵向的路基沉降、冻胀等变形还缺乏有效的监测方法。同时，大多数监测仪器精度较低、环境适应能力差、自动化程度低、可操作性不强，并且基本上是人工值守监测，这不仅会因监测人员的操作引起误差，还对其人身安全造成较大的威胁，虽然目前也有如自动化全站仪动态监测系统等隧道实时监测系统，但这些监测仪器或监测系统往往价格昂贵、仪器或线缆易损坏，在工程实际中难以大量推广应用。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题在于提供一种简便、快速高效、自动化程度高的无线缆的路基竖向位移测试方法及竖向位移预警系统。
[0004]为解决上述技术问题，本发明首先提出一种无线缆、可长期独立工作的路基竖向位移测试方法，包括步骤:
[0005]沿路基纵向间隔水平布置多个竖向变形无线感知传感器；
[0006]当路基发生不均匀沉降或隆起时，根据各竖向变形无线感知传感器获取的竖向变化量及对应间隔；通过连续地分段计算竖向位移量，得到区段最大竖向位移量，与规定的允许竖向位移量相比较，进行预警。
[0007]优选地，所述竖向变形无线感知传感器自供电独立工作以实现各竖向变形无线感知传感器之间以及竖向变形无线感知传感器与监测基站之间无线缆安装。
[0008]优选地，所述竖向变形无线感知传感器包括用以产生倾角数据模拟信号的低功耗倾角传感芯片、用以将所述倾角数据模拟信号转换成数字信号的信号转换模块、用以对所述数字信号进行处理的处理器、用以将所述数字信号传输给外界的数据传输模块，以及用以供电的电池；所述低功耗倾角传感芯片通过所述信号转换模块连接所述处理器，所述数据传输模块连接所述处理器；所述处理器包括处理器本体和时钟单元，所述时钟单元由所述电池持续供电，所述时钟单元控制所述电池以设定时间间隔交替开启或关闭对所述倾角传感芯片、信号转换模块、处理器本体和数据传输模块的电力供应。
[0009]优选地，所述路基为高速铁路路基，路基上设有底座板和轨道板；所述竖向变形无线感知传感器布置于所述路基内部、所述底座板内部、所述底座板侧壁、所述轨道板内部或所述轨道板侧壁。
[0010]优选地，所述竖向变形无线感知传感器为矩形体结构，直接安装于所述路基、所述底座板或所述轨道板上。
[0011]优选地，所述方法包括:提供至少一监测基站，各监测基站沿所述路基纵向间隔布置，以获取该监测基站覆盖范围内的各竖向变形无线感知传感器测得的数据；所述竖向变形无线感知传感器与所述监测基站之间无线通讯。
[0012]优选地，所述方法包括:提供一后台服务器，与所述监测基站无线通讯，根据所述各竖向变形无线感知传感器获取的竖向变化量及对应间隔，通过连续地分段计算竖向位移量，得到区段最大竖向位移量，并与规定允许的竖向位移量相比较。
[0013]优选地，所述方法包括:提供一预警装置，与所述后台服务器相通讯，在满足预警条件时，后台服务器控制预警装置进行预警。
[0014]本发明还提供一种无线缆、可长期独立工作的路基竖向位移预警系统，包括多个竖向变形无线感知传感器、至少一监测基站、后台服务器及预警装置；多个竖向变形无线感知传感器沿路基纵向间隔水平布置；监测基站通过无线通讯方式获取该监测基站覆盖范围内的各竖向变形无线感知传感器测得的数据，并向外传输；后台服务器与所述监测基站无线通讯，用以接收监测基站传输的数据并通过连续地分段计算竖向位移量得到区段最大竖向位移量，并与规定允许的竖向位移量相比较判断是否进行预警；预警装置与所述后台服务器通讯，在满足预警条件时，由后台服务器控制而进行预警。
[0015]优选地，所述竖向变形无线感知传感器自供电独立工作，以实现各竖向变形无线感知传感器之间以及竖向变形无线感知传感器与所述监测基站之间无线缆安装。
[0016]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:本发明根据沿路基纵向间隔水平布置的多个竖向变形无线感知传感器对竖向变化量的感知，并通过连续地分段计算竖向位移量，而获得区段最大竖向位移量，并可在数据不符合规定允许值时进行预警，监测简便、快速高效；竖向变形无线感知传感器可自动监测路基的不均匀沉降或隆起，无需人为介入测量，不存在人为测量造成的人为误差，数据可靠，精度高，数据可实现实时远程无线传输，自动化程度尚;本发明能实时监测铁路、公路尤其是尚速铁路路基的不均勾沉降或隆起情况。
[0017]进一步地，竖向变形无线感知传感器为自供电低功耗的独立工作单元，可实现竖向变形无线感知传感器之间以及竖向变形无线感知传感器与监测基站之间的无线缆安装，价格低廉，安装简便，安装后不需额外保护，可实现至少五年的长期工作，解决线缆易损坏的难题。
【附图说明】
[0018]图1是本发明无线缆的路基竖向位移预警系统实施例的结构框图。
[0019]图2是本发明无线缆的路基竖向位移预警系统实施例中竖向变形无线感知传感器的结构框图。
[0020]图3是本发明多个竖向变形无线感知传感器排布于高速铁路路基底座板的示意图。
[0021]图4是尚速铁路路基丨几降时的结构不意图。
[0022]图5是尚速铁路路基最大允许丨几降量的计算原理不意图。
[0023]其中，附图标记说明如下:1、竖向变形无线感知传感器；11、低功耗倾角传感芯片；12、信号转换模块；13、处理器；14、数据传输模块；15、电池；2、监测基站；21、电池模块；22、控制模块；23、通讯模块；3、后台服务器；4、预警装置；5、高速铁路路基；51、沉降区域；6、底座板；7、充填层；8、轨道板。
【具体实施方式】
[0024]为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
[0025]本发明提供一种无线缆的路基竖向位移测试方法及竖向位移预警系统，该预警系统可用以实施该测试方法。本发明适用于铁路、公路等路基竖向变形位移的测试，竖向变形包括沉降、隆起等。本发明尤其适用于高速铁路路基竖向变形位移量的测试。
[0026]首先参阅图1，先介绍本发明无线缆的路基竖向位移预警系统一实施例的结构。
[0027]该预警系统主要包括监测基站2、多个竖向变形无线感知传感器1、后台服务器3及预警装置4。监测基站2与竖向变形无线感知传感器I无线通讯，根据监测基站2的覆盖范围大小及竖向变形无线感知传感器I的数量，监测基站2可设置为一个或多个。后台服务器3与监测基站2无线通讯，预警装置4与后台服务器3通讯。
[0028]竖向变形无线感知传感器I自供电独立工作，使得各竖向变形无线感知传感器I之间以及竖向变形无线感知传感器I与监测基站2之间为无线缆安装，竖向变形无线感知传感器I与监测基站2之间不需供电及通讯线缆，避免传统技术中线缆易损坏的难题。竖向变形无线感知传感器I为单个独立的单元，安装简便，安装后不需额外保护，价格低廉。
[0029]具体地，参阅图2，竖向变形无线感知传感器I包括用以产生倾角数据模拟信号的低功耗倾角传感芯片11、用以将低功耗倾角传感芯片11的倾角数据模拟信号转换成数字信号的信号转换模块12、用以对数字信号进行处理的处理器13、用以将经处理的数字信号传输给外界的数据传输模块14，以及用以供电的电池15 ;低功耗倾角传感芯片11通过信号转换模块12连接处理器13，数据传输模块14连接处理器13 ;处理器13包括处理器本体(图中未示出)和时钟单元(图中未示出)，时钟单元由电池15持续供电，时钟单元控制电池15以设定时间间隔交替开启或关闭对低功耗倾角传感芯片11、信号转换模块12、处理器本体和数据传输模块14的电力供应。竖向变形无线感知传感器I功耗低，其自身的电池可以使其实现在外长期工作，工作寿命可达五年以上。
[0030]监测基站2大致包括电池模块21、用以与竖向变形无线感知传感器I进行数据传输的控制模块22和用以将接收到的竖向变形无线感知传感器I的倾角数据向外传输的通讯模块23，控制模块22连接通讯模块23。电池模块21用以为监测基站2本身供电。通讯模块23为无线通讯模块，例如GPRS模块等，通过无线传输的方式向后台服务器3传输由竖向变形无线感知传感器I发送过来的倾角数据。监测基站2对其覆盖范围内的各竖向变形无线感知传感器I的倾角数据进行收集，并统一转发至后台服务器3。
[0031]后台服务器3为数据处理中心，根据监测基站2传回的倾角数据进行处理得到路基竖向不均匀变形情况，具体可通过连续地分段计算竖向位移量，得到区段最大竖向位移量，并与规定允许的竖向位移量相比较，以判断是否需要进行预警。
[0032]预警装置4可为警报器，其根据后台服务器3的控制进行预警，当满足预警条件时，即区段最大竖向位移量超过了规定的允许竖向位移量时，预警装置4进行预警。
[0033]参阅图3，本发明的预警系统在对路基进行测试时，使多个竖向变形无线感知传感器I沿路基纵向间隔水平布置。以尚速铁路路基5为例，尚速铁路路基5上方依次层置设置有底座板6、充填层7和轨道板8。竖向变形无线感知传感器I可以安装在高速铁路路基5内部，或底座板6内部、底座板6侧壁、轨道板8内部、轨道板8侧壁。图3所示意的结构中，竖向变形无线感知传感器I即安装在底座板6侧壁。其中，竖向变形无线感知传感器I为矩形体结构，其直接安装于路基、底座板或轨道板结构上，安装简便。竖向变形无线感知传感器I之间的间隔根据实际需要而定。
[0034]根据本发明的思想，路基竖向位移测试方法主要包括步骤:
[0035]SlO:沿路基纵向间隔水平布置多个竖向变形无线感知传感器；竖向变形无线感知传感器之间的间隔根据实际需要而定。
[0036]S20:当路基发生不均匀沉降或隆起时，根据各竖向变形无线感知传感器获取的竖向变化量及对应间隔；通过连续地分段计算竖向位移量，得到区段最大竖向位移量，与规定的允许竖向位移量相比较，进行预警。
[0037]参阅图4，以下具体介绍高速铁路路基竖向位移量的计算过程。以图4的视图方向为参照，按从左至右的顺序，发生角度倾斜的各竖向变形无线感知传感器I各自的倾角变化量分别为Λ θηΔ Θ2、Λ 03和八Θ 4，各竖向变形无线感知传感器I与相邻竖向变形无线感知传感器I的间隔分别为Lp L2, L3, L40高速铁路路基5各处的沉降变化量Λ Cl1 (i =1，2，3，4……)根据以下公式计算:
[0038]Ad1=L1XsinA Θ 1；
[0039]Ad2=L2XsinA Θ 2；
[0040]Ad3=L3XsinA Θ 3；
[0041 ] Ad4=L4XsinA Θ 4?
[0042]依次类推，根据竖向变形无线感知传感器I的倾角变化量Λ θ^? = 1,2,3,4……)及其与相邻竖向变形无线感知传感器I的间隔L1Q = 1，2，3，4……)即可分段计算得到该分段的竖向位移量，通过连续地对各分段进行计算，可得到区段最大竖向位移量。
[0043]选定一个固定不动参考点后，第η个测点相对于固定不动参考点的竖向位移量即为各分段竖向位移量之和，其计算方式为:Λ S = L1 X sin Λ Θ !+L2XsinA θ 2+L3 XsinA θ3+....+LnX sin Δ θ η0
[0044]按上述方式获得路基区段最大竖向位移量后，进一步进行预警，该预警方法具体为:根据相关规范要求，计算路基不同位置间的相对竖向变形量是否超出规范允许值，若超出，则预警，同时根据相对竖向变形速率是否超出设定值，若超出，则预警。
[0045]根据高速铁路设计规范要求，高速铁路路基工后沉降不宜超过15_ ;沉降比较均匀且符合条件Rsh彡0.4Vsj2时，允许工后沉降为30mm，Rsh为沉降处的半径。当Vsj为350Km/h时，Rsh彡49000m。参阅图5，以R sh为49000m进行计算，圆周上与最低点高度差d为30mm的两点之间的水平距离L。为76.68m，即:若沉降比较均匀，只要每38.34m范围内路基沉降不超过30mm，就满足规范要求。
[0046]假设将每20m长的底座作为一个监测单元，只要高铁沿线上任意连续两个监测单元相对于初始监测值的位移变化量之和满足Δ = Δ i+Δ j < 30mm(i = 1,2,3,......，n ； j
=i+1)，即每40m长度范围内路基沉降小于30mm，满足至少每38.34m范围内路基沉降不超过30_的要求，此时即认为高铁是安全的。
[0047]但通过计算得到区段最大竖向位移量超过该规范的要求时，即进行预警。
[0048]其中，通过数据处理获得竖向位移量的工作可通过后台服务器来完成，预警则通过预警装置进行，预警装置由后台服务器控制。各竖向变形无线感知传感器的倾角数据可通过监测基站来获取。各竖向变形无线感知传感器通过无线通讯传输方式向监测基站传输倾角数据，监测基站则通过无线传输方式与后台服务器进行数据传输。
[0049]本发明根据沿路基纵向间隔水平布置的多个竖向变形无线感知传感器对竖向变化量的感知，并通过连续地分段计算竖向位移量，而获得区段最大竖向位移量，并可在数据不符合规定允许值时进行预警，监测简便、快速高效；竖向变形无线感知传感器可自动监测路基的不均匀沉降或隆起，无需人为介入测量，不存在人为测量造成的人为误差，数据可靠，精度高，数据可实现实时远程无线传输，自动化程度高；本发明能实时监测铁路、公路尤其是尚速铁路路基的不均勾沉降或隆起情况。
[0050]进一步地，竖向变形无线感知传感器为自供电低功耗的独立工作单元，实现竖向变形无线感知传感器之间以及竖向变形无线感知传感器与监测基站之间的无线缆安装，价格低廉，安装简便，安装后不需额外保护，可实现至少五年的长期工作，解决线缆易损坏的难题。
[0051]以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种无线缆、可长期独立工作的路基竖向位移测试方法，其特征在于，包括步骤: 沿路基纵向间隔水平布置多个竖向变形无线感知传感器； 当路基发生不均匀沉降或隆起时，根据各竖向变形无线感知传感器获取的竖向变化量及对应间隔；通过连续地分段计算竖向位移量，得到区段最大竖向位移量，与规定的允许竖向位移量相比较，进行预警。2.根据权利要求1所述的无线缆的路基竖向位移测试方法，其特征在于:所述竖向变形无线感知传感器自供电独立工作以实现各竖向变形无线感知传感器之间以及竖向变形无线感知传感器与监测基站之间无线缆安装。3.根据权利要求2所述的无线缆的路基竖向位移测试方法，其特征在于:所述竖向变形无线感知传感器包括用以产生倾角数据模拟信号的低功耗倾角传感芯片、用以将所述倾角数据模拟信号转换成数字信号的信号转换模块、用以对所述数字信号进行处理的处理器、用以将所述数字信号传输给外界的数据传输模块，以及用以供电的电池；所述低功耗倾角传感芯片通过所述信号转换模块连接所述处理器，所述数据传输模块连接所述处理器；所述处理器包括处理器本体和时钟单元，所述时钟单元由所述电池持续供电，所述时钟单元控制所述电池以设定时间间隔交替开启或关闭对所述倾角传感芯片、信号转换模块、处理器本体和数据传输模块的电力供应。4.根据权利要求1所述的无线缆的路基竖向位移测试方法，其特征在于:所述路基为高速铁路路基，路基上设有底座板和轨道板；所述竖向变形无线感知传感器布置于所述路基内部、所述底座板内部、所述底座板侧壁、所述轨道板内部或所述轨道板侧壁。5.根据权利要求4所述的无线缆的路基竖向位移测试方法，其特征在于:所述竖向变形无线感知传感器为矩形体结构，直接安装于所述路基、所述底座板或所述轨道板上。6.根据权利要求1所述的无线缆的路基竖向位移测试方法，其特征在于:提供至少一监测基站，各监测基站沿所述路基纵向间隔布置，以获取该监测基站覆盖范围内的各竖向变形无线感知传感器测得的数据；所述竖向变形无线感知传感器与所述监测基站之间无线通讯。7.根据权利要求6所述的无线缆的路基竖向位移测试方法，其特征在于:提供一后台服务器，与所述监测基站无线通讯，根据所述各竖向变形无线感知传感器获取的竖向变化量及对应间隔，通过连续地分段计算竖向位移量，得到区段最大竖向位移量，并与规定允许的竖向位移量相比较。8.根据权利要求7所述的无线缆的路基竖向位移测试方法，其特征在于:提供一预警装置，与所述后台服务器相通讯，在满足预警条件时，后台服务器控制预警装置进行预警。9.一种无线缆、可长期独立工作的路基竖向位移预警系统，其特征在于，包括: 多个竖向变形无线感知传感器，沿路基纵向间隔水平布置； 至少一监测基站，监测基站通过无线通讯方式获取该监测基站覆盖范围内的各竖向变形无线感知传感器测得的数据，并向外传输； 后台服务器，与所述监测基站无线通讯，用以接收监测基站传输的数据并通过连续地分段计算竖向位移量得到区段最大竖向位移量，并与规定允许的竖向位移量相比较判断是否进行预警； 预警装置，与所述后台服务器通讯，在满足预警条件时，由后台服务器控制而进行预塾目O10.根据权利要求9所述的无线缆的路基竖向位移预警系统，其特征在于:所述竖向变形无线感知传感器自供电独立工作，以实现各竖向变形无线感知传感器之间以及竖向变形无线感知传感器与所述监测基站之间无线缆安装。
【文档编号】G01B21/32GK105865387SQ201510031308
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月21日
【发明人】王建松, 刘庆元, 廖小平, 朱本珍
【申请人】中铁西北科学研究院有限公司深圳南方分院