本发明涉及地铁轨道系统监控技术领域。更具体地，涉及一种地铁轨道结构实时监测系统的布置方法。
背景技术：
地铁轨道结构是地铁车辆运行基础，轨道结构的状态决定了旅客舒适度、安全性和运输能力。在列车高密度运行的情况下，以及各种复杂的地铁轨道线路运营环境，轨道结构作为直接承受列车荷载作用的基础，部件逐渐伤损、劣化，在桥梁、隧道口、过渡段、曲线、道岔等关键地段极易发生病害，引发重大的安全事故，造成重大的损失。对于地铁线路，由于运输人员密度大，列车追踪时间短等特点，决定了其可维修时间仅在夜晚的天窗时期，维修作业时间短，作业环境差，不仅难以及时发现病害，且对已出现的病害也难以及时维修，因此需要对地铁轨道系统实行有效的监测。
目前，国内对于地铁轨道系统的监测，多采用在夜间天窗时期的人工检测和轨检车的动态检测，难以实时掌握地铁轨道系统的状态，病害一旦出现难以及时发现，从而影响行车的安全。
在地铁轨道系统方面，基于光纤光栅传感器的监测仍处于初步的实践阶段，尚未有完整成型的体系出现。尤其对于光纤光栅传感器在地铁轨道系统中的安装布置方法未有成型的规范标准，由此造成了在传感器安装过程中方法不统一，安装耗时长，材料浪费等情况，安装的质量也参差不齐，不利于采集正确有效的数据信息。因此，需要对光纤光栅传感器在地铁轨道系统中的安装布置方法进行统一的设计和规范。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种地铁轨道结构实时监测系统的布置方法，用以规范光纤光栅传感器在地铁轨道系统中的安装布置流程，提高了传感器采集数据的可靠性，为实时监测轨道系统安全服役状态提供良好的技术保障。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种地铁轨道结构实时监测系统的布置方法，所述方法步骤包括：
s1、利用有限元软件获取监测系统的监测内容和监测位置；
s2、根据s1得到的监测内容和监测位置，选取光栅光纤传感器类型；
s3、对s2选取的光纤光栅传感器进行安装布置。
优选地，所述步骤s1还包括：
s1.1、利用有限元分析软件建立地铁轨道系统的有限元模型；
s1.2、对地铁轨道系统的有限元模型进行静力学和动力学分析，获取监测内容和监测位置，
所述监测内容包括大气环境温度、钢轨温度、轨道板温度，钢轨应力，钢轨与轨道板的相对位移和底座板与桥梁的相对位移。
优选地，对所述钢轨温度的监测位置布置光纤光栅传感器包括：光纤光栅温度传感器和光纤光栅应力传感器。
优选地，所述步骤s2包括：
s2.1、针对应力的监测，利用有限元软件建立光纤光栅传感器模型，对光纤光栅传感器模型进行试验，选取光纤光栅应力传感器；
s2.2、针对温度监测，选用光纤光栅温度传感器；
s2.3、针对位移监测，选用光纤光栅位移传感器。
优选地，所述光纤光栅应力传感器采用铜、铝材质或其他化工合成材质的基片，基片厚度不大于1mm的蝶片式传感器；
所述光纤光栅温度传感器的量程均为-25℃-80℃，测量精度为0.1℃；
所述光纤光栅位移传感器的量程为±25mm，测量精度为0.1mm。
优选地，所述步骤s3包括：
s3.1、将光纤光栅温度传感器布置在轨道板、钢轨和大气环境中；
s3.2、将光纤光栅应力传感器布置在钢轨上；
s3.3、将光纤光栅位移传感器布置在钢轨底-轨道板、底座板-桥梁。
本发明的有益效果如下：
本发明结合了地铁现场复杂环境的特点，针对光纤光栅传感器进行了有限元和试验分析，比选出的光纤光栅传感器类型更适用于地铁轨道系统。根据监测的内容和地铁环境特点，研究设计了针对温度、应力应变和位移等信息进行采集的光纤光栅传感器的安装布置方法，在保证传感器采集数据稳定可靠的基础上，简化并规范了传感器安装的流程，缩短了安装布置的时间，具有施工便利，节约时间和经济成本的特点，能够为地铁列车的安全平稳运行提供更可靠的安全保障。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出一种地铁轨道结构实时监测系统的布置方法流程图；
图2示出光纤光栅应力传感器的示意图；
图3示出光纤光栅应力-温度传感器安装的流程示意图；
图4示出光纤光栅应力-温度传感器的安装实例图；
图5示出轨道板孔内温度传感器分布的示意图；
图6示出测量轨道板温度梯度的光纤光栅温度传感器安装流程的示意图；
图7示出大气温度测量点的布置图；
图8示出钢轨-轨道板相对位移的光纤光栅位移传感器的安装流程示意图；
图9示出钢轨-轨道板相对位移的光纤光栅位移传感器的安装实例图；
图10示出底座板-桥梁相对位移的光纤光栅位移传感器的安装流程示意图。
图中：1、保护罩；2、贴片式光纤光栅应力传感器；3、第一光纤光栅温度传感器；4、固定装置；5、钢轨；6、定位铁丝；7、第二光纤光栅温度传感器；8、轨道板；9、砂浆层；10、底座板；11、百叶箱固定杆；12、固定保护罩；13、探头式光纤光栅温度传感器；14、百叶箱；15、夹块；16、钢丝绳；17、光纤光栅位移传感器保护装置。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，为一种地铁轨道结构实时监测系统的布置方法流程图。本发明基于地铁环境特点，首先利用有限元软件对现场进行敏感区域进行分析之后，得到监测内容和测点位置；根据得到的监测内容和测点位置，对用于监测温度、应力和位移的光纤光栅传感器的安装布置方法进行设计和规范，其中利用有限元结合试验对光纤光栅应力传感器的形状、材质、厚度等进行分析，比选出适用于地铁轨道系统的光纤光栅应力传感器。对光纤光栅传感器按照监测内容的不同，分别不同的传感器，对温度监测时将光纤光栅温度传感器在大气环境、轨道板、钢轨；对应力监测时，将光纤光栅应力传感器布置在钢轨上；对位移监测时，将光纤光栅位移传感器布置在钢轨-轨道板、桥梁-底座板。布置在现场的传感器通过光缆将数据汇集到接续盒中，再通过光纤光栅解调仪对数据进行解调，最后传输到服务器中。
如图2所示为几种不同形状的光纤光栅应力传感器的示意图。本发明采用的光纤光栅技术是利用光纤中的光敏性制成的，利用光纤光栅纤芯内的空间相位光栅的特性制作成各种光纤传感器。当光纤光栅传感器所处环境的温度、应力和位移等发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。本发明利用光纤光栅的这个特点，首先对测量钢轨的光纤光栅传感器进行了设计比选优化。利用有限元分析软件abaqus，建立不同形状、厚度、材质的光纤光栅-钢轨部件有限元仿真模型，结合试验，通过不同条件下钢轨应变与无基片状态下钢轨、基片应变差异，对各种光纤光栅应变片进行分析，以选取更适合钢轨轨道部件长期监测的光纤光栅应力传感器。优选地，采用刚度较低的铜、铝材质或其他化工合成材质的基片，所述基片厚度不大于1mm的蝶片式传感器。
为了使本发明采用的技术方案和取得的技术效果易于理解，下面结合优选实施例和附图，对本发明的光纤光栅传感器具体布置方法做进一步的说明。
实施例一
本实例提供了一个同时测量钢轨应力和钢轨温度的光纤光栅传感器的布置方法。钢轨温度的变化会使基础设施产生热胀冷缩，引起钢轨产生较大的应力。因此需同时对钢轨的应力和温度进行密切关注，防止胀轨、断轨以及钢轨碎弯的发生，进而对钢轨温度监测时需同时布置光纤光栅温度传感器和光纤光栅应力传感器。如图3所示，为钢轨上的光纤光栅应力-温度传感器的安装流程示意图。根据上述安装流程，得到如图4所示的本实例的安装实例图。本实例中温度传感器的量程均为-25℃-80℃，测量精度为0.1℃。首先在钢轨5的轨腰上确定安装设备的位置，对测点位置做除锈处理；在打磨处下方安装固定装置4；在固定装置4上加装保护罩1；利用应变胶以全粘贴的形式将贴片式光纤光栅应力传感器2固定在钢轨5的轨腰处；用光纤焊接机对贴片式光纤光栅应力传感器2的光纤进行焊接，焊接完成后在保护罩1内绕数圈光纤，防止光损失；盖上保护罩1后在拧紧的螺丝上涂上钢粘胶，防止由于钢轨振动过大导致保护壳脱落；同时在保护罩1两侧的接线口处涂上硅胶进行防水处理，避免冬季光纤受潮后冻裂；过轨光纤线用橡胶管包裹，接至电缆箱，用卡扣进行固定；最后在电缆箱内对引入的传感器光纤进行焊接，并与主光缆连接。第一光纤光栅温度传感器3与贴片式光纤光栅应力传感器2安装流程相同，安装在同一个保护罩1内，实现对钢轨5的温度、应力的同时监测。
实施例二
本实例提供了一个测量轨道板温度的光纤光栅传感器的详细布置方法。温度的变化对无砟轨道的结构影响很大。在温度骤降时，轨道板内部会产生收缩应力使混凝土开裂，而当温度升高时，混凝土板或是毗邻的结构受到高压力，会发生翘起等变形。因此需要对无砟轨道的温度梯度进行实时监测。本实例基于现有研究对地铁轨道系统敏感区域分析，温度测点分别位于轨道板板中、板边和板角。轨道板温度梯度的监测需将光纤光栅温度传感器埋入混凝土结构中，埋入的方式一般采用先钻孔后埋入的方式。而为了能对各层的温度进行测量，根据每层的厚度，设置不同数量的传感器对每层的温度进行测量，如图5所示，为测量轨道板光纤光栅温度传感器安装流程示意图。根据上述安装流程得到如图6所示的轨道板孔内温度传感器分布图。首先在轨道板8上用φ32的电钻打孔，保证孔深穿过轨道板8、砂浆层9，并且抵达底座板10内部；截取长度与孔深相同的定位铁丝6，在定位铁丝6对应的位置安装固定第二光纤光栅温度传感器7；接着将定位铁丝6上的第二光纤光栅温度传感器7包裹好后放入孔中；将第二光纤光栅温度传感器7的外露光纤线盘好，用胶水封粘；用与轨道板8相同材质的水泥将孔填满；在孔上方安装保护罩，并粘贴反光标识，将所有外露光纤线用均匀尼龙橡胶管进行穿管，过轨部分橡胶管则用外用pe管进行防护，再利用膨胀螺栓将管道固定在轨道面和桥面上。
实施例三
本实例提供了一个测量环境温度的光纤光栅温度传感器的详细布置方法。对于环境温度的监测，则一般将光纤光栅温度传感器安装在百叶窗内，如图7所示。安装的位置需避免直接暴露在阳光下，以保证环境温度的准确性。为此，按国家标准制造百叶箱，采用悬挂安装方式安装探头式光纤光栅温度传感器13。将百叶箱14固定在选定的环境温度测量点后，需在百叶箱14外面加顶部敞开的固定保护罩12，通过固定保护罩12固定到地面，百叶箱14通过百叶箱固定杆11固定到固定保护罩12上。将探头式光纤光栅温度传感器13固定于百叶箱14内部。
实施例四
本实例提供了一个测量钢轨-轨道板相对位移的光纤光栅位移传感器的详细布置方法。当钢轨与轨道板之间的纵向位移过大时，会引起扣件松动，扭矩下降，影响轨道几何形位的保持，进而影响列车运行的安全性和平稳性，所以需要进行严格控制。位移传感器通过钢丝一头连接应变片，应变片固定在传感器支架上面，支架安装在轨枕上；钢丝另外一头则安装在与钢轨卡子固定在一起的支架上面，当钢轨与轨枕之间产生相对位移的时候，由于钢轨卡子紧紧卡在钢轨上面，钢轨卡子会随着钢轨一起牵动钢丝，钢丝受力带动应变片产生形变，并带动光栅受力产生变形。图8为钢轨-轨道板相对位移的光纤光栅位移传感器的安装流程示意图。图9为钢轨-轨道板相对位移的光纤光栅位移传感器的安装实例图。首先同样在需安装钢轨位移传感器的钢轨底部安装钢轨夹块15；在固定光纤光栅位移传感器前先将其与传输光缆焊接好，选取光纤光栅位移传感器在钢轨5轨下的具体位置；然后在轨道板8上标注打孔位置并进行打孔，将位光纤光栅移传感器进行固定；再设置钢丝绳16的长度并固定，使其满足传感器位移量程，并对光纤光栅位移传感器加装光纤光栅位移传感器保护装置17；传输的光纤线用橡胶管包裹，走线到电缆箱，沿途用卡扣进行固定，最后在电缆箱内对引入的传感器光纤进行焊接，并与主光缆连接。本实施实例中采用的光纤光栅位移传感器的量程为±25mm，测量精度为0.1mm。因为本实例中测点位于高架桥上，所以还需要对桥梁与底座板之间的相对位移进行监测。如图10所示为底座板-桥梁之间相对位移的光纤光栅位移传感器的安装流程。安装流程与钢轨-轨道板相对位移的光纤光栅位移传感器安装流程类似，区别在于打孔位置的不同。在测量底座板-桥梁的相对位移时，分别在桥梁梁面和底座板的适当位置打孔。
本发明所述技术方案对地铁轨道进行了实时的监测，基于光纤光栅技术，实现了对地铁轨道系统中钢轨温度、应力，轨道板温度，环境温度，钢轨-轨道板相对位移和底座板-桥梁相对位移的实时数据采集，详细叙述了各部分传感器安装的步骤和细则。同时，利用了abaqus建模和实验室试验分析，对钢轨上的光纤光栅应变传感器进行了不同形状、厚度、基片材质和安装方式等多方面的优选，确定了适合于地铁轨道系统长期实时在线监测的光纤光栅应变传感器类型。本发明利用测量精度高、重量轻体积小、耐复杂环境、无零漂等优点的光纤光栅传感器，解决了地铁轨道系统实时服役状态监测中传感器安装难题。有利于加快现场安装的速度，保证传感器数据采集的稳定性和准确性。为地铁列车的运行提供了安全可靠的保障，具有很好的应用前景。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。