本发明涉及道路、建筑结构安全检测领域，具体涉及轨道路基结构隐患自动监测方法及其监测系统。
背景技术：
公路、铁路交通是交通运输业的重要组成部分，如此庞大道路交通系统给我国的道路养护和管理提出了巨大的挑战，如何对道路交通网进行更加高效、综合的道路信息检测从而为道路的养护和管理提供更加全面的信息支撑成为摆正各部门面前的难题。
道路轨道路基结构隐患检测是轨道交通运营的重要保障，以现有的技术手段进行检测往往需要耗费庞大的人力和资源，并且，想要对其健康状况有全面一些的了解，往往需要进行专项的测试，而专项的测试往往是以点测方式，这种点测方式设备庞杂，要扩展到整条线路，几乎很难实现。而要想实现对整个路网轨道路基运营中的健康状况实现在线监测，预判预知，目前在国内还处于空白状态。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供轨道路基结构隐患自动监测方法及其监测系统，解决现有的路基结构隐患检测系统耗能大、运营维护成本高，检测区域具有局限性的问题；实现一种低功耗、免操作，可对整个路网轨道路基结构的健康状况进行长期连续监测的方式。
本发明通过下述技术方案实现：
轨道路基结构隐患自动监测方法，包括以下步骤：
A：在云平台中预设轨道路基的结构模态安全范围值和结构形态安全范围值，分别建立结构模态损伤报警模型和结构形态损伤报警模型；
B：将在轨运行的车辆通过时的轨道路基变化作为动态激励，利用安装在轨道路基上的若干个现场终端探测轨道路基的结构模态和结构形态特征，当在轨运行的车辆经过现场终端时，现场终端将结构模态信息和结构形态信息传输给在轨运行的车辆；
C：当步骤B完成后，所述在轨运行的车辆将结构模态信息和结构形态信息传输给云平台，云平台将结构模态信息和结构形态信息中的数据一一与结构模态安全范围值和结构形态安全范围值进行比对，若结构模态信息和结构形态信息中的数据超出预设安全范围值时，响起损伤警报。
现有技术中主要采用对轨道路基进行人工点测的方式，这种点测方式设备庞杂，要扩展到整条线路，需要耗费庞大的人力和资源。为解决上述问题，本发明在全轨道路基网中安装多个现场终端，利用传感器对轨道路基结构进行检测，并且将检测的数据传输给通信基站，再传输给云平台，由云平台对检测数据进行分析。该种方式其实在本领域技术人员中是很容易想到的，但是一直没有采用该种方式，因为现场终端与云平台通过通信基站通信属于远距离通信，通常采用GPRS、WiFi通信技术，这种通信方式需要较大的发射功率，非常耗电，在全网路基上铺设现场终端的电力线成本很高，安装技术复杂，维护成本较高；并且现场终端安设环境位置有局限性，需要在靠近通信基站的地方才能安设，这就使得许多处于环境恶劣，网络较差的路基段无法将探测的数据传输出去。所以现有技术中利用传感器对轨道路基进行测试，再由云平台进行分析的方式几乎很难实现。
本发明设计了一种监测方法，克服了以上难题，本发明的现场终端先将监测到的数据信息传输给在轨车辆终端(即在轨运行的车辆)，在轨车辆终端再将数据信息传输给云平台，以此改变现场终端与云平台直接通信的方式。在轨道路基上运行的车辆中自带有许多通信设备，利用其通信设备实现了与现场终端的无线近距离通信，现场终端将监测数据传输到在轨车辆终端所需的发射功率很小、耗电低，无需额外的电力牵线，所以所需的通信成本很低，可对轨道路基结构的健康状况进行长期连续监测，安装技术也较为简单。再将在轨车辆终端作为中转站，利用在轨车辆终端与云平台通信，在轨车辆终端与云平台通信所需功耗对在轨车辆终端来说非常小，不会影响其正常工作。所以以上方式大大降低了现场终端通信的能耗消耗，以便在现场终端将更多能耗转移到传感器上，在轨道路基上铺设更多的传感器，对轨道路基的结构形态和结构模态进行监测，以实现对轨道路基健康状况的多方面监测，针对检测情况，工作人员可根据云平台的分析预警情况，对轨道路基进行针对性养护维修，提升行车安全，提高路网维护效率。随着在轨运行车辆的移动，环境恶劣、网络较差的路基段的探测信息也能通过在轨车辆终端传输出去，能覆盖轨道路基全网络，具有非常高的经济和实用价值。
所述结构模态包括轨道路基在轨道运行车辆加载效应下的动态响应特性。进一步的，动态响应特性即指各阶动态探测数据的频率振形，通过频率振形的变化幅度来了解结构在轨道运行车辆加载效应下的趋势变化或突然变异。
所述结构形态包括轨道路基的动态挠动幅度、静态挠动幅度、静态应力应变、水平倾斜和温度湿度的至少一种状态特性。进一步的，轨道路基的结构若无变化，则其动态挠动幅度、静态挠动幅度、静态应力应变、水平倾斜均不会产生变化，若结构发生变化，反之状态特性产生变化。
基于轨道路基结构隐患自动监测方法的监测系统，包括在轨车辆终端、云平台和安装在轨道路基上的若干个现场终端，所述现场终端与在轨车辆终端通过第一无线网连接，所述在轨车辆终端与云平台通过第二无线网连接，其中：
现场终端：探测轨道路基的结构模态和结构形态，发送结构模态信息和结构形态信息到在轨车辆终端；
在轨车辆终端：接收现场终端发送的结构模态信息和结构形态信息，并将结构模态信息和结构形态信息传输给云平台；
云平台：接收在轨车辆终端传输的结构模态信息和结构形态信息，当结构模态信息和结构形态信息超出预设安全范围值时，响起损伤警报。
针对现有技术问题，本发明设计了一种针对监测方法的监测系统，克服了以上难题，本发明的现场终端先将监测到的数据信息传输给在轨车辆终端，在轨车辆终端再将数据信息传输给云平台，以此改变现场终端与云平台直接通信的方式。本发明的第一无线网为近距离、低功耗传输网络，第二无线网为远距离传输网络。在现场终端中设置有一套现有的全自动运行的工作机制，借助在轨车辆终端作为激励加载，然后从结构模态(动态)和结构形态(静态)两个方面来完成轨道路基结构隐患的监测。云平台将初次安装时、无车辆通过时所接收到的结构模态信息和结构形态信息作为安全范围值，即设为正常安全线，之后现场终端对轨道路基结构进行实时监测，云平台将接收到的结构模态信息和结构形态信息转化为分析转化为数据，在云平台的显示器中绘制成数据曲线，当数据超过安全范围值时，会产生警报，说明轨道路基需要维修处理。原理为：轨道路基结构不变，结构模态和结构形态所得到的响应则不变；轨道路基结构发生变化，结构模态和结构形态所得到的响应则发生变化，当变化幅度超过安全范围值时，则触发损失警报。
所述现场终端包括传感器模块、嵌入式计算机模块、无线通讯模块，其中：
传感器模块：探测轨道路基的结构模态和结构形态，发送结构模态数据和结构形态数据到嵌入式计算机模块；
嵌入式计算机模块：接收传感器模块发送的结构模态数据和结构形态数据，发送结构模态信息和结构形态信息到无线通讯模块；
无线通讯模块：接收嵌入式计算机模块发送的结构模态信息和结构形态信息，并将结构模态信息和结构形态信息作为若干个数据包并发持续传输给在轨车辆终端。进一步的，传感器模块包括多种传感器，可根据传感器的特性和功能埋入轨道路基地面下或安装在轨道路基上。嵌入式计算机模块具有分析和控制功能，能够将接收到的传感器信号转化为数据信号传输给无线通讯模块。本发明中的无线通讯模块与通用的无线通讯模块不同，这里的无线通讯模块是属于短距离通信技术领域，具有低功耗、低成本的特性。所述的无线通讯模块将结构模态信息和结构形态信息作为若干个数据包并发持续传输给在轨车辆终端，即采用广播通信的方式一直持续发送监测数据，适用于车流量较大或车速较快的地区，避免车辆来不及接收的问题；这里的数据包可根据内容节点打包也可根据时间节点打包，可持续将数据包发送给不同的在轨车辆终端，保证检测的数据均完整发送出去。
所述现场终端包括传感器模块、触发模块、延时模块、嵌入式计算机模块、无线通讯模块，其中：
传感器模块：探测轨道路基的结构模态和结构形态，发送结构模态数据和结构形态数据到嵌入式计算机模块；
触发模块：感应在轨车辆信号，并将在轨车辆信号作为触发信号传输给嵌入式计算机模块；
延时模块：接收嵌入式计算机模块发送的延时指令，当计时完成后，发送结束指令到嵌入式计算机模块；
嵌入式计算机模块：接收传感器模块发送的结构模态数据和结构形态数据，接收触发模块发送的触发信号，并且触发信号作为触发指令发送结构模态信息和结构形态信息到无线通讯模块，同时发送延时指令到延时模块；接收延时模块发送的结束指令，发送停止通信指令到无线通讯模块；
无线通讯模块：接收嵌入式计算机模块发送的结构模态信息和结构形态信息，并将结构模态信息和结构形态信息传输给在轨车辆终端；接收嵌入式计算机模块发送的停止通信指令，停止工作。进一步的，传感器模块包括多种传感器，可根据传感器的特性和功能埋入轨道路基地面下或安装在轨道路基上。嵌入式计算机模块具有分析和控制功能，能够将接收到的传感器信号转化为数据信号传输给无线通讯模块。本发明中的无线通讯模块与通用的无线通讯模块不同，这里的无线通讯模块是属于短距离通信技术领域，具有低功耗、低成本的特性。在车流量较小或车速较快的地区，采用以上触发的方式发送监测数据，即当车辆经过现场终端时，现场终端才将监测数据传输出去，以此避免通信浪费，达到省电的目的。
优选的，所述传感器模块包括加速度传感器、速度传感器、角度传感器、温湿度传感器、应力应变传感器中的至少一种。进一步的，加速度传感器、速度传感器、角度传感器、应力应变传感器分别对轨道路基在有车通过时的加速度、速度、角度变化幅度、形变拉伸量进行探测，温湿度传感器用于对轨道路基的温度和湿度进行探测。本发明的传感器包括但不限于以上传感器，还可包括振动传感器、超声波传感器等等。
优选的，所述无线通讯模块为NFC通信模块或UWB通信模块或蓝牙通信模块。进一步的，NFC通信模块是一种短距高频的无线电技术，在13.56MHz频率运行于10厘米距离内，其传输速度有106Kbit/秒、212Kbit/秒或者424Kbit/秒三种；可一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术。UWB通信模块能应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中；可能在10m范围内，支持高达110Mb/s的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。蓝牙通信的蓝牙工作频率为2.4GHz，有效范围大约在10m半径内，可约1Mb/s的速率相互传递数据，并能方便地接入互联网，功耗较低。
优选的，所述现场终端中还包括电源管理模块，所述电源管理模块包括太阳能充电装置。进一步的，在电源管理模块中安装现有的太阳能发电装置，利用太阳能为现场终端提供电源，这样就无线人工充电，可做到免供电免维护，环保实用。该种充电方式适用于阳光充足，日照时间长的地区。
优选的，所述现场终端中还包括电源管理模块，所述电源管理模块中包括电磁辐射充电装置。进一步的，电源管理模块也可采用电磁辐射充电，在轨车辆终端通过时会发射电磁辐射，利用现有的电磁辐射充电装置将在轨车辆终端通过时辐射的电磁源收集起来，可将电磁能转化为电能为本发明充电，该种充电方式克服了太阳能充电方式对环境的依赖，适用与电磁辐射量高或车流量大的地区。本发明包括但不限于太阳能、电磁辐射这两种充电方式，还可采用如振动机械能等多种方式，并且可同时采用太阳能充电、电磁辐射多种方式充电运行。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明轨道路基结构隐患自动监测方法及其监测系统，通过对轨道路基结构的结构模态和结构形态的连续监测，能绘制出路基的健康状况的变化趋势或变异特征曲线，指导养护维修报警结构损伤，及早发现，及早施治，确保轨道交通行车安全，提升路网维护效率；
2、本发明轨道路基结构隐患自动监测方法及其监测系统，利用在轨车辆终端作为中转站，再将结构模态信息和结构形态信息传输给云平台的传输方式，大大降低了现场终端通信的功耗，实现了免人工操作的方式，且不受环境限制，随着在轨运行车辆的移动，可实现对全网轨道路基结构的健康状况进行长期连续监测的目的，具有非常高的经济和实用价值；
3、本发明轨道路基结构隐患自动监测方法及其监测系统，设置电源管理模块，利用太阳能、电磁辐射能多种方式充电运行，可做到免人工拉线供电、免维护。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明采用广播式的现场终端结构示意图；
图3为本发明采用触发式的现场终端结构示意图；
图4为本发明报警损伤数据趋势分析图；
图5为本发明在安全范围值内的结构损伤脉冲示意图；
图6为本发明产生警报时的结构损伤脉冲示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1、2、4、5、6所示，本发明轨道路基结构隐患自动监测方法，包括以下步骤：
A：在云平台中预设轨道路基的结构模态安全范围值和结构形态安全范围值，分别建立结构模态损伤报警模型和结构形态损伤报警模型；
B：将在轨运行的车辆通过时的轨道路基变化作为动态激励，利用安装在轨道路基上的若干个现场终端探测轨道路基的结构模态和结构形态特征，当在轨运行的车辆经过现场终端时，现场终端将结构模态信息和结构形态信息传输给在轨运行的车辆；
C：当步骤B完成后，所述在轨运行的车辆将结构模态信息和结构形态信息传输给云平台，云平台将结构模态信息和结构形态信息中的数据一一与结构模态安全范围值和结构形态安全范围值进行比对，若结构模态信息和结构形态信息中的数据超出预设安全范围值时，响起损伤警报。所述结构模态包括轨道路基在轨道运行车辆加载效应下的动态响应特性。所述结构形态包括轨道路基的动态挠动幅度、静态挠动幅度、静态应力应变、水平倾斜和温度湿度的至少一种状态特性。
基于轨道路基结构隐患自动监测方法的监测系统，包括在轨车辆终端、云平台和安装在轨道路基上的若干个现场终端，所述现场终端与在轨车辆终端通过第一无线网连接，所述在轨车辆终端与云平台通过第二无线网连接，其中：
现场终端：探测轨道路基的结构模态和结构形态，发送结构模态信息和结构形态信息到在轨车辆终端；
在轨车辆终端：接收现场终端发送的结构模态信息和结构形态信息，并将结构模态信息和结构形态信息传输给云平台；
云平台：接收在轨车辆终端传输的结构模态信息和结构形态信息，当结构模态信息和结构形态信息超出预设安全范围值时，响起损伤警报。
所述现场终端包括传感器模块、嵌入式计算机模块、无线通讯模块，其中：
传感器模块：探测轨道路基的结构模态和结构形态，发送结构模态数据和结构形态数据到嵌入式计算机模块；
嵌入式计算机模块：接收传感器模块发送的结构模态数据和结构形态数据，发送结构模态信息和结构形态信息到无线通讯模块；
无线通讯模块：接收嵌入式计算机模块发送的结构模态信息和结构形态信息，并将结构模态信息和结构形态信息作为若干个数据包并发持续传输给在轨车辆终端。所述传感器模块包括加速度传感器、速度传感器、角度传感器、温湿度传感器、应力应变传感器中的至少一种。所述无线通讯模块为NFC通信模块或UWB通信模块或蓝牙通信模块。
本发明通过以上方式大大降低了现场终端通信的能耗消耗，以便在现场终端将更多能耗转移到传感器上，在轨道路基上铺设更多的传感器，对轨道路基的结构形态和结构模态进行监测，以实现对轨道路基健康状况的多方面监测，针对检测情况，工作人员可根据云平台的分析预警情况，对轨道路基进行针对性养护维修，提升行车安全，提高路网维护效率。随着在轨运行车辆的移动，环境恶劣、网络较差的路基段的探测信息也能通过在轨车辆终端传输出去，能覆盖轨道路基全网络，具有非常高的经济和实用价值。所述现场终端中还包括电源管理模块，所述电源管理模块包括太阳能充电装置。
实施例2
如图3所示，本发明与实施例1不同之处在于，所述现场终端包括传感器模块、触发模块、延时模块、嵌入式计算机模块、无线通讯模块，其中：
传感器模块：探测轨道路基的结构模态和结构形态，发送结构模态数据和结构形态数据到嵌入式计算机模块；
触发模块：感应在轨车辆信号，并将在轨车辆信号作为触发信号传输给嵌入式计算机模块；
延时模块：接收嵌入式计算机模块发送的延时指令，当计时完成后，发送结束指令到嵌入式计算机模块；
嵌入式计算机模块：接收传感器模块发送的结构模态数据和结构形态数据，接收触发模块发送的触发信号，并且触发信号作为触发指令发送结构模态信息和结构形态信息到无线通讯模块，同时发送延时指令到延时模块；接收延时模块发送的结束指令，发送停止通信指令到无线通讯模块；
无线通讯模块：接收嵌入式计算机模块发送的结构模态信息和结构形态信息，并将结构模态信息和结构形态信息传输给在轨车辆终端；接收嵌入式计算机模块发送的停止通信指令，停止工作。所述现场终端中还包括电源管理模块，所述电源管理模块中包括电磁辐射充电装置。在车流量较小或车速较快的地区，采用以上触发的方式发送监测数据，即当车辆经过现场终端时，现场终端才将监测数据传输出去，以此避免通信浪费，达到省电的目的。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。