高速铁路路基沉降变形自动化监测系统的设计与实现

行业应用与交流IndustrialApplicationsandCommunications《自动化技术与应用》2019年第38卷第12期

TechniquesofAutomation&Applications高速铁路路基沉降变形自动化监测系统的设计与实现*

廖世芳1,叶满珠2,赵玉梅1

（1.咸阳师范学院,陕西咸阳712000;

2.陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南714000）

摘要:本文设计了高速铁路路基沉降变形自动化监测系统。首先基于传感器、数据采集传输、客户端跟踪与查询、监测成果处理、自动化预警、人工监测数据分析、监测数据分析与评估设计自动化监测系统，其次进行系统软硬件设计，最后以实际应用分析系统实践效果。通过系统实现表明，此系统稳定性与可靠性良好，直接为高速铁路路基沉降变形自动化监测提供了高精确度、高效用、适用性良好的平台，以为有效指导施工决策奠定了坚实的基础。关键词:沉降变形；自动化；监测系统中图分类号：TP274文献标志码:A文章编号:1003-7241(2019)12-0150-05

DesignandImplementationofAutomaticMonitoringSystem

forSettlementandDeformationofHigh-speedRailway

LIAOShi-fang1,YEMan-zhu2,ZHAOYu-mei1

(1.XianyangNormalUniversity,Xianyang712000China;

2.ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000China)

Abstract:Inthispaper,anautomaticmonitoringsystemforsubgradesettlementanddeformationofhigh-speedrailwayisdesigned.Firstly,basedonsensor,dataacquisitionandtransmission,clienttrackingandremotequery,monitoringresultprocessing,automaticearlywarning,manualmonitringdataanalysis,monitoringdataanalysisandevaluation,ofautomaticmonitor-ingsystemisdesigned,secondly,thesoftwareandhardwareofthesystemaredesigned,andfinallythepracticaleffectofthesystemisanalyzedwithpracticalapplication.Theapplicationresultsshowthatthesystemhasgoodstabilityandreli-ability,anddirectlyprovidesaplatformwithhighaccuracy,highefficiencyandgoodapplicabilityforautomaticmonitor-ingofsubgradesettlementanddeformationofhigh-speedrailway,whichlaysasolidfoundationforeffectivelyguidingconstructiondecision-making.Keywords:settlementdeformation;automation;observationsystem

*基金项目：咸阳师范学院2018年国家级大学生创新创业训练计划项目（编号201810722021）;咸阳师范学院“青年骨干教师”（编号XSYGG201717）;咸阳师范学院专项科研基金项目(编号XSYK18054);陕西省职业教育研究课题（编号SZJYB19-215）

收稿日期:2019-07-261引言于铁路而言，安全性与稳定性是核心所在，特别是高

速铁路列车行车速度较快，密度大，客运量大，安全性更

为关键。高速铁路工程是铁路基础设施的重要组成部

分，其高稳定性与可靠性，是确保高速列车安全稳定运行的重要基础，也是保证人们出行舒适与安全的主要前

提。在高速铁路工程规模逐渐扩大的趋势下，由于地质

条件复杂等因素影响，部分路段极易出现路基沉降变形

问题，其与轨道平顺、行车安全息息相关。然而当前高速

铁路路基变形监测模式尚不完善，依旧以人工监测为主，

时间与成本投入较大，局限性过大，难以满足监测需要。因

此，本文设计了高速铁路路基沉降变形自动化监测系统[1]。

2测量原理LVDT又称之为线性可变差动变压器，工作原理简

150《自动化技术与应用》2019年第38卷第12期行业应用与交流IndustrialApplicationsandCommunications

TechniquesofAutomation&Applications单地说就是铁芯可动变压器，主要包含初级线圈、次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等零部件。在铁芯从中间向周围移动的时候，次级线圈输出电压之差和铁芯移动演变为线性关系。在初级线圈间供给交变电压的时候，铁芯在线圈内部移动，使得空间磁场分布发生变化，以此改变了初级与次级线圈的互感量，次级线圈间便产生感应电动势。在铁芯位置变化过程中，互感量也相应不同，次级生成感应电动势明显不同，以此铁芯位移量便会发展为电压信号输出。因为次级线圈电压极性为相反状态，因此输出电压属于差动电压。在铁芯向右移动的时候，次级线圈感应电压就会出现显著差异。在铁芯向左移动的时候，次级线圈感应的电压也会出现差异，且差异会在铁芯位移时形成线性变化。在铁芯移动形成超过100%时，次级线圈输出电压差异值和铁芯位移线性关系就会变差。零点两边实线段基本为对称测量范围，二者为交流信号，相位差为180°。实际上LVDT线圈一般会和壳体之间相紧固，铁芯和测杆之间相紧固，在两者相对位移状态下，便会出现位移电压输出。LVDT位移传感器直接埋设于高速铁路路基内部，以测量路基内部沉降变化量。在路基出现下沉的时候，变压器随之下沉，导致铁芯与测杆间出现相对滑移，输出信号，获得位移电压，以此沉降监测。通过LVDT位移测量传感器获取路基沉降值之后，基于数据线传输于数据采集设备，经过单片机转换，并利用GPRS网络传输于监控系统主机，最后通过软件进行数据分析与处理[2]。

3系统设计

3.1系统整体框架

高速铁路路基沉降变形自动化监测系统整体框架[3]

具体如图1所示。

图1系统整体框架3.2系统功能模块

3.2.1传感器模块

传感器模块主要通过各式各样传感器元器件，转换结构响应信息为电信号，以供数据采集传输模块加以处理，并转换模数。3.2.2数据采集传输模块

数据采集传输模块的作用是调整传感器信号，转换模数之后，基于以太网传输到监控中心。为了便于数据采集传输，开发设计数据采集软件DPServer，此程序以SQLServer数据库为载体，可设置采集与测量数据入库频率，完成设置之后，程序自动解析底层传输的报文，依据标准储存于数据库。3.2.3客户端跟踪与查询模块

客户端跟踪与查询模块可实现系统可视化功能，据其形式划分为两大部分，即基于现场的实时跟踪平台；基于网络客户端的远程查询访问平台。现场实时跟踪平台可安装于电脑，不仅可以固定于现场监控中心，还可以实时随机检查监控，此平台可促使用户充分了解监测指标变化与限制标准。客户端远程查询访问平台是此模块的关键组成部分，其可实现多元化网络客户端，实时查询访问检测数据。访问界面可查询监测成果，通过显示曲线给定预警阈限值，同时展示温度与施工内容，以直观了解监测结果。3.2.4监测成果处理模块

此模块的作用是自动化生成数据报表与分析图形。用户可就自身需求，基于自动报表软件设计标准报表模板，其中包含文字、图片、监测数据表格与曲线等。在模板设计完成后，可就模板内容自动化生成word文档，以提升监测成果报表生成效率。3.2.5自动化预警模块

其一，初步告警。在监测时，任何变形传感器读数超出1.5倍精度值，代表测点路基出现变形，系统发出初步告警，及时通知工作人员加以分析解决。其二，过程监测。持续观测变形测点沉降状况，计算沉降量，全程观测变形变化趋势。其三，告警与处理。根据标准，任何区域内路基沉降量超出限定值30mm，必须快速告警，传输测点位置信息与实际状况，以便于施工人员及时处理[4]。3.2.6人工监测数据分析模块

为保证人工监测成果分析效率，此模块将人工监测内容传输于自动化平台，统一分析处理。通过统筹规划与深化分析，无缝衔接人工监测数据分析模块与自动化

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TechniquesofAutomation&Applications预警模块、监控成果处理模块，以实现统一化平台管理。

3.2.7监测数据分析与评估模块

系统监测终极目标是识别评估高速铁路工程结构沉

降变形状况。评估时，需先构建高速铁路路基与桥梁结

构分析模型，结合实测数据信息修正计算模型，利用修正

模型精确化分析计算，以预估结构沉降变形趋势，以利于

高速铁路运营维护正确决策。在此基础上，系统监测数

据分析与评估模块核心作用为，把底层模块联合获取的

数据信息采集成果转变为可切实反映沉降变形状态的评

估指标，为修正模型奠定数据基础[5]。

3.3系统软件设计

3.3.1系统监测软件

为解决监测项目仪器设备类型繁杂，数据标准不统

一等问题，系统监测软件选用三层框架模式，提供统一数

据接口标准，具体如图2所示。就不同仪器设备，只需针

对性开发采集端软件，促使其满足数据接口要求，便可被

兼容。系统监测软件具体如表1所示。

表1系统监测软件

类型

运行位置

功能采集端软件

监测现场数据采集仪器

控制数据自动采集，打包结果传输到服务器服务器端软件

云服务器

计算分析并预警储存监测数据，响应客户端查询请求客户端软件

远程客户端计算机

数据查询与项目配置

3.3.2分布式服务器

分布式服务器框架把计算资源与宽带压力分散于多

个服务器，以强化系统计算能力与扩展性，可满足高速铁

路路基沉降变形自动化监测的实时性与并发性要求。分布式服务器框架具体如图3所示。

3.3.3数据滤波算法

高速铁路行车速度比较快，列车经过会造成结构巨

大振动，其会传输于监测设备，造成数据显著变化。高速

铁路线路白天行车比较密集，因此必须有效去除异常数

据点，避免数据变化导致告警频繁触发。系统通过连续

中位数滤波法去除异常数据，此算法基于某时刻及其前

一时刻测量值中位数，代替此时刻测量值。其中时刻参

数可就测点具体位置行车间隔与结构形式等要素设置合

理值。以此算法可确保数据点密度较高，基于科学选择

时刻参数，把数据变化延迟控制于可接受阈限内。

图3分布式服务器框架

3.4监测精度分析

为保证高速铁路建设与运营管理的稳定性、安全性，

监测系统是重要前提，其中主要涉猎高精度测控网、高精

度测量技术、高精度测量传感器等。最关键的是此系统

数据处理与坐标体系的技术水平，测量数据精确度，测量

经验等等。在高速铁路路基施工过程中，

有效采集数据图2系统监测软件设计

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