CN108053629A - 一种crtsⅲ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置及监测方法 - Google Patents

一种crtsⅲ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置及监测方法 Download PDF

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孟宪军
康占龙
杨云洋
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张志刚
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铁骊山
许磊
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Abstract

本发明公开了一种CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置，包括服务器、控制终端以及安装在每块轨道板内的一个测头和一个供电模块，所述测头用于测量相应轨道板的重力加速度值并将该值发送给所述控制终端；所述供电模块为所述测头提供电力；所述控制终端通过无线网络向所述测头发送采集数据指令，接收并存储测头采集的数据并将该数据发送给所述服务器；所述服务器对所述数据进行解算、分析，并在沉降值超过限差值时启动报警程序进行报警。本发明还公开了上述装置进行无砟轨道沉降自动化监测的方法。本发明不受高铁上线天窗限制，对既有高铁安全运营无任何影响，能对轨道结构沉降进行高精度的自动化监测及预警，后期维护成本低。

Description

一种CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及无砟轨道领域，特别是涉及一种CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置及监测方法。
背景技术
为了确保高速铁路的安全平稳运营，依照《高速铁路工程测量规范》等文件要求，需要对高速铁路无砟轨道进行沉降监测。
常用的监测方法是测量人员在高铁停运的天窗时间进入高铁线路，使用电子水准仪进行逐点测量，不仅效率低，而且安全风险大。考虑到运营安全，铁路运营管理部门禁止任何装置安装在无砟轨道板表面。因此，目前没有切实可行的高速铁路无砟轨道沉降自动监测方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种高效、精准、稳定的CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置。
本发明的另一目的是提供一种利用上述装置进行自动化监测的方法。为此，本发明的技术方案如下：
一种CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置，包括服务器、控制终端以及安装在每块轨道板内的一个测头和一个供电模块，所述测头用于测量相应轨道板的重力加速度值并将该值发送给所述控制终端；所述供电模块为所述测头提供电力；所述控制终端通过无线网络向所述测头发送采集数据指令，接收并存储测头采集的数据并将该数据发送给所述服务器；所述服务器对所述数据进行解算、分析，得到相应的轨道板相对于水平面的倾角值及沉降值，并在沉降值超过限差值时启动报警程序进行报警。
所述测头及供电模块分别密封安装在各自轨道板的起吊套管内。
所述测头包括封装在一起的倾角传感器、单片机和无线数据传输模块，其中：所述倾角传感器用于测量相应轨道板的重力加速度值；所述无线数据传输模块用于将所述重力加速度值发送给所述控制终端；所述单片机用于控制所述倾角传感器获取测量值，并控制所述无线数据传输模块将测量值传送到所述控制终端。
优选的是，所述倾角传感器为MEMS加速度传感器。
优选的是，所述服务器还同时将所述测头测得的原始数据及监测结果通过无线或有线通信方式传送到高铁运营监测管理与分析***进行数据集中处理。
优选的是，所述服务器还同时将报警信息以短信方式发送到指定手机。
优选的是，所述倾角传感器、单片机和无线数据传输模块封装在与起吊套管内尺寸相适应的圆柱壳体内，以便于精准的装入起吊套管内。
所述的测头及供电模块的安装位置分别位于CRTSⅢ型无砟轨道板上相邻的一对起吊套管内部。单块CRTSⅢ型无砟轨道板共有四对相邻的起吊套管，本发明的测头及供电模块安装在其中任意一对相邻的起吊套管内部，在每块轨道板的安装位置可以不同。
在本发明中：
测头采用的无线数据传输模块可以为基于LoRa、NB-IoT、ZigBee、Wifi等无线通信技术的传感器；
所述单片机具有嵌入式操作***，安装有相关的应用软件；
所述的供电模块为可充电电池组，可定期更换；
所述的测头与供电模块采用有线连接，接口形式为可插拔端子；
所述的控制终端与测头采用无线通信技术进行控制指令及数据的传输；
所述的各测头均经过精密的出厂标定，也可以现场安装后进行标定。
一种利用上述CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置进行自动化监测的方法，包括以下步骤：
(1)将单块CRTSⅢ型无砟轨道板设定为单个定长刚体，沿线路方向的长度分别为Li(i＝1,2,3,…,N)。
(2)在初始T0时刻，所述测头测量得出每块轨道的重力加速度值并将所述重力加速度值发送到给所述控制终端；
(3)所述控制终端将所述重力加速度值发送给所述服务器，所述服务器通过对数据进行解算，得到相应轨道板相对于水平面在线路方向上的倾角值以及初始T0时刻每块轨道板线路中心线上两端点的高差值
(4)设定某一块轨道板的靠近较小里程一端的板端中心点的里程为K0，在初始T0时刻，该点高程值为计算每块轨道板在板端里程Ki处的高程值
(5)在Ti时刻，使用所述测头采集每块轨道板的重力加速度值所述服务器通过对数据进行解算，得到相应轨道板相对于水平面在线路方向上的倾角值使用公式(1)及公式(2)依次计算和将Ti时刻的所述高程值与初始T0时刻的高程值求差，得到Ki处的沉降值
优选的是，上述方法还包括步骤(6)，所述服务器将所述沉降值与设定的限差进行对比，如果超过限差，则自动启动报警程序。
本发明基于现有的CRTSⅢ型无砟轨道板的结构，巧妙地利用每块轨道板既有的起吊套管内部空间，将倾角传感器及附属元件制作成特定尺寸的装置，放入起吊套管内，通过数据采集、传输、解算及分析，实现了CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测。本发明不受高铁上线天窗限制，对既有高铁安全运营无任何影响，能够实现对轨道结构沉降进行高精度的自动化监测及预警，后期维护成本低。
附图说明
图1为安装有本发明CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置的轨道板俯视结构示意图；
图2为本发明中单个监测装置的结构示意图；
图3为本发明自动化监测方法的一个实施例的监测结构示意图。
其中：
B1、B2、…，Bn：CRTSⅢ型无砟轨道板； 1、S1、S2、…，Sn：测头；
P1、P2、…，Pn：供电模块； C1、…，Cn：控制终端；
L1：轨道板线路中心线； K0、K1、K2、K3：分别为不同位置的里程；
S：服务器
2：无线数据传输模块； 3：单片机； 4：倾角传感器；
5、6为一对相邻的起吊套管； 7：供电模块
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
参见图1，本发明的CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置包括：服务器S、控制终端(C1……Cm)以及安装在每块轨道板(B1、B2、……或Bn,n＞m,以下同)内的一个测头(S1、S2……或Sn)和一个供电模块(P1、P2、……或Pn)。所述测头用于测量相应轨道板的重力加速度值并将该值发送给所述控制终端；所述供电模块为所述测头提供电力；所述控制终端通过无线网络向所述测头发送数据采集指令，接收并存储测头采集的数据并将该数据发送给所述服务器；所述服务器对所述数据进行解算、分析，得到相应的轨道板相对于水平面的倾角值及沉降值，并在沉降值超过限差值时启动报警程序进行报警。测头及供电模块分别密封安装在各自轨道板的起吊套管内。
参见图2，所述每个测头1都包括封装在一起的倾角传感器4、单片机3和无线数据传输模块2，其中：倾角传感器4用于测量相应轨道板的重力加速度值；无线数据传输模块2用于将所述重力加速度值发送给控制终端；单片机3用于控制所述倾角传感器4获取测量值，并控制所述无线数据传输模块2将测量值传送到所述控制终端。
所述倾角传感器可以是MEMS加速度传感器。所述服务器还可同时将所述测头测得的原始数据及监测结果通过无线或有线通信方式传送到高铁运营监测管理与分析***进行数据集中处理。另外，所述服务器还可同时将报警信息以短信方式发送到指定手机。
所述倾角传感器、单片机和无线数据传输模块封装在与起吊套管内尺寸相适应的圆柱壳体内。在本实施例中，倾角传感器4、单片机3和无线数据传输模块2封装在一直径25mm、长度130mm的圆柱壳体内，例如塑料的圆柱壳体内，以便于精准的装入现有的起吊套管内。
测头1及供电模块7的安装位置分别位于CRTSⅢ型无砟轨道板上相邻的一对起吊套管5、6内部。单块CRTSⅢ型无砟轨道板共有四对相邻的起吊套管，本发明的测头及供电模块安装在其中任意一对相邻的起吊套管内部，在每块轨道板的安装位置可以不同。
测头采用的无线数据传输模块可以为基于LoRa、NB-IoT、ZigBee、Wifi等无线通信技术的传感器；所述单片机具有嵌入式操作***，安装有相关的应用软件；所述的供电模块为可充电电池组，可定期更换；所述的测头与供电模块采用有线连接，接口形式为可插拔端子；所述的控制终端与测头采用无线通信技术进行控制指令及数据的传输；所述的各测头均经过精密的出厂标定，也可以现场安装后进行标定。
图3是本发明的一个具体实施例。该实施例中显示了三块CRTSⅢ型无砟轨道板B1、B2、B3，每块板的长度分别为L1＝L2＝L3＝5600mm，相邻板间接缝长度为200mm。将轨道板B1的较小里程一端的中心点的里程设为K0＝1000m。K1为轨道板B2的较小里程一端的中心点的里程，K2和K3分别为轨道板B3的较小里程一端和较大里程一端的中心点的里程。根据给定尺寸推算得出各点里程分别为K1＝1005.8m、K2＝1011.6m、K3＝1017.2m。每块板的一对相邻起吊套管内分别安装一个测头(S1、S2或S3)和一个供电模块(P1、P2或P3)，配备一个控制终端C1。
(1)假定2008年6月18日19:00为T0时刻，轨道板B1的小里程板端中心点K0处的高程控制终端C1向三个测头(S1、S2、S3)通过无线通信方式发送数据采集指令，各测头依照指令完成数据采集后，将数据发送给控制终端。控制终端将数据汇总后发给服务器，服务器软件通过解算后，得到各块轨道板相对于水平面的倾角值分别为
每块轨道板线路中心线上两端点的高差值计算公式：
使用公式(1)计算得到每块轨道板线路中心线上两端点的高差值分别为：使用公式(2)计算得到各里程处的高程值分别为
(2)假定2015年11月16日19:00为T9时刻，轨道板B1的小里程板端中心点K0处的高程仍为控制终端C1向三个测头(S1、S2、S3)又一次发送数据采集指令，各测头依照指令完成数据采集后，将数据用相同的通信方式发送给服务器。服务器软件通过解算后，得到各块板相对于水平面的倾角分分别为使用公式(1)计算得到每块轨道板线路中心线上两端点的高差值分别为
每块轨道板在板端里程Ki处的高程值计算公式：
使用公式(2)计算得到里程Ki处的高程值分别为
(3)Ki处的沉降值计算公式：
根据T0和T9时刻的各里程Ki处高程值，使用公式(3)计算得到沉降值分别为：
(4)假定沉降值的限差为100mm，将各沉降值与限差进行对比。如果超过限差，就启动报警程序，通过短信将报警信息发送给指定人员。

Claims (9)

1.一种CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置，其特征是：包括服务器、控制终端以及安装在每块轨道板内的一个测头和一个供电模块，
所述测头用于测量相应轨道板的重力加速度值并将该值发送给所述控制终端；
所述供电模块为所述测头提供电力；
所述控制终端通过无线网络向所述测头发送数据采集指令，接收并存储测头采集的数据并将该数据发送给所述服务器；
所述服务器对所述数据进行解算分析，得到相应的轨道板相对于水平面的倾角值及沉降值，并在沉降值超过限差值时启动报警程序进行报警。
2.根据权利要求1所述的CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置，其特征是：所述测头及供电模块分别密封安装在各自轨道板的起吊套管内。
3.根据权利要求2所述的CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置，其特征是：所述测头包括封装在一起的倾角传感器、单片机和无线数据传输模块，其中：
所述倾角传感器用于测量轨道板的重力加速度值，并通过所述无线数据传输模块发送给控制终端；
所述单片机用于控制所述倾角传感器获取测量值，并控制所述无线数据传输模块将测量值传送到所述控制终端。
4.根据权利要求3所述的CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置，其特征是：所述倾角传感器为MEMS加速度传感器。
5.根据权利要求3所述的CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置，其特征是：所述服务器还同时将所述测头测得的原始数据及解算结果通过无线或有线通信方式传送到高铁运营监测管理与分析***进行数据集中处理。
6.根据权利要求5所述的CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置，其特征是：所述服务器还同时将报警信息以短信方式发送到指定手机。
7.根据权利要求3所述的CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置，其特征是：所述倾角传感器、单片机和无线数据传输模块封装在与起吊套管内尺寸相适应的圆柱壳体内。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的CRTSⅢ型板式无砟轨道沉降自动化监测装置进行自动化监测的方法，其特征是包括以下步骤：
(1)将单块CRTSⅢ型无砟轨道板设定为单个定长刚体，沿线路方向的长度分别为Li(i＝1,2,3,…,N)。
(2)在初始T0时刻，所述控制终端向所述测头发送数据采集指令，所述测头测量得出每块轨道的重力加速度值并将所述重力加速度值发送到给所述控制终端；
(3)所述控制终端将所述重力加速度值发送给所述服务器，所述服务器通过对数据进行解算，得到相应轨道板相对于水平面在线路方向上的倾角值以及初始T0时刻每块轨道板线路中心线上两端点的高差值
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(4)设定某一块轨道板的靠近较小里程一端的板端中心点的里程为K0，在初始T0时刻，该点高程值为计算每块轨道板在板端里程Ki处的高程值
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(5)在Ti时刻，使用所述测头采集每块轨道板的重力加速度值所述服务器通过对数据进行解算，得到相应轨道板相对于水平面在线路方向上的倾角值使用公式(1)及公式(2)依次计算和将Ti时刻的所述高程值与初始T0时刻的高程值求差，得到Ki处的沉降值
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9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：还包括步骤(6)，所述服务器将所述沉降值与设定的限差进行对比，如果超过限差，则自动启动报警程序。
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