鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統的製作方法

2023-05-09 17:59:26 2

專利名稱：鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及鐵路營業線改造橋涵施工的安全防護監測技術領域，核心技術要點在於鐵路營業線橋涵施工防護中多傳感器實時監測系統設計與監測數據的智能化採集與處理。
背景技術：
在鐵路施工過程中，橋涵施工作為線路的重要組成部分，其工程形式包括接長涵、下穿頂進、地基加固等，涉及到採用人工挖孔樁作支墩，用工字鋼便梁架空線路頂進開挖施工等技術。特別對於營業線鐵路的改造工程，橋涵施工對營業線運營會產生重大影響，所以必須在施工過程進行監測，保證營業線正常運營和和施工開展。在鐵路營業線橋涵施工過程中，主要存在以下的鐵路行車安全隱患(1)因施工損壞鐵路通訊、信號電纜或在作業中使鐵路軌道連電而導致鐵路行車信號失靈或錯亂，幹擾了列車的正常運行。(2)在進行線路加固作業及橋涵頂進過程中不可避免地要移動軌道及帶動既有路基土體的變化，有可能導致線路的軌距、高程、水平等參數超過技術要求或軌枕下道碴不密實造成晃車現象。(3)人員在施工作業過程中所使用的各種機械設備、工具及其施工材料堆放不慎，侵入列車運行限界，或在列車通過時被風捲入軌道內，引發刮碰列車、傷害人員、列車顛覆等慣性事故。(4)線路下沉、出現湧水、砂等異常情況，嚴重威脅列車運行安全。在以往的施工過程中，對於營業線橋涵施工中的安全防護監測主要的方式有(I)利用傳統的全站儀或水準儀測量支墩變化，從而判斷營業線的安全性；(2)不定期的利用軌檢車對營業線軌道進行測量，確定營業線軌道的狀態；(3)施工現場人員不定期的利用卡尺進行測量，粗略的判斷營業線軌道的沉降、傾斜，指導施工進行；(4)利用GPS衛星對橋涵施工中的營業線進行測量，計算變形和沉降；(5)利用一種傳感器對營業線橋涵施工中的鐵路軌道的沉降或者變形，亦或是橋涵支墩的壓力等進行單獨的監測。前三種方法主要以常規測量手段，主要是人在現場進行操作，主要存在的缺點表現為(1)傳統的人工監測受到主觀影響較大，精度會因不同的人測量產生微小偏差；(2)需要大量的人力進行現場的測量，不能適應當前施工的需要；(3)人為的測量，現場的安全性難以很好的把握，並且不能實現對數據的實時處理和反饋。後兩種方法利用當今先進的科學技術，能夠實現自動化的監測，但是主要存在以下缺點(I) GPS精度不夠，鐵路軌道的變形或者沉降都是精確到mm級；(2)利用傳感器技術是當前比較可靠的方法，但是單一類型的傳感器進行監測和數據分析科學性不夠，並且單一類型傳感器自成一套系統，難以實現多種類型傳感器數據監測的實時共享和分析，不能實現多條件的實時報警。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，該系統在營業線橋涵施工中布置多種傳感器，將多種類型的數據進行匯集，實現數據的自動監測、實時分析和處理，克服了傳統方式的缺點，達到了較高的精度，並且實現多傳感器系統融合、數據共享和分析。該系統在營業線橋涵施工進行的同時進行搭建，對施工的過程和鐵路運行進行必要的實時監測，從而優化施工方案，完善防護措施，科學的指導列車的行駛速度，安全高效的完成橋涵施工，同時也保證列車的安全運行。本發明解決其技術問題採用以下的技術方案
本發明提供的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，是一種基於LabVIEW的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，該系統由自動化監測裝置和監控中心的計算機組成，其中自動化監測裝置由布置在施工現場的數據採集設備、數據傳輸設備組成，數據採集設備通過電纜與數據傳輸設備相連，數據傳輸設備利用無線網絡與計算機通信；數據採集設備從現場獲取數據信息之後傳至數據傳輸設備，數據傳輸設備再將數據信息利用無線網絡傳至計算機。所述數據採集設備可以包括施工安全自動化採集儀和通過電纜與之40通道信號接口相連的固定式傾角計、靜力水準儀、表面裂縫計、土壓力計、加速度傳感器，其中固定式傾角計、靜力水準儀、土壓力計裝在橋涵施工中的便梁的支墩上；表面裂縫計的一端裝在支墩上，另一端裝在便梁上；加速度傳感器裝在便梁的中部位置。所述的施工安全自動採集儀，其內部可以設有BGK-MICR0測量模塊、GPRS模塊、電源模塊和40通道信號接口，所述40通道信號接口通過電纜獲取信號之後傳入BGK-MICR0測量模塊，經過BGK-MICR0測量模塊調理之後由GPRS模塊傳達到計算機中。所述數據傳輸設備包括GPRS模塊、GPRS網絡以及信號發射塔和信號接收塔，其中GPRS模塊接收到信號後通過GPRS網絡傳入信號發射塔，再通過GPRS網絡由信號接收塔獲取。本發明提供的上述鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，其在鐵路營業線橋涵施工領域引入虛擬儀器軟體LabVIEW進行自動化監控軟體平臺的開發中的應用。本發明與現有技術相比具有以下的主要優點
1.以營業鐵路橋涵施工中的支墩作為監測對象，監測過程更具針對性和防護指導意義，可以及時反映橋涵施工主要安全影響因素的改變，從而反映鐵路和施工統一系統的運營情況，保障施工順利進行和列車安全行駛；
2.傳感器按照既定要求布置完畢後，各監測對象的物理變化會被傳感器捕捉，信號通過信號線接入智能採集模塊，以每3-5秒/次的速度對監測對象進行掃描，將數據進行緩存，實時較高；
3.將不同類型的傳感器集成於同一個監測系統，可以實現對現場的土壓力、表面位移、沉降、相對位移以及加速度等項目的統一監測，建立起了關於支墩和便梁系統的監測體系，對支墩各向運動趨勢和變化有更加細緻和更加多維的反映；
4.傳感器的類型為振弦式和微電子式，精度較高，克服了傳統監測和人工檢測精度不夠的問題，本監測系統在數據傳輸的過程中，採用了 GPRS模塊，實現了無線網絡傳輸，將傳感器、監測設備、PC機緊密聯繫在一起，充分利用了遙測的優勢，極大程度減少了人員的作業，避免了工程人員施工時和列車行駛中安全人為隱患的出現；
5.軟監測系統根據不同類型的傳感器以及不同的採集、傳輸信號進行調試和設計，選擇不同的通道進行數據採集並進行人性化的界面設計，同時可以遠程喚醒或關閉任一傳感器；
6.採集系統在傳感器設置時，充分考慮到各監測對象的不同施工標準，有針對性地對每個對象設定了符合自身規定的精度要求，使得施工安全隱患的處理方案提出更加具體、及時、有效，對支墩各監測項目的變化趨勢有精準的捕捉、監控和預測；
7.傳感器類型不局限于振弦式傳感器，還可以是微電子、差阻以及市面上常用的傳感器。8.監控中心計算機利用LabVIEW軟體進行程序設計和開發，利用LabVIEW開發的虛擬儀器對橋涵施工進行實時監測，並且根據用戶需要實時變換和改進面板，能夠更好的獲取橋涵施工中支墩和便梁的有效數據以及對其帶來的影響進行較好的分析。


圖1為本發明鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統總體構成示意圖。圖2為自動化監測裝置的具體組成圖。圖3為施工安全自動化採集儀組成圖。圖4為現場傳感器的布置圖。圖5為支墩沉降變化曲線圖。圖6為支墩土壓力變化曲線圖。圖中1·支墩；2·固定式傾角計；3·靜力水準儀；4.表面裂縫計；5. 土壓力計；6.電纜；7.加速度傳感器；8.基坑邊坡；9.涵體；10.便梁；11.橫梁；12.軌枕；13.軌道；14.施工安全自動化採集儀；15.信號發射塔；16.信號接收塔；17.計算機；18. 40通道信號接口 ；19.基座；20.螺栓。
具體實施例方式本發明提供的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統是一種基於LabVIEff的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，該系統的結構如圖1和圖2所示，由自動化監測裝置和監控中心的計算機17組成，其中自動化監測裝置由布置在施工現場的數據採集設備、數據傳輸設備組成，數據採集設備通過電纜與數據傳輸設備相連，數據傳輸設備利用無線網絡與計算機17相連；數據採集設備從現場獲取數據信息之後傳至數據傳輸設備，數據傳輸設備再將數據信息利用無線網絡傳至計算機17。所述數據採集設備的結構如圖2所示，包括施工安全自動化採集儀14和通過電纜與之40通道信號接口 18相連的固定式傾角計2、靜力水準儀3、表面裂縫計4、土壓力計5、加速度傳感器7，其中固定式傾角計2、靜力水準儀3、土壓力計5裝在橋涵施工中的便梁10的支墩I上；表面裂縫計4的一端裝在支墩I上，另一端裝在便梁10上；加速度傳感器7裝在便梁10的中部位置。所述施工安全自動採集儀14的結構如圖3所示，內設有BGK-MICR0測量模塊、GPRS模塊、電源模塊和40通道信號接口 18。其中40通道信號接口 18通過電纜獲取信號之後傳入BGK-MICR0測量模塊，經過BGK-MICR0測量模塊調理之後由GPRS模塊傳達到計算機中。電源模塊給本發明所有設備供電。所述數據傳輸設備包括GPRS模塊、GPRS網絡以及信號發射塔15和信號接收塔16，其中GPRS模塊接收到信號後通過GPRS網絡傳入信號發射塔15，再通過GPRS網絡由信號接收塔16獲取。本發明提供的上述實時監測系統，其用於基於LabVIEW的鐵路營業線橋涵施工中，例如用於南京寧啟鐵路營業線某橋涵施工的監測，具體步驟包括1.南京寧啟營業線某橋涵施工過程為頂進涵，使用便梁10的長度為24米，挖孔樁的深度為15米，澆注完成後的支墩I的長度為15米。2.本系統在現場的布置方式見圖1、圖4，具體為
1)土壓力計5的安裝
在支墩I澆注前將土壓力計5埋於支墩長度的5米處(從樁底部往上計)，分別按照圖4標註位置(靠近頂進涵的涵體9的兩個方向)，四個支墩I上各埋設2個土壓力計5，並信號線引出，做好保護措施；
2)靜力水準3和固定式傾角計2的安裝
在架設便梁後，在支墩上部安裝靜力水準3和固定式傾角計2 (圖4)，將預先加工的基座19利用螺栓20先固定在支墩上，然後再進行靜力水準儀3和固定式傾角計2的安裝，靜力水準儀還需在附近的一個不發生沉降的基準點上安裝，安裝的靜力水準儀需要大致在一個水平，靜力水準儀和固定式傾角計同樣利用螺栓20安裝在基座19上；
3)表面裂縫計4的安裝
在支墩一側利用預埋錨杆固定，在便梁一側利用便梁上部的螺栓孔或者電焊固定，只需在靠近頂進涵的涵體9 一側的兩個支墩和便梁接觸處安裝即可；
4)加速度傳感器7安裝在靠近頂進一側便梁的中部，具體為便梁的上表面；
4.現場傳感器(即固定式傾角計2、靜力水準儀3、表面裂縫計4、土壓力計5、加速度傳感器7)布置完畢後，將電纜進行整理並依次將其接入施工安全自動化採集儀14的40通道信號接口 18中，配置施工安全自動化採集儀的內部模塊，進行數據採集和GPRS網絡傳輸，儀器傳輸數據需要配備具有上網功能的手機SM卡；
5.計算機17通過訪問網際網路獲取施工安全自動化採集儀14的數據，然後進行數據處理和預警，指導施工和列車運營。6.對於每一個監測項目都根據鐵路施工規範，利用計算機18所設的監測軟體設置了預警值，當某一個監測項目的數值達到預警值，本系統就會發出預警提示，並根據危險程度提示採取的措施，實現實時的預警，科學的指導施工。7.南京寧啟營業線某橋涵頂進過程中的支墩沉降變化曲線和支墩土壓力變化曲線分別如圖5、圖6所示。由圖5可知在整個橋涵施工過程中利用靜力水準儀監測的最大沉降沒有超過1. 4_，低於鐵路路基降的上限值，沉降值在施工過程中不斷增加，可以分析得到橋涵施工工期在保證質量的前提下越短越好。由圖6可知隨著施工的進行支墩受到的土壓力值逐漸減小，這是涵體頂進和土體開挖所引起的，同時可得到支墩是安全的。8.圖1中的基坑邊坡8是在橋涵施工中土體開挖形成，便於涵體的頂進或者接長；橫梁11是用來連接便梁10的裝置，在橋涵施工中鐵路線就是利用便梁10和橫梁11支撐的；12軌枕亦稱枕木或路枕，功用是把鐵軌13的重量分開散布，和保持路軌固定，維持路軌的軌距。13鐵軌是鐵路軌道的簡稱，用於鐵路上，並與轉轍器合作，令火車無需轉向便能行走。
本發明提供的上述鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，按照上述實施方式布置完畢後，該系統便可以進行自動化的監測，具體工作過程為在橋涵施工過程中，支墩或者便梁發生變化後，數據採集設備中的固定式傾角計2、靜力水準儀3、表面裂縫計4、土壓力計5以及加速度傳感器7就會捕獲信號，然後通過電纜6傳輸至施工安全自動化採集儀14，信號在施工自動化採集儀內部經過調理和處理後到達數據傳輸設備，數據傳輸設備中的GPRS模塊通過經GPRS網絡將信號傳輸至信號發射塔15，再經GPRS網絡傳輸至信號接收塔16，最後到達計算機。計算機將獲取到信息後進行分析和處理，實現對整個橋涵施工過程的自動化監測，對支墩和便梁的變化進行預警，指導安全施工和列車運行。
權利要求
1.鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，其特徵是一種基於LabVIEW的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，該系統由自動化監測裝置和監控中心的計算機組成，其中自動化監測裝置由布置在施工現場的數據採集設備、數據傳輸設備組成， 數據採集設備通過電纜與數據傳輸設備相連，數據傳輸設備利用無線網絡與計算機通信; 數據採集設備從現場獲取數據信息之後傳至數據傳輸設備，數據傳輸設備再將數據信息利用無線網絡傳至計算機。
2.根據權利要求1所述的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，其特徵是所述數據採集設備包括施工安全自動化採集儀(14)和通過電纜與之40通道信號接口(18) 相連的固定式傾角計(2)、靜力水準儀(3)、表面裂縫計(4)、土壓力計(5)、加速度傳感器(7)，其中固定式傾角計(2)、靜力水準儀(3)、土壓力計(5)裝在橋涵施工中的便梁(10)的支墩(I)上；表面裂縫計(4)的一端裝在支墩(I)上，另一端裝在便梁(10)上；加速度傳感器(7)裝在便梁(10)的中部位置。
3.根據權利要求1所述的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，其特徵是所述的施工安全自動採集儀(14)，其內部設有BGK-MICR0測量模塊、GPRS模塊、電源模塊和 40通道信號接口(18)，所述40通道信號接口通過電纜獲取信號之後傳入BGK-MICR0測量模塊，經過BGK-MICR0測量模塊調理之後由GPRS模塊傳達到計算機中。
4.根據權利要求1所述的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，其特徵是所述數據傳輸設備包括GPRS模塊、GPRS網絡以及信號發射塔(15)和信號接收塔(16)，其中GPRS模塊接收到信號後通過GPRS網絡傳入信號發射塔(15)，再通過GPRS網絡由信號接收塔(16)獲取。
5.權利要求1至4中任一權利要求所述的系統的應用，其特徵是在鐵路營業線橋涵施工領域引入虛擬儀器軟體LabVIEW進行自動化監控軟體平臺的開發和設計。
全文摘要
本發明提供的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，具體是是一種基於LabVIEW的鐵路營業線橋涵施工防護多傳感器實時監測系統，該系統由自動化監測裝置和監控中心的計算機組成，其中自動化監測裝置由布置在施工現場的數據採集設備、數據傳輸設備組成，數據採集設備通過電纜與數據傳輸設備相連，數據傳輸設備利用無線網絡與計算機通信；數據採集設備從現場獲取數據信息之後傳至數據傳輸設備，數據傳輸設備再將數據信息利用無線網絡傳至計算機。本發明可以循環使用，適用於重大工程全方位實時安全防護監測，克服了傳統監測手段的諸多弊端，具有精度高、實時性強、監測信息全等優點。
文檔編號G01D21/02GK103017827SQ20121053112
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者任高峰, 趙利坤, 胡仲春, 呂均琳, 劉永成 申請人:武漢理工大學