兰新高速铁路路基沉降自动化监测系统整体设计方案
2022-02-02
来源:乌哈旅游
2013年10月 高速铁路技术 No.,.Vo1.4 Oct.2013 第4卷第5期 HIGH SPEED RAILWAY IECHNOLOGY 文章编号:l674—8247(2013)05—0026—05 兰新高速铁路路基沉降自动化监测系统整体设计方案 廖世芳 叶满珠 (1.咸阳师范学院旅游与资源环境学院, 咸阳712000;2.陕西铁路工程职业技术学院测绘工程系, 渭南714099) 摘要:高速铁路轨道的平顺性直接影响运营速度、乘坐的舒适性和安全性。为了精确控制高速铁路无砟轨 道线下工程的工后沉降,就必须对预先埋设的观测设备按规定频次和精度进行观测。目前国内外关于沉降 变形监测的方法有观测桩、沉降板、单点沉降仪等,这些方法大多适用于施工期间对线下构筑物的监测,存在 很多弊端。因此,必须设计一种更加合理的监测方法,使其既能满足沉降监测的要求,还能节约成本,提高工 作效率,保证沉降数据的精度。文中结合兰新高速铁路、传感器技术、单片机技术、GPRS技术、计算机等设计 了一种适合于戈壁地区高速铁路路基沉降的自动化监测系统。它主要由监测、数据采集、数据传输、数据监 控4个部分组成,具有高效、高精度、自动化、全天候等特点,而且还具有较高的实用价值。 关键词:兰新高速铁路;传感器;单片机;GPRS;自动化监测 中图分类号:U213.1 57 文献标志码:B Design Scheme for Subgrade Settlement Automatic Monitoring System on Lanzhou-Wulumuqi High-speed Railway LIAO Shi-fang YE Man-zhu (1.School of Tourism&Resources Environment of Xianyang Normal University,Xiangang 7 1 2000,China; 2.Surveying&Mapping Engineering Department,Shaanxi Railway Institute,Weinan 7 14099,China) Abstract:The smoothness and evenness of high—speed railway track directly impact on running speed,riding comfort— ableness and security.Observations on built—in observing devices with regulated ̄equency and accuracy are necessary to precisely control the post—construction settlement of high—speed railway ballastless tracks.Observation methods cu ̄ently used at home and abroad such as the use of observation pile,settlement plate and single-point settlement meter are limit・ ed to the observation of the on-going works under track,therefore,a cost-saving,effective and accurate observation method has to be designed to meet the requirement of observing subgrade settlement.Based on the practical experience in building Lanzhou—Wulumuqi high—speed railway and by employing technologies of sensor,microcontroller,GPRS and computer,the authors introduce a self-designed automatic observation system for probing high・speed railway subgrade settlement in Gobi Desert area.It is composed of the four parts as detector,data collector,data transmitter and data mo・ nitor and has the feature of high efficiency,high accuracy,automation and all weather etc.as well as a higher practical utility. Key words:Lanzhou-Wulumuqi high—speed railway;sensor;microcontroller;GPRS;automated monitoring 1 引言 兰新高速铁路于2009年11月4日开始施工,设 计速度为300 km/h。兰州至西宁段、哈密至乌鲁木齐 段线下预留提速到350 km/h,建设工期5年。新建兰 新高速铁路自兰州西站引出,途径西宁、张掖、酒泉、嘉 峪关、哈密、吐鲁番,最后引入乌鲁木齐站,全长为 收稿日期:2012--04-27 1 776 km,总投资1 383亿元(批复投资),共设31个 车站。途经地区多为戈壁地貌,自然条件严酷,其路基 作者简介:廖世芳(1984一),男,助教。 第5期 廖世芳,等:兰新高速铁路路基沉降自动化监测系统整体设计方案 2013年10月 长度占线路长度比例大,是迄今为止国内高等级铁路 路基比例最高的铁路,被称为高速铁路的“新丝 路”_2]。新建兰新高速铁路采用无砟轨道,因此对路基 工后沉降的控制提出了很高的要求。由于客运专线对 戈壁路基、桥梁和隧道的特殊要求以及国内外可供借 鉴的研究成果和工程经验不足,尤其是在线下工程基 础沉降方面,目前还没有一套比较完整而又实用的监 测方法,因此,对戈壁地区高速铁路沉降变形监测进行 研究,建立一个科学、系统的沉降变形监测系统是非常 有必要的。目前,路基的沉降监测方法按其监测内容 的不同,可以分为地表沉降量监测和路基内部沉降量 监测两部分。地表沉降量监测主要有水准测量法、沉 降板法、分层沉降仪法、单点沉降计法和GPS法等;路 基内部沉降量监测主要有水平测斜沉降仪、静力水准 仪等方法【4 J。这些方法大多适用于施工期间对线下 构筑物的监测。目前常用的铁路测量的方法是采用三 维激光测量车,该方法的特点是效率高,可以自动显示 变形信息;但其缺点是不能实时进行监测(观测频次 一般为15 d),而且无法测量出构筑物内部的变形情 况。因此,必须选择合理的监测方法进行监测。合理 的监测方法不但可以达到沉降监测的目的,而且还能 节约成本,提高工作效率,保证沉降数据的精度。本文 针对兰新第二双线铁路高填方的实际情况,设计了路 基沉降自动化监测系统的整体方案。 2 路基沉降自动化监测系统整体设计 方案 目前我国常用的沉降监测的方法以沉降板法为 主。它采用水准测量的方法获得沉降量,其精度可以 达到1 mm。这种方法虽然安装方便,但是测点很容易 被损坏,而且还要人工逐点测量,不能自动监测。尤其 是它受外界因素的影响较大,比如刮风下雨就无法正 常作业,因而造成观测频次不能满足规范的要求。另 一方面,人工长期观测不但误差大,而且费用也比较 高,且沉降板法只适用于铁路施工期间进行观测,一旦 道路通车后,便无法继续进行沉降观测,缺乏长久性。 为了能够长期、快速、方便地获得路基沉降变形资 料,本文提出了路基沉降自动化监测系统。路基沉降 自动化监测系统是笔者结合传感器技术、单片机技术、 通信技术以及计算机技术等设计的一种沉降监测方 法。它主要由监测单元、数据采集单元、数据传输单元 和数据监控单元四部分组成。总体的设计方案如图1 所示。 图1路基沉降自动化监测系统总体设计方案图 2.1监测单元 所谓监测单元,就是直接埋设于被测物体内部的 沉降观测设备,其作用与沉降板相同。在路基沉降自 动化监测系统中,这一部分主要由传感器所组成。由 于传感器的种类繁多,而且其原理和结构也不相同,所 以要根据工程的实际情况选择合适的传感器。 2.1.1传感器的选择原则 本文结合兰新第二双线铁路的实际情况,提出在 选用传感器时应注意以下几点: (1)所选传感器必须能够满足测量的需要。具体 指标包括量程、灵敏度、精度、频率响应范围、温度和湿 度等 ;(2)靛陛稳定性。指在室温条件下,经过相当长的时指在室温条 经过相当长的时国一间间隔,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差 异。影响传感器长期稳定性的因素较多,但主要来自 2个方面,一个是传感器本身的结构,另一个是传感器 使用的环境所带来的影响。 (3)成本和效益。低成本、高效益一直是人们梦 寐以求的事情。通常情况下,传感器的指标越高,代表 其性能越好,但是随着指标的提高,其成本也在上升。 因此,选择传感器时只要能达到所需的精度即可,不必 追求最好的。 2.1.2兰新高速铁路传感器的选择及其特点 兰新高速铁路所使用的传感器是用来测量高填方 路基内部的沉降变化量的,所以必须全部埋到路基下 面,因此,所选的传感器必须有很强的环境适应能力。 根据兰新高速铁路的实际情况及传感器选用的原则, 最终选择LVDT位移测量传感器作为兰新高速铁路路 基沉降自动化监测系统的监测单元。 LVDT位移测量传感器的技术指标: (1)结构简单,工作可靠,寿命长,线性度好,重复 性好,性价比高; (2)精度高,精度可达0.05%,一般为0.25%、 0.5%: 第5期 廖世芳,等:兰新高速铁路路基沉降自动化监测系统整体设计方案 2013年1O月 (3)绝对误差最高可达1 Ixm; (4)重复性好,最高可达1 Ixm; (5)灵敏度高,一般每1 mm位移输出为数百mV, 最高可达几V; (6)分辩率高,一般为0.1 Ixm: (7)测量范围宽,±0.1一±500 mm甚至更大; (8)工作温度范围大,一般为一55 ̄C~+150 ̄C可 扩展到+220oC。 通过LVDT位移测量传感器的技术指标不难看 出,LVDT位移测量传感器具有测量精度高、结构简 单、自动记录、便于安装、性价比高等优点,所以选择它 作为监测单元是非常正确的。 2.1.3 LVDT位移测量传感器工作原理 LVDT是线性可变差动变压器的缩写。其工作原 理简单地说是铁芯可动变压器。它由1个初级线圈、 2个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成(如图 2)。当铁芯由中间向两边移动时,次级2个线圈输出 电压之差与铁芯移动成线性关系。 当初级线圈P1、P2之间供给一定频率的交变电 压时,铁芯在线圈内移动改变了空间的磁场分布,从而 改变了初级、次级线圈之间的互感量,次级线圈S11、 _ ¥22之间就产生感应电动势。随着铁芯的位置不同, 互感量也不同,次级产生的感应电动势也不同,这样就 将铁芯的位移量变成了电压信号输出。由于2个次级 线圈电压极性相反(如图2),所以输出电压为差动 电压。 i j SI1 图2 LVDT原理图 当铁芯往右移动时,次级线圈2感应的电压大于 次级线圈1;当铁芯往左移动时,次级线圈1感应的电 压大于次级线圈2,两线圈输出的电压差值大小随铁 芯位移而成线性变化。当铁芯移动行程大于100% 时,2次级线圈输出电压的差值与铁芯位移线性关系 变差。零点两边的实线段一般是对称的测量范围,两 者都是交流信号而相位差180。。实际的LVDT线圈通 常与壳体紧固为一体,铁芯与测杆紧固为另一体,当两 体间发生相对位移时,就产生位移电压输出。 2.1.4传感器的布设和安装 LVDT位移测量传感器的布设和安装可模仿单点 沉降计。 2.2数据采集单元 选好沉降监测单元之后,下一步工作就要开始进 行数据采集。数据采集单元的主要任务是接收和转换 已经安装的位移传感器获得的监测数据,然后通过数 据传输单元发送到数据监控单元。除此之外,数据采 集模块还要通过蓝牙或者串口接收由Pc机传来的指 令,所以数据采集模块和PC机要进行双向、远程的数 据交换。 数据采集单元应包括:电源模块、输入输出模块、 串口扩展、存储器扩展、通讯模块、时钟控制等,这些主 要集成在单片机上,因此本文将单片机作为数据采集 单元的重要组件。 2.2.1单片机介绍 单片机是一种集成在电路芯片,采用超大规模集 成电路技术,把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O接 口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显 示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转 换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善 的计算机系统,相当于一个微型的计算机。它主要由 运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成,其主要特 性为体积小、质量轻、价格便宜,为学习、应用和开发提 供了便利条件 。 2.2.2兰新高速铁路单片机的选择及其特点 结合兰新高速铁路的实际情况,本文选择 STC12C5410AD系列的单片机作为兰新高速铁路路基 沉降自动化监测系统的数据采集单元。 STC12C5410AD单片机是STC公司基于8051内核而 研发的新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统 8051,速度比原先快了8~12倍,内部集成MAX810专 用复位电路,4路PWM,8路高速,10位A/D转换,加 密性好,抗干扰强 。 STC12C5410AD系列单片机中包含中央处理器、 程序存储器、数据存储器、定时/计数器、UART串口、 I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片 内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。 STC12C5410AD系列的单片机几乎包含了数据采集和 第5期 廖世芳,等:兰新高速铁路路基沉降自动化监测系统整体设计方案 2013年10月 3.2 兰新高速铁路路基沉降自动化监测系统的特点 铁路的变形监测能够直接反应铁路的安全运行情 况,使用路基沉降自动化监测系统进行沉降监测,其优 点体现在以下几个方面: (1)路基沉降自动化监测系统受人为因素的影响 较小,数据可靠; (2)路基沉降自动化监测系统受天气的影响较 小,不会因为刮风下雨而无法施测,它可以全天候作 业,因而保证了观测的频次; (3)路基沉降自动化监测系统劳动强度小、效率 高、可以自动监测,而且可以根据需要调整数据采集的 间隔; (4)路基沉降自动化监测系统的监测单元都布设 在路基内部,因此一般不会对工程施工造成影响(往 往由于观测原件要高于路基表面,所以会对工程施工 带来一定的影响); (5)路基沉降自动化监测系统可以节约时间、减 少人力和物力的投入,提高观测的效率。 4 结论 及计 某 形监测的路基沉降自动化监测系统。该系统主要由监 测单元(由LVDT位移测量传感器组成)、数据采集单 元(由STC12C5410AD单片机组成)、数据传输单元 (由GPRS组成)、数据监控单元四部分组成。该系统 具有无人值守、全天候作业、自动化采集、自动化传输、 自动化处理等优势,而且还可以在运用阶段对线下构 筑物进行实时监测。因此,它是一种非常好的沉降变 形监测方法,值得推广。 目前,该方法还未应用在实际工程中,但是类似的 方法却已经在武广高速铁路、京沪高速铁路等多条线 路中得到了应用,而且效果非常显著。 参考文献: [1]陆衍,李勤奋,过仲阳,等.上海地面沉降自动监测及信息系统 [J].华东师范大学学报:自然科学版,2002(4):63—68. 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