高速鐵路工務工程健康監測系統設計方案研究

李靜文 劉健娜

摘要：高速鐵路因列車速度快、運載量大，對鐵路橋梁、隧道、路基和軌道等工務工程有著高平順、高穩定性和高可靠性的要求。目前，對于整體線路工程中包含的橋梁、隧道、路基、軌道結構建立整套健康監測系統相對較少。針對這一情況，本文依托高速鐵路工務工程中包含的橋梁、隧道、路基、軌道等結構設計出一套完整的運營健康監測系統方案。

關鍵詞：高速鐵路;健康監測;線路工程。

1 引言

我國作為全世界運營里程最長，也是高速鐵路在建規模最大的國家。目前相關部門已經開始對已建成的高速鐵路工務工程如何進行有效的結構監測開始研究，但是現在的監測系統多數都是對于單個的橋梁、隧道、路基或者軌道的某一部分進行實時監測，而對于整體線路工程建立健康監測系統相對較少。為此，本文擬結合高速鐵路工務工程的特點，設計出一套相應的監測方案。

2 高速鐵路的主要特點

高速鐵路線路工程是典型的由不同結構物（橋梁、隧道、路基、軌道）相互串聯組成一個集成化、系統化的復雜系統。高速鐵路有以下特點：

2.1 高速列車為了保證速度快的特點，采用更多的橋梁和隧道來縮短距離。

2.2 高速列車行車速度快，密度大，對基礎設施和設備的依賴性能更強。

3 建立高速鐵路健康監測系統的總體目標和要求

3.1 監測系統的總體目標

3.1.1 獲取橋梁、隧道、路基和軌道結構在正常環境與交通條件下運營的特征信息，評估結構的健康狀態。對于沿線整體性和關鍵部位的損傷，對結構整體做出健康狀態評估和安全性評價。

3.1.2 評價高速鐵路工務工程中橋梁、隧道和路基、軌道承受動、靜荷載的能力和可靠性，為運營管理與養護維修提供依據。

3.2 系統的總體網絡結構圖

高速鐵路健康監測系統總體組成框架網絡結構圖。健康監測系統包括：現場數據采集、數據傳輸（有線或無線）、數據處理管理、安全評估和信息顯示等。

3.3 監測系統的模塊的集成

高速鐵路監測子系統包括橋梁、隧道、路基、軌道四大子模塊如圖1所示。再通過數據傳輸系統將監測信息傳輸到監控中心，并通過監控中心的處理與分析對結構進行安全狀態評估、狀態評價或發布預警信息等。

3.4 數據采集系統通信網絡

這個數據采集系統通信網絡分為四個基礎采集總站如圖2，各站包括：橋梁采集總站、隧道采集總站、路基采集總站、軌道采集總站。

4 高速鐵路監測系統軟件設計

高速鐵路健康監測系統按照監測系統的基本框架和系統的物理分布情況，將軟件系統劃分為6功能模塊，主要分為：（1）模塊1：數據采集和傳輸系統（2）模塊2：數據處理系統（3）模塊3：數據管理系統（4）模塊4：結構健康評價系統（5）模塊5：界面顯示系統（6）模塊6：養修決策系統。

4.1 系統界面功能設計

高速鐵路健康監測系統的軟件主要界面功能菜單見圖6所示，可以看出整個系統可分為：橋梁監測、隧道監測、路基監測、軌道監測、健康評估子系統、數據管理、文檔管理、巡檢養護、系統維護、系統管理等十大功能。

4.2 系統軟件的開發設計

高速鐵路健康監測系統數據庫管理平臺，服務器采用，操作系統采用Windows 2003 SERVER。監測系統的開發平臺采用LabView 7.0進行設計等。軟件儲存的數據包括傳感器采集數據、報表統計數據、圖像等多媒體數據。界面交互顯示層采用自行開發的專門應用于高速鐵路健康監測和數字化管養的客戶端系統，提供各種查詢和交互操作。軟件特點：（1）整個軟件系統實現統一界面方式運行，可以對橋梁、隧道、路基、軌道各個子系統無縫連接的顯示;（2）實現遠程實時監測的功能;（3）統一的數據采集軟件，支持多信號采集;（4）具有遠程維護功能;（5）界面實現圖形化，易操作。

5 高速鐵路健康監測系統設計實例

5.1 工程概況

京滬高速鐵路，線路由北京南站至上海虹橋站，全長1 318公里。線路中包含的橋梁長度1 140 km，占正線長度86.5%;隧道約長16 km，占正線長度1.2%;路基長162 km，占正線長度12.3%;本文選取位于濟南段路中的跨濟兗公路特大橋和西渴馬一號隧道全長2.812km以及濟南西客運站（車站路基及軌道）構成的一段高路鐵路線路，根據其結構特點建立一個自動建立一個監測系統。測區間段屬于京滬高速鐵路的第三標段DIK412+0.62.27-DK667+0.2673正線全長，地處山東省濟南市位于黃河以南沖積平原、丘陵及丘間平原，全線最重要的路基工點類型有軟土和松軟土地路基。

5.2 系統軟件的主要界面實現

高速鐵路健康監測系統軟件主要界面有登錄界面、系統主界面以及軟件的幾種主要功能實現界面。

5.2.1 登錄界面

健康監測系統登錄是在登錄主界面輸入用戶名和密碼確認后即可進入監測系統進行查詢。登錄的界面。

5.2.2 系統功能界面

登錄系統后進入主界面，如圖7所示，主界面采用分區布置，各區具體功能有：網絡狀態、用戶管理、系統維護、巡檢養護、輔助功能、橋梁監測、路基監測、隧道監測、軌道監測、結構診斷等。

以橋梁的監測分析為例介紹。下面把撓度的查詢過程為例進行演示。首先通過界面上橋梁模塊中的動態響應選擇撓度，如圖2所示。再選擇撓度波形查詢條件窗口對于要查詢的具體時間段進行選擇。最后彈出撓度波形圖窗口，其中顯示了撓度波形圖同時還記錄了行車的車次、起始時間和當時的環境情況。

6 結語

隨著高速鐵路的迅速發展，為了保障高速鐵路的運行安全，預防和避免工務設備基礎設施事故發生，需要建立高速鐵路健康監測系統將四大基礎設備聯系起來總體的監測與檢測，其中包括橋梁、隧道、路基、軌道狀態的檢測與監測，并利用數據集成平臺形成數據的集中管理、共享和綜合分析，為工務管理部門和作業維修部門提供安全監測與管理信息服務，以保證高速列車的運行安全。

參考文獻：

[1] 杜彥良， 張玉芝.趙維剛.高速鐵路線路工程安全監測系統構建[J].土木工程學報， 2012.

[2] 杜彥良， 蘇木標， 王慶敏.武漢長江大橋長期健康監測和安全評估系統研究[J].鐵道學報，2015 （4） ：101-110.