軌道變形監測系統設計與應用

時佳斌 柴雪松 王智超 劉艷芬 馮毅杰 凌烈鵬 暴學志

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵科學技術開發有限公司，北京 100081

受復雜氣候與地質環境、自然災害等影響，鐵路軌道結構會出現上拱、橫向位移等結構變形［1］，影響軌道結構穩定性與耐久性，嚴重時威脅鐵路運營安全。

國內高校和科研院所相繼開展了軌道在線監測技術研究。畢瀾瀟等［2］通過對雙塊式無砟軌道溫度場進行有限元模擬和實測，提出了雙塊式無砟軌道溫度場監測方法。閔永智［3］利用圖像技術進行了路基沉降監測。王玉澤等［4］分析了采用電阻應變片式、振弦式、電渦流等手段開展軌道綜合監測的應用實例。梅琴［5］選取溫度傳感器、振弦式位移傳感器、振弦式應變傳感器在鄭徐高速鐵路跨京杭大運河徐州特大橋的CRTSⅢ型板式無砟軌道結構開展服役狀態監測，分析了CRTSⅢ型板式無砟軌道結構的溫度場、受力及變形。

上述技術手段的前提在于找到固定不動的基準點，采用不同技術獲取軌道相對于基準點的位移，進而得到線形變化等數據。對于地質災害引起的軌道變形，由于線路隨同下部基礎一起移動，在軌道變形監測時無法找到明確的測量基準點，因此既有監測技術不再適用［6-8］。

為滿足鐵路運營安全需求，采用分布式光纖傳感技術，結合弦測裝置及測量方法，設計軌道變形監測系統，通過對實時采集光纖應變數據進行處理，得到按弦長計算的結構變形數據，以實現軌道結構變形的在線監測，為軌道狀態在線監測提技術支撐。

1 系統硬件設計

軌道變形監測系統由傳感光纖、弦測裝置、光纖解調儀與處理計算機組成，如圖1所示。弦測裝置在軌道上連續安裝，內部連續布設傳感光纖，傳感光纖被劃分為應變測量段和溫度測量段。傳感光纖作為傳感元件接入光纖解調儀，并將采集到的頻率、應變、溫度等測量信息輸出至處理計算機。處理計算機從光纖解調儀接收測量信息，對測量信息進行解算處理，并將解算處理結果通過網絡上傳。

圖1 系統組成

弦測裝置由剛性橫梁、光纖錨固件、連接件、連接線、轉向裝置、緊固件組成。剛性橫梁一端錨固在軌道上，另一端以橫向限位方式與軌道相連，可以相對軌道轉動和縱向滑動。傳感光纖設置在剛性橫梁內部并沿縱向連續布設。如圖2所示，在軌道板邊緣并排安裝兩組弦測裝置，兩組弦測裝置中點交錯設置。

圖2 光纖弦測裝置部署示意

2 系統軟件設計

2.1 軟件架構

軌道變形監測系統的軟件由參數設置模塊、數據采集與處理模塊、數據展示模塊三部分組成。參數設置模塊包括硬件參數設置與光纖參數設置功能；數據采集與處理模塊包括溫度采集、應變采集、位移計算等功能；數據展示模塊包括曲線操作、測量結果展示。

2.2 處理流程

軌道變形監測流程見圖3。首先進行初始化，對光纖解調儀的采集模式、采樣頻率、脈沖寬度進行配置，同時設置傳感光纖的光纖溫度系數、光纖中心頻率等參數。初始化成功后實時采集基線與應變數據，對應變數據進行溫度補償。最終通過相關算法將溫度補償后的數據轉換為位移數據，實現軌道變形在線監測，發生軌道變形時及時報警。

圖3 軌道變形監測流程

2.3 位移計算方法

位移計算是軟件的主要輸出內容，過程如下。

1）通過光纖解調儀及處理計算機連續檢測傳感光纖的實時信號，采集并儲存傳感光纖各段初始狀態信息。

2）過渡段光纖信號反映環境溫度的變化，須計算得到消除溫度影響后光纖信號變化量Δs，計算式為

式中：s1為過渡段光纖信號；s2為測量段光纖信號。

3）根據光纖信號與應變的線性關系，解算出測量段光纖應變變化量Δε，計算式為

式中：Cε為光纖應變影響系數，由其自身性質決定。

4）由光纖應變變化量Δε計算得到弦長范圍內的結構變形x，即弦測的正矢，計算式為

式中：k為光纖應變變化量與拉伸變形的比例系數。5）計算輸出所需弦長弦測值Xi，計算式為

式中：n為大小弦長之比；x為小波長弦測值；i為弦序號。

2.4 報警上傳

計算得到軌道變形數據后，對其是否超限進行判斷，若超限則形成報警報文上傳到報警管理系統。報警報文格式見表1。

表1 報警報文格式

3 現場應用

軌道變形監測系統于2020年10月8日在某地質災害段現場投入應用，軟件界面見圖4。

圖4 軟件界面

在該線路里程K1759+008—K1759+208（隧道口）、K1759+548—K1759+808（隧道中部）區段鋪設分布式光纖，其中選取監測現場軌道無變形的點整理了2020年11月01日至2021年10月31日整年度的監測數據。監測現場的主要變化工況包括列車通過時引起的振動和環境溫度的變化。

3.1 列車振動對系統監測結果的影響

選取一天當中列車通過時段（27次）和無車時段（27次）的監測數據進行統計，結果見圖5。可以看出，有無列車通過時監測數據基本一致，說明本系統的處理算法可以消除列車振動的影響。

圖5 有無列車通過時軌道變形監測數據對比

3.2 環境溫度對系統監測結果的影響

3.2.1 溫度隨時間變化

監測時段內環境溫度及監測數據隨時間的變化曲線見圖6。可以看出：監測區段全年最低、最高溫度分別發生在2021年1月11日、2021年8月3日，最大溫度差約12℃；監測數據在-2.0～2.5 mm波動，說明本系統的溫度補償算法可以有效消除溫度影響，對監測結果影響很小。

圖6 環境溫度及監測數據隨時間的變化曲線

3.2.2 溫度沿里程的變化

最低溫度日（2021年1月11日）環境溫度及監測數據沿線路里程的變化曲線見圖7。可以看出：隧道口溫度低于隧道中間；軌道變形在-2～2 mm波動，從空間上進一步說明本系統可以有效消除溫度影響。

圖7 最低溫度時環境溫度及監測數據沿里程的變化曲線

綜上，本系統可以適應溫度變化和列車振動的影響，檢測精度滿足設計要求（-3～3 mm）。

3.3 系統應用

2021年5月31日，系統發生報警，軌道變形沿里程的變化曲線見圖8。可以看出：軌道變形集中發生在K1759+130—K1759+160以及K1759+580—K1759+620區段，10 m弦軌道最大位移約19.6 mm。經人工現場檢查，確認線路發生嚴重變形，與監測數據一致。由于報警及時，這次由山體滑坡引起的軌道結構變形沒有導致嚴重后果，保障了鐵路行車安全。

圖8 系統報警時軌道變形沿里程的變化曲線

4 結語

本文提出的軌道變形監測系統，以分布式光纖傳感技術為基礎，結合弦測裝置及測量方法，解決了既有技術面臨線路變形監測無測量基準的技術困難。經現場應用，系統可以及時、準確地對軌道結構變形進行監測及報警，為軌道變形在線監測提供了技術支持，對保障鐵路運輸安全有重要意義。