CN107560657A - 一种声屏障监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声屏障监测系统及方法，该系统包括若干个声屏障监测装置、后台数据管理单元，声屏障监测装置包括振动加速度检波单元、数据采集传输单元，振动加速度检波单元安装在声障屏外侧，以获取列车经过声障屏时产生的脉动载荷对声障屏立柱顶端产生的振动加速度信号，该加速度信号经数据采集传输单元进行初步处理后，将数据传送给后台数据管理单元，完成对声屏障服役安全状况的评估。本发明造价低廉、安装方法简单，在野外无人值守情况下，也能实现传感器信号的实时采集和无线传输，并自动完成声屏障安全状况的定量评估，对有安全隐患的声屏障及时修护，有效减少因声屏障损坏脱落造成的安全事故。

Description

一种声屏障监测系统和方法

技术领域

本发明属于铁路安全监测领域，尤其涉及一种声屏障监测系统及方 法。

背景技术

声屏障，主要用于铁路、高速公路、高架复合道路和其他噪声源的 隔声降噪，是为了减轻行车噪声对附近居民的影响而设置在铁路和公路 侧旁的墙式构造物。长期以来，国内外对声屏障的研究主要集中于其降 噪特性上，对其坑风压、抗冲击、抗疲劳等动力特性关注较少。

2003年，科隆至法兰克福铁路声屏障事故发生后，诸多国家开始重 视高速列车空气动力学对声屏障强度、疲劳和耐久性的影响，结果表明： 高速列车驶经声屏障区域时，将引起声屏障周围的空气压力发生突变， 形成交变气动压力冲击；车头进入声屏障区域时，声屏障近轨迎风面先 承受正压，再承受负压；车尾进入声屏障区域时，先承受负压，再承受正压；脉动压力与列车速度的平方成正比，最大正负压之差超过1000Pa。

声屏障长期受列车经过引起的气流波动、气候环境因素等原因，会 导致声屏障老化损伤，若声屏障损伤后部分掉落至轨道上将会造成严重 的安全事故，因此需对声屏障进行定期检查维护，避免重大安全事故的 发生。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于评估声 屏障安全性能、以防声屏障损伤后导致安全事故的监测系统及方法。

为实现上述目的，本发明一种声屏障监测系统，包括若干个声屏障 监测装置、后台数据管理单元，声屏障监测装置包括振动加速度检波单 元、数据采集传输单元，振动加速度检波单元安装在声障屏外侧，以获 取列车经过声障屏时产生的脉动载荷对声障屏立柱顶端产生的振动加速 度信号，该加速度信号经数据采集传输单元进行初步处理后，将数据传 送给后台数据管理单元，对加速度信号进行滤波、积分处理，采用故障 诊断模型，开展声屏障结构故障诊断，得到声屏障结构安全评估报告， 完成对声屏障服役安全状况的评估。

进一步，所述振动加速度检波单元包括振动加速度传感器、IC放大 器、封装外壳及连接件，振动加速度传感器与IC放大器连接，两者被集 装与封装外壳中。

进一步，所述连接件包括固定件和传输件，通过固定件将所述振动 加速度检波单元固定在声屏障立柱上，通过传输件将采集到的振动加速 度信号传输给所述数据采集传输单元。

进一步，所述数据采集传输单元在声障屏外侧附近的立杆上，包括 数据采集模块、数据传输模块和终端控制模块，数据采集模块、数据传 输模块分别与终端控制模块连接，终端控制模块内存储有预先设置的流 程程序，控制所述数据采集传输单元自主完成振动加速度数据的采集、 传输，以及其启动、关闭操作。

进一步，所述终端控制模块包括中央处理器、A/D转换器、传输块、 供电块、封装外壳及连接件。

进一步，所述声屏障监测装置还包括供电单元，该供电单元安装在 声障屏外侧附近的立杆上，为所述数据采集传输单元提供电力；所述供 电单元主要由太阳能电池板、太阳能充放电控制器、锂电池组、浪涌抑 制模块构成。

进一步，所述太阳能电池板输出端子与所述太阳能充放电控制器的 太阳能接线端子对应连接，所述太阳能充放电控制器的锂电池接线端子 与所述锂电池组的正、负极对应连接，锂电池与所述数据采集传输单元 连接；同时，浪涌抑制模块与所述数据采集传输单元并联，能够有效吸 收高能雷电对数据采集传输单元产生的浪涌冲击，防止雷电进入设备内 部对电路形成危害。

进一步，所述后台数据管理单元包括数据接收管理模块、数据处理 分析模块及安全性评估模块。

进一步，所述数据接收管理模块包括MySQL数据库及无线数据接收 端口，在线接收来自现场的声屏障加速度数据，统一存储于振动加速度 数据库中，为后续数据分析评估提供调用接口；所述数据处理分析模块 包括数据滤波块和加速度积分块，前者采用卡尔曼滤波方法，剥离去除 实测振动加速度数据中的杂波成分，后者采用时域-频域混合积分方法， 解译测点东位移信号，并存储于振动位移数据库中；所述安全性评估模 块根据声屏障结构类型及其动位移时程曲线，采用故障诊断模型，开展 声屏障结构故障诊断，并生成声屏障结构安全评估报告。

一种声屏障监测方法，步骤如下：

(1)获取加速度信号

列车经过声障屏时，产生的脉动载荷对声障屏立柱顶端产生的振动 加速度信号，被安装在立柱上的振动加速度检波单元获取；

(2)将加速度信号转化为数字信号

振动加速度检波单元将获取的加速度信号，经数据采集传输单元初 步处理，过滤干扰信号，将加速度信号转化为数字信号；

(3)根据数字信号生成安全评估报告

将数字信号传输给后台数据管理单元，经数据接收管理模块将该数 字信号统一存储于振动加速度数据库中；通过数据处理分析模块采用卡 尔曼滤波方法，剥离去除实测振动加速度数据中的杂波成分，对加速度 数字信号进行滤波处理，同时，通过数据处理分析模块采用时域-频域混 合积分方法，解译测点东位移信号，对对加速度数字信号进行积分处理， 并存储于振动位移数据库中；安全性评估模块根据声屏障结构类型及其 动位移时程曲线，采用故障诊断模型，开展声屏障结构故障诊断，并生 成声屏障结构安全评估报告。

本发明一种声屏障监测系统及方法，造价低廉、安装方法简单，在 野外无人值守情况下，也能实现传感器信号的实时采集和无线传输，并 自动完成声屏障安全状况的定量评估，对有安全隐患的声屏障及时修护， 有效减少因声屏障损坏脱落造成的安全事故。

附图说明

图1为声屏障监测装置的结构示意图；

图2为声屏障监测装置的结构框图

图3为声屏障监测系统的结构框图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发 明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理 解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使 本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术 人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空 间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或 特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在 于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置， 被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以 其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明 可相应地解释。

如图1至图3所示，本发明一种声屏障监测系统，包括若干个声屏 障监测装置、后台数据管理单元6，声屏障监测装置包括振动加速度检波 单元1、数据采集传输单元2，振动加速度检波单元1安装在声障屏4外 侧，以获取列车经过声障屏4时产生的脉动载荷对声障屏立柱顶端产生 的振动加速度信号，该加速度信号经数据采集传输单元2进行初步处理后，将数据传送给后台数据管理单元6，对加速度信号进行滤波、积分处 理，采用故障诊断模型，开展声屏障结构故障诊断，得到声屏障结构安 全评估报告，完成对声屏障服役安全状况的评估。

声屏障监测装置还包括供电单元3，数据采集传输单元2分别与振动 加速度检波单元1、供电单元3连接。

振动加速度检波单元1设置在声屏障4立柱顶端，高速列车驶经声 屏障时产生的脉动载荷对立柱顶端产生振动加速度，通过振动加速度检 波单元1进行实时采集。振动加速度检波单元1包括振动加速度传感器 11、IC放大器12、封装外壳13及连接件14，振动加速度传感器与IC放 大器12连接，两者被集装与封装外壳13中，通过连接件14中固定件141 将振动加速度检波单元1固定在声屏障4立柱上，通过连接件14中传输 件142将采集到的振动加速度信号传输给数据采集传输单元2。

在本实施例中，振动加速度传感器11选用高精度的MEMS加速度传 感器，量程为±8g，分辨率为600mV/g；IC放大器12利用MOS场效应 管，使用高阻值电阻与振动加速度传感器电容构成一阶高通滤波器，过 滤振动信号中无用的高频干扰；封装外壳13选用不锈钢结构防护，IP 67 密封等级，以抗电磁干扰；固定件141采用的为可拆卸结构——螺栓结 构，螺母螺纹尺寸M 5mm，用于将振动加速度检波装置固定在声屏障立柱 上；传输件采用的为传输电缆，电缆长4m，外包屏蔽网，用于数据传输 和电流供给。在实际应用中，可根据具体情况选择合适类型的各部件， 不限定于本实施例中提到的各部件类型。

数据采集传输单元2在声障屏4外侧附近的立杆5上，包括数据采 集模块21、数据传输模块22和终端控制模块23，数据采集模块21、数 据传输模块22分别与终端控制模块23连接，终端控制模块23内存储有 预先设置的流程程序，控制数据采集传输单元2自主完成振动加速度数 据的采集、传输，以及其启动、关闭等操作。数据采集传输单元2将采 集到的数据进行初步处理，主要是将不符合列车震动频率段的杂波进行 初步过滤，消除人为晃动、风载等自然现象对数据的干扰。

终端控制模块23包括中央处理器、A/D转换器、传输块、供电块、 封装外壳及连接件。在本实施例中，中央处理器具有信号处理算法、高 速缓存和浮点运算等功能，高效低功耗地完成控制数据采集传输单元2 启动、数据采集、数据传输、关闭等采控操作；A/D转换器采用20位模 拟数字转换，以1000Hz采样频率采集振动加速度信号，传输给中央处 理器；传输块借助无线通讯网络，将中央处理器内存中的数字信号传回 铁路工务段；供电块采用4.3V/20Ah可充锂电池，可在电弓升降、晶闹 管调压、变频设备、大型变压器、电动机等强干扰源影响下，提供600h 稳定、干净的电量，以每天工作2h计算的话，可供现场检测设备工作半 年；封装外壳选用铝质结构防护，内衬抗电磁干扰的屏蔽层，IP 67密封 等级；连接件包括电缆线输入接口、充电口、外接天线、底部螺栓等。 在实际应用中，可根据具体情况选择合适类型的各部件，不限定于本实 施例中提到的各部件类型。

供电单元3安装在声障屏4外侧附近的立杆5上，为数据采集传输 单元2提供电力。供电单元主要由10W太阳能电池板、太阳能充放电控 制器、锂电池组(12.6V，20Ah)、浪涌抑制模块构成。太阳能电池板 输出端子与太阳能充放电控制器的太阳能接线端子对应连接，太阳能充 放电控制器的锂电池接线端子与锂电池的正、负极对应连接，锂电池与 数据采集传输装置连接。同时，浪涌抑制模块与数据采集传输装置并联， 能够有效吸收高能雷电对数据采集传输装置产生的浪涌冲击，防止雷电 进入设备内部对电路形成危害。

此外，声屏障监测装置还包括其他附属配件，如振动加速度检波装 置的固定底座、数据线及其他外部套管、立杆、控制箱、太阳能电池板 支架，为振动加速度检波装置、数据采集传输装置和供电装置提供安装 支撑和外壳保护。

如图3所示，若干个上述声屏障监测装置有线连接或者网络通信连 接后台数据管理单元，形成声屏障监测系统，后台数据管理单元6设置 在铁路工务段的监控室内，接收数据采集传输单元2传输过来的数据， 并对其进行存储、滤波、积分、评估等在线数据分析，自动完成对声屏 障服役安全状况的定量评估。如图3所示，虽只列举了四个声屏障监测 装置(M1、M2、M3、M4)与后台数据管理单元6相连的情况，但在实 际应用中一个后台数据管理单元6并不局限于只连接四个声屏障监测装 置，实际应用中一个后台数据管理单元6可同时接受一个路段、多个路 段、一个区域或多个区域的声屏障监测装置传送的信息，分配方式可根 据具体情况作出，以便管理即可。此外，这种分配方式不是唯一不变的， 可根据路段、管理方式等的变化作出相应的调整。

后台数据管理单元6包括数据接收管理模块61、数据处理分析模块 62及安全性评估模块63，其中，数据接收管理模块61包括MySQL数据 库及无线数据接收端口，可在线接收来自现场的无线传输数据，统一存 储于数据库中，并为后续数据分析评估提供调用接口；数据处理分析模 块62包括数据滤波块和加速度积分块，前者采用卡尔曼滤波方法，剥离去除实测振动加速度数据中的杂波成分，后者采用时域-频域混合积分方 法，解译测点东位移信号，并存储于数据库中；安全性评估模块63根据 声屏障结构类型及其动位移时程曲线(加速度传感器通过加速度值以及 声屏障的材料特性，通过换算得到振幅曲线即动位移)，采用故障诊断模 型，开展声屏障结构故障诊断，并生成声屏障结构安全评估报告。

本发明一种声屏障监测系统，在声屏障4上安装振动加速度检波单 元1，获取列车经过声障屏4时产生的脉动载荷对声障屏4立柱顶端产生 的振动加速度信号，并将获得的加速度信号传送给数据采集传输单元2， 将数据采集传输单元2处理过的数据信息，传送给相应的后台数据管理 单元6经分析评估得到该声屏障的安全评估报告，获得该声屏障的是否 出现损伤，是否需要及时修护等信息。后台数据管理单元6可同时接收、 处理若干个声屏障处声屏障监测装置传送过来的信息，在实际应用中， 可将某路段所有的声屏障监测信息汇总在同一个后台数据管理单元，或 者可将某一区域内的所有声屏障监测信息汇总在同一个后台数据管理单 元，具体分配方式可根据实际情况做出选择。

一种声屏障监测方法，步骤如下：

(1)获取加速度信号

列车经过声障屏时，产生的脉动载荷对声障屏立柱顶端产生的振动 加速度信号，被安装在立柱上的振动加速度检波单元获取；

(2)将加速度信号转化为数字信号

振动加速度检波单元将获取的加速度信号，经数据采集传输单元初 步处理，过滤干扰信号，将加速度信号转化为数字信号；

(3)根据数字信号生成安全评估报告

将数字信号传输给后台数据管理单元，经数据接收管理模块将该数 字信号统一存储于振动加速度数据库中；通过数据处理分析模块采用卡 尔曼滤波方法，剥离去除实测振动加速度数据中的杂波成分，对加速度 数字信号进行滤波处理，同时，通过数据处理分析模块采用时域-频域混 合积分方法，解译测点东位移信号，对对加速度数字信号进行积分处理， 并存储于振动位移数据库中；安全性评估模块根据声屏障结构类型及其 动位移时程曲线，采用故障诊断模型，开展声屏障结构故障诊断，并生 成声屏障结构安全评估报告。

本发明一种声屏障监测系统及方法，是基于振动加速度得到声屏障 的结构安全评估报告，实现对声屏障的监测，以便及时发现声屏障损伤。 本发明适应于各种声屏障，尤其适用于高铁金属插板式声屏障，使用效 果最佳。

本发明一种声屏障监测系统及方法，造价低廉、安装方法简单，在 野外无人值守情况下，也能实现传感器信号的实时采集和无线传输，并 自动完成声屏障安全状况的定量评估，对有安全隐患的声屏障及时修护， 有效减少因声屏障损坏脱落造成的安全事故。

Claims (10)

1.一种声屏障监测系统，其特征在于，包括若干个声屏障监测装置、后台数据管理单元，声屏障监测装置包括振动加速度检波单元、数据采集传输单元，振动加速度检波单元安装在声障屏外侧，以获取列车经过声障屏时产生的脉动载荷对声障屏立柱顶端产生的振动加速度信号，该加速度信号经数据采集传输单元进行初步处理后，将数据传送给后台数据管理单元，对加速度信号进行滤波、积分处理，采用故障诊断模型，开展声屏障结构故障诊断，得到声屏障结构安全评估报告，完成对声屏障服役安全状况的评估。

2.根据权利要求1所述的一种声屏障监测系统，其特征在于，所述振动加速度检波单元包括振动加速度传感器、IC放大器、封装外壳及连接件，振动加速度传感器与IC放大器连接，两者被集装与封装外壳中。

3.根据权利要求2所述的一种声屏障监测系统，其特征在于，所述连接件包括固定件和传输件，通过固定件将所述振动加速度检波单元固定在声屏障立柱上，通过传输件将采集到的振动加速度信号传输给所述数据采集传输单元。

4.根据权利要求1所述的一种声屏障监测系统，其特征在于，所述数据采集传输单元在声障屏外侧附近的立杆上，包括数据采集模块、数据传输模块和终端控制模块，数据采集模块、数据传输模块分别与终端控制模块连接，终端控制模块内存储有预先设置的流程程序，控制所述数据采集传输单元自主完成振动加速度数据的采集、传输，以及其启动、关闭操作。

5.根据权利要求4所述的一种声屏障监测系统，其特征在于，所述终端控制模块包括中央处理器、A/D转换器、传输块、供电块、封装外壳及连接件。

6.根据权利要求1所述的一种声屏障监测系统，其特征在于，所述声屏障监测装置还包括供电单元，该供电单元安装在声障屏外侧附近的立杆上，为所述数据采集传输单元提供电力；所述供电单元主要由太阳能电池板、太阳能充放电控制器、锂电池组、浪涌抑制模块构成。

7.根据权利要求6所述的一种声屏障监测系统，其特征在于，所述太阳能电池板输出端子与所述太阳能充放电控制器的太阳能接线端子对应连接，所述太阳能充放电控制器的锂电池接线端子与所述锂电池组的正、负极对应连接，锂电池与所述数据采集传输单元连接；同时，浪涌抑制模块与所述数据采集传输单元并联，能够有效吸收高能雷电对数据采集传输单元产生的浪涌冲击，防止雷电进入设备内部对电路形成危害。

8.根据权利要求1所述的一种声屏障监测系统，其特征在于，所述后台数据管理单元包括数据接收管理模块、数据处理分析模块及安全性评估模块。

9.根据权利要求8所述的一种声屏障监测系统，其特征在于，所述数据接收管理模块包括MySQL数据库及无线数据接收端口，在线接收来自现场的声屏障加速度数据，统一存储于振动加速度数据库中，为后续数据分析评估提供调用接口；所述数据处理分析模块包括数据滤波块和加速度积分块，前者采用卡尔曼滤波方法，剥离去除实测振动加速度数据中的杂波成分，后者采用时域-频域混合积分方法，解译测点东位移信号，并存储于振动位移数据库中；所述安全性评估模块根据声屏障结构类型及其动位移时程曲线，采用故障诊断模型，开展声屏障结构故障诊断，并生成声屏障结构安全评估报告。

10.一种声屏障监测方法，步骤如下：

(1)获取加速度信号

列车经过声障屏时，产生的脉动载荷对声障屏立柱顶端产生的振动加速度信号，被安装在立柱上的振动加速度检波单元获取；

(2)将加速度信号转化为数字信号

振动加速度检波单元将获取的加速度信号，经数据采集传输单元初步处理，过滤干扰信号，将加速度信号转化为数字信号；

(3)根据数字信号生成安全评估报告

将数字信号传输给后台数据管理单元，经数据接收管理模块将该数字信号统一存储于振动加速度数据库中；通过数据处理分析模块采用卡尔曼滤波方法，剥离去除实测振动加速度数据中的杂波成分，对加速度数字信号进行滤波处理，同时，通过数据处理分析模块采用时域-频域混合积分方法，解译测点东位移信号，对对加速度数字信号进行积分处理，并存储于振动位移数据库中；安全性评估模块根据声屏障结构类型及其动位移时程曲线，采用故障诊断模型，开展声屏障结构故障诊断，并生成声屏障结构安全评估报告。