CN109813274A - 铁路桥形变监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁路桥形变监测系统和方法，所述系统包括：定位装置，定位装置用于获取铁路桥的桥面监测点的三维定位数据；设置在与桥面监测点相对应的桥墩上的水平位移检测装置，水平位移检测装置用于获取所在位置的水平位移数据；设置在与桥面监测点相对应的桥墩上的垂直位移检测装置，垂直位移检测装置用于获取所在位置的垂直位移数据；数据处理中心，数据处理中心分别与定位装置、水平位移检测装置和垂直位移检测装置进行通信连接，以接收三维定位数据、水平位移数据和垂直位移数据，并根据三维定位数据、水平位移数据和垂直位移数据得到铁路桥的形变状况。本发明能够精确、高效地对铁路桥的形变状况进行持续不间断地监测。

Description

铁路桥形变监测系统和方法

技术领域

本发明涉及轨道监测技术领域，具体涉及一种铁路桥形变监测系统和一种铁路桥形变监测方法。

背景技术

随着我国经济的持续高速发展，铁路交通，尤其是高速铁路已经在国民经济的生产和生活中占据着不可或缺的地位。目前，铁路系统的发展已经由大规模建设逐步转入后期的运维阶段，铁路，尤其是高速铁路的形变监测与调整是保障出行安全的重要手段。尤其是铁路桥，由于其建设的特殊性(架空建设)，相对更容易发生沉降。传统的铁路桥形变监测，大多利用全站仪、精密水准仪等光学仪器，虽然精度能够基本达到要求，但是由于受人为、天气、以及天窗期等因素的影响，不能连续进行，且工作效率低下，人工成本高。

发明内容

本发明为解决目前对于铁路桥的形变监测不能连续进行、工作效率低下等技术问题，提供了一种铁路桥形变监测系统和方法，能够对铁路桥的形变状况进行持续不间断地监测，监测的精确度和效率均较高，从而能够有效保障铁路桥的安全性。

本发明采用的技术方案如下：

一种铁路桥形变监测系统，包括：定位装置，所述定位装置用于获取所述铁路桥的桥面监测点的三维定位数据；水平位移检测装置，所述水平位移检测装置设置在与所述桥面监测点相对应的桥墩上，所述水平位移检测装置用于获取所在位置的水平位移数据；垂直位移检测装置，所述垂直位移检测装置设置在与所述桥面监测点相对应的桥墩上，所述垂直位移检测装置用于获取所在位置的垂直位移数据；数据处理中心，所述数据处理中心分别与所述定位装置、所述水平位移检测装置和所述垂直位移检测装置进行通信连接，以接收所述三维定位数据、所述水平位移数据和所述垂直位移数据，并根据所述三维定位数据、所述水平位移数据和所述垂直位移数据得到所述铁路桥的形变状况。

所述的铁路桥形变监测系统还包括：监测终端，所述监测终端与所述数据处理中心进行通信连接，以接收并展示所述铁路桥的形变状况。

所述定位装置包括：北斗监测站，所述北斗监测站设置于所述桥面监测点，所述北斗监测站包括北斗接收机和两个北斗卫星天线，所述两个北斗卫星天线分别设置在桥面两侧；第一北斗基准站，所述第一北斗基准站为所述北斗监测站提供基准定位数据，以便所述定位装置检测所述桥面监测点的位置。

所述水平位移检测装置包括设置于所述桥墩顶部的倾角传感器，所述倾角传感器用于检测所在位置的倾斜角度。

所述垂直位移检测装置包括：静力水准仪，所述静力水准仪设置于所述桥墩底部，所述静力水准仪用于检测所在位置的垂直位移量；第二北斗基准站，所述第二北斗基准站与所述静力水准仪相连，以为所述静力水准仪提供检测基准数据并相互校对。

一种铁路桥形变监测方法，包括：获取所述铁路桥的桥面监测点的三维定位数据，并获取设置在与所述桥面监测点相对应的桥墩上的水平位移检测装置所在位置的水平位移数据，以及获取设置在与所述桥面监测点相对应的桥墩上的垂直位移检测装置所在位置的垂直位移数据；根据所述三维定位数据、所述水平位移数据和所述垂直位移数据得到所述铁路桥的形变状况。

所述的铁路桥形变监测方法还包括：将所述铁路桥的形变状况发送至监测终端以进行展示。

所述水平位移数据包括倾斜角度，所述垂直位移数据包括垂直位移量。

根据所述三维定位数据、所述水平位移数据和所述垂直位移数据得到所述铁路桥的形变状况，具体包括：对所述桥面监测点的位置变化量、所述倾斜角度和所述垂直位移量进行判断；如果所述位置变化量小于等于第一位置变化阈值，且所述倾斜角度小于等于第一倾角阈值，且所述垂直位移量小于等于第一垂直位移阈值，则判定所述铁路桥正常；如果所述位置变化量大于所述第一位置变化阈值并小于第二位置变化阈值，且所述倾斜角度大于所述第一倾角阈值并小于第二倾角阈值，且所述垂直位移量小于所述第一垂直位移阈值，则判定所述铁路桥发生水平方向的形变；如果所述位置变化量大于所述第一位置变化阈值并小于所述第二位置变化阈值，且所述倾斜角度小于所述第一倾角阈值，且所述垂直位移量大于所述第一垂直位移阈值并小于第二垂直位移阈值，则判定所述铁路桥发生垂直方向的形变；如果所述位置变化量大于所述第一位置变化阈值并小于所述第二位置变化阈值，且所述倾斜角度大于所述第一倾角阈值并小于所述第二倾角阈值，且所述垂直位移量大于所述第一垂直位移阈值并小于所述第二垂直位移阈值，且持续时间大于预设时间阈值，则判定所述铁路桥发生水平方向的形变和垂直方向的形变。

所述的铁路桥形变监测方法还包括：在判定所述铁路桥发生水平方向的形变或垂直方向的形变时，还向所述监测终端发送报警信息。

本发明的有益效果：

本发明通过定位装置获取铁路桥的桥面监测点的三维定位数据，通过水平位移检测装置和垂直位移检测装置分别获取所在位置的水平位移数据和垂直位移数据，以及通过数据处理中心根据获取到的三维定位数据、水平位移数据和垂直位移数据得到铁路桥的形变状况，由此，能够对铁路桥的形变状况进行持续不间断地监测，监测的精确度和效率均较高，从而能够有效保障铁路桥的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例的铁路桥形变监测系统的方框示意图；

图2为本发明一个实施例的铁路桥形变监测系统的方框示意图；

图3为本发明一个实施例的铁路桥形变监测系统的结构示意图；

图4为本发明一个实施例的北斗高精度定位技术原理示意图；

图5为本发明一个实施例的垂直位移检测装置的结构示意图；

图6为本发明一个实施例的北斗基准站的结构示意图；

图7为本发明实施例的铁路桥形变监测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的铁路桥形变监测系统，包括定位装置10、水平位移检测装置20、垂直位移检测装置30和数据处理中心40。其中，定位装置10用于获取铁路桥的桥面监测点的三维定位数据；水平位移检测装置20设置在与桥面监测点相对应的桥墩上，水平位移检测装置20用于获取所在位置的水平位移数据；垂直位移检测装置30设置在与桥面监测点相对应的桥墩上，垂直位移检测装置30用于获取所在位置的垂直位移数据；数据处理中心40分别与定位装置10、水平位移检测装置20和垂直位移检测装置30进行通信连接，以接收三维定位数据、水平位移数据和垂直位移数据，并根据三维定位数据、水平位移数据和垂直位移数据得到铁路桥的形变状况。

进一步地，如图2所示，本发明实施例的铁路桥形变监测系统还可包括监测终端50，监测终端50与数据处理中心40进行通信连接，以接收并展示铁路桥的形变状况。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，定位装置10包括北斗监测站11和第一北斗基准站12。北斗监测站11设置于桥面监测点，北斗监测站11包括北斗接收机01和两个北斗卫星天线02，两个北斗卫星天线02分别设置在桥面两侧。第一北斗基准站12可为北斗监测站11提供基准定位数据，以便定位装置10检测桥面监测点的位置。本发明实施例的定位装置10利用北斗高精度定位技术，通过北斗监测站11和第一北斗基准站12实现基于基线解算实现高精度相对定位。相对定位是用两个或多个北斗站点的接收机分别安置在一条或多条基线的两端，同步观测相同的北斗卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，消去整周模糊度参数等，使基线精度提高。如图4所示，如果A和B两点在同一时间内观测了相同的一组卫星(至少四颗，图中以四颗S1～S4为例)，而且A是一个已知点，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点，那么B点的位置就可以加以确定。由此，通过第一北斗基准站12提供基准定位数据，能够得到较为精确的北斗监测站11所在位置的三维定位数据。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，垂直位移检测装置30包括静力水准仪31和第二北斗基准站32。静力水准仪31设置于桥面监测点之下的桥墩底部，静力水准仪31用于检测所在位置的垂直位移量；第二北斗基准站32与静力水准仪31相连，以为静力水准仪31提供检测基准数据并相互校对。其中，静力水准仪31设置于桥墩下部桥墩上，也可埋设与桥墩底部地下。进一步地，还可通过第一北斗基准站12为第二北斗基准站32提供和基准定位数据，通过上述北斗高精度定位技术，使得第二北斗基准站32为静力水准仪31提供的检测基准数据更加精确，从而提高垂直位移量的检测精度。如图5所示，通过静力水准仪31和第二北斗基准站32的联测，以c点为检测基准点，可得到桥墩a、b点的实时垂直位移数据(精度可达毫米级)以及a、b点之间的垂直位移差(精度可达亚毫米级)。

在本发明的一个实施例中，第一北斗基准站12与第二北斗基准站32的结构相同。如图6所示，每个北斗基准站均可包括观测墩001、强制对中基座002、天线罩003、天线电缆导管004和设备箱005。观测墩001可由钢筋混凝土制成，北斗基准站的北斗接收机及其附加器件可设置于设备箱005内，北斗基准站的北斗卫星天线可通过位于观测墩001顶端的强制对中基座002与观测墩001固定连接，北斗基准站的北斗卫星天线上部罩设天线罩003，天线罩003可为玻璃钢罩。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，水平位移检测装置20包括设置于桥面监测点之下的桥墩顶部的倾角传感器21，倾角传感器21用于检测所在位置的倾斜角度。倾角传感器21可与桥墩强力粘合，形成相对钢体结构，可实时监测桥墩的全向倾斜角度，精度可达±0.001°。

在本发明的一个具体实施例中，北斗基准站和北斗监测站包括但不限于国产或进口双星、三星、四星多频的卫星导航定位监测设备。北斗基准站、北斗监测站、静力水准仪和倾角传感器均可直接或通过监测网关向数据处理中心发送数据。其中，北斗基准站和北斗监测站传输的数据类型包括但不限于国际标准RINEX、RTCM数据等，静力水准仪、倾角计传输的数据包括但不限于RS485、RS232数据。数据传输的通讯方式可包括但不限于地面网络(2G/3G/4G/5G)、网线、LORA(Long Range Radio，一种低功耗无线局域网)、NB-IoT(NarrowBand Internet of Things，窄带物联网)、无线网桥、北斗短报文等。在本发明的一个具体实施例中，对于铁路桥形变监测系统中北斗基准站、北斗监测站、静力水准仪和倾角传感器等用电设备的供电方式可包括但不限于内置电池供电、太阳能供电、220V供电(交流转直流)、380V工业用电(交流转直流)等。在本发明的一个具体实施例中，数据处理中心为具有数据处理功能的设备，如服务器设备，监测终端可为计算机、智能手机等具有通信和人机交互功能的终端设备。

通过上述铁路桥形变监测系统获取的桥面监测点的位置、倾斜角度配合静力水准仪观测量、铁路桥及桥墩结构参数，可实时测定铁路桥梁体水平位移量(精度±1mm)、梁体绝对沉降量(精度±1mm)、梁体横向倾斜角度差(精度±0.01°)、桥墩沉降差量(精度±0.5mm)、桥墩倾斜方向及角度(精度±0.01°)，得到桥墩的全向沉降量，精度较高。基于测定的全向沉降量，可判断铁路桥是否发生异常形变。具体地，数据处理中心40可对桥面监测点的位置变化量、倾斜角度和垂直位移量进行判断。如果位置变化量小于等于第一位置变化阈值，且倾斜角度小于等于第一倾角阈值，且垂直位移量小于等于第一垂直位移阈值，则判定铁路桥正常；如果位置变化量大于第一位置变化阈值并小于第二位置变化阈值，且倾斜角度大于第一倾角阈值并小于第二倾角阈值，且垂直位移量小于第一垂直位移阈值，则判定铁路桥发生水平方向的形变；如果位置变化量大于第一位置变化阈值并小于第二位置变化阈值，且倾斜角度小于第一倾角阈值，且垂直位移量大于第一垂直位移阈值并小于第二垂直位移阈值，则判定铁路桥发生垂直方向的形变；如果位置变化量大于第一位置变化阈值并小于第二位置变化阈值，且倾斜角度大于第一倾角阈值并小于第二倾角阈值，且垂直位移量大于第一垂直位移阈值并小于第二垂直位移阈值，且持续时间大于预设时间阈值，则判定铁路桥发生水平方向的形变和垂直方向的形变。

上述列出了一种铁路桥正常的情况和三种铁路桥发生异常形变的情况。在本发明的一个实施例中，铁路桥正常的情况还可包括列车经过的情况。具体地，如果位置变化量大于第一位置变化阈值并小于第二位置变化阈值，且倾斜角度大于第一倾角阈值并小于第二倾角阈值，且垂直位移量大于第一垂直位移阈值并小于第二垂直位移阈值，并且，在预设时间阈值内，位置变化量、倾斜角度、垂直位移量分别恢复至小于等于第一位置变化阈值、小于等于第一倾角阈值、小于等于第一垂直位移阈值，则可判定铁路桥上方有列车经过，亦属于铁路桥正常的情况。

应当理解的是，上述各个用于判断沉降的阈值可根据铁路桥及桥墩的具体结构参数进行设定。预设时间阈值可根据列车经过桥墩的持续时间进行设定。

进一步地，当数据处理中心40判定铁路桥发生水平方向的形变或垂直方向的形变，即异常形变时，还可向监测终端50发送报警信息。

在本发明的一个具体实施例中，判定结果与各个检测设备的检测数据之间的关系如表1所示。

表1

根据本发明实施例的铁路桥形变监测系统，通过定位装置获取铁路桥的桥面监测点的三维定位数据，通过水平位移检测装置和垂直位移检测装置分别获取所在位置的水平位移数据和垂直位移数据，以及通过数据处理中心根据获取到的三维定位数据、水平位移数据和垂直位移数据得到铁路桥的形变状况，由此，能够对铁路桥的形变状况进行持续不间断地监测，监测的精确度和效率均较高，从而能够有效保障铁路桥的安全性。

对应上述实施例的铁路桥形变监测系统，本发明还提出一种铁路桥形变监测方法。

如图7所示，本发明实施例的铁路桥形变监测方法，包括以下步骤：

S1，获取铁路桥的桥面监测点的三维定位数据，并获取设置在与桥面监测点相对应的桥墩上的水平位移检测装置所在位置的水平位移数据，以及获取设置在与桥面监测点相对应的桥墩上的垂直位移检测装置所在位置的垂直位移数据。

S2，根据三维定位数据、水平位移数据和垂直位移数据得到铁路桥的形变状况。

在本发明的一个实施例中，水平位移数据包括倾斜角度，垂直位移数据包括垂直位移量。

进一步地，本发明实施例的铁路桥形变监测方法还包括：将铁路桥的形变状况发送至监测终端以进行展示。

在本发明的一个实施例中，步骤S2具体包括：对桥面监测点的位置变化量、倾斜角度和垂直位移量进行判断；如果位置变化量小于等于第一位置变化阈值，且倾斜角度小于等于第一倾角阈值，且垂直位移量小于等于第一垂直位移阈值，则判定铁路桥正常；如果位置变化量大于第一位置变化阈值并小于第二位置变化阈值，且倾斜角度大于第一倾角阈值并小于第二倾角阈值，且垂直位移量小于第一垂直位移阈值，则判定铁路桥发生水平方向的形变；如果位置变化量大于第一位置变化阈值并小于第二位置变化阈值，且倾斜角度小于第一倾角阈值，且垂直位移量大于第一垂直位移阈值并小于第二垂直位移阈值，则判定铁路桥发生垂直方向的形变；如果位置变化量大于第一位置变化阈值并小于第二位置变化阈值，且倾斜角度大于第一倾角阈值并小于第二倾角阈值，且垂直位移量大于第一垂直位移阈值并小于第二垂直位移阈值，且持续时间大于预设时间阈值，则判定铁路桥发生水平方向的形变和垂直方向的形变。

进一步地，在判定铁路桥发生水平方向的形变或垂直方向的形变时，还可向监测终端发送报警信息。

本发明的铁路桥形变监测方法更具体的实施方式可参照上述铁路桥形变监测系统的实施例，在此不再赘述。

根据本发明实施例的铁路桥形变监测方法，通过获取铁路桥的桥面监测点的三维定位数据、水平位移检测装置所在位置的水平位移数据和垂直位移检测装置所在位置的垂直位移数据，并根据获取到的三维定位数据、水平位移数据和垂直位移数据得到铁路桥的形变状况，由此，能够对铁路桥的形变状况进行持续不间断地监测，监测的精确度和效率均较高，从而能够有效保障铁路桥的安全性。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种铁路桥形变监测系统，其特征在于，包括：

定位装置，所述定位装置用于获取所述铁路桥的桥面监测点的三维定位数据；

水平位移检测装置，所述水平位移检测装置设置在与所述桥面监测点相对应的桥墩上，所述水平位移检测装置用于获取所在位置的水平位移数据；

垂直位移检测装置，所述垂直位移检测装置设置在与所述桥面监测点相对应的桥墩上，所述垂直位移检测装置用于获取所在位置的垂直位移数据；

数据处理中心，所述数据处理中心分别与所述定位装置、所述水平位移检测装置和所述垂直位移检测装置进行通信连接，以接收所述三维定位数据、所述水平位移数据和所述垂直位移数据，并根据所述三维定位数据、所述水平位移数据和所述垂直位移数据得到所述铁路桥的形变状况。

2.根据权利要求1所述的铁路桥形变监测系统，其特征在于，还包括：

监测终端，所述监测终端与所述数据处理中心进行通信连接，以接收并展示所述铁路桥的形变状况。

3.根据权利要求1或2所述的铁路桥形变监测系统，其特征在于，所述定位装置包括：

北斗监测站，所述北斗监测站设置于所述桥面监测点，所述北斗监测站包括北斗接收机和两个北斗卫星天线，所述两个北斗卫星天线分别设置在桥面两侧；

第一北斗基准站，所述第一北斗基准站为所述北斗监测站提供基准定位数据，以便所述定位装置检测所述桥面监测点的位置。

4.根据权利要求1或2所述的铁路桥形变监测系统，其特征在于，所述水平位移检测装置包括设置于所述桥墩顶部的倾角传感器，所述倾角传感器用于检测所在位置的倾斜角度。

5.根据权利要求3所述的铁路桥形变监测系统，其特征在于，所述垂直位移检测装置包括：

静力水准仪，所述静力水准仪设置于所述桥墩底部，所述静力水准仪用于检测所在位置的垂直位移量；

第二北斗基准站，所述第二北斗基准站与所述静力水准仪相连，以为所述静力水准仪提供检测基准数据并相互校对。

6.一种铁路桥形变监测方法，其特征在于，包括：

获取所述铁路桥的桥面监测点的三维定位数据，并获取设置在与所述桥面监测点相对应的桥墩上的水平位移检测装置所在位置的水平位移数据，以及获取设置在与所述桥面监测点相对应的桥墩上的垂直位移检测装置所在位置的垂直位移数据；

根据所述三维定位数据、所述水平位移数据和所述垂直位移数据得到所述铁路桥的形变状况。

7.根据权利要求6所述的铁路桥形变监测方法，其特征在于，还包括：

将所述铁路桥的形变状况发送至监测终端以进行展示。

8.根据权利要求7所述的铁路桥形变监测方法，其特征在于，所述水平位移数据包括倾斜角度，所述垂直位移数据包括垂直位移量。

9.根据权利要求8所述的铁路桥形变监测方法，其特征在于，根据所述三维定位数据、所述水平位移数据和所述垂直位移数据得到所述铁路桥的形变状况，具体包括：

对所述桥面监测点的位置变化量、所述倾斜角度和所述垂直位移量进行判断；

如果所述位置变化量小于等于第一位置变化阈值，且所述倾斜角度小于等于第一倾角阈值，且所述垂直位移量小于等于第一垂直位移阈值，则判定所述铁路桥正常；

如果所述位置变化量大于所述第一位置变化阈值并小于第二位置变化阈值，且所述倾斜角度大于所述第一倾角阈值并小于第二倾角阈值，且所述垂直位移量小于所述第一垂直位移阈值，则判定所述铁路桥发生水平方向的形变；

如果所述位置变化量大于所述第一位置变化阈值并小于所述第二位置变化阈值，且所述倾斜角度小于所述第一倾角阈值，且所述垂直位移量大于所述第一垂直位移阈值并小于第二垂直位移阈值，则判定所述铁路桥发生垂直方向的形变；

如果所述位置变化量大于所述第一位置变化阈值并小于所述第二位置变化阈值，且所述倾斜角度大于所述第一倾角阈值并小于所述第二倾角阈值，且所述垂直位移量大于所述第一垂直位移阈值并小于所述第二垂直位移阈值，且持续时间大于预设时间阈值，则判定所述铁路桥发生水平方向的形变和垂直方向的形变。

10.根据权利要求9所述的铁路桥形变监测方法，其特征在于，还包括：

在判定所述铁路桥发生水平方向的形变或垂直方向的形变时，还向所述监测终端发送报警信息。