CN110106800A

CN110106800A - 高速铁路声屏障健康指标管理评价系统和监测装置

Info

Publication number: CN110106800A
Application number: CN201910400553.9A
Authority: CN
Inventors: 傅卫国
Original assignee: Beijing Ding Xingda Information Polytron Technologies Inc
Current assignee: Beijing Ding Xingda Information Polytron Technologies Inc
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2019-08-09
Anticipated expiration: 2039-05-16
Also published as: CN110106800B

Abstract

本发明公开了一种高速铁路声屏障健康指标管理评价系统和监测装置，涉及高速铁路声屏障监测技术领域。其通过实时对声屏障信息进行监测，及时获取数据，并通过对数据进行分析、挖掘，确定全面、可量化的健康指标，然后基于模糊综合评价法构建健康指标管理评价系统，从而实现高速铁路声屏障健康指标管理和评价，实现对声屏障的状态变化及健康度的掌控，提升发现问题的效率，确保高速铁路行车安全，而且该健康指标管理评价系统具有高稳定性、安全性、高精度性、便于维护；对高速铁路基础设施健康管理和评价提出了新的思路，对提高我国高速铁路基础设施维护的自动化、集中管理、智慧化等具有重要的意义。

Description

高速铁路声屏障健康指标管理评价系统和监测装置

技术领域

本发明涉及高速铁路声屏障监测技术领域，尤其涉及一种高速铁路声屏障健康指标管理评价系统和监测装置。

背景技术

声屏障是降低噪声影响的重要的高速铁路基础设施。为了能够在保障高速铁路行车安全的基础上，尽量安全高效地发挥声屏障的降噪功能，需要及时对声屏障的状态进行监测和维护。

当前，国内外关于声屏障的日常监测和维护的研究还很少，并且在高速铁路基础设施维护工作中，对声屏障的检查维护主要是依靠人工的方式，通过夜间入网检查、人工巡检等对声屏障的状态进行观测。主要的检测方法主要是通过目测、卷尺测量、检查锤敲击等方式。

上述人工巡检的方式，不仅缺乏科学性，导致结果会出现较大的偏差，而且会导致监测工作耗费极大的人力资源，工作效率低，不符合高铁基础设施智慧运营的建设思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速铁路声屏障健康指标管理评价系统和监测装置，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明一方面还提供了一种高速铁路声屏障健康指标管理评价系统，所述声屏障健康指标包括如下的一级指标：安全指标、运行指标和基础指标；所述管理评价系统包括：

安全指标检测模块：用于对声屏障的安全指标进行检测，得到安全指标数据；

运行指标统计模块：用于对声屏障的运行指标进行统计，得到运行指标数据；

基础指标收集模块：用于对声屏障的基础指标数据进行收集，得到基础指标数据；

声屏障状态评价模块：根据检测得到的安全指标数据、统计得到的运行指标数据、以及收集得到的基础指标数据，结合根据铁路标准设定的阈值，判断声屏障的当前状态；

所述声屏障状态评价模块采用如下方法对声屏障的状态进行评价：

S1，确定各二级指标元素的权重参数；

S2，对各二级指标进行评估，确定每个一级指标对于不同评价等级的隶属度矩阵；

S3，根据各二级指标元素的权重参数和各一级指标对于不同评价等级的隶属度矩阵进行模糊合成运算，得到如下式所示的分级模糊评价结果：

式中，为二级指标元素的权重参数集，为一级指标对于不同评价等级的隶属度矩阵集，

S4，基于向量对评价等级进行判定：

,当时，声屏障状态为状态评价集E中的第n个等级，其中，声屏障状态评价集E中的等级包括四个等级，分别对应为优良状态、正常状态、异动状态和严重状态。

优选地，

所述安全指标包括如下的二级指标：声屏障的应力和角度偏移量；

所述运行指标包括如下的二级指标：声屏障的周期维护次数、周期告警环比、周期平均无告警运行时长、周期同比指标劣化、周期劣化速度；

所述基础指标包括如下的二级指标：声屏障的使用年限；

所述声屏障的当前状态包括：优良状态、正常状态、异动状态和严重状态。

优选地，S1包括如下步骤：

S101，基于层次分析法的0.1-0.9标度方法，对同一层内的元素两两比较，邀请该领域专家对声屏障的安全指标、运行指标、基础指标进行模糊互补判断，建立指标模糊互补矩阵T；

S102，将模糊互补矩阵T转换成一致性矩阵，按行求和，得：

变换形式后得到：

n取值为3，即为所求的模糊一致性矩阵；

S103，由以上模糊一致性矩阵，按照下式计算权重：

其中，为大于1的常数。

优选地，S2中，所述对各二级指标进行评估，具体为，采用专家评估法对各二级指标进行评估。

优选地，S2中，所述每个一级指标对于不同评价等级的隶属度矩阵，具体包括：

安全指标对应的正常、提示告警、重要告警、严重告警四个等级的隶属度矩阵，其中，安全指标的四个等级按照应力和角度偏移量，结合阈值进行划分；

运行指标对应的一级至五级的五个等级的隶属度矩阵，其中，运行指标对应的五个等级根据历史故障情况和维护情况进行划分；

基础指标对应的一级至三级的三个等级的隶属度矩阵，其中，基础指标对应的三个等级根据声屏障使用年限进行衡量。

本发明另一方面还提供了一种高速铁路声屏障健康指标管理监测装置，包括依次数据连接的：传感器、数据采集器和数据处理器，所述传感器安装于铁路沿线声屏障上，所述数据采集器安装于铁路沿线，根据所述传感器的安装密度，一个或多个所述传感器与一个所述数据采集器通过有线数据连接，所述数据采集器通过MPLS-VPN网络传输数据至所述数据处理器，所述传感器包括应变传感器和角度传感器，所述应变传感器安装于声屏障的H形钢柱中部，所述角度传感器安装于声屏障的H形钢柱底部。

优选地，所述角度传感器通过螺栓连接固定在固定支架上，所述固定支架采用改性丙烯酸酯胶黏剂固定在声屏障H型钢柱底部。

优选地，所述应变传感器通过螺丝连接固定在两个安装块中间，所述两个安装块采用改性丙烯酸酯胶黏剂固定在声屏障H型钢柱中部。

本发明的有益效果是：本发明提供的高速铁路声屏障健康指标管理评价系统和监测装置，通过实时对声屏障信息进行监测，及时获取数据，并通过对数据进行分析、挖掘，确定全面、可量化的健康指标，然后基于模糊综合评价法构建健康指标管理评价系统，从而实现高速铁路声屏障健康指标管理和评价，实现对声屏障的状态变化及健康度的掌控，提升发现问题的效率，确保高速铁路行车安全，而且该健康指标管理评价系统具有高稳定性、安全性、高精度性、便于维护；对高速铁路基础设施健康管理和评价提出了新的思路，对提高我国高速铁路基础设施维护的自动化、集中管理、智慧化等具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明提供的高速铁路声屏障健康指标实时监测装置结构示意图。

图中，各符号的含义如下：

1传感器，2基站，3业务接入路由器一，4 数据采集器，5业务接入路由器二，6 MPLS-VPN网络，7数据处理器，8防火墙，9交换机，10业务引擎。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本发明实施例提供了一种高速铁路声屏障健康指标管理评价系统，所述声屏障健康指标包括如下的一级指标：安全指标、运行指标和基础指标；所述管理评价系统包括：

S1，确定各二级指标元素的权重参数；

S4，基于向量对评价等级进行判定：

其中，所述安全指标包括如下的二级指标：声屏障的应力和角度偏移量；

所述基础指标包括如下的二级指标：声屏障的使用年限；

在本发明的上述实施例中，为了能够更准确的掌握声屏障的健康情况，需要将声屏障的信息结合其安全隐患因素进行综合全面的分析，找到切实可行、能够量化的评价指标，进而能够建立声屏障的健康管理评价体系。

声屏障健康指标可以分为三大类，分别为：安全指标、运行指标、基础指标。

1）安全指标

对高速铁路人工检修过程中声屏障经常出现的安全隐患问题及引发原因进行整理发现，包括以下几个方面：

其一，声屏障立柱和屏障板晃动。这种情况主要是由于砂浆脱落而使H钢立柱整体下沉，底座板无法牢牢固定立柱从而引起立柱与屏障板晃动。

其二，底部的螺栓折断、脱落、缺失。这种情况主要是由于声屏障长期处于环境变化多样、恶劣的室外，经常受到风霜雨雪、阳光暴晒等作用，声屏障的各种部位容易生锈、腐蚀、老化等。

其三，声屏障的单元板存在拉开、前后晃动等不稳定现象。这些问题可能由于部位老化或者是施工质量不达标，相关安装指标不符合设计要求等原因。

以上是造成声屏障发生故障的安全隐患，综上可以看出，声屏障的变形、松动、歪斜、位移等是造成声屏障故障的主要表现。因此，针对上述表现，本发明中提出利用声屏障的应力和形变来反映声屏障的安全指标，即对声屏障的应力和形变进行监测，从而完成对声屏障安全指标的监测。

本发明实施例中，选取合适的智能传感器对声屏障的应力和角度进行监测。

其中，选用应变传感器来测量结构体在静荷载作用下产生的微应变，应变传感器是一种采用磁感位置编码技术研制而成新型应变传感器。传感器内置有高速数字采集、存储芯片，动态频率响应0-200赫兹，完全满足大型结构的静态、动态冲击响应。同时它灵敏度高，线性度好，性能稳定，抗干扰能力强，安装方便，适宜长期观测。

选用角度传感器来对声屏障的角度进行监测。角度传感器：角度值包括X,Y,Z三个数值，X轴角度值为传感器X轴相对于坐标系X轴的夹角，Y轴角度值为传感器Y轴相对于坐标系Y轴的夹角，Z轴为传感器Z轴相对于坐标系Z轴的夹角。角度值的范围为-180°~+180°，精度为0.01°。当传感器绕Y+逆时针转动时，X，Z的偏转角为正数，当传感器绕Y+顺时针转动时，偏转角为负数；当传感器绕X+逆时针旋转时，Y的偏转角为负数，当传感器绕X+顺时针转动时，Y的偏转角为正数。

2）运行指标

运行指标是对声屏障一段周期内的安全状态（历史状态）进行统计得到的。随着时间的变化，声屏障所处环境的气温、风力等变化会对声屏障的安全状态有很大的影响。声屏障的历史状态对当前的状态有很大的影响，因此，本发明中选取声屏障前期的历史状态作为运行指标，对声屏障当前的安全状态进行评价。

本发明实施例中，选取的运行指标主要包括：周期维护次数、周期告警环比、周期平均无告警运行时长、周期同比指标劣化、周期劣化速度。

周期维护次数是指在一段周期内声屏障的维护次数。

周期告警环比是指本周期告警次数比上一周期的告警次数增长率。

即：（本期-上期）/上期*100%

周期平均无告警运行时长是指本周期内所有无告警运行时长的平均值。

周期同比指标劣化是指本期指标比去年同期指标劣化增长率。

即：（本期-去年同期）/去年同期*100%

周期劣化速度是指周期内指标变化的速度。

3）基础指标

基础指标是指由声屏障本身特性影响声屏障状态的因素。其中最有代表性的指标是使用年限。使用年限直接理论上反映了声屏障可以使用的时间范围，越接近其使用年限，声屏障的故障风险就会越大。

综合以上分析可以得到声屏障状态评价中涉及到的各指标参数集，如下所示:

本发明实施例中，在建立了影响声屏障状态特征的指标参数集之后，基于该指标参数集，通过采用一定的方法来对声屏障的状态进行评价，在各种因素影响下而形成的声屏障当前特征称为声屏障状态。为了保证声屏障的有效性和安全性，声屏障状态需要保持特定的性能。本发明实施例中，将声屏障状态分为不同的程度级别：优良状态、正常状态、异动状态、严重状态。

声屏障的上述状态特征可以表示如下：

其中：

优良状态()：声屏障的各项性能都非常良好。

正常状态()：声屏障的各项性能都保持正常，但质量有所降低。

异动状态()：声屏障的各项性能基本保障正常，但质量大幅降低。

严重状态()：声屏障的性能不能保持正常运行需求。

本实施例中，基于指标参数集，采用如下的方法对声屏障的状态进行评价：

S1，确定各二级指标元素的权重参数；

S4，基于向量对评价等级进行判定：

其中，S1可以包括如下步骤：

S101，基于层次分析法的0.1-0.9标度方法（如表1所示），对同一层内的元素两两比较，邀请该领域专家对声屏障的安全指标、运行指标、基础指标进行模糊互补判断，建立指标模糊互补矩阵T（可如表2所示）；

表1 0.1-0.9标度方法

表2 声屏障指标建立权重判定矩阵T

S102，将模糊互补矩阵T转换成一致性矩阵，按行求和，得：

变换形式后得到：

n取值为3，即为所求的模糊一致性矩阵；

S103，由以上模糊一致性矩阵，按照下式计算权重：

其中，为大于1的常数，比如，可以取为1000。

本发明实施例中，S2中，所述对各二级指标进行评估，具体可以为，采用专家评估法对各二级指标进行评估。

本发明实施例中，通过对各二级指标进行评估，确定每个一级指标对于不同的评价等级的隶属度矩阵。

S2中，所述每个一级指标对于不同评价等级的隶属度矩阵，具体包括：

比如，对安全指标对应的两个二级指标：应力和角度偏移量采用专家评估法进行评估，然后，确定安全指标对于其对应的正常、提示告警、重要告警、严重告警四个等级的隶属度矩阵。

本发明中实施例中，确定的各指标的隶属度矩阵如下：

1）安全指标的隶属度矩阵

该指标有两个二级指标角度和应力，可以根据阈值判断当前状态有正常、提示告警、重要告警、严重告警四个等级，其分别对应的矩阵为：

正常：

提示告警：

重要告警：

严重告警：

2）运行指标的隶属度矩阵

运行指标可以根据历史故障情况和维护情况将其分为五个等级如表3所示。各个等级的隶属度矩阵如下：

一级：

二级：

三级：

四级：

五级：

表3 运行指标分级标准

分级	分级标准
		一级	指标排名前10%
二级	指标排名10%-30%
		三级	指标排名30%-60%
四级	指标排名60%-80%
		五级	指标排名80%以下

3）基础指标的隶属度矩阵

基础指标主要根据使用年限进行衡量，随着使用时间的增加其危害程度依次升高，本发明将其分为三类危害等级，各个等级的隶属度如下：

1级：

2级：

3级：

根据每个指标的声屏障状态权重参数和隶属度矩阵进行模糊合成运算，得到分级模糊评价结果如下：

基于向量对评价等级进行判定：

,当时，声屏障状态评价即为状态评价集E中的第n个等级，综合评价完成。

实施例二

如图1所示，本发明实施例提供了一种高速铁路声屏障健康指标实时监测装置，包括依次数据连接的：传感器1、数据采集器4和数据处理器7，所述传感器1安装于铁路沿线声屏障上，所述数据采集器4安装于铁路沿线，根据所述传感器1的安装密度，一个或多个所述传感器1与一个所述数据采集器4通过有线数据连接，所述数据采集器4通过MPLS-VPN网络6传输数据至所述数据处理器7，所述传感器1包括应变传感器和角度传感器，所述应变传感器安装于声屏障的H形钢柱中部，所述角度传感器安装于声屏障的H形钢柱底部。

该结构中，为了实现数据传输，还需要其他的一些设备进行配合使用，比如，业务接入路由器，防火墙和交换机等，具体的连接关系可参见图1。

上述结构中，将应变传感器安装于声屏障的H形钢柱中部，具有如下的原因和有益效果：

H形钢柱更为坚固，且是声屏障的主要支撑结构，钢柱内部的微应变比隔音板更能反映声屏障整体的应力情况。因此，本实施例中，将应变传感器安装于声屏障的H形钢柱中，且安装于声屏障的H形钢柱中部，传感器检测得到的数据比安装于隔音板上更有效。

上述结构中，将角度传感器安装于声屏障的H形钢柱底部，具有如下的原因和有益效果：

H形钢柱更为坚固，且是声屏障的主要支撑结构，将角度传感器安装于声屏障的H形钢柱中，且安装于声屏障的H形钢柱底部，能有效减少各类因素导致的声屏障振动对传感器的影响，增加传感器检测数据的有效性。

上述监测装置的工作原理为：

利用应变传感器检测声屏障的应变力，利用角度传感器检测声屏障的角度位移，这些检测数据传输至数据采集器，之后通过网络发送至数据处理器，所以，该监测装置为高速铁路声屏障健康指标管理提供了数据支撑。

应变传感器是一种采用磁感位置编码技术研制而成新型应变传感器。这是一种直接长度测量应变的方法，它与机械千分表（或万分表）测量方式相同，是直接测量机械变形。机械千分表长度的细分是靠齿轮的传递完成的，而这种位置编码式磁感应数码应变计的细分是由若干稳恒磁场单元及若干磁敏元件组成的非线性位置码轨对实现的。当应变的两支座相对发生位移变形时，若干处于稳恒磁场（钐钴合金材料，具有极好的温度稳定性）单元内的若干磁敏元件组成码轨对，其物理效应会使各码轨对间的相幅信号发生干涉，置于传感器内的单片机芯片对这些干涉的相幅信息进行绝对位置非线性数字编码与解码处理，从而得出测量中精准的形变数字信息。

角度传感器是高精度双轴数字倾角仪，倾角仪通过测量静态重力加速度变化，转换成倾角变化。

其中，所述角度传感器通过螺栓连接固定在固定支架上，所述固定支架采用改性丙烯酸酯胶黏剂固定在声屏障H型钢柱底部。

采用上述结构具有如下的有益效果：传感器本体和支架分离，若传感器出现故障，可以很方便的更换传感器。

应变传感器通过螺丝连接固定在两个安装块中间，所述两个安装块采用改性丙烯酸酯胶黏剂固定在声屏障H型钢柱中部。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明提供的高速铁路声屏障健康指标管理评价系统和监测装置，通过实时对声屏障信息进行监测，及时获取数据，并通过对数据进行分析、挖掘，确定全面、可量化的健康指标，然后基于模糊综合评价法构建健康指标管理评价系统，从而实现高速铁路声屏障健康指标管理和评价，实现对声屏障的状态变化及健康度的掌控，提升发现问题的效率，确保高速铁路行车安全，而且该健康指标管理评价系统具有高稳定性、安全性、高精度性、便于维护；对高速铁路基础设施健康管理和评价提出了新的思路，对提高我国高速铁路基础设施维护的自动化、集中管理、智慧化等具有重要的意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims

1.一种高速铁路声屏障健康指标管理评价系统，其特征在于，所述声屏障健康指标包括如下的一级指标：安全指标、运行指标和基础指标；所述管理评价系统包括：

S1，确定各二级指标元素的权重参数；

S4，基于向量对评价等级进行判定：

2.根据权利要求1所述的高速铁路声屏障健康指标管理评价系统，其特征在于，

所述基础指标包括如下的二级指标：声屏障的使用年限；

3.根据权利要求1所述的高速铁路声屏障健康指标管理评价系统，其特征在于，S1包括如下步骤：

S102，将模糊互补矩阵T转换成一致性矩阵，按行求和，得：

变换形式后得到：

n取值为3，即为所求的模糊一致性矩阵；

S103，由以上模糊一致性矩阵，按照下式计算权重：

其中，为大于1的常数。

4.根据权利要求1所述的高速铁路声屏障健康指标管理评价系统，其特征在于，S2中，所述对各二级指标进行评估，具体为，采用专家评估法对各二级指标进行评估。

5.根据权利要求1所述的高速铁路声屏障健康指标管理评价系统，其特征在于，S2中，所述每个一级指标对于不同评价等级的隶属度矩阵，具体包括：

6.一种高速铁路声屏障健康指标管理监测装置，其特征在于，包括依次数据连接的：传感器、数据采集器和数据处理器，所述传感器安装于铁路沿线声屏障上，所述数据采集器安装于铁路沿线，根据所述传感器的安装密度，一个或多个所述传感器与一个所述数据采集器通过有线数据连接，所述数据采集器通过MPLS-VPN网络传输数据至所述数据处理器，所述传感器包括应变传感器和角度传感器，所述应变传感器安装于声屏障的H形钢柱中部，所述角度传感器安装于声屏障的H形钢柱底部。

7.根据权利要求6所述的高速铁路声屏障健康指标管理监测装置，其特征在于，所述角度传感器通过螺栓连接固定在固定支架上，所述固定支架采用改性丙烯酸酯胶黏剂固定在声屏障H型钢柱底部。

8.根据权利要求6所述的高速铁路声屏障健康指标管理监测装置，其特征在于，所述应变传感器通过螺丝连接固定在两个安装块中间，所述两个安装块采用改性丙烯酸酯胶黏剂固定在声屏障H型钢柱中部。