CN110779457A - 轨道板变形监测装置和方法及在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道板变形监测装置，该装置包括光缆、紧固装置和检测主机；光缆包括分别与垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区相对应的垂向位移测量段、过渡段和纵向位移测量段；垂向位移测量段和纵向位移测量段为预拉紧状态，过渡段为自由状态；检测主机获取垂向位移测量段、纵向位移测量段的光纤信号，并结合过渡段的光纤信号进行温度补偿，最终解算得到轨道板相对于底座板或支承层的垂向位移，以及相邻轨道板间的纵向位移。本发明还公开了一种监测方法及在线监测系统，该系统实时监测轨道板状态信息，并根据预设的报警阈值对超限工况进行报警和定位。

Description

轨道板变形监测装置和方法及在线监测系统

技术领域

本发明属于铁路运输安全监测领域，尤其是涉及一种轨道板变形监测装置和方法及在线监测系统。

背景技术

无砟轨道结构简单、强度高、稳定性好、施工方便、维修工作量少，在高速铁路中应用广泛。

其中，CRTSⅡ型板式无砟轨道因受轨道板端部板间宽窄接缝状态、砂浆层状态、施工锁定温度、环境温度变化等因素影响，出现了轨道板板端上拱离缝、板端接缝开裂产生离缝等病害，如不能及时发现此类问题将会给线路的正常运营带来安全隐患。

现有技术中，对轨道板变形尝试使用机械类和电类的应变、位移、倾角等传感器进行监测，采取点式布设安装，因此只能覆盖选定小范围区段，不适用于长距离监测，且需要在现场为传感器或传输设备供电。

现有技术中还有一种监测轨道板变形的方法，通过在相邻轨道板之间设置上拱变形传感光纤和水平变形传感光纤，当轨道板端部发生拱起变形时形成等腰三角形。结合分布式光纤传感技术原理及勾股定理解算等腰三角形的高，从而获得轨道板上拱位移即垂向位移，但这种监测方法需借助等腰三角形进行换算，因此这种位移转化方法不够直接。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种轨道板变形监测装置和方法及在线监测系统，以解决现有技术中的问题。

本发明的技术方案是：

本发明的一个方面提供一种轨道板变形监测装置，该装置包括光缆、紧固装置和检测主机；所述光缆与检测主机相连；所述紧固装置将轨道板划分为垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区；

在轨道板侧面连续纵向设置光缆，所述光缆包括分别与所述垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区相对应的垂向位移测量段、过渡段和纵向位移测量段；

所述垂向位移测量段和纵向位移测量段为预拉紧状态，过渡段为自由状态；

所述紧固装置包括第一锚固件、第二锚固件、第三锚固件、第四锚固件、紧固件、连接线、转换器、第一连接件和第二连接件；

上一块轨道板的纵向位移测量段末端通过第一锚固件锚固于当前轨道板侧面并靠近宽窄接缝，后续光缆连接第一连接件,开始当前轨道板的垂向位移测量段；

所述垂向位移测量段的一端通过第一连接件与连接线连接，所述连接线通过转换器与紧固件相连，紧固件将连接线紧固于底座板或支承层上；

通过第二锚固件将所述垂向位移测量段的另一端固定于轨道板侧面；

所述过渡段的一端通过第三锚固件连接所述纵向位移测量段的一端；

所述纵向位移测量段跨过第二宽窄接缝继续延伸，所述纵向位移测量段的另一端连接，纵向位移测量段通过第三锚固件和第四锚固件固定在轨道板侧面；

光缆通过第四锚固件后并由第二连接件与下一块轨道板的垂向位移测量段相连,以此类推，使光缆沿轨道板铺设方向延伸；

其中，所述检测主机实时获取轨道板的垂向位移测区、纵向位移测区的光纤信号并结合过渡区的光纤信号，获得轨道板相对于底座板或支承层的垂向位移以及相邻轨道板间的纵向位移。

进一步的，所述第三锚固件和第四锚固件位于第二宽窄接缝的两侧，且第四锚固件与第二连接件之间的距离远小于第四锚固件与第三锚固件之间的距离。

进一步的，轨道板相对于底座板或支承层发生垂向变形，所述紧固装置将变形产生的垂向位移转换为垂向位移测量段的光缆在长度方向上的伸缩变化量。

进一步的，所述垂向位移测量段、过渡段和纵向位移测量段的长度不小于检测主机空间分辨率所识别的有效长度。

进一步的，所述垂向位移测量段、过渡段和纵向位移测量段的延伸方向与轨道板的延伸方向一致，且布置在轨道板的侧面。

本发明的另一个方面提供一种轨道板变形监测的方法，其中，将轨道板划分为垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区；

在轨道板上连续设置光缆，所述光缆包括分别与所述垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区相对应的垂向位移测量段、过渡段和纵向位移测量段；

监测方法包含以下步骤：

采集光缆的光纤布里渊频率，将该光纤布里渊频率作为初始状态的光纤布里渊频率基准值；其中，垂向位移测量段的初始光纤布里渊频率为v_B01，纵向位移测量段的初始光纤布里渊频率为v_B02，过渡段的初始光纤布里渊频率为v_B0t；

实时获取光纤布里渊频率并结合初始状态光纤布里渊频率的基准值，计算得到垂向位移测量段的光纤布里渊频移为Δv_B1、纵向位移测量段的光纤布里渊频移为Δv_B2以及过渡段的光纤布里渊频移为Δv_Bt；

利用过渡段的光纤布里渊频移Δv_Bt对垂向位移测量段和纵向位移测量段进行温度补偿，得到垂向位移测量段和纵向位移测量段由应变变化引起的光纤布里渊频移Δv_B1(ε₁)和Δv_B2(ε₂)；

根据垂向位移测量段和纵向位移测量段由应变变化引起的光纤布里渊频移Δv_B1(ε₁)和Δv_B2(ε₂)与应变之间的关系，解算得到垂向位移测量段当前的应变变化量Δε₁和纵向位移测量段当前的应变变化量Δε₂；

基于所述垂向位移测量段当前的应变变化量Δε₁和纵向位移测量段当前的应变变化量Δε₂，并利用预先建立的数学计算模型分别解算得到轨道板相对于底座板或支承层的垂向位移值y₁，以及轨道板收缩时相邻轨道板的纵向位移值y₂。

本发明的又一个方面提供一种轨道板变形在线监测系统，该系统包括上述任一所述的轨道板变形监测装置，该监测系统还包括网络传输设备、监测控制中心和用户终端；

所述轨道板变形监测装置通过该网络传输设备与监测控制中心连接；所述监测控制中心通过网络与用户终端连接；所述监测控制中心实时接收一个或多个轨道板变形监测装置发来的数据，经处理形成报警信号和轨道板状态信息，并按预设的处理规则将报警信号和轨道板状态信息及时分发给所述用户终端。

进一步的，所述系统包括报警装置，用于对发生位移超限的轨道板的位置或编号进行报警。

进一步的，所述报警装置包括喇叭、无线列调、报警灯、手机短信和手机APP推送的一种或多种；所述轨道板变形在线监测系统接入列车运行控制系统以用于警示列车减速或停车。

进一步的，所述轨道板状态信息包括轨道板里程、垂向和纵向位移、温度的变化量、温度与垂向和纵向位移变化过程信息。

本发明实施例将轨道板分成垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区，光缆布设于轨道板侧面形成垂向位移测量段、过渡段和纵向位移测量段，并通过过渡段测量结果对垂向位移测量段和纵向位移测量段进行温度补偿，从而实时对轨道板的变形情况进行监测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种轨道板变形监测装置的侧面示意图；

图2是本发明的一个实施例提供的一种轨道板变形监测方法的示意图；

图3是本发明的另一个实施例提供的一种轨道板变形监测方法的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种轨道板变形在线监测系统的架构示意图。

其中，1为轨道板；2为砂浆层；3为底座板或支承层；4宽窄接缝(包括第一宽窄接缝4-1、第二宽窄接缝4-2)；5为紧固件；6为连接线；7为转换器；8为锚固件(包括第一锚固件8-1、第二锚固件8-2、第三锚固件8-3、第四锚固件8-4)；9为连接件(包括第一连接件9-1和第二连接件9-2)；10为垂向位移测量段；11为过渡段；12为纵向位移测量段。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本实施例的轨道板变形监测的装置可以应用于无砟轨道结构上，具体以CRTSⅡ型板式无砟轨道为例来说明轨道板变形监测的装置的具体结构组成及工作过程，CRTSⅡ型板式无砟轨道属于中国高速铁路无砟轨道结构的一种。在钢轨以下由扣件系统、轨道板1、砂浆层2、底座板或支承层(其中，桥梁地段叫法为底座板，路基地段叫法为支承层)3等组成。单块轨道板长6450mm，宽2550mm，高200mm，板间以宽窄接缝4(上宽下窄，宽接缝宽度210mm，窄接缝宽度50mm)浇筑混凝土形成纵连结构。

由于受轨道板间的宽窄接缝状态、砂浆层状态、施工锁定温度、环境温度变化等因素的影响，在宽窄接缝这一“薄弱环节”处，极易发生轨道板板端上拱离缝、板端接缝开裂产生离缝等病害。

当温度较高时，轨道板端部可能会发生上拱现象，即产生垂向位移，与下面的砂浆层和支承层脱开，产生离缝；

当温度较低时，轨道板可能会发生收缩，即相邻轨道板产生纵向位移，甚至会在宽窄接缝处出现纵向拉开离缝现象。

上述的“垂向”指轨道板的厚度(或高度)方向；“纵向”指在水平面上与轨道板铺设延伸方向所平行的方向。

以上两种情况都会对轨道板的结构产生形变影响，严重威胁行车安全，下面将以实施例的方式来具体介绍一种轨道板变形监测的装置。

一、轨道板变形监测装置

(一)轨道板变形监测装置的结构

本实施例中，可以将单块轨道板划分为垂向位移测区、过渡区、纵向位移测区三个监测区域，在轨道板上连续设置光缆，该光缆被所述垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区相应地划分为垂向位移测量段、过渡段和纵向位移测量段，以通过光纤传感对轨道板的变形进行监测。

图1是本发明实施例提供的一种轨道板变形监测装置，参见图1，该装置包括光缆、紧固装置和检测主机；所述光缆与检测主机相连；所述紧固装置将轨道板1划分为垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区；

在轨道板1侧面连续纵向设置光缆，所述光缆包括分别与所述垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区相对应的垂向位移测量段10、过渡段11和纵向位移测量段12，从而对轨道板1的变形进行监测；

所述垂向位移测量段10和纵向位移测量段12为预拉紧状态，过渡段11则为自由状态，不受外力作用；所述紧固装置包括第一锚固件8-1、第二锚固件8-2、第三锚固件8-3、第四锚固件8-4、紧固件5、连接线6、转换器7和第一连接件9-1、第二连接件9-2；

上一块轨道板的纵向位移测量段末端通过第一锚固件8-1锚固于当前轨道板侧面并靠近宽窄接缝4-1，后续光缆连接第一连接件9-1,开始当前轨道板1的垂向位移测量段10；

所述垂向位移测量段10的起始端(见图1的垂向位移测量段10的左端)通过第一连接件9-1与连接线6连接，所述连接线6通过转换器7垂向与紧固件5相连，紧固件5将连接线6紧固于底座板或支承层3上；

通过第二锚固件8-2将所述垂向位移测量段10的末端(见图1的垂向位移测量段10的右端)固定于轨道板1的侧面；

所述过渡段11的一端(即图1中光缆的过渡段11的右端)通过第三锚固件8-3连接所述纵向位移测量段12的起始端(即图1中纵向位移测量段12的左端)；

所述纵向位移测量段12跨过第二宽窄接缝4-2继续延伸，所述纵向位移测量段12的末端(图1纵向位移测量段12的右端)连接第四锚固件8-4，纵向位移测量段12通过第三锚固件8-3和第四锚固件8-4固定在下一块轨道板的侧面；

光缆通过第四锚固件8-4后并由第二连接件9-2与下一块轨道板铺设光缆的垂向位移测量段相连，以此类推，使光缆沿纵向即轨道板1铺设方向延伸，实现检测主机对长距离轨道板1的变形监测；

其中，所述检测主机实时获取轨道板1的垂向位移测区、纵向位移测区的所设光缆的光纤信号并结合过渡区的光纤信号，获得轨道板1相对于底座板或支承层3的垂向位移以及轨道板1收缩时，相邻轨道板的纵向位移。

其中，在本实施例中，所述检测主机可根据实际应用需要，布置在车站机房等便于电力接入的地方，该装置的铺设距离可延伸至10km以上，相比于利用点式的机械类或电类传感器对轨道板进行变形监测，本实施例的监测装置监测距离长、覆盖范围广且不需在现场为传感器或传输设备供电。

其中，所述第三锚固件8-3和第四锚固件8-4位于第二宽窄接缝4-2的两侧，且第四锚固件8-4与连接件9-2之间的距离远小于第四锚固件8-4与第三锚固件8-3之间的距离。

进一步的，在轨道板1相对于底座板或支承层3发生垂向变形时，所述紧固装置将变形产生的垂向位移转换为垂向位移测量段10的光缆在长度方向上的伸缩变化量。

进一步的，所述光缆的垂向位移测量段10、过渡段11和纵向位移测量段12的长度不小于检测主机空间分辨率所识别的有效长度。

优选的，所述光缆为包裹分布式光纤的紧套传感光缆，在监测装置工作时，使光纤随光缆共同发生形变。

所述监测装置基于分布式光纤传感技术来对轨道板1的变形进行监测；其中，分布式光纤传感与传统的机械和电类传感器相比，其具有耐腐蚀、质量轻、体积小、抗电磁干扰、兼备传感和传输功能、寿命长、响应时间快、使用期限内维护费用低等显著优点；而且分布式光纤传感的检测信号强，定位精度高，在传感器的测量精度和传输距离具有显著优势。

进一步的，所述光缆的垂向位移测量段10、过渡段11和纵向位移测量段12的延伸方向与轨道板1的延伸方向平行，且布置在轨道板1的侧面。

进一步的，所述转换器7可以为刚性圆弧片或滑轮，可以理解的是，该转换器还可以是其他类型的转换器，本发明不做限制。

进一步的，所述连接线6为钢绞线，可以理解的是，该连接线6还可以是其他材质的连接线，本发明不做限制。

本实施例中，布设在轨道板1侧面的光缆接入检测主机，当光缆的垂向位移测量段10和纵向位移测量段12被拉伸时，垂向位移测量段10和纵向位移测量段12应变的变化以及发生的位置均可通过检测主机获取。

进一步的，所述光缆的垂向位移测量段10、过渡段11和纵向位移测量段12的长度不小于检测主机空间分辨率所识别的有效长度。

(二)轨道板变形监测装置主要部件的作用

将所述轨道板变形监测装置的光缆及各部件安装完成后，在初始状态采集并记录光缆基准值数据；当轨道板产生变形时，各部件发挥作用，将会对轨道板的变形位移进行监测。

1.垂向位移测量段

垂向位移测量段10的长度不小于检测主机空间分辨率所识别的有效长度，为预拉紧状态。

垂向位移测量段10主要用于监测轨道板1板端发生拱起时相对于底座板或支承层3的垂向位移变化，在夏季连续高温时，当发生轨道板1板端拱起时，轨道板1脱离开砂浆层2和底座板或支承层3产生垂向位移，紧固件5保持不动，使连接线6被张拉并通过转换器7和第一连接件9-1带动垂向位移测量段10在光缆长度方向上上产生拉伸，通过检测主机处理，可以得到轨道板1相对于底座板或支承层3的垂向位移。

2.过渡段

过渡段11的长度不小于检测主机空间分辨率所识别的有效长度，且无需预先张拉，为自由状态，贴合于轨道板1的侧面。

垂向位移测量段10的末端连接过渡段11，并将光缆的过渡段11的末端以第三锚固件8-3固定于轨道板1的侧面。

检测主机对过渡段11的光纤信号进行监测，其测量结果可对垂向位移测量段10和纵向位移测量段12进行温度补偿，同时监测轨道板1的温度变化。

3.纵向位移测量段

纵向位移测量段的长度不小于检测主机空间分辨率所识别的有效长度，为预拉紧状态。

纵向位移测量段12主要用于监测轨道板1发生纵向收缩变形时相邻轨道板1的位移变化，例如：在冬季低温时，轨道板1可能会出现收缩，相邻轨道板1产生纵向位移，甚至在宽窄接缝4处产生离缝，此时纵向位移测量段12随轨道板1的收缩而被拉伸，通过检测主机处理，可以得到相邻轨道板1的纵向位移。

4.锚固件

设置锚固件8(即第一锚固件8-1，第二锚固件8-2、第三锚固件8-3和第四锚固件8-4)的目的是保证垂向位移测量段10和纵向位移测量段12在被拉伸时，在锚固件8位置与轨道板1间不产生相对滑动，各段相互独立，保证测量结果不受影响。

二、轨道板端变形监测方法

由于轨道板1在当前温度较高或较低时分别会产生垂向位移或纵向位移变化，因此下面将以实施例1和2分别叙述轨道板1在轨道板1的当前温度较高时、温度较低时所发生的变形。

1.实施例1-轨道板产生垂向变形

当轨道板1在连续高温(如天气温度达35°)天气的情况下，即轨道板1的当前温度超过预设的第一温度阈值(例如该第一温度阈值为50°，第一温度阈值的温度值在此不做限制)且该当前温度的状态持续时间大于预设的第一时间时(例如该第一时间为5～8小时，第一时间的数值不做具体限制)，轨道板1的板端会拱起产生垂向位移，参见图2，该轨道板变形监测的方法包括以下步骤S100-S500。

S100:在初始状态下，采集所铺设光缆的光纤布里渊频率，作为基准值，其中垂向位移测量段10初始光纤布里渊频率为v_B01，过渡段11初始光纤布里渊频率为v_B0t；

S200:实时获取光纤布里渊频率，结合初始状态光纤布里渊频率的基准值，计算得到光缆各段的光纤布里渊频移，其中垂向位移测量段10的光纤布里渊频移为Δv_B1，过渡段11的光纤布里渊频移为Δv_Bt；

具体的，在继续采集并记录光纤布里渊频率的过程中，当轨道板1发生垂向变形，导致光缆各段当前光纤布里渊频率发生改变，垂向位移测量段10当前光纤布里渊频率为v_B1，过渡段11的当前光纤布里渊频率为v_Bt；

检测主机通过对当前光纤布里渊频率与初始状态光纤布里渊频率进行差值计算，得到垂向位移测量段10的光纤布里渊频移Δv_B1＝v_B1-v_B01，过渡段11的光纤布里渊频移为Δv_Bt＝v_Bt-v_B0t；

S300：通过过渡段11的光纤布里渊频移Δv_Bt对垂向位移测量段10进行温度补偿，得到垂向位移测量段10由应变变化引起的光纤布里渊频移Δv_B1(ε₁)；

由于在轨道板变形监测装置的实际工作过程中，垂向位移测量段10所测的光纤布里渊频移Δv_B1是受温度和应变同时影响的，即当前光纤布里渊频移Δv_B1存在以下关系式：

Δv_B1＝Δv_B1(ε₁)+Δv_B1(T₁)

其中，Δv_B1为垂向位移测量段10受温度和应变共同影响下的当前光纤布里渊频移；Δv_B1(ε₁)为垂向位移测量段10受当前应变变化影响的光纤布里渊频移；Δv_B1(T₁)为垂向位移测量段10受当前温度变化影响的光纤布里渊频移；

因此需要对垂向位移测量段10进行温度补偿，以剔除温度变化造成对应变测量的影响。过渡段11在轨道板1发生垂向变形时未产生拉伸，因此，过渡段11的光纤布里渊频移只受温度影响，且过渡段11与垂向位移测量段10相邻，两段温度差异可以忽略，可以认为垂向位移测量段10受当前温度变化影响的光纤布里渊频移与过渡段11光纤布里渊频移相同，即:

Δv_B1(T₁)＝Δv_Bt

因此，本实施例中选取过渡段11的光纤布里渊频移对垂向位移测量段10测量结果进行温度补偿，得到剔除温度影响后的垂向位移测量段10受当前应变变化影响的光纤布里渊频移Δv_B1(ε₁)，即：

Δv_B1(ε₁)＝Δv_B1-Δv_B1(T₁)＝Δv_B1-Δv_Bt

S400:根据光纤布里渊频移与应变之间的关系，解算得到垂向位移测量段10当前的应变变化量Δε₁；

光纤布里渊频移Δv_B1与应变、温度的变化量存在以下关系式：

Δv_B1＝Δv_B1(ε₁)+Δv_B1(T₁)＝C_ε·Δε₁+C_T·ΔT₁

其中，Δε₁为相比于初始状态的垂向位移测量段10当前应变变化量；ΔT₁为相比于初始状态的垂向位移测量段10的当前温度变化量；C_ε为所用光缆的应变影响系数，根据光缆自身性质决定；C_T为所用光缆的温度影响系数，根据光缆自身性质决定。

通过上述关系式可以计算垂向位移测量段10当前的应变变化量，即：

S500：根据垂向位移测量段10当前的应变变化量Δε₁，计算得到轨道板1相对于底座板或支承层3的垂向位移值y₁；

本实施例中，通过数据积累和拟合，建立轨道板1垂向位移y₁与垂向位移测量段10的当前的应变变化量Δε₁之间的数学计算模型，检测主机通过该计算模型完成解算并得到轨道板1相对于底座板或支承层3的垂向位移值y₁：

y₁＝k₁·Δε₁

其中,y₁为在垂向位移测区轨道板1相对于底座板或支承层3的垂向位移值；k₁为在垂向位移测区轨道板1的垂向位移值与垂向位移测量段10被拉伸时所产生的应变的变化量Δε₁的线性关系系数。

2.实施例2-轨道板产生纵向变形

在实施例2中监测相邻轨道板的纵向位移与实施例1中监测轨道板垂向位移的原理和过程大致相近，因此下面将具体描述实施例2。

当轨道板1在低温(例如天气温度低于0°)天气的情况下，即轨道板1的当前温度低于预设的第二温度阈值(例如该第二温度阈值为0°，第二温度阈值的温度范围在此不做限制)且该当前温度的状态持续时间大于预设的第二时间(例如该第二时间为3～5小时，第二时间的数值也不做具体限制)，相邻轨道板1之间会产生纵向位移，参见图3，该轨道板变形监测的方法包括以下步骤S100'-S500'。

S100':在初始状态下，采集所铺设光缆的光纤布里渊频率，作为基准值，其中纵向位移测量段12初始光纤布里渊频率为v_B02，过渡段11初始光纤布里渊频率为v_B0t；

S200':实时获取光纤布里渊频率，结合初始状态光纤布里渊频率的基准值，计算得到光缆各段的光纤布里渊频移，其中纵向位移测量段12的光纤布里渊频移为Δv_B2，过渡段11的光纤布里渊频移为Δv_Bt；

具体的，在继续采集并记录光纤布里渊频率的过程中，当轨道板1发生纵向变形，导致光缆各段当前光纤布里渊频率发生改变，纵向位移测量段12当前光纤布里渊频率为v_B2，过渡段11的当前光纤布里渊频率为v_Bt；

检测主机通过对当前光纤布里渊频率与初始状态光纤布里渊频率进行差值计算，得到纵向位移测量段12的光纤布里渊频移Δv_B2＝v_B2-v_B02，过渡段11的光纤布里渊频移为Δv_Bt＝v_Bt-v_B0t；

S300':通过过渡段11的光纤布里渊频移Δv_Bt对纵向位移测量段12进行温度补偿，得到纵向位移测量段12由应变变化引起的光纤布里渊频移Δv_B2(ε₂)；

由于在轨道板变形监测装置的实际工作过程中，纵向位移测量段12所测的光纤布里渊频移Δv_B2是受温度和应变同时影响的，即当前光纤布里渊频移Δv_B2存在以下关系式：

Δv_B2＝Δv_B2(ε₂)+Δv_B2(T₂)

其中，Δv_B2为纵向位移测量段12受温度和应变共同影响下的当前光纤布里渊频移；Δv_B2(ε₂)为纵向位移测量段12受当前应变变化影响的光纤布里渊频移；Δv_B2(T₂)为纵向位移测量段12受当前温度变化影响的光纤布里渊频移；

因此需要对纵向位移测量段12进行温度补偿，以剔除温度变化造成对应变测量的影响。过渡段11在轨道板1发生纵向变形时未产生拉伸，因此，过渡段11的光纤布里渊频移只受温度影响，且过渡段11与纵向位移测量段12相邻，两段温度差异可以忽略，可以认为过渡段11光纤布里渊频移与纵向位移测量段12受当前温度变化影响的光纤布里渊频移相同，即:

Δv_B2(T₂)＝Δv_Bt

因此，本实施例中选取过渡段11测量的光纤布里渊频移对纵向位移测量段12的测量结果进行温度补偿，得到剔除温度影响后的纵向位移测量段12受当前应变变化影响的布里渊频移Δv_B2(ε₂)，即：

Δv_B2(ε₂)＝Δv_B2-Δv_B2(T₂)＝Δv_B2-Δv_Bt

S400'：根据光纤布里渊频移与应变之间的关系，解算得到纵向位移测量段12当前的应变变化量Δε₂；

光纤布里渊频移Δv_B2与应变、温度的变化量存在以下关系式：

Δv_B2＝Δv_B2(ε₂)+Δv_B2(T₂)＝C_ε·Δε₂+C_T·ΔT₂

其中，Δε₂为相比于初始状态的纵向位移测量段12当前应变变化量；ΔT₂为相比于初始状态的纵向位移测量段12的当前温度变化量；C_ε为所用光缆的应变影响系数，根据光缆自身性质决定；C_T为所用光缆的温度影响系数，根据光缆自身性质决定。

在完成温度补偿后，通过上述关系式可以计算纵向位移测量段12当前的应变变化量:

S500'：根据垂向位移测量段12当前的应变变化量Δε₂，计算得到轨道板1收缩时相邻轨道板的纵向位移值y₂；

具体的，通过数据积累和拟合，建立相邻轨道板1纵向位移y₂与纵向位移测量段12的当前的应变变化量Δε₂之间的数学计算模型，检测主机通过该计算模型完成解算并得到轨道板1收缩时，相邻轨道板的纵向位移y₂：

y₂＝k₂·Δε₂

其中,y₂为在纵向位移测区相邻轨道板1收缩，甚至在宽窄接缝4(4-1、4-2)处出现离缝时，产生的纵向位移值；k₂为在纵向位移测区相邻轨道板1的纵向位移值与纵向位移测量段12被拉伸时所产生的应变变化量Δε₂的线性关系系数。

可选的，在另一实施例中，对光缆的垂向位移测量段10或光缆的纵向位移测量段12进行温度补偿还有另一种方法，具体如下:

选取两芯光纤的传感光缆，其中的一根为紧套光纤，与光缆同步变形；另一根为松套光纤，不随光缆变形而发生形变；在监测轨道板1变形的过程中，紧套光纤的测量结果受温度和应变的共同影响，而松套光纤的测量结果只受温度影响，将紧套光纤的测量结果与松套光纤的测量结果相减，从而实现对光缆的垂向位移测量段10或光缆的纵向位移测量段12进行温度补偿的作用，消除温度对测量结果的影响。

三、轨道板变形在线监测系统

参见图4，图4是本发明实施例提供的一种轨道板在线监测系统的架构示意图，该系统包括上述所述的轨道板变形监测装置、网络传输设备、监测控制中心和用户终端；

所述轨道板变形监测装置通过网络传输设备与监测控制中心连接以保持轨道板变形监测装置与监测控制中心之间的通信；监测控制中心通过网络与用户终端连接；优选的，所述网络可以为铁路专用网络，以保证信息传输的安全可靠；

所述监测控制中心实时接受一个或多个轨道板变形监测装置发来的报警信号和状态信息，并按预设的处理规则对该报警信号和状态信息进行处理并将处理信息及时分发给所述用户终端。

进一步的，所述系统包括报警装置用于对发生位移超限的轨道板的位置或编号进行报警，其可接入列车运行控制系统用来警示列车减速或停车以保障运行安全；

进一步的，在用户终端和监测控制中心之间设置防火墙，以保证监测控制中心所监测数据的安全。

进一步的，所述用户终端为显示屏或手持终端。

具体的，在本实施例中，在轨道板上按垂向位移测区、过渡区、纵向位移测区这三个区域布设光缆，光缆连接检测主机，可根据需要，检测主机布置在车站机房等便于电力接入的地方。其中，检测主机用于获取光缆的光纤布里渊频移，并进行温度补偿，最终解算得到轨道板1的垂向和纵向变形位移，还可通过过渡段11得到每块轨道板的当前温度数据。

同时检测主机将所测光缆的里程点输出相应的里程坐标，即可预先建立光缆的里程点与轨道板的里程定位换算模型和定位标定模型，即可以通过检测主机输出光缆里程点的坐标值与铁路的里程标进行标定，通过输出光缆的里程点的坐标，可以精准定位所监测的每块轨道板。

通过网络传输设备并利用铁路专用网络将上述轨道板的垂向、纵向位移及温度数据上传至监测控制中心；监测控制中心实时接收一个或多个轨道板变形监测装置发来的数据，并进行进一步处理形成状态信息，并依据所设置的报警阈值，对位移和温度变化量进行评判，形成报警信号，报警可根据位移大小和温度变化量而分级设置多个等级，并按预设的处理规则将状态信息和报警信号及时分发给用户终端。

用户终端上展示的状态信息包括某区域的每块轨道板的里程、位移以及温度的变化量以及温度与垂向和纵向位移变化过程等信息。当位移的变化超过预警级别时或轨道板1的当前温度变化超过预设的阈值时，需对该区域重点关注，当达到所设定的报警阈值时，报警装置将进行报警，并锁定安全状态不良的轨道板，提醒值班人员进行处理，从而保证了铁路的行车安全。

系统所述报警装置可通过喇叭、无线列调、报警灯以及手机短信、手机APP推送等方式进行报警，也可接入列车运行控制系统用来警示列车减速或停车以保障运行安全。

进一步的，可以建立轨道板状态数据库，用于辅助后期的养护维修工作。

对于长距离线路，利用所述轨道板变形监测装置可以实时监测铁路沿线铺设的光缆的状态，将轨道板位移、发生位置、温度等重要参数高效、直观地展示给用户终端，可实现对轨道板上拱和接缝离缝病害高效、精准、经济的实时监测和报警，提供轨道板位移、温度变化等参数的实时数据和变化曲线，构建信息化的轨道板变形在线监测系统。

本发明的技术效果是：

1.本发明通过在轨道板的侧面设置光缆，将轨道板划分为垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区，光缆被垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区相对应的划分为垂向位移测量段、过渡段和纵向位移测量段；当被监测的一块或多块轨道板发生位移变化时，垂向位移测量段、纵向位移测量段发生拉伸，检测主机可以获得垂向位移测量段、纵向位移测量段的光纤信号变化，并输出位移变化量和发生位置；

2.在轨道板的过渡区对过渡段的光纤信号进行同步测量，以实现对光缆的垂向位移测量段和纵向位移测量段的温度补偿以及轨道板当前温度监测，从而消除了温度对所测轨道板位移变化值的影响，提高了测量精度，并时刻关注轨道板温度变化；

3.本发明在轨道板的侧面设置传感光缆，利用紧固装置将光缆布设于轨道板侧面，各部件安装方式结构简单、安装简洁，对轨道板的结构不产生影响，同时也使得轨道板的表面不受其他设备及设备线缆的影响，消除了对高铁运营带来的安全隐患；

4.由于所述监测装置通过光缆传输距离远，检测主机可布置于在车站机房等便于电力接入的地方，在铁路的沿线上无需布置供电和传输设备，仅有细小的光缆以及紧固装置，既可实现站间长距离轨道板监测，又减少了区间设备布置及供电要求，对行车安全影响较小；

5.本发明将分布式光纤传感技术合理应用于轨道板变形监测，相比于传统的机械和电类传感器，其具有耐腐蚀、质量轻、体积小、抗电磁干扰、兼备传感和传输功能、寿命长、响应时间快、可实现远距离实时监测与传输、使用期限内维护费用低等显著优点；

6.本发明所述在线监测系统适用于长距离铁路线路的轨道板变形监测，可实时监测铁路沿线铺设光缆的光纤信号，处理形成状态信息和报警信号，通过铁路专网将轨道板位移、位置、温度等重要参数和变化过程高效、直观、安全地展示给用户终端，并及时报警，使相关部门做出应急处理，确保铁路运营的安全和平稳。

综上所述，本发明公开的轨道板变形监测装置和方法及在线监测系统，基于分布式光纤传感技术，对光缆进行合理布设，实现对轨道板位移变形的实时监测，并及时锁定发生超限工况位置，进行报警处理，为保障行车安全提供技术支撑。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种轨道板变形监测装置，其特征在于：该装置包括光缆、紧固装置和检测主机；所述光缆与检测主机相连；所述紧固装置将轨道板(1)划分为垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区；

在轨道板(1)侧面连续纵向设置光缆，所述光缆包括分别与所述垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区相对应的垂向位移测量段(10)、过渡段(11)和纵向位移测量段(12)；

所述垂向位移测量段(10)和纵向位移测量段(12)为预拉紧状态，过渡段(11)为自由状态；

所述紧固装置包括第一锚固件(8-1)、第二锚固件(8-2)、第三锚固件(8-3)、第四锚固件(8-4)、紧固件(5)、连接线(6)、转换器(7)、第一连接件(9-1)和第二连接件(9-2)；

上一块轨道板的纵向位移测量段末端通过第一锚固件(8-1)锚固于当前轨道板侧面并靠近宽窄接缝(4-1)，后续光缆连接第一连接件(9-1),开始当前轨道板(1)的垂向位移测量段(10)；

所述垂向位移测量段(10)的一端通过第一连接件(9-1)与连接线(6)连接，所述连接线(6)通过转换器(7)与紧固件(5)相连，紧固件(5)将连接线(6)紧固于底座板或支承层(3)上；

通过第二锚固件(8-2)将所述垂向位移测量段(10)的另一端固定于轨道板(1)侧面；

所述过渡段(11)的一端通过第三锚固件(8-3)连接所述纵向位移测量段(12)的一端；

所述纵向位移测量段(12)跨过第二宽窄接缝(4-2)继续延伸，所述纵向位移测量段(12)的另一端连接，纵向位移测量段(12)通过第三锚固件(8-3)和第四锚固件(8-4)固定在轨道板(1)侧面；

光缆通过第四锚固件(8-4)后并由第二连接件(9-2)与下一块轨道板的垂向位移测量段相连,以此类推，使光缆沿轨道板铺设方向延伸；

其中，所述检测主机实时获取轨道板(1)的垂向位移测区、纵向位移测区的光纤信号并结合过渡区的光纤信号，获得轨道板(1)相对于底座板或支承层(3)的垂向位移或相邻轨道板(1)间的纵向位移。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第三锚固件(8-3)和第四锚固件(8-4)位于第二宽窄接缝(4-2)的两侧，且第四锚固件(8-4)与第二连接件(9-2)之间的距离远小于第四锚固件(8-4)与第三锚固件(8-3)之间的距离。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：轨道板(1)相对于底座板或支承层(3)发生垂向变形，所述紧固装置将变形产生的垂向位移转换为垂向位移测量段(10)的光缆在长度方向上的伸缩变化量。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述垂向位移测量段(10)、过渡段(11)和纵向位移测量段(12)的长度不小于检测主机空间分辨率所识别的有效长度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：所述垂向位移测量段(10)、过渡段(11)和纵向位移测量段(12)的延伸方向与轨道板(1)的延伸方向一致，且布置在轨道板(1)的侧面。

6.一种轨道板变形监测的方法，其特征在于：

将轨道板(1)划分为垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区；

在轨道板(1)上连续设置光缆，所述光缆包括分别与所述垂向位移测区、过渡区和纵向位移测区相对应的垂向位移测量段(10)、过渡段(11)和纵向位移测量段(12)；

所述方法包括以下步骤：

采集光缆的光纤布里渊频率，将该光纤布里渊频率作为初始状态的光纤布里渊频率基准值；其中，垂向位移测量段(10)的初始光纤布里渊频率为v_B01，纵向位移测量段(12)的初始光纤布里渊频率为v_B02，过渡段(11)的初始光纤布里渊频率为v_B0t；

实时获取光纤布里渊频率并结合初始状态光纤布里渊频率的基准值，计算得到垂向位移测量段(10)的光纤布里渊频移为Δv_B1、纵向位移测量段(12)的光纤布里渊频移为Δv_B2以及过渡段(11)的光纤布里渊频移为Δv_Bt；

利用过渡段(11)的光纤布里渊频移Δv_Bt对垂向位移测量段(10)和纵向位移测量段(12)进行温度补偿，得到垂向位移测量段(10)和纵向位移测量段(12)由应变变化引起的光纤布里渊频移Δv_B1(ε₁)和Δv_B2(ε₂)；

根据垂向位移测量段(10)和纵向位移测量段(12)由应变变化引起的光纤布里渊频移Δv_B1(ε₁)和Δv_B2(ε₂)与应变之间的关系，解算得到垂向位移测量段(10)当前的应变变化量Δε₁和纵向位移测量段(12)当前的应变变化量Δε₂；

基于所述垂向位移测量段(10)当前的应变变化量Δε₁和纵向位移测量段(12)当前的应变变化量Δε₂，并利用预先建立的数学计算模型分别解算得到轨道板(1)相对于底座板或支承层(3)的垂向位移值y₁，以及轨道板(1)收缩时相邻轨道板的纵向位移值y₂。

7.一种轨道板变形在线监测系统，其特征在于，该系统包括权利要求1-5任一项所述的轨道板变形监测装置，该监测系统还包括网络传输设备、监测控制中心和用户终端；

所述轨道板变形监测装置通过该网络传输设备与监测控制中心连接；

所述监测控制中心通过网络与用户终端连接；

所述监测控制中心实时接收一个或多个轨道板变形监测装置发来的数据，经处理形成报警信号和轨道板状态信息，并按预设的处理规则将报警信号和轨道板状态信息及时分发给所述用户终端。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述系统包括报警装置，用于对发生位移超限的轨道板(1)的位置或编号进行报警。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述报警装置包括喇叭、无线列调、报警灯、手机短信和手机APP推送的一种或多种；所述轨道板变形在线监测系统接入列车运行控制系统以用于警示列车减速或停车。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述轨道板状态信息包括轨道板里程、垂向和纵向位移、温度的变化量、温度与垂向和纵向位移变化过程信息。

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