CN112177672B - 非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统及方法，包括设置在铁路隧道内拱肩处的监测设备，所述监测设备包括相互通信的超声波探测仪与红外数码成像仪；所述超声波探测仪感知缺陷性病害引起的超声波能量场差异，并将波信号转化为电信号传输至红外数码成像仪，红外数码成像仪根据获取的电信号得到缺陷性病害源空间方位信息，对缺陷性病害进行瞬时图像采集；本公开实现了运营期铁路隧道衬砌掉块病害的实时监测和远程预警，有效避免了误报警和漏报警等高危情况出现，有利于保障运营期铁路隧道运营安全。

Description

非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统及方法
技术领域
本公开涉及隧道监测技术领域，特别涉及一种非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
随着经济的快速发展，对交通的需求日益增大，铁路、公路、市政等基础设建设持续进行，隧道工程迎来了新的发展纪元。
本公开发明人发现，受制于现有隧道施工技术的局限性，以衬砌开裂、渗漏水为代表的隧道病害普遍存在，隧道病害率高达52.4％。特别是，隧道衬砌开裂、渗水等病害进一步诱发的隧道衬砌掉块等工程灾害尤为严重，占比高达73.9％。隧道衬砌掉块严重威胁铁路隧道运营安全，轻则造成设备砸毁，造成经济损失，重则引发铁路运营事故，威胁乘客生命安全。
现阶段，针对隧道衬砌病害的处理方法主要依靠人工定期检测、事后及时处理，存在时效性差、安全性低等不足，尚未实现隧道衬砌病害的实时监测、主动治理，难以有效保障铁路隧道安全运营。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统及方法，实现了运营期铁路隧道衬砌掉块病害的实时监测和远程预警，有效避免了误报警和漏报警等高危情况出现，有利于保障运营期铁路隧道运营安全。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统，包括设置在铁路隧道内拱肩处的监测设备，所述监测设备包括相互通信的超声波探测仪与红外数码成像仪；
所述超声波探测仪感知缺陷性病害引起的超声波能量场差异，并将波信号转化为电信号传输至红外数码成像仪，红外数码成像仪根据获取的电信号得到缺陷性病害源空间方位信息，对缺陷性病害进行瞬时图像采集。
作为可能的一些实现方式，所述监测设备沿隧道中轴对称的设置在隧道两侧的拱肩处。
作为进一步的限定，对称设置的监测设备进行交叉探测，探测范围能够覆盖整个衬砌结构。
作为可能的一些实现方式，沿隧道中轴方向每间隔预设距离设置一组监测设备。
作为可能的一些实现方式，所述超声波探测仪与红外数码成像仪集成设置，超声波探测仪的多个出射端均匀的设置在红外数码成像仪镜头的圆周上。
作为可能的一些实现方式，所述监测设备还包括无线通信模块，所述红外数码成像仪与无线通信模块连接，用于将得到的缺陷性病害源空间方位信息及图像信息传输给外置终端。
作为可能的一些实现方式，铁轨上沿隧道中轴方向每间隔预设距离设置至少一个压力感应元件。
作为可能的一些实现方式，还包括处理器，所述处理器分别与监测设备和压力感应元件连接，所述处理器根据压力感应元件的压力变化判断是否有列车经过，当列车经过时关闭监测设备。
本公开第二方面提供了一种非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警方法。
一种非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警方法，包括以下步骤：
实时获取布设在隧道内壁拱肩位置的监测设备得到的缺陷性病害源空间方位信息及图像信息；
根据得到的信息，判断衬砌掉块危害程度，当危害程度大于预设阈值时，将告警信息及缺陷性病害源位置信息发送给监控终端和/或列车控制终端和/或云服务器。
作为可能的一些实现方式，实时监测铁路轨道上的压力感应元件的压力变化，当监测到监测设备之前的沿隧道中轴间隔设置的压力感应元件的压力依次变化时，判断为列车经过，此时关闭监测设备。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的系统及方法，实现了运营期铁路隧道衬砌掉块病害的实时监测和远程预警，有效避免了误报警和漏报警等高危情况，有利于保障运营期铁路隧道运营安全。
2、本公开所述的系统及方法，在铁路隧道两侧拱肩部位布设集成高精度超声波探测仪及高清红外数码成像仪的监测装备，超声波探测仪对隧道衬砌进行实时、全覆盖掉块病害监测，通过红外数码成像仪记录隧道衬砌掉块的真实图像数据，并通过无线信号传输系统将图像数据上传至云数据库，告知相关部门及时处理，实现了铁路隧道衬砌掉块病害的实时监测预警。
3、本公开所述的系统及方法，解决了运营期铁路隧道衬砌掉块病害的实时监测和远程预警难题，得到的铁路隧道衬砌掉块病害预警结果更加准确和真实。
4、本公开所述的系统及方法，通过高清红外数码成像仪，可获取铁路隧道衬砌病害的现场图像数据，以保障预警结果的真实性、准确性。
5、本公开所述的系统及方法，通过铁路轨道下方的压感装置，避免高铁、火车等穿越隧道期间引起监测装备的误警、虚警，进一步提升了预警结果的真实性和准确性。
6、本公开所述的系统及方法，通过云数据技术，将预警结果远程传输至相关部门，保证了运营期铁路隧道衬砌掉块病害预警的实时性，保障了铁路运营安全。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统的结构示意图。
图2为本公开实施例1提供的监测设备的结构示意图。
图3为本公开实施例1提供的非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警方法的流程示意图。
1、监测装备；1-1、高清红外数码成像仪；1-2、高精度超声波探测仪；1-3、无线信号传输系统；1-4、活动转轴；2、铁路压感装置；3、声波覆盖范围；4、铁路轨道。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1-3所示，本公开实施例1提供了一种非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统，包括设置在铁路隧道内拱肩处的监测设备1，所述监测设备包括相互通信的超声波探测仪与红外数码成像仪；
所述超声波探测仪感知缺陷性病害引起的超声波能量场差异，并将波信号转化为电信号传输至红外数码成像仪，红外数码成像仪根据获取的电信号得到缺陷性病害源空间方位信息，对缺陷性病害进行瞬时图像采集。
具体的，运营期铁路隧道两侧拱肩部位布设集成高精度超声波探测仪及高清红外数码成像仪的监测装备，超声波探测仪对隧道衬砌进行实时、全覆盖掉块病害监测，通过红外数码成像仪记录隧道衬砌掉块的真实图像数据，并通过无线信号传输系统将图像数据上传至云数据库，告知相关部门及时处理，实现铁路隧道衬砌掉块病害的实时监测预警。
本实施例中，所述监测设备沿隧道中轴对称的设置在隧道两侧的拱肩处，即每侧拱肩设置一台监测设备，对称设置的监测设备进行交叉探测，声波覆盖范围3能够覆盖整个衬砌结构。
可以理解的，在其他一些实施方式中，每侧的监测设备也可以设置多台，只要能够实现对整个衬砌结构的监测即可，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择。
可以理解的，在其他一些实施方式中，两侧的监测设备也可以不是对称结构的，只要能够实现对整个衬砌结构的监测即可，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择。
本实施例中，沿隧道中轴方向每间隔预设距离设置一组监测设备，预设距离为15米。
可以理解的，在其他一些实施方式中，预设距离也可以是20米或者10米或者25米或者16米等其他距离，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择。
如图2所示，所述超声波探测仪1-2与红外数码成像仪1-1集成设置，超声波探测仪的多个出射端均匀的设置在红外数码成像仪镜头的圆周上，超声波探测仪与红外数码成像仪通过活动转轴1-4与底座连接，所述底座上固定有无线通信模块1-3，所述红外数码成像仪与无线通信模块连接，用于将得到的缺陷性病害源空间方位信息及图像信息传输给外置终端，所述底座固定在隧道的内壁上。
本实施例中，固定方式为螺栓固定，可以理解的，在其他一些实施方式中，固定方式也可以是铆接等其他固定方式。
本实施例中，铁轨4上沿隧道中轴方向每间隔预设距离设置至少一个压力感应元件，还包括处理器，所述处理器分别与监测设备和压力感应元件2连接，所述处理器根据压力感应元件的压力变化判断是否有列车经过，当列车经过时关闭监测设备。
本实施例中，所述压力感应元件为压力传感器，且沿中轴方向的压力传感器之间的间距为50米。
可以理解的，在其他一些实施方式中，所述压力传感器之间的间距也可以是40米或者30米或者60米等其他间距，本领域技术人员可以根据具体工况进行设计，这里不再赘述。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警方法，包括以下步骤：
实时获取布设在隧道内壁拱肩位置的监测设备得到的缺陷性病害源空间方位信息及图像信息；
根据得到的信息，判断衬砌掉块危害程度，当危害程度大于预设阈值时，将告警信息及缺陷性病害源位置信息发送给监控终端和/或列车控制终端和/或云服务器。
具体的，
(1)安装监测装备。在铁路隧道两侧拱肩部位安装铁路隧道衬砌病害监测装备，并沿隧道轴向间隔15米依次方式安装监测装备，实现铁路隧道衬砌病害无盲区、全覆盖监测。
(2)布设铁路压感装置。为避免高铁、火车等穿越隧道期间引起监测装备的误警、虚警，在铁路轨道下方布设压力感应装置，以保证高铁、火车等穿越隧道过程关闭监测装备，进一步保证监测装备预警的真实性、可靠性。
(3)衬砌掉块监测识别。采用高精度超声波探测仪，感知因隧道衬砌掉块等缺陷性病害引起的超声波能量场差异性，并将波信号转化为电信号，传输至高清红外数码成像装备，通过解译电信号获取病害源空间方位信息，实现隧道衬砌掉块等缺陷性病害的瞬时捕捉。
(4)衬砌掉块远程预警。基于云数据技术，将现场捕捉获取的铁路隧道衬砌掉块等缺陷性病害信息，通过云传输至监测管理部门，并启动预警警报。相关人员通过云数据，检查核实隧道事故现场，确定隧道衬砌病害发生的准确性，并通过预警系统将预警信号发布至铁路管理部门，通知沿线运行火高铁、火车等停止运行，并启动处治方案，告知相关部门前往现场处理，提升处治的时效性，以保障铁路运营的快速、安全恢复。
本实施例根据实际运营期铁路隧道工程，在铁路隧道两侧拱肩部位安装集成了高精度超声波探测仪及高清红外数码成像仪的铁路隧道衬砌病害监测装备，并于铁路轨道下方布设压力感应装置，以避免高铁、火车等穿越隧道期间引起监测装备的误警、虚警。
铁路隧道突发衬砌掉块病害时，高精度超声波探测仪可感知因隧道衬砌掉块等缺陷性病害引起的超声波能量场差异性，并将波信号转化为电信号，传输至高清红外数码成像装备，通过解译电信号获取病害源空间方位信息，实现隧道衬砌掉块等缺陷性病害的瞬时捕捉。基于云数据技术，将现场捕捉获取的铁路隧道衬砌掉块等缺陷性病害信息，通过云传输至监测管理部门，并启动预警警报。
本实施例提供了一种基于声波探测技术的非接触式铁路隧道衬砌掉块监测预警方法，与现有技术相比，实现了铁路隧道衬砌掉块病害的实时监测、远程预警，所得出的铁路隧道衬砌掉块病害预警结果更加准确、真实。
实时监测铁路轨道上的压力感应元件的压力变化，当监测到监测设备之前的沿隧道中轴间隔设置的压力感应元件的压力依次变化时，判断为列车经过，此时关闭监测设备。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统，其特征在于，包括设置在铁路隧道内拱肩处的监测设备，所述监测设备包括相互通信的超声波探测仪与红外数码成像仪；
所述超声波探测仪感知缺陷性病害引起的超声波能量场差异，并将波信号转化为电信号传输至红外数码成像仪，红外数码成像仪根据获取的电信号得到缺陷性病害源空间方位信息，对缺陷性病害进行瞬时图像采集；
还包括处理器，所述处理器分别与监测设备和压力感应元件连接，所述处理器根据压力感应元件的压力变化判断是否有列车经过，当列车经过时关闭监测设备。
2.如权利要求1所述的非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统，其特征在于，所述监测设备沿隧道中轴对称的设置在隧道两侧的拱肩处。
3.如权利要求2所述的非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统，其特征在于，对称设置的监测设备进行交叉探测，探测范围能够覆盖整个衬砌结构。
4.如权利要求1所述的非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统，其特征在于，沿隧道中轴方向每间隔预设距离设置一组监测设备。
5.如权利要求1所述的非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统，其特征在于，所述超声波探测仪与红外数码成像仪集成设置，超声波探测仪的多个出射端均匀的设置在红外数码成像仪镜头的圆周上。
6.如权利要求1所述的非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统，其特征在于，所述监测设备还包括无线通信模块，所述红外数码成像仪与无线通信模块连接，用于将得到的缺陷性病害源空间方位信息及图像信息传输给外置终端。
7.如权利要求1所述的非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统，其特征在于，铁轨上沿隧道中轴方向每间隔预设距离设置至少一个压力感应元件。
8.一种用于权利要求1-7任一所述的非接触式铁路隧道衬砌缺陷性病害监测预警系统的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时获取布设在隧道内壁拱肩位置的监测设备得到的缺陷性病害源空间方位信息及图像信息；
根据得到的信息，判断衬砌掉块危害程度，当危害程度大于预设阈值时，将告警信息及缺陷性病害源位置信息发送给监控终端和/或列车控制终端和/或云服务器；
实时监测铁路轨道上的压力感应元件的压力变化，当监测到监测设备之前的沿隧道中轴间隔设置的压力感应元件的压力依次变化时，判断为列车经过，此时关闭监测设备。
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