CN113338255A - 一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警系统，包括路桥过渡段沉降监测模块、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块、路桥过渡段水分场温度场监测模块、路桥过渡段桥台稳定性监测模块和信息交互与控制模块，路桥过渡段沉降监测模块的监测信息、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块的监测信息、路桥过渡段水分温度场监测系统的监测信息和路桥过度段桥台稳定性监测系统的监测信息均传输至所述信息交互与控制模块。本发明从寒区过渡段的工程病害产生机理的根本原因出发，实现了寒区铁路路桥过渡段在正常服役期的服役性能智能监测与安全评价。

Description

一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警系统及方法

技术领域

本发明涉及铁路运营管理系统领域，具体涉及一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警系统及方法。

背景技术

随着铁路建设的飞速发展，越来越多的列车将行驶在以季节性冻土或多年冻土为主的寒区铁路。对于寒区铁路路桥过渡段，一个十分关键的技术难点在于路基的冻胀融沉问题。季节性冻融环境会引起过渡段中的高含冰量冻土层发生冻胀融沉，水热环境的差异还会导致路基阴阳坡发生不均匀沉降。冻胀融沉在很大程度上不仅影响着寒区铁路线路的纵向和横向平顺性，而且还会进一步加剧路桥过渡段的差异沉降。影响路基冻胀融沉的主要问题包括三个方面：土质、含水量和温度，土质和含水量均为内因，因岩土工程问题本身的复杂性，即便在路基填筑过程已对路基的填料类型和含水量进行控制，在寒区修筑铁路的冻害现象仍时有发生。首先，路桥过渡段易出现的不均匀沉降和差异沉降均会对桥台产生较大的水平力；另外，寒区路基冻胀产生的冻胀力由于桥台纵向约束会大大增加桥台台背的水平作用；寒区路基伴随冻胀向下融沉也会进一步造成对桥台的水平侧压力；此外，过渡段在列车荷载的长期冲击下还会进一步加剧沉降和变形的不利影响。这些因素不仅会造成严重的路基病害，还会造成桥台纵向移动和倾斜、桥梁梁端顶死、支座剪断、桥梁桩基移位、护锥挤出变形等工程病害，进而路桥过渡段各结构发生连锁反应而破坏、最终导致过渡区域有砟轨道的道砟劣化沉降、轨枕悬挂及钢轨严重变形，影响线路平顺性，对过渡段的服役性能造成不利影响，影响列车运营的安全和舒适。因此十分有必要对寒区铁路路桥过渡段的服役性能进行监测，以实现寒区铁路路桥过渡段的服役性能的健康状态预报与工程灾害预警。

目前，对于过渡段不均匀沉降主要采取人工监测方式，并结合工程建设前期时的工程措施来尽量减少或避免病害，但在服役期间尚缺乏一种智能化监测系统和监测方法；国内外在寒区铁路路桥过渡段服役性能的智能监测方面的研究鲜少，特别是在寒区过渡段路基填土的水分场、温度场和桥台稳定性的长期监测及其健康状态预报预警等方面的工作十分有限。

综上所述，并基于目前我国寒区铁路项目的实际需求，我们急需一种寒区铁路服役条件下路桥过渡段的智能监测系统，研究成果还可为寒区路桥过渡段的健康状态预报与工程灾害预警提供重要参考与指导工程实践。

发明内容

本发明为了解决现有技术中对于过渡段不均匀沉降主要采取人工监测方式，并结合工程建设前期时的工程措施来尽量减少或避免病害，但在服役期间尚缺乏一种智能化监测系统和监测方法；国内外在寒区铁路路桥过渡段服役性能的智能监测方面的研究鲜少，特别是在寒区过渡段路基填土的水分场、温度场和桥台稳定性的长期监测及其健康状态预报预警等方面的工作十分有限的问题，提供了一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警系统及方法，其基于各项监测数据和寒区铁路路桥过渡段安全评价体系建立了神经网络预测模型，实现了利用实时监测数据对过渡段服役状态的安全等级进行评价，解决了上述问题。

本发明所提供的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警系统，包括路桥过渡段沉降监测模块、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块、路桥过渡段水分场温度场监测模块、路桥过渡段桥台稳定性监测模块和信息交互与控制模块，路桥过渡段沉降监测模块的监测信息、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块的监测信息、路桥过渡段水分子温度场监测系统的监测信息和路桥过度段桥台稳定性监测系统的监测信息均传输至信息交互与控制模块；

路桥过渡段沉降监测模块用于获取过渡区域一定范围内的沉降信息；

路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块用于通过监测冻胀融沉变形观测桩的高程变化监测路桥过渡段路基的冻胀融沉变形；

路桥过渡段水分场温度场监测模块用于电阻率数据自动与未冻水含量进行标定，实时得到路桥过渡段各典型剖面的水分场，进一步将未冻水含量数据自动与温度进行标定，可得到路桥过渡段各典型剖面的温度场分布；

路桥过渡段桥台稳定性监测模块用于实时监测桥台台背受力、桥台纵向位移和倾角变形，本根据桥台台背受力数据、桥台纵向位移数据和倾角变形数据来判断桥台是否安全；

信息交互与控制模块用于将路桥过渡段沉降监测模块的监测信息、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块的监测信息、路桥过渡段水分子温度场监测系统的监测信息和路桥过度段桥台稳定性监测系统的前期数据构建寒区铁路路桥过渡段服役性能的安全评价体系，并建立神经网络预测模型，并基于过渡段服役期实时监测数据利用预测模型对过渡段安全等级进行评价，最后将监测数据及安全评价结果可视化显示，以实现寒区铁路路桥过渡段的服役性能状态预报预警。

本发明提供的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，包括以下步骤：S1、路桥过渡段沉降监测模块、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块、路桥过渡段水分场温度场监测模块和路桥过渡段桥台稳定性监测模块分别采集监测数据并传送至信息交互与控制模块，并将检测数据根据时间阈值T区分为运营时间小于时间阈值T的前期数据Input-1和运营时间大于等于时间阈值T的后期数据Input-2；

S2、根据前期数据Input-1基于网络层次分析法和模糊综合评判法建立构建寒区铁路路桥过渡段安全评价体系，并导出前期安全评价结果Output-1；

S3、基于机器学习或深度学习方法，前期数据Input-1作为输入，并将基于前期数据Input-1得到的前期安全评价结果Output-1作为输出，建立并优化预测模型；

S4、后期数据Input-2作为输入，利用已建立的预测模型对过渡段服役状态的安全等级进行评价，得到后期评价结果Output-2；

S5、将监测数据及安全评价结果进行实时可视化显示。

本发明所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，作为优选方式，路桥过渡段沉降监测模块具体采集检测数据的方式为：

S111、通过雷达获取路桥过渡段区域重点监测范围内若干合成孔径雷达图像；

S112、在沉降监测模块的协助下，以其中一幅作为主影像，利用其余从影像进行配准生成干涉图；

S113、选取并识别永久散射体；

S114、基于二维周期图解方法，进一步构建永久散射体网络，得到线性变形相位和高程误差相位；

S115、在剩余的残差相位中采用时空滤波分离出非线性变形，将线性变形相位和非线性变形相加，得到研究区域内的永久散射体点形变信息。

本发明所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，作为优选方式，路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块具体采集检测数据的方式为：

S121、在路桥过渡段上选择若干冻胀融沉典型监测面，各冻胀融沉典型监测面在路基上表面的左右路肩和路基中心线位置处设置若干冻胀融沉变形观测桩，冻胀融沉变形观测桩固定于路基上表面并与道砟顶面平齐；

S122、设置若干冻胀融沉变形测量基准点，冻胀融沉变形测量基准点可设置于基岩基准点或者深埋基准点；

S123、通过监测各冻胀融沉变形观测桩的高程变化得到过渡段范围内各典型剖面的冻胀融沉变形。

本发明所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，作为优选方式，路桥过渡段水分场温度场监测模块具体采集检测数据的方式具体包括：

S131、通过测试，得到路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量标定关系和路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系；

S132、在路桥过渡段上选择若干路基的电阻率典型监测面，在每一个路基典型剖面沿水平向分别位于左右路基边坡中心线、左右路肩线、路基中心线及左右路基四等分线位置，沿竖向在天然地表线以上等距共设置若干排电阻率传感器；

S133、根据电阻率传感器监测的电阻率信息实时反馈至电阻率反演模块进行计算，从而得到电阻率在典型监测面的分布情况；

S134、电阻率反演模块将电阻率与未冻水含量进行标定，实时得到路桥过渡段各典型剖面的水分场；路桥过渡段水分场与温度场反演模块将未冻水含量数据自动与温度进行标定，得到路桥过渡段各典型剖面的温度场分布；

步骤S131中，获得路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量标定关系的具体方法为：

S13111、在施工前将拟待建路桥过渡段的路基填土在室内制作成若干具有不同含水量的试件，并进行电阻率测试，得到电阻率-未冻水含量的拟合关系；

S13112、根据电阻率-未冻水含量的拟合关系制成路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量的标定曲线；

步骤S131中，获得路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系的具体方法为：

S13121、通过室内试验采用烘干法得到路基填土的含水量，作为路基土的初始含水量；

S13122、将路基填土制成若干试样进行室内核磁共振试验，通过实验回归分析得到路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系。

本发明所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，作为优选方式，路桥过渡段桥台稳定性监测模块具体采集检测数据的方式具体包括：

台背土压力监控、桥台的纵向位移监控和桥台的倾斜变形监控，

台背土压力监控具体方法为：

S1411、将土压力盒设置于桥台台背，沿竖向共设置若干排，每排在台顶到台中心之间等间距设置，每一排等距设置若干个土压力盒；

S1412、在台背填土结束至台背压力稳定性后，通过对桥台台背的土压力长期监测，得到桥台台背土压力随时间的大小和分布的变化情况；

桥台的纵向位移监控具体方法为：

S1421、将测斜仪垂直线路中心线，固定在桥台台背上；

S1422、用砂浆沿测斜仪浇筑形成柱体；

S1423、测斜仪随桥台的倾斜，输出的电流，根据倾斜变形量与输出的电量的线性关系实时测得桥台沿线路纵向的水平位移；

桥台的倾斜变形监控具体方法为：

S1431、在桥台一侧胸墙中部部安装倾角仪；

S1432、使用防水保护装置包裹倾角仪；

S1433、倾角仪根据桥台变位实时监控监测桥台的倾角变形。

本发明所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，作为优选方式，步骤S2具体包括：

S21、建立因素集E和评语集C，

因素集E＝{T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆，T₇，T₈，T₉，T₁₀，T₁₁，T₁₂，R₁，S₁，S₂，X₁，X₂，X₃}，

其中，T₁为桥梁的短期沉降量，T₂为路基的短期沉降量，T₃为桥梁和路基的短期差异沉降量，T₄为桥梁的短期沉降速率，T₅为路基的短期沉降速率，T₆为桥梁和路基的短期差异沉降速率，T₇为桥梁的长期沉降量，T₈为路基的长期沉降量，T₉为桥梁和路基的长期差异沉降量，T₁₀为桥梁的长期沉降速率，T₁₁为路基的长期沉降速率，T₁₂为桥梁和路基的长期沉降速率差，R₁为路基的冻胀变形，S₁为路基的水分场，S₂为路基的温度场，X₁为台背土压力，X₂为桥台的纵向位移，X₃为桥台的倾斜变形；

评语集C＝{C₁，C₂，C₃，C₄，C₅}＝{非常安全，安全，较安全，危险，非常危险}；

S22、采用层次分析法的9分法作为评价尺度，采用专家评判打分的方式，将评价模型中各指标层的重要程度两两比较，建立判断矩阵，并进行一致性检验；

S23、建立未加权超矩阵W，公式如下：

S24、将未加权超矩阵W与判断矩阵构造的加权因子a相乘得加权超矩阵

S25、对加权超矩阵

进行稳定性处理，得到极限超矩阵W^∞，当

收敛且唯一时，该矩阵中的列向量即为各考核指标的稳定的权重向量A，权重向量A公式如下：

A＝(T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆，T₇，T₈，T₉，T₁₀，T₁₁，T₁₂，R₁，S₁，S₂，X₁，X₂，X₃)；

S26、为确定寒区铁路路桥过渡段安全评价体系对评语集C的隶属程度，组织专家对各指标层进行评判，可得到评价矩阵R，公式如下：

S27、将评价矩阵R与权重向量A进行模糊变换得：B＝A*R，得到评价结果B＝(B₁，B₂，B₃，B₄，B₅)，最后根据最大隶属度原则，得到最终的寒区铁路路桥过渡段安全评价等级。

为实现寒区铁路路桥过渡段服役性能相关参数的智能监测，本发明将路桥过渡段沉降监测模块、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块、路桥过渡段水分场-温度场监测模块及路桥过渡段桥台稳定性监测模块作为实现寒区铁路路桥过渡段连续、动态、实时自动化监测的重要工具和途径。

本发明有益效果如下：

(1)基于合成孔径雷达时序干涉(TS-InSAR)技术实现了路桥过渡段不均匀沉降长期监测；

(2)基于高程测量可实现高精度长期监测路桥过渡段路基的冻胀融沉变形；

(3)基于室内电阻率试验和核磁共振试验可分别得到路桥过渡段路基土的电阻率-未冻水含量标定关系和未冻水含量-温度标定关系，从而实现通过电阻率测试间接同时实时动态监测路桥过渡段的水分场和温度场；

(4)对台背土压力、桥台的纵向侧移和倾角变形进行实时监测，以掌握桥台的健康状态；将台背的受力大小和桥台的变位和变形趋势作为预警信号来判断桥台是否安全，以保证桥台的受力、变位和变形在一定合理范围内，不影响其正常服役性能；

(5)系统科学的获得过渡段的差异沉降变形、冻胀融沉变形、水分场、温度场及桥台受力及变形变位等数据信息，利用寒区铁路路桥过渡段在前期运营阶段的各项监测数据，并基于网络层次分析法和模糊综合评判法建立构建了寒区铁路路桥过渡段安全评价体系；

(6)基于各项监测数据和寒区铁路路桥过渡段安全评价体系建立了神经网络预测模型，实现了利用实时监测数据对过渡段服役状态的安全等级进行评价。

附图说明

图1为一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警系统示意图；

图2为一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法流程图。

附图标记：

1、路桥过渡段沉降监测模块；2、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块；3、路桥过渡段水分场温度场监测模块；4、路桥过渡段桥台稳定性监测模块；5、信息交互与控制模块。

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。

实施例1

如图1所示，一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警系统，包括路桥过渡段沉降监测模块1、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2、路桥过渡段水分场温度场监测模块3、路桥过渡段桥台稳定性监测模块4和信息交互与控制模块5，路桥过渡段沉降监测模块1的监测信息、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2的监测信息、路桥过渡段水分子温度场监测系统的监测信息和路桥过度段桥台稳定性监测系统的监测信息均传输至信息交互与控制模块5；

路桥过渡段沉降监测模块1用于获取过渡区域一定范围内的沉降信息；

路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2用于通过监测冻胀融沉变形观测桩的高程变化监测路桥过渡段路基的冻胀融沉变形；

路桥过渡段水分场温度场监测模块3用于电阻率数据自动与未冻水含量进行标定，实时得到路桥过渡段各典型剖面的水分场，进一步将未冻水含量数据自动与温度进行标定，可得到路桥过渡段各典型剖面的温度场分布；

路桥过渡段桥台稳定性监测模块4用于实时监测桥台台背受力、桥台纵向位移和倾角变形，本根据桥台台背受力数据、桥台纵向位移数据和倾角变形数据来判断桥台是否安全；

信息交互与控制模块5用于将路桥过渡段沉降监测模块1的监测信息、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2的监测信息、路桥过渡段水分子温度场监测系统的监测信息和路桥过度段桥台稳定性监测系统的前期数据构建寒区铁路路桥过渡段服役性能的安全评价体系，并建立神经网络预测模型，并基于过渡段服役期实时监测数据利用预测模型对过渡段安全等级进行评价，最后将监测数据及安全评价结果可视化显示，以实现寒区铁路路桥过渡段的服役性能状态预报预警。

路桥过渡段沉降监测系统包括沉降监测软件、雷达卫星及永久散射体，沉降监测软件基于时域建模分析的合成孔径雷达时序干涉(TS-InSAR)技术编制而成，TS-InSAR技术在雷达卫星和永久散射体的协助下，监测地面沉降的精度可达mm级，能准确提取过渡区域一定范围不均匀沉降信息，实现对路桥过渡段沉降量的长期监测与预警。

路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测系统包括冻胀融沉变形观测桩、冻胀融沉变形测量基准点和冻胀融沉变形监测装置，冻胀融沉变形观测桩固定于路基上表面并与道砟顶面平齐，冻胀融沉变形监测装置通过监测冻胀融沉变形观测桩的高程变化实现高精度监测路桥过渡段路基的冻胀融沉变形。

冻胀融沉变形观测桩为混凝土圆桩，根据实际情况在路桥过渡段上选择3～6个路基的冻胀融沉典型监测面，每个典型监测面在路基上表面的左右路肩和路基中心线位置处设置三个冻胀融沉变形观测桩。冻胀融沉变形观测桩固定于路基上表面并与道砟顶面平齐，此外，冻胀融沉变形观测桩顶面的圆心内嵌入了标志钉，因此冻胀融沉变形观测桩的高程变化可以代表路基的冻胀融沉变形量。通过监测各个冻胀融沉变形观测桩的高程变化的可分别代表过渡段范围内各典型剖面的冻胀-融沉变形。

为尽量减少或避免测量误差，设置两个冻胀融沉变形测量基准点进行复测。此外，为避免地基沉降和冻胀融沉变形对冻胀融沉变形测量基准点的影响，视实际情况可将冻胀融沉变形测量基准点设置为基岩基准点或者深埋基准点。

冻胀融沉变形监测装置为可进行高程测量的相应高精度仪器(如DS05或DS1级精准水准仪)，结合冻胀融沉变形观测桩和冻胀融沉变形测量基准点能获取路桥过渡段路基B的冻胀融沉变形的变化情况，进一步将监测信息反馈至信息交互与控制模块5。考虑到经济成本，路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2应结合实际情况确定频率的监测方案，具体的监测频率还应视气温变化和信息交互与控制模块5的冻胀-融沉量长期监测情况适当增减。

路桥过渡段水分场-温度场监测系统包括电阻率-未冻水含量室内标定装置、未冻水含量-温度室内标定装置、路桥过渡段电阻率监测装置及路桥过渡段水分场与温度场反演装置，电阻率-未冻水含量室内标定装置通过大量电阻率室内试验得到路基土电阻率-未冻水含量的标定关系；未冻水含量-温度室内标定装置基于核磁共振技术，通过大量室内试验得到路基土未冻水含量-温度的标定关系；路桥过渡段电阻率监测装置由一系列布置在路基内部的电阻率传感器和二维高密度电阻率法反演软件组成，可实现实时监测路基内部的电阻率在典型监测面的分布情况；路桥过渡段水分场与温度场反演装置内置有电阻率-未冻水含量反演软件和未冻水含量-温度反演软件，通过自动标定的方式实现了只通过电阻率监测间接同时实时动态监测路桥过渡段各典型剖面的水分场和温度场分布情况。

寒区路桥过渡段在冻融循环和列车振动效应共同作用下病害问题十分突出，而温度和水分是影响过渡段冻害的重要因素，本实施例采用路桥过渡段水分场-温度场监测模块3对路桥过渡段的温度场和水分场实时监测。路桥过渡段水分场-温度场监测模块3包括电阻率-未冻水含量室内标定装置、未冻水含量-温度室内标定装置、路桥过渡段电阻率监测装置、路桥过渡段水分场与温度场反演装置，路桥过渡段水分场-温度场监测模块3通过自动标定的方式实现了只通过电阻率监测间接同时实时动态监测路桥过渡段各典型剖面的水分场和温度场的变化情况。

电阻率-未冻水含量室内标定装置在施工前将拟待建路桥过渡段的路基填土在室内制作成大量具有不同含水量的试件进行电阻率测试，得到电阻率-未冻水含量的拟合关系。由于含水量对于路基土的电阻率变化十分敏感，因此可将此拟合关系作为路桥过渡段路基土体电阻率-未冻水含量的标定曲线。对于已建路桥过渡段，路基填土可采用与路基现场压实具有相同级配的同一类型填料，以保证所制备试样与现场路基土具有相近的物理力学性质，进一步制备大量具有不同含水量的试件，通过室内试验得到路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量的标定关系。

未冻水含量-温度室内标定装置基于核磁共振技术，可得到路基填料未冻水含量与温度的拟合关系。其测试原理为：在不同温度条件下，当试样中的氢核受到射频场的干扰后，测定其松弛时间不同，会产生不同强度的信号。先通过室内试验采用烘干法得到路基填土的含水量，将其作为路基土的初始含水量。再将路基填土制成大量试样进行室内核磁共振试验，进一步通过大量实验回归分析可得到路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系。

路桥过渡段电阻率监测装置主要由一系列布置在路基内部的电阻率传感器和电阻率反演软件组成，在信息交互与控制模块5的协助下可实现路桥过渡段路基内部电阻率分布的实时监测。在路桥过渡段上选择视实际情况选择3～6个路基的电阻率典型监测面(电阻率典型监测面可与冻胀融沉典型监测面保持一致)，根据实际情况可在每一个路基典型剖面沿水平向分别位于左右路基边坡中心线、左右路肩线、路基中心线及左右路基四等分线设置7个电阻率传感器，沿竖向在天然地表线E以上等距共设置n排电阻率传感器，每一个剖面设置共计7n个电阻率传感器。电阻率传感器监测的电阻率信息可实时反馈至电阻率反演软件进行计算，从而得到电阻率在典型监测面的分布情况。

路桥过渡段水分场与温度场反演装置内置有基于电阻率-未冻水含量标定关系编制的电阻率-未冻水含量反演软件，可将路桥过渡段电阻率监测装置得到的电阻率数据自动与未冻水含量进行标定，实时得到路桥过渡段各典型剖面的水分场。此外，路桥过渡段水分场与温度场反演装置还内置有基于未冻水含量-温度标定关系编制的未冻水含量-温度反演软件。在得到了路桥过渡段各典型剖面的水分场信息后，进一步将未冻水含量数据自动与温度进行标定，可得到路桥过渡段各典型剖面的温度场分布。路桥过渡段水分场与温度场反演装置得到的水分场和温度场信息将反馈至信息交互与控制模块5用于实时分析监测数据及可视化显示。

路桥过渡段桥台稳定性监测系统包括土压力盒、测斜仪和倾角仪，土压力盒、测斜仪和倾角仪分别用于实时监测桥台台背受力、桥台纵向位移和倾角变形，在远程控制中心的作用下将桥台台背的受力大小和桥台的变形趋势作为预警信号来判断桥台是否安全，保证桥台的变位和受力在一定合理范围内，不影响其正常服役性能；

桥台台背的土压力是桥台承受的主要压力，其大小对桥台的稳定性具有显著影响。对于寒区路桥过渡段，过渡段的差异沉降、路基的冻胀和融沉等因素还会大大增加对桥台的纵向作用力，进一步加剧桥台的纵向变形和变位，因此有必要对桥台台背的土压力、桥台的纵向侧移和倾角进行监测，以评估桥台的健康状态。路桥过渡段桥台稳定性监测模块4通过监测桥台的受力和变位来评价桥台的稳定状态，主要由土压力盒、测斜仪和倾角仪组成。土压力盒、测斜仪和倾角仪可实时分别监测桥台的台背受力、桥台的纵向位移和倾角变形。

台背土压力选择土压力盒(如振弦式土压力盒)监测，其精度高、稳定性好，适用于长期监测桥台台背的土压力状态。在桥台台背设置土压力盒以监测台背受力，实际的土压力监测点可视实际情况而定，可在桥台台背沿竖向共设置3排(台顶到台中心之间等间距设置)，每一排监测点等间距设置6个，共计18个土压力监测点，为了使观测结果更具有代表性，应尽量将土压力盒23设置在受边界影响小的区域。在台背填土结束直至台背压力稳定性后(一般在3个月后较为稳定)，通过对桥台台背的土压力长期监测，可以得到桥台台背土压力随时间的大小和分布的变化情况。

采用测斜仪对桥台的纵向位移进行监测，测斜仪垂直线路中心线，安装于桥台台背。具体的安装方法是将测斜仪固定在桥台台背上，然后用砂浆沿测斜仪浇筑形成柱体，以保护测斜仪免遭损害，同时有利于测斜仪和桥台紧密接触。由于测斜仪随桥台的倾斜变形量与输出的电量呈线性关系，因此当桥台发生变位后，测斜仪可准确的测得桥台沿线路纵向的水平位移。

采用倾角仪对桥台的长期倾斜变形进行监测。在桥台左侧胸墙中部部安装倾角仪(可采用膨胀螺钉固定)，为避免外力破坏及雨水侵蚀，其外由保护装置包裹。当桥台发生变位，倾角仪可以实时监测桥台的倾角变形。

信息交互与控制中心5为智能计算机，是实现寒区铁路路桥过渡段服役性能信息化智能监测的重要部分，主要由数据自动采集与分析系统和远程控制中心组成。所述数据自动采集与分析系统包括数据处理模块，所述远程控制中心包括预测模型模块、安全评价模块及可视化模块。各个监测系统(路桥过渡段沉降监测模块1、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2、路桥过渡段水分场-温度场监测模块3和路桥过渡段桥台稳定性监测模块4)的监测信息传输至数据自动采集数据自动采集与分析系统的数据处理模块，信息交互与控制中心5先利用前期的数据实现寒区铁路路桥过渡段服役性能的安全评价体系构建，并建立神经网络预测模型，进一步便可基于过渡段的服役期实时监测数据利用预测模型对过渡段安全等级进行评价，最后将监测数据及安全评价结果可视化显示，以实现寒区铁路路桥过渡段的服役性能状态预报预警。

如图2所示，一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，包括以下步骤：

S1、路桥过渡段沉降监测模块1、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2、路桥过渡段水分场温度场监测模块3和路桥过渡段桥台稳定性监测模块4分别采集监测数据并传送至信息交互与控制模块5，并将检测数据根据时间阈值T区分为运营时间小于时间阈值T的前期数据Input-1和运营时间大于等于时间阈值T的后期数据Input-2；

数据自动采集与分析系统的数据处理模块用于接收、整合及储存各个系统(路桥过渡段沉降监测模块1、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2、路桥过渡段水分场-温度场监测模块3及路桥过渡段桥台稳定性监测模块4)的监测数据，可基于寒区铁路路桥过渡段的实时接收的各种传感器海量数据建立大数据库，并将大数据库的数据大致划分为前期运营阶段的监测数据Input-1及后期运营阶段的监测数据Input-2。需要指出的是Input-1和Input-2仅是为了后文方便叙述而进行的大致划分，并没有严格意义上的时间划分节点。

其中，路桥过渡段沉降监测模块1具体采集检测数据的方式为：

S111、通过雷达获取路桥过渡段区域重点监测范围内若干合成孔径雷达图像；

S112、在沉降监测模块的协助下，以其中一幅作为主影像，利用其余从影像进行配准生成干涉图；

S113、选取并识别永久散射体；

S114、基于二维周期图解方法，进一步构建永久散射体网络，得到线性变形相位和高程误差相位；

S115、在剩余的残差相位中采用时空滤波分离出非线性变形，将线性变形相位和非线性变形相加，得到研究区域内的永久散射体点形变信息。

路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2具体采集检测数据的方式为：

S121、在路桥过渡段上选择若干冻胀融沉典型监测面，各冻胀融沉典型监测面在路基上表面的左右路肩和路基中心线位置处设置若干冻胀融沉变形观测桩，冻胀融沉变形观测桩固定于路基上表面并与道砟顶面平齐；

S122、设置若干冻胀融沉变形测量基准点，冻胀融沉变形测量基准点可设置于基岩基准点或者深埋基准点；

S123、通过监测各冻胀融沉变形观测桩的高程变化得到过渡段范围内各典型剖面的冻胀融沉变形。

路桥过渡段水分场温度场监测模块3具体采集检测数据的方式具体包括：

S131、通过测试，得到路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量标定关系和路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系；

S132、在路桥过渡段上选择若干路基的电阻率典型监测面，在每一个路基典型剖面沿水平向分别位于左右路基边坡中心线、左右路肩线、路基中心线及左右路基四等分线位置，沿竖向在天然地表线以上等距共设置若干排电阻率传感器；

S133、根据电阻率传感器监测的电阻率信息实时反馈至电阻率反演模块进行计算，从而得到电阻率在典型监测面的分布情况；

S134、电阻率反演模块将电阻率与未冻水含量进行标定，实时得到路桥过渡段各典型剖面的水分场；路桥过渡段水分场与温度场反演模块将未冻水含量数据自动与温度进行标定，得到路桥过渡段各典型剖面的温度场分布；

步骤S131中，获得路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量标定关系的具体方法为：

S13111、在施工前将拟待建路桥过渡段的路基填土在室内制作成若干具有不同含水量的试件，并进行电阻率测试，得到电阻率-未冻水含量的拟合关系；

S13112、根据电阻率-未冻水含量的拟合关系制成路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量的标定曲线；

步骤S131中，获得路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系的具体方法为：

S13121、通过室内试验采用烘干法得到路基填土的含水量，作为路基土的初始含水量；

S13122、将路基填土制成若干试样进行室内核磁共振试验，通过实验回归分析得到路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系。

路桥过渡段桥台稳定性监测模块4具体采集检测数据的方式具体包括：

台背土压力监控、桥台的纵向位移监控和桥台的倾斜变形监控，

台背土压力监控具体方法为：

S1411、将土压力盒设置于桥台台背，桥台台背沿竖向共设置若干排，每排在台顶到台中心之间等间距设置，每一排等距设置若干个土压力盒；

S1412、在台背填土结束至台背压力稳定性后，通过对桥台台背的土压力长期监测，得到桥台台背土压力随时间的大小和分布的变化情况；

桥台的纵向位移监控具体方法为：

S1421、将测斜仪垂直线路中心线，固定在桥台台背上；

S1422、用砂浆沿测斜仪浇筑形成柱体；

S1423、测斜仪随桥台的倾斜，输出的电流，根据倾斜变形量与输出的电量的线性关系实时测得桥台沿线路纵向的水平位移；

桥台的倾斜变形监控具体方法为：

S1431、在桥台一侧胸墙中部安装倾角仪；

S1432、使用防水保护装置包裹倾角仪；

S1433、倾角仪根据桥台变位实时监控监测桥台的倾角变形。

S2、建立因素集E和评语集C，

因素集E＝{T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆，T₇，T₈，T₉，T₁₀，T₁₁，T₁₂，R₁，S₁，S₂，X₁，X₂，X₃}，

其中，T₁为桥梁的短期沉降量，T₂为路基的短期沉降量，T₃为桥梁和路基的短期差异沉降量，T₄为桥梁的短期沉降速率，T₅为路基的短期沉降速率，T₆为桥梁和路基的短期差异沉降速率，T₇为桥梁的长期沉降量，T₈为路基的长期沉降量，T₉为桥梁和路基的长期差异沉降量，T₁₀为桥梁的长期沉降速率，T₁₁为路基的长期沉降速率，T₁₂为桥梁和路基的长期沉降速率差，R₁为路基的冻胀变形，S₁为路基的水分场，S₂为路基的温度场，X₁为台背土压力，X₂为桥台的纵向位移，X₃为桥台的倾斜变形；

评语集C＝{C₁，C₂，C₃，C₄，C₅}＝{非常安全，安全，较安全，危险，非常危险}；

S3、采用层次分析法的9分法作为评价尺度，采用专家评判打分的方式，将评价模型中各指标层的重要程度两两比较，建立判断矩阵，并进行一致性检验；

S4、建立未加权超矩阵W，公式如下：

S5、将未加权超矩阵W与判断矩阵构造的加权因子a相乘得加权超矩阵

S6、对加权超矩阵

进行稳定性处理，得到极限超矩阵W^∞，当

收敛且唯一时，该矩阵中的列向量即为各考核指标的稳定的权重向量A，权重向量A公式如下：

A＝(T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆，T₇，T₈，T₉，T₁₀，T₁₁，T₁₂，R₁，S₁，S₂，X₁，X₂，X₃)；

S7、为确定寒区铁路路桥过渡段安全评价体系对评语集C的隶属程度，组织专家对各指标层进行评判，可得到评价矩阵R，公式如下：

S8、将评价矩阵R与权重向量A进行模糊变换得：B＝A*R，得到评价结果B＝(B₁，B₂，B₃，B₄，B₅)，最后根据最大隶属度原则，得到最终的寒区铁路路桥过渡段安全评价等级。

S9、基于机器学习或深度学习方法，前期数据Input-1作为输入，并将基于前期数据Input-1得到的前期安全评价结果Output-1作为输出，建立并优化预测模型；

预测模型模块通过构建合适的神经网络预测模型以建立输入和输出数据之间的联系，并对预测模型进行训练、验证及测试，进一步在过渡段的运营过程中对预测模型不断优化。

S10、后期数据Input-2作为输入，利用已建立的预测模型对过渡段服役状态的安全等级进行评价，得到后期评价结果Output-2；

S11、将监测数据及安全评价结果进行实时可视化显示。

可视化模块将各项监测数据和过渡段的评价等级等信息实时可视化显示，根据实时的监测数据(包括变化趋势及异常信息)和长期的安全等级评价结果可为寒区铁路路桥过渡段的服役性能状态进行预报预警。

一种寒区铁路路桥过渡段长期服役性能智能监测系统的安全等级评价方法对于各个系统(路桥过渡段沉降监测模块1、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块2、路桥过渡段水分场-温度场监测模块3和路桥过渡段桥台稳定性监测模块4)的监测数据具有极强的适应性和鲁棒性。

此外，在实际工程中本实施例对寒区铁路路桥过渡段进行安全等级评价时所适用的监测数据可并不仅仅局限于来自上述四个系统，例如实际上寒区高铁列车在通过路桥过渡段时在路基内部和桥梁上的加速度响应也具有较大监测价值，并且不同的加速度响应在很大程度上也能反映过渡段不同的健康状态和安全状态，因此加速度同样也适用于本发明提出的安全等级评价方法，但由于本实施例的主要研究对象为寒区铁路路桥过渡段，因此本发明在撰写工程中只是为了抓住重点，只将寒区主要的监测数据(即四个系统的监测数据)作为典例进行说明，更重要的是目的提供一种适用于寒区铁路路桥过渡段合理可行的智能化监测和服役状态安全评价方法，并不影响本发明在实际工程运用推广中进一步选用其他类型的数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警系统，其特征在于：包括路桥过渡段沉降监测模块(1)、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块(2)、路桥过渡段水分场温度场监测模块(3)、路桥过渡段桥台稳定性监测模块(4)和信息交互与控制模块(5)，所述路桥过渡段沉降监测模块(1)的监测信息、所述路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块(2)的监测信息、所述路桥过渡段水分子温度场监测系统的监测信息和所述路桥过度段桥台稳定性监测系统的监测信息均传输至所述信息交互与控制模块(5)；

所述路桥过渡段沉降监测模块(1)用于获取过渡区域一定范围内的沉降信息；

所述路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块(2)用于通过监测冻胀融沉变形观测桩的高程变化监测路桥过渡段路基的冻胀融沉变形；

所述路桥过渡段水分场温度场监测模块(3)用于电阻率数据自动与未冻水含量进行标定，实时得到路桥过渡段各典型剖面的水分场，进一步将未冻水含量数据自动与温度进行标定，可得到路桥过渡段各典型剖面的温度场分布；

所述路桥过渡段桥台稳定性监测模块(4)用于实时监测桥台台背受力、桥台纵向位移和倾角变形，本根据所述桥台台背受力数据、所述桥台纵向位移数据和所述倾角变形数据来判断桥台是否安全；

所述信息交互与控制模块(5)用于将所述路桥过渡段沉降监测模块(1)的监测信息、所述路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块(2)的监测信息、所述路桥过渡段水分子温度场监测系统的监测信息和所述路桥过度段桥台稳定性监测系统的前期数据构建寒区铁路路桥过渡段服役性能的安全评价体系，并建立神经网络预测模型，并基于过渡段服役期实时监测数据利用预测模型对过渡段安全等级进行评价，最后将监测数据及安全评价结果可视化显示，以实现寒区铁路路桥过渡段的服役性能状态预报预警。

2.一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、路桥过渡段沉降监测模块(1)、路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块(2)、路桥过渡段水分场温度场监测模块(3)和路桥过渡段桥台稳定性监测模块(4)分别采集监测数据并传送至所述信息交互与控制模块(5)，并将所述检测数据根据时间阈值T区分为运营时间小于所述时间阈值T的前期数据Input-1和运营时间大于等于所述时间阈值T的后期数据Input-2；

S2、根据所述前期数据Input-1基于网络层次分析法和模糊综合评判法建立构建寒区铁路路桥过渡段安全评价体系，并导出前期安全评价结果Output-1；

S3、基于机器学习或深度学习方法，所述前期数据Input-1作为输入，并将基于所述前期数据Input-1得到的所述前期安全评价结果Output-1作为输出，建立并优化预测模型；

S4、所述后期数据Input-2作为输入，利用已建立的预测模型对过渡段服役状态的安全等级进行评价，得到后期评价结果Output-2；

S5、将监测数据及安全评价结果进行实时可视化显示。

3.根据权利要求2所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，其特征在于：所述路桥过渡段沉降监测模块(1)具体采集检测数据的方式为：

S111、通过雷达获取路桥过渡段区域重点监测范围内若干合成孔径雷达图像；

S112、在沉降监测模块的协助下，以其中一幅作为主影像，利用其余从影像进行配准生成干涉图；

S113、选取并识别永久散射体；

S114、基于二维周期图解方法，进一步构建永久散射体网络，得到线性变形相位和高程误差相位；

S115、在剩余的残差相位中采用时空滤波分离出非线性变形，将线性变形相位和非线性变形相加，得到研究区域内的永久散射体点形变信息。

4.根据权利要求2所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，其特征在于：所述路桥过渡段路基填土冻胀融沉监测模块(2)具体采集检测数据的方式为：

S121、在路桥过渡段上选择若干冻胀融沉典型监测面，各所述冻胀融沉典型监测面在路基上表面的左右路肩和路基中心线位置处设置若干冻胀融沉变形观测桩，所述冻胀融沉变形观测桩固定于所述路基上表面并与道砟顶面平齐；

S122、设置若干冻胀融沉变形测量基准点，所述冻胀融沉变形测量基准点可设置于基岩基准点或者深埋基准点；

S123、通过监测各所述冻胀融沉变形观测桩的高程变化得到过渡段范围内各典型剖面的冻胀融沉变形。

5.根据权利要求2所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，其特征在于：所述路桥过渡段水分场温度场监测模块(3)具体采集检测数据的方式具体包括：

S131、通过测试，得到路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量标定关系和路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系；

S132、在路桥过渡段上选择若干路基的电阻率典型监测面，在每一个路基典型剖面沿水平向分别位于左右路基边坡中心线、左右路肩线、路基中心线及左右路基四等分线位置，沿竖向在天然地表线以上等距共设置若干排电阻率传感器；

S133、根据所述电阻率传感器监测的电阻率信息实时反馈至电阻率反演模块进行计算，从而得到电阻率在典型监测面的分布情况；

S134、所述电阻率反演模块将所述电阻率与未冻水含量进行标定，实时得到路桥过渡段各典型剖面的水分场；所述路桥过渡段水分场与温度场反演模块将未冻水含量数据自动与温度进行标定，得到路桥过渡段各典型剖面的温度场分布；

步骤S131中，获得所述路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量标定关系的具体方法为：

S13111、在施工前将拟待建路桥过渡段的路基填土在室内制作成若干具有不同含水量的试件，并进行电阻率测试，得到电阻率-未冻水含量的拟合关系；

S13112、根据电阻率-未冻水含量的拟合关系制成路桥过渡段路基土电阻率-未冻水含量的标定曲线；

步骤S131中，获得所述路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系的具体方法为：

S13121、通过室内试验采用烘干法得到路基填土的含水量，作为路基土的初始含水量；

S13122、将路基填土制成若干试样进行室内核磁共振试验，通过实验回归分析得到路桥过渡段路基未冻水含量-温度的标定关系。

6.根据权利要求2所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，其特征在于：所述路桥过渡段桥台稳定性监测模块(4)具体采集检测数据的方式具体包括：

台背土压力监控、桥台的纵向位移监控和桥台的倾斜变形监控，

所述台背土压力监控具体方法为：

S1411、将土压力盒设置于桥台台背，所述桥台台背沿竖向共设置若干排，每排在台顶到台中心之间等间距设置，每一排等距设置若干个所述土压力盒；

S1412、在台背填土结束至台背压力稳定性后，通过对桥台台背的土压力长期监测，得到桥台台背土压力随时间的大小和分布的变化情况；

所述桥台的纵向位移监控具体方法为：

S1421、将测斜仪垂直线路中心线，固定在桥台台背上；

S1422、用砂浆沿测斜仪浇筑形成柱体；

S1423、所述测斜仪随桥台的倾斜，输出的电流，根据倾斜变形量与输出的电量的线性关系实时测得桥台沿线路纵向的水平位移；

所述桥台的倾斜变形监控具体方法为：

S1431、在桥台一侧胸墙中部安装倾角仪；

S1432、使用防水保护装置包裹所述倾角仪；

S1433、所述倾角仪根据桥台变位实时监控监测桥台的倾角变形。

7.根据权利要求2所述的一种寒区铁路路桥过渡段服役性能智能预警方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：

S21、建立因素集E和评语集C，

所述因素集E＝{T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆，T₇，T₈，T₉，T₁₀，T₁₁，T₁₂，R₁，S₁，S₂，X₁，X₂，X₃}，

其中，T₁为桥梁的短期沉降量，T₂为路基的短期沉降量，T₃为桥梁和路基的短期差异沉降量，T₄为桥梁的短期沉降速率，T₅为路基的短期沉降速率，T₆为桥梁和路基的短期差异沉降速率，T₇为桥梁的长期沉降量，T₈为路基的长期沉降量，T₉为桥梁和路基的长期差异沉降量，T₁₀为桥梁的长期沉降速率，T₁₁为路基的长期沉降速率，T₁₂为桥梁和路基的长期沉降速率差，R₁为路基的冻胀变形，S₁为路基的水分场，S₂为路基的温度场，X₁为台背土压力，X₂为桥台的纵向位移，X₃为桥台的倾斜变形；

所述评语集C＝{C₁，C₂，C₃，C₄，C₅}＝{非常安全，安全，较安全，危险，非常危险}；

S22、采用层次分析法的9分法作为评价尺度，采用专家评判打分的方式，将评价模型中各指标层的重要程度两两比较，建立判断矩阵，并进行一致性检验；

S23、建立未加权超矩阵W，公式如下：

S24、将所述未加权超矩阵W与判断矩阵构造的加权因子a相乘得加权超矩阵

S25、对加权超矩阵

进行稳定性处理，得到极限超矩阵W^∞，当

收敛且唯一时，该矩阵中的列向量即为各考核指标的稳定的权重向量A，所述权重向量A公式如下：

A＝(T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆，T₇，T₈，T₉，T₁₀，T₁₁，T₁₂，R₁，S₁，S₂，X₁，X₂，X₃)；

S26、为确定寒区铁路路桥过渡段安全评价体系对评语集C的隶属程度，组织专家对各指标层进行评判，可得到评价矩阵R，公式如下：

S27、将评价矩阵R与权重向量A进行模糊变换得：B＝A*R，得到评价结果B＝(B₁，B₂，B₃，B₄，B₅)，最后根据最大隶属度原则，得到最终的寒区铁路路桥过渡段安全评价等级。

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