CN117031531B - 一种声屏障防倒塌监测方法及其监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声屏障防倒塌监测方法及监测装置，监测方法包括采用轨道电路确定列车所在闭塞区间，当列车进入声屏障所在闭塞区间的上一个闭塞区间时，启动声屏障防倒塌监测；采集声屏障的屏体和立柱上的分布式光纤振动传感器反射的光脉冲强度，并对光脉冲进行时域分析，得到屏体和立柱水平加速度的时域信号；对屏体和立柱的时域加速度信号进行低通滤波处理，得到屏体和立柱在运行列车激励下的水平加速度时域信号；采用随机子空间法、峰值拾取法、频域分解法或者希尔伯特‑黄变换分析滤波后的加速度时域信号，得到屏体和立柱的当前自振频率；比较屏体和立柱的初始自振频率和当前自振频率，确定屏体和立柱是否存在倒塌风险。

Description

一种声屏障防倒塌监测方法及其监测装置

技术领域

本发明涉及轨道交通安全监测技术领域，具体涉及一种声屏障防倒塌监测方法及其监测装置。

背景技术

随着铁路尤其是高速铁路的迅速发展，铁路不可避免地会穿过居民区，而列车运行会带来噪声问题，包括列车空气动力噪声、轮轨噪声等，为避免干扰居民生活和工作，铁路上通常设置声屏障来降低列车运行的噪声对周边环境的影响。

当高速列车以200km/h以上的速度驶入声屏障路段时，会爆发出强大的冲击力，离开时又会产生强大的吸力。声屏障始终处于周期性的振动之中。由于大部分声屏障的安装是插板式，因此在反复受力后，易于出现连接松动和疲劳破坏，从而导致倒塌事故，严重危害行车安全。高速铁路声屏障的安全稳定是铁路运营的重点之一，为了解决高速铁路声屏障带来的安全隐患，需要引入声屏障防倒塌监测装置。

现有的声屏障防倒塌监测装置将分布式光纤传感器固定于声屏障立柱顶端，可以测得声屏障立柱在不同时间处的偏移量的变化，通过监测偏移量是否达到阈值判断声屏障是否存在倒塌的危险，该种方法并不能准确的判断声屏障是否存在倒塌的危险：

声屏障立柱在初期使用时，偏移量也会有超过阈值的情况，但声屏障立柱不会产生倒塌的风险，随着声屏障的使用年限的增长，声屏障在动车组产生的强大的吸力和冲击力的反复作用下，会导致声屏障立柱产生金属疲劳，此时使用分布式光纤传感器会测得明显的偏移量。

采用上述方法进行监测，将会在前期浪费一些人力物力，并且影响线路运营。此外，该方法还需要通过对分布式光纤进行预拉伸测量分布式光纤的应变系数，并且受温度影响较大，监测结果容易出现误差。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的声屏障防倒塌监测方法及其监测装置解决了现有监测方法通过监测偏移量容易在监测前期出现误判的问题。

第一方面，提供一种声屏障防倒塌监测方法，其包括步骤：

S1、采用轨道电路确定列车所在闭塞区间，当列车进入声屏障所在闭塞区间的上一个闭塞区间时，启动声屏障防倒塌监测；

S2、采集声屏障的屏体和立柱上的分布式光纤振动传感器反射的光脉冲强度，并对光脉冲进行时域分析，得到屏体和立柱的水平时域加速度信号；

S3、对屏体和立柱的时域加速度信号进行低通滤波处理，得到屏体和立柱在运行列车激励下的水平加速度时域信号；

S4、采用随机子空间法、峰值拾取法、频域分解法或者希尔伯特-黄变换分析滤波后水平加速度时域信号，得到屏体和立柱的当前自振频率；

S5、根据屏体和立柱的初始自振频率和当前自振频率，确定屏体和立柱是否存在倒塌风险；

S6、当列车进入声屏障所在闭塞区间的下一个闭塞区间时，停止声屏障防倒塌监测。

进一步地，所述步骤S5进一步包括：

S51、以初期运营阶段或上一次列车通过时测得的声屏障屏体和立柱的自振频率为初始自振频率；

S52、根据声屏障屏体和立柱的初始自振频率和当前自振频率，分别计算屏体和立柱自振频率的变化率：

其中，Δf₁和Δf₂分别为屏体和立柱的自振频率的变化率；f₁和f'₁分别为声屏障的屏体的初始自振频率和当前自振频率；f₂和f'₂分别为声屏障的立柱的初始自振频率和当前自振频率；

S53、判断声屏障的屏体和立柱的自振频率的变化率是否大于预设阈值，若是，则发出预警，否则声屏障不存在倒塌风险。

进一步地，所述预设阈值为10％。

进一步地，采用随机子空间法获取屏体和立柱当前自振频率的方法包括：

分别采用步骤S3得到的屏体和立柱的时域信号组成其对应的Hankel矩阵，并对Hankel矩阵进行QR分解、特征值分解识别，得到离散系统矩阵A；

根据离散系统矩阵A和连续系统矩阵A_c的关系得到离散系统的特征值λ_r与连续系统的特征值λ_cr之间的关系/>

根据复数相等的特点，获得屏体和立柱的自振频率；

其中，Δt为离散系统的时间步长；σ_r为衰减系数，ω_r为第r阶自振频率；i为虚部。

上述技术方案的有益效果为：只需测量结构的响应数据即可使用，即无需知道结构所受的激励信息，因此适用于白噪声激励或未知激励下的结构响应测量；计算过程中无需迭代运算，直接分解出结构的状态矩阵，计算效率高，稳定性强；通过协方差运算或矩阵正交投影降低系统的阶次，提高识别精度。

进一步地，采用峰值拾取法获取屏体和立柱当前自振频率的方法包括：

当屏体和立柱的振动频率与其自振频率的差异小于其对应的第一预设频率时，其对应的频响函数出现峰值，峰值则为屏体和立柱对应的自振频率，多自由度体系在随机激励下的加速度的频响函数的公式为：

其中，i为虚部；H(ω)为步骤S3得到的屏体/立柱的时域信号与输出信号傅里叶变换之比；γ_j为第j阶模态矢量；λ_j为第j阶模态特征值；a_j为第j阶模态矩阵；ω为模态频率；*为共轭矩阵；T为转置矩阵；n为模态总数量；

当模态频率ω与声屏障屏体和立柱的自振频率的差异小于其对应的第二预设频率时，iω-λ_j趋近于0，此时输出响应功率谱出现极值，极值处对应的模态频率ω为屏体和立柱的自振频率。

上述技术方案的有益效果为：操作简单；识别速度快；试验或运行模态识别可以用位移、速度和加速度频谱来完成，适用于单自由度或多自由度结构的自由响应。

进一步地，采用频域分解法获取屏体和立柱当前自振频率的方法包括：

估计步骤S3得到的屏体和立柱的时域信号下的输出数据的功率谱密度矩阵，并对功率谱密度矩阵进行奇异值分解，获得奇异值和向量；

选择功率谱密度矩阵中与屏体和立柱的模态相对应的主峰，采用主峰对应的频率作为屏体和立柱的自振频率。

上述技术方案的有益效果为：实用性强，可适用于不同类型的结构和激励，只需测量结构的响应数据，无需知道结构所受的激励信息；抗干扰能力强，可在含噪信号中识别出结构的模态参数；对临近模态具有较好的辨别能力。

进一步地，采用希尔伯特-黄变换获取屏体和立柱当前自振频率的方法包括：

采用经验模式将步骤S3得到的屏体和立柱的时域信号分解成固有模式函数；

对屏体和立柱对应的每个固有模式函数应用希尔伯特-黄变换获得瞬时频率和振幅，并从希尔伯特谱或边缘谱的峰值识别得到屏体和立柱的自振频率。

上述技术方案的有益效果为：可以自适应地分解信号，适合处理非线性、非稳态信号；可以很好地反映信号的局部特征，在分析信号的动态变化和突变现象中有着较好的表现。

第二方面，提供一种应用于声屏障防倒塌监测方法的监测装置，其包括：

光源系统，用于给分布式光纤振动传感器提供光源；

分布式光纤振动传感器，安装于声屏障的屏体顶端及声屏障的主体顶端，用于将其反射的光脉冲强度发送给解调采集系统；

解调采集系统，用于对光脉冲进行信号处理，得到屏体和立柱的水平时域加速度信号，之后进行低通滤波处理，得到屏体和立柱在运行列车激励下的水平加速度时域信号；采用随机子空间法、峰值拾取法、频域分解法或者希尔伯特-黄变换分析滤波后水平加速度，得到屏体和立柱的当前自振频率；

监测分析平台，用于接收解调采集系统上传的屏体和立柱的当前自振频率，并根据屏体和立柱的初始自振频率和当前自振频率，确定屏体和立柱是否存在倒塌风险。

进一步地，所述解调采集系统的采样频率为基频的3倍。

本发明的有益效果为：声屏障振动发生振动时，其上的分布式光纤振动传感器也会受到外界振动的影响，光纤中的折射率会发生微小的变化，导致反射回来的光脉冲的强度也会发生变化，通过光脉冲可以得到屏体和立柱的自振频率，以此对声屏障的防倒塌监测。

由于屏体和立柱的自振频率是结构自身的固有属性，在结构内部未出现损伤时不会发生变化，结构的自振频率与其刚度和质量有关，当结构发生损伤时，结构的刚度会减小、阻尼会增大，造成结构的自振频率的降低。

本方案在进行数据采集时，采用分布式光纤振动传感器实现，使得本监测装置具有多点连续测量、抗电磁干扰、高空间分辨率、非侵入式安装以及稳定可靠的优点。

附图说明

图1为声屏障防倒塌监测方法的流程图。

图2为声屏障防倒塌监测装置的总体示意图。

图3为分布式光纤应变传感器的安装方式示意图。

图4为闭塞区间及轨道电路原理的示意图。

其中，1、分布式光纤振动传感器；11、光纤固定夹；12、丙烯酸改性环氧树脂；2、设备箱；21、光源系统；22、解调采集系统；3、监测分析平台；4、声屏障；41、屏体；42、立柱。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图3所示，本方案的监测对象声屏障4包括屏体41和立柱42，屏体41安装在相邻两根立柱42之间。

参考图1，图1示出了声屏障防倒塌监测方法的流程图，如图1所示，该方法包括步骤S1～S6。

在步骤S1中，采用轨道电路确定列车所在闭塞区间，当列车进入声屏障4所在闭塞区间的上一个闭塞区间时，启动声屏障4防倒塌监测；

如图4所示，闭塞区间是铁路中通过技术手段将整条线路分成多个一定长度的区间，对保证行车安全方面有重要作用。同一时间、同一区间最多只允许一列列车存在。铁路中一般使用轨道电路判断列车位于哪个闭塞区间。轨道电路利用钢轨具有良好的导电性，将铁路的两条钢轨作为导线，并在每一个区间用继电器连接两条钢轨，当列车驶入闭塞区间时，由于列车车轴也有导电性，电流改经车轴流过，此时继电器因失去电流而失磁，进而接通信号机红灯的电路；当列车驶出闭塞区间，电流重新通过继电器，继电器重新激磁，接通信号机的绿灯电路，本方案根据继电器是否有电流实现异步采集。

本方案中的异步采集功能即与列车占用的闭塞区间进行同步。当列车进入声屏障所在的闭塞区间的前一个闭塞区间时，分布式光纤振动传感器开始工作，列车通过声屏障所在区间的下一个区间后，分布式光纤振动传感器暂停工作。

在步骤S2中，采集声屏障4的屏体41和立柱42上的分布式光纤振动传感器1反射的光脉冲强度，并对光脉冲进行时域分析，得到屏体41和立柱42的水平时域加速度信号。

本方案获取时域信号的原理为：当光纤受到外界振动的影响时，光纤中的折射率会发生微小的变化，导致反射回来的光脉冲的强度也会发生变化。基于此，通过对分布式光纤振动传感器1反射回来的光脉冲进行一系列的信号处理，将反射回来的光脉冲信号转换成加速度的时域信号。

在步骤S3中，对屏体41和立柱42的时域加速度信号进行低通滤波处理，得到屏体41和立柱42在运行列车激励下的水平加速度时域信号；

在步骤S4中，采用随机子空间法、峰值拾取法、频域分解法或者希尔伯特-黄变换分析滤波后水平加速度的时域信号，得到屏体41和立柱42的当前自振频率；

步骤S4提到的这几个方法均能够实现自振频率的获取，具体采用哪种，用户可以根据具体应用场景进行恰当选择，下面本方案对上面提供的多种方法进行详细的阐述：

采用随机子空间法获取屏体41和立柱42的自振频率的详细方法包括：

分别采用步骤S3得到的屏体41和立柱42的时域信号组成其对应的Hankel矩阵，并对Hankel矩阵进行QR分解、特征值分解识别，得到离散系统矩阵A；

根据离散系统矩阵A和连续系统矩阵A_c的关系得到离散系统的特征值λ_r与连续系统的特征值λ_cr之间的关系/>

根据复数相等的特点(即两个复数相等，它们的实部和虚部分别相等)，获得屏体41和立柱42的自振频率；

其中，Δt为离散系统的时间步长；σ_r为衰减系数，ω_r为第r阶自振频率；i为虚部。

采用峰值拾取法获取屏体41和立柱42当前自振频率的方法包括：

当屏体41和立柱42的振动频率与其自振频率的差异小于其对应的第一预设频率时，其对应的频响函数出现峰值，峰值则为屏体41和立柱42对应的自振频率，多自由度体系在随机激励下的加速度的频响函数的公式为：

其中，i为虚部；H(ω)为步骤S3得到的屏体41/立柱42的时域信号与输出信号傅里叶变换之比；γ_j为第j阶模态矢量；λ_j为第j阶模态特征值；a_j为第j阶模态矩阵；ω为模态频率；*为共轭矩阵；T为转置矩阵；n为模态总数量；

当模态频率ω与屏体41和立柱42的自振频率的差异小于其对应的第二预设频率时，iω-λ_j趋近于0，此时输出响应功率谱出现极值，极值处对应的模态频率ω为屏体41和立柱42的自振频率。

采用频域分解法获取屏体41和立柱42当前自振频率的方法包括：

估计步骤S3得到的屏体41和立柱42的时域信号下的输出数据的功率谱密度矩阵，并对功率谱密度矩阵进行奇异值分解，获得奇异值和向量；

选择功率谱密度矩阵中与屏体41和立柱42的模态相对应的主峰，采用主峰对应的频率作为屏体41和立柱42的自振频率。

采用希尔伯特-黄变换获取屏体41和立柱42当前自振频率的方法包括：

采用经验模式将步骤S3得到的屏体41和立柱42的时域信号分解成固有模式函数；

对屏体41和立柱42对应的每个固有模式函数应用希尔伯特-黄变换获得瞬时频率和振幅，并从希尔伯特谱或边缘谱的峰值识别得到屏体41和立柱42的自振频率。

在步骤S5中，根据屏体41和立柱42的初始频率和自振频率，确定屏体41和立柱42是否存在倒塌风险：

S51、以初期运营阶段或上一次列车通过时测得的声屏障屏体41和立柱42的自振频率为初始自振频率

S52、根据声屏障4屏体41和立柱42的初始自振频率和当前自振频率，分别计算屏体41和立柱42自振频率的变化率：

其中，Δf₁和Δf₂分别为屏体和立柱的自振频率的变化率；f₁和f'₁分别为声屏障的屏体的初始自振频率和当前自振频率；f₂和f'₂分别为声屏障的立柱的初始自振频率和当前自振频率；

S53、判断声屏障4的屏体41和立柱42的自振频率的变化率是否均大于预设阈值(预设阈值为10％)，若是，则发出预警，否则声屏障4不存在倒塌风险。

在步骤S6中，当列车进入声屏障4所在闭塞区间的下一个闭塞区间时，停止声屏障4防倒塌监测。

如图2所示，本方案还提供一种声屏障防倒塌监测装置，其包括分布式光纤振动传感器1、设备箱2、监测分析平台3。

分布式光纤振动传感器1安装于声屏障4靠线路一侧，分布式光纤振动传感器1用光纤固定夹11固定在声屏障4的屏体41顶端中部，分布式光纤振动传感器1用丙烯酸改性环氧树脂12固定在声屏障4的立柱42顶端，用于将其反射的光脉冲强度发送给解调采集系统22。

设备箱2放置于线路旁边，用于放置光源系统21和解调采集系统22，光源系统21为分布式光纤振动传感器1的工作提供光源。光源系统21放置在线路旁的设备箱2内的优点为：可以减少光脉冲信号的损失，获得准确的数据。

解调采集系统22用于对光脉冲进行信号处理，得到屏体41和立柱42的水平时域加速度信号，之后进行低通滤波处理，得到屏体41和立柱42在运行列车激励下的水平加速度的时域信号；采用随机子空间法、峰值拾取法、频域分解法或者希尔伯特-黄变换分析滤波后水平加速度时域信号，得到屏体41和立柱42的自振频率。

设备箱2内需要用电的设备在天气晴朗时采用太阳能供电，天气状况较差时与铁路的信号系统共用一套供电设备。解调采集系统22的采样频率取基频(第一阶自振频率)的3倍。光源系统21和解调采集系统22与铁路的信号系统采用一套供电设备。

本方案的解调采集系统22内置一种可编程的逻辑器件，可以根据用户的需求来配置随机子空间法、峰值拾取法、频域分解法和希尔伯特-黄变换中的任一算法。

监测分析平台3放置于车站站房内，方便车站工作人员及时了解声屏障4的状态，并通知相关检修人员。监测分析平台3通过以太网与解调采集系统22连接，用于接收解调采集系统22上传的屏体41和立柱42的当前自振频率，并根据屏体41和立柱42的初始自振频率和当前自振频率，确定屏体41和立柱42是否存在倒塌风险；同时还对声屏障4屏体41及立柱42的自振频率进行记录。

本方案中，测点位置即分布式光纤振动传感器1的固定位置，根据测点位置由近到远从小到大对测点编号，并与铁路线路的里程标进行匹配。具体地，根据铁路车站的布置距离及分布式光纤振动传感器1的工作距离，设定每个分布式光纤振动传感器1的工作距离为30km～40km。分布式光纤振动传感器1使用铁路的里程标进行定位，方便快速。

Claims (8)

1.一种声屏障防倒塌监测方法，其特征在于，包括步骤：

S1、采用轨道电路确定列车所在闭塞区间，当列车进入声屏障所在闭塞区间的上一个闭塞区间时，启动声屏障防倒塌监测；

S2、采集声屏障的屏体和立柱上的分布式光纤振动传感器反射的光脉冲强度，并对光脉冲进行时域分析，得到屏体和立柱的水平时域加速度信号；

S3、对屏体和立柱的时域加速度信号进行低通滤波处理，得到屏体和立柱在运行列车激励下的水平加速度时域信号；

S4、采用随机子空间法、峰值拾取法、频域分解法或者希尔伯特-黄变换分析滤波后水平加速度时域信号，得到屏体和立柱的当前自振频率；

S5、根据屏体和立柱的初始自振频率和当前自振频率，确定屏体和立柱是否存在倒塌风险；

S6、当列车进入声屏障所在闭塞区间的下一个闭塞区间时，停止声屏障防倒塌监测；

所述步骤S5进一步包括：

S51、以初期运营阶段或上一次列车通过时测得的声屏障屏体和立柱的自振频率为初始自振频率；

S52、根据声屏障屏体和立柱的初始自振频率和当前自振频率，分别计算屏体和立柱自振频率的变化率：

其中，和/>分别为屏体和立柱的自振频率的变化率；/>和/>分别为声屏障的屏体的初始自振频率和当前自振频率；/>和/>分别为声屏障的立柱的初始自振频率和当前自振频率；

S53、判断声屏障的屏体和立柱的自振频率的变化率是否大于预设阈值，若是，则发出预警，否则声屏障不存在倒塌风险。

2.根据权利要求1所述的声屏障防倒塌监测方法，其特征在于，所述预设阈值为10%。

3.根据权利要求1所述的声屏障防倒塌监测方法，其特征在于，采用随机子空间法获取屏体和立柱当前自振频率的方法包括：

分别采用步骤S3得到的屏体和立柱的时域信号组成其对应的Hankel矩阵，并对Hankel矩阵进行QR分解、特征值分解识别，得到离散系统矩阵A；

根据离散系统矩阵A和连续系统矩阵A_c的关系，得到离散系统的特征值λ _r与连续系统的特征值λ _cr之间的关系/>；

根据复数相等的特点，获得屏体和立柱的自振频率；

其中，Δt为离散系统的时间步长；σ _r为衰减系数，ω _r为第r阶自振频率；i为虚部。

4.根据权利要求1所述的声屏障防倒塌监测方法，其特征在于，采用峰值拾取法获取屏体和立柱当前自振频率的方法包括：

当屏体和立柱的振动频率与其自振频率的差异小于其对应的第一预设频率时，其对应的频响函数出现峰值，峰值则为屏体和立柱对应的自振频率，多自由度体系在随机激励下的加速度的频响函数的公式为：

其中，i为虚部；H(ω)为步骤S3得到的屏体/立柱的时域信号与输出信号傅里叶变换之比；γ _j为第j阶模态矢量；λ _j为第j阶模态特征值；a _j为第j阶模态矩阵；ω为模态频率；*为共轭矩阵；T为转置矩阵；n为模态总数量；

当模态频率ω与声屏障屏体和立柱的自振频率的差异小于其对应的第二预设频率时，iω-λ _j趋近于0，此时输出响应功率谱出现极值，极值处对应的模态频率ω为屏体和立柱的自振频率。

5.根据权利要求1所述的声屏障防倒塌监测方法，其特征在于，采用频域分解法获取屏体和立柱当前自振频率的方法包括：

估计步骤S3得到的屏体和立柱的时域信号下的输出数据的功率谱密度矩阵，并对功率谱密度矩阵进行奇异值分解，获得奇异值和向量；

选择功率谱密度矩阵中与屏体和立柱的模态相对应的主峰，采用主峰对应的频率作为屏体和立柱的自振频率。

6.根据权利要求1所述的声屏障防倒塌监测方法，其特征在于，采用希尔伯特-黄变换获取屏体和立柱当前自振频率的方法包括：

采用经验模式将步骤S3得到的屏体和立柱的时域信号分解成固有模式函数；

对屏体和立柱对应的每个固有模式函数应用希尔伯特-黄变换获得瞬时频率和振幅，并从希尔伯特谱或边缘谱的峰值识别得到屏体和立柱的自振频率。

7.一种应用于权利要求1-6任一所述的声屏障防倒塌监测方法的监测装置，其特征在于，包括：

光源系统，用于给分布式光纤振动传感器提供光源；

分布式光纤振动传感器，安装于声屏障的屏体顶端及声屏障的主体顶端，用于将其反射的光脉冲强度发送给解调采集系统；

解调采集系统，用于对光脉冲进行信号处理，得到屏体和立柱的水平时域加速度信号，之后进行低通滤波处理，得到屏体和立柱在运行列车激励下的水平加速度时域信号；采用随机子空间法、峰值拾取法、频域分解法或者希尔伯特-黄变换分析滤波后水平加速度时域信号，得到屏体和立柱的当前自振频率；

监测分析平台，用于接收解调采集系统上传的屏体和立柱的当前自振频率，并根据屏体和立柱的初始自振频率和当前自振频率，确定屏体和立柱是否存在倒塌风险。

8.根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于，所述解调采集系统的采样频率为基频的3倍。