专利名称：铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁路营业线改造桥涵施工的安全防护监测技术领域，核心技术要点在于铁路营业线桥涵施工防护中多传感器实时监测系统设计与监测数据的智能化采集与处理。
背景技术：
在铁路施工过程中，桥涵施工作为线路的重要组成部分，其工程形式包括接长涵、下穿顶进、地基加固等，涉及到采用人工挖孔桩作支墩，用工字钢便梁架空线路顶进开挖施工等技术。特别对于营业线铁路的改造工程，桥涵施工对营业线运营会产生重大影响，所以必须在施工过程进行监测，保证营业线正常运营和和施工开展。在铁路营业线桥涵施工过程中，主要存在以下的铁路行车安全隐患(1)因施工损坏铁路通讯、信号电缆或在作业中使铁路轨道连电而导致铁路行车信号失灵或错乱，干扰了列车的正常运行。(2)在进行线路加固作业及桥涵顶进过程中不可避免地要移动轨道及带动既有路基土体的变化，有可能导致线路的轨距、高程、水平等参数超过技术要求或轨枕下道碴不密实造成晃车现象。(3)人员在施工作业过程中所使用的各种机械设备、工具及其施工材料堆放不慎，侵入列车运行限界，或在列车通过时被风卷入轨道内，引发刮碰列车、伤害人员、列车颠覆等惯性事故。(4)线路下沉、出现涌水、砂等异常情况，严重威胁列车运行安全。在以往的施工过程中，对于营业线桥涵施工中的安全防护监测主要的方式有(I)利用传统的全站仪或水准仪测量支墩变化，从而判断营业线的安全性；(2)不定期的利用轨检车对营业线轨道进行测量，确定营业线轨道的状态；(3)施工现场人员不定期的利用卡尺进行测量，粗略的判断营业线轨道的沉降、倾斜，指导施工进行；(4)利用GPS卫星对桥涵施工中的营业线进行测量，计算变形和沉降；(5)利用一种传感器对营业线桥涵施工中的铁路轨道的沉降或者变形，亦或是桥涵支墩的压力等进行单独的监测。前三种方法主要以常规测量手段，主要是人在现场进行操作，主要存在的缺点表现为(1)传统的人工监测受到主观影响较大，精度会因不同的人测量产生微小偏差；(2)需要大量的人力进行现场的测量，不能适应当前施工的需要；(3)人为的测量，现场的安全性难以很好的把握，并且不能实现对数据的实时处理和反馈。后两种方法利用当今先进的科学技术，能够实现自动化的监测，但是主要存在以下缺点(I) GPS精度不够，铁路轨道的变形或者沉降都是精确到mm级；(2)利用传感器技术是当前比较可靠的方法，但是单一类型的传感器进行监测和数据分析科学性不够，并且单一类型传感器自成一套系统，难以实现多种类型传感器数据监测的实时共享和分析，不能实现多条件的实时报警。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，该系统在营业线桥涵施工中布置多种传感器，将多种类型的数据进行汇集，实现数据的自动监测、实时分析和处理，克服了传统方式的缺点，达到了较高的精度，并且实现多传感器系统融合、数据共享和分析。该系统在营业线桥涵施工进行的同时进行搭建，对施工的过程和铁路运行进行必要的实时监测，从而优化施工方案，完善防护措施，科学的指导列车的行驶速度，安全高效的完成桥涵施工，同时也保证列车的安全运行。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案
本发明提供的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，是一种基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，该系统由自动化监测装置和监控中心的计算机组成，其中自动化监测装置由布置在施工现场的数据采集设备、数据传输设备组成，数据采集设备通过电缆与数据传输设备相连，数据传输设备利用无线网络与计算机通信；数据采集设备从现场获取数据信息之后传至数据传输设备，数据传输设备再将数据信息利用无线网络传至计算机。所述数据采集设备可以包括施工安全自动化采集仪和通过电缆与之40通道信号接口相连的固定式倾角计、静力水准仪、表面裂缝计、土压力计、加速度传感器，其中固定式倾角计、静力水准仪、土压力计装在桥涵施工中的便梁的支墩上；表面裂缝计的一端装在支墩上，另一端装在便梁上；加速度传感器装在便梁的中部位置。所述的施工安全自动采集仪，其内部可以设有BGK-MICR0测量模块、GPRS模块、电源模块和40通道信号接口，所述40通道信号接口通过电缆获取信号之后传入BGK-MICR0测量模块，经过BGK-MICR0测量模块调理之后由GPRS模块传达到计算机中。所述数据传输设备包括GPRS模块、GPRS网络以及信号发射塔和信号接收塔，其中GPRS模块接收到信号后通过GPRS网络传入信号发射塔，再通过GPRS网络由信号接收塔获取。本发明提供的上述铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，其在铁路营业线桥涵施工领域引入虚拟仪器软件LabVIEW进行自动化监控软件平台的开发中的应用。本发明与现有技术相比具有以下的主要优点
1.以营业铁路桥涵施工中的支墩作为监测对象，监测过程更具针对性和防护指导意义，可以及时反映桥涵施工主要安全影响因素的改变，从而反映铁路和施工统一系统的运营情况，保障施工顺利进行和列车安全行驶；
2.传感器按照既定要求布置完毕后，各监测对象的物理变化会被传感器捕捉，信号通过信号线接入智能采集模块，以每3-5秒/次的速度对监测对象进行扫描，将数据进行缓存，实时较高；
3.将不同类型的传感器集成于同一个监测系统，可以实现对现场的土压力、表面位移、沉降、相对位移以及加速度等项目的统一监测，建立起了关于支墩和便梁系统的监测体系，对支墩各向运动趋势和变化有更加细致和更加多维的反映；
4.传感器的类型为振弦式和微电子式，精度较高，克服了传统监测和人工检测精度不够的问题，本监测系统在数据传输的过程中，采用了 GPRS模块，实现了无线网络传输，将传感器、监测设备、PC机紧密联系在一起，充分利用了遥测的优势，极大程度减少了人员的作业，避免了工程人员施工时和列车行驶中安全人为隐患的出现；
5.软监测系统根据不同类型的传感器以及不同的采集、传输信号进行调试和设计，选择不同的通道进行数据采集并进行人性化的界面设计，同时可以远程唤醒或关闭任一传感器；
6.采集系统在传感器设置时，充分考虑到各监测对象的不同施工标准，有针对性地对每个对象设定了符合自身规定的精度要求，使得施工安全隐患的处理方案提出更加具体、及时、有效，对支墩各监测项目的变化趋势有精准的捕捉、监控和预测；
7.传感器类型不局限于振弦式传感器，还可以是微电子、差阻以及市面上常用的传感器。8.监控中心计算机利用LabVIEW软件进行程序设计和开发，利用LabVIEW开发的虚拟仪器对桥涵施工进行实时监测，并且根据用户需要实时变换和改进面板，能够更好的获取桥涵施工中支墩和便梁的有效数据以及对其带来的影响进行较好的分析。


图1为本发明铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统总体构成示意图。图2为自动化监测装置的具体组成图。图3为施工安全自动化采集仪组成图。图4为现场传感器的布置图。图5为支墩沉降变化曲线图。图6为支墩土压力变化曲线图。图中1·支墩；2·固定式倾角计；3·静力水准仪；4.表面裂缝计；5. 土压力计；6.电缆；7.加速度传感器；8.基坑边坡；9.涵体；10.便梁；11.横梁；12.轨枕；13.轨道；14.施工安全自动化采集仪；15.信号发射塔；16.信号接收塔；17.计算机；18. 40通道信号接口 ；19.基座；20.螺栓。
具体实施例方式本发明提供的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统是一种基于LabVIEff的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，该系统的结构如图1和图2所示，由自动化监测装置和监控中心的计算机17组成，其中自动化监测装置由布置在施工现场的数据采集设备、数据传输设备组成，数据采集设备通过电缆与数据传输设备相连，数据传输设备利用无线网络与计算机17相连；数据采集设备从现场获取数据信息之后传至数据传输设备，数据传输设备再将数据信息利用无线网络传至计算机17。所述数据采集设备的结构如图2所示，包括施工安全自动化采集仪14和通过电缆与之40通道信号接口 18相连的固定式倾角计2、静力水准仪3、表面裂缝计4、土压力计5、加速度传感器7，其中固定式倾角计2、静力水准仪3、土压力计5装在桥涵施工中的便梁10的支墩I上；表面裂缝计4的一端装在支墩I上，另一端装在便梁10上；加速度传感器7装在便梁10的中部位置。所述施工安全自动采集仪14的结构如图3所示，内设有BGK-MICR0测量模块、GPRS模块、电源模块和40通道信号接口 18。其中40通道信号接口 18通过电缆获取信号之后传入BGK-MICR0测量模块，经过BGK-MICR0测量模块调理之后由GPRS模块传达到计算机中。电源模块给本发明所有设备供电。所述数据传输设备包括GPRS模块、GPRS网络以及信号发射塔15和信号接收塔16，其中GPRS模块接收到信号后通过GPRS网络传入信号发射塔15，再通过GPRS网络由信号接收塔16获取。本发明提供的上述实时监测系统，其用于基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工中，例如用于南京宁启铁路营业线某桥涵施工的监测，具体步骤包括1.南京宁启营业线某桥涵施工过程为顶进涵，使用便梁10的长度为24米，挖孔桩的深度为15米，浇注完成后的支墩I的长度为15米。2.本系统在现场的布置方式见图1、图4，具体为
1)土压力计5的安装
在支墩I浇注前将土压力计5埋于支墩长度的5米处(从桩底部往上计)，分别按照图4标注位置(靠近顶进涵的涵体9的两个方向)，四个支墩I上各埋设2个土压力计5，并信号线引出，做好保护措施；
2)静力水准3和固定式倾角计2的安装
在架设便梁后，在支墩上部安装静力水准3和固定式倾角计2 (图4)，将预先加工的基座19利用螺栓20先固定在支墩上，然后再进行静力水准仪3和固定式倾角计2的安装，静力水准仪还需在附近的一个不发生沉降的基准点上安装，安装的静力水准仪需要大致在一个水平，静力水准仪和固定式倾角计同样利用螺栓20安装在基座19上；
3)表面裂缝计4的安装
在支墩一侧利用预埋锚杆固定，在便梁一侧利用便梁上部的螺栓孔或者电焊固定，只需在靠近顶进涵的涵体9 一侧的两个支墩和便梁接触处安装即可；
4)加速度传感器7安装在靠近顶进一侧便梁的中部，具体为便梁的上表面；
4.现场传感器(即固定式倾角计2、静力水准仪3、表面裂缝计4、土压力计5、加速度传感器7)布置完毕后，将电缆进行整理并依次将其接入施工安全自动化采集仪14的40通道信号接口 18中，配置施工安全自动化采集仪的内部模块，进行数据采集和GPRS网络传输，仪器传输数据需要配备具有上网功能的手机SM卡；
5.计算机17通过访问互联网获取施工安全自动化采集仪14的数据，然后进行数据处理和预警，指导施工和列车运营。6.对于每一个监测项目都根据铁路施工规范，利用计算机18所设的监测软件设置了预警值，当某一个监测项目的数值达到预警值，本系统就会发出预警提示，并根据危险程度提示采取的措施，实现实时的预警，科学的指导施工。7.南京宁启营业线某桥涵顶进过程中的支墩沉降变化曲线和支墩土压力变化曲线分别如图5、图6所示。由图5可知在整个桥涵施工过程中利用静力水准仪监测的最大沉降没有超过1. 4_，低于铁路路基降的上限值，沉降值在施工过程中不断增加，可以分析得到桥涵施工工期在保证质量的前提下越短越好。由图6可知随着施工的进行支墩受到的土压力值逐渐减小，这是涵体顶进和土体开挖所引起的，同时可得到支墩是安全的。8.图1中的基坑边坡8是在桥涵施工中土体开挖形成，便于涵体的顶进或者接长；横梁11是用来连接便梁10的装置，在桥涵施工中铁路线就是利用便梁10和横梁11支撑的；12轨枕亦称枕木或路枕，功用是把铁轨13的重量分开散布，和保持路轨固定，维持路轨的轨距。13铁轨是铁路轨道的简称，用于铁路上，并与转辙器合作，令火车无需转向便能行走。
本发明提供的上述铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，按照上述实施方式布置完毕后，该系统便可以进行自动化的监测，具体工作过程为在桥涵施工过程中，支墩或者便梁发生变化后，数据采集设备中的固定式倾角计2、静力水准仪3、表面裂缝计4、土压力计5以及加速度传感器7就会捕获信号，然后通过电缆6传输至施工安全自动化采集仪14，信号在施工自动化采集仪内部经过调理和处理后到达数据传输设备，数据传输设备中的GPRS模块通过经GPRS网络将信号传输至信号发射塔15，再经GPRS网络传输至信号接收塔16，最后到达计算机。计算机将获取到信息后进行分析和处理，实现对整个桥涵施工过程的自动化监测，对支墩和便梁的变化进行预警，指导安全施工和列车运行。
权利要求
1.铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，其特征是一种基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，该系统由自动化监测装置和监控中心的计算机组成，其中自动化监测装置由布置在施工现场的数据采集设备、数据传输设备组成， 数据采集设备通过电缆与数据传输设备相连，数据传输设备利用无线网络与计算机通信; 数据采集设备从现场获取数据信息之后传至数据传输设备，数据传输设备再将数据信息利用无线网络传至计算机。
2.根据权利要求1所述的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，其特征是所述数据采集设备包括施工安全自动化采集仪(14)和通过电缆与之40通道信号接口(18) 相连的固定式倾角计(2)、静力水准仪(3)、表面裂缝计(4)、土压力计(5)、加速度传感器(7)，其中固定式倾角计(2)、静力水准仪(3)、土压力计(5)装在桥涵施工中的便梁(10)的支墩(I)上；表面裂缝计(4)的一端装在支墩(I)上，另一端装在便梁(10)上；加速度传感器(7)装在便梁(10)的中部位置。
3.根据权利要求1所述的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，其特征是所述的施工安全自动采集仪(14)，其内部设有BGK-MICR0测量模块、GPRS模块、电源模块和 40通道信号接口(18)，所述40通道信号接口通过电缆获取信号之后传入BGK-MICR0测量模块，经过BGK-MICR0测量模块调理之后由GPRS模块传达到计算机中。
4.根据权利要求1所述的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，其特征是所述数据传输设备包括GPRS模块、GPRS网络以及信号发射塔(15)和信号接收塔(16)，其中GPRS模块接收到信号后通过GPRS网络传入信号发射塔(15)，再通过GPRS网络由信号接收塔(16)获取。
5.权利要求1至4中任一权利要求所述的系统的应用，其特征是在铁路营业线桥涵施工领域引入虚拟仪器软件LabVIEW进行自动化监控软件平台的开发和设计。
全文摘要
本发明提供的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，具体是是一种基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统，该系统由自动化监测装置和监控中心的计算机组成，其中自动化监测装置由布置在施工现场的数据采集设备、数据传输设备组成，数据采集设备通过电缆与数据传输设备相连，数据传输设备利用无线网络与计算机通信；数据采集设备从现场获取数据信息之后传至数据传输设备，数据传输设备再将数据信息利用无线网络传至计算机。本发明可以循环使用，适用于重大工程全方位实时安全防护监测，克服了传统监测手段的诸多弊端，具有精度高、实时性强、监测信息全等优点。
文档编号G01D21/02GK103017827SQ20121053112
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者任高峰, 赵利坤, 胡仲春, 吕均琳, 刘永成 申请人:武汉理工大学