一、前言 

下穿高鐵的框架涵頂進(jìn)施工包括挖孔樁、降水、路基處理、架空線路和挖土頂進(jìn)等作業(yè)，對線路影響很大，為隨時掌握線路幾何尺寸及其它部位的變化情況，確保行車安全，需要每通過一趟列車就要人工用道尺對線路檢查一次即一列一檢。因架空便梁長，梁內(nèi)作業(yè)空間狹窄，來車時作業(yè)人員在便梁范圍內(nèi)無法下道避車，存在很大安全風(fēng)險；高鐵行車密度大，間隔時間短，人工很難做到一列一檢，如有安全隱患將錯過第一時間處理。如何在確保施工地段人身、行車安全的基礎(chǔ)上，又能準(zhǔn)確、及時、全面、方便地掌握線路的結(jié)構(gòu)變化情況成為當(dāng)前迫切需要解決的課題。

 

 二、項目實施背景 

三橫路鳳凰段工程（二期）道路全長4.430km，建成后將是三亞火車站與三亞鳳凰國際機場之間的快捷通道。K0+120-K0+460（二標(biāo)段）項目主要建設(shè)內(nèi)容中的橋梁（下穿西環(huán)高鐵頂進(jìn)框架橋）部分，與海南環(huán)島高鐵西段交叉采用框架橋方式下穿鐵路路基，框架橋長29.6m，共4孔框架，兩側(cè)各設(shè)一孔非機動車道（含人行道，框架內(nèi)寬9.0m、內(nèi)高6.5m），中間設(shè)兩孔機動車道（框架內(nèi)12.0m、內(nèi)高6.1m）。

 

圖1-1框架橋平面布置圖

 

 

圖1-2框架橋正斷面圖

 

框架頂進(jìn)線路架空范圍104.2m，影響范圍144.2m，施工影響范圍K340+944.9—K341+099.1。通過本區(qū)段列車時速160km/h，施工影響期間需慢行至45km/h，慢行范圍為施工區(qū)每端800m，慢行區(qū)域為K340+144.9—K341+899.1。

 三、系統(tǒng)原理及構(gòu)成 

3.1研發(fā)歷程

課題立項后，經(jīng)過專家組對需求進(jìn)行分析，確定動態(tài)測量軌道的實時位移為本項目的關(guān)鍵技術(shù)點。需要在不影響安全，列車在運行時也能夠?qū)崟r測量軌道的動態(tài)位移的自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)，目前市面上面沒有合適的現(xiàn)有技術(shù)。因此重點研究鋼軌動態(tài)位移測量傳感器及配套技術(shù)。

先后研發(fā)了基于二維碼的機器視覺動態(tài)位移測量技術(shù)和動力水準(zhǔn)測量技術(shù)，并最終確定采用成熟的動力水準(zhǔn)測量技術(shù)來實施本項目。

針對本項目的需求，首先采用的是機器視覺原理實現(xiàn)的位移測量方法：在鋼軌等待測結(jié)構(gòu)物上貼裝或噴涂帶有信息的二維碼。當(dāng)AI攝像機檢測到二維碼后對二維碼內(nèi)的信息進(jìn)行解碼。根據(jù)解碼數(shù)據(jù)從云端數(shù)據(jù)庫中獲取到該二維碼對應(yīng)的項目信息，如二維碼的真實尺寸、其他輔助修正傳感器的情況及其數(shù)據(jù)相關(guān)算法等信息。當(dāng)二維碼在空間中發(fā)生位移時，視頻中二維碼的大小及形狀將發(fā)生變化；二維碼沿光軸移動時，二維碼的像素大小會發(fā)生變化；二維碼垂直于光軸移動時，二維碼像素坐標(biāo)將發(fā)生變化；二維碼與光軸之間的夾角發(fā)生位移時，視頻中的二維碼的形狀將發(fā)生變化，如由正方形變?yōu)樗倪呅?。AI視頻嵌入式軟件根據(jù)視頻中二維碼的像素坐標(biāo)、形狀及大小變化，自動計算出對應(yīng)的位移變量，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)位移的實時監(jiān)測。

通過使用二維碼機器視覺技術(shù)實現(xiàn)日常沉降、傾斜監(jiān)測，根據(jù)獨特的技術(shù)實現(xiàn)軌道的動態(tài)撓度監(jiān)測。可以實現(xiàn)非接觸實時位移測量，且不需要在鋼軌上布線供電。由于此方法具有較大的優(yōu)勢，因此開始了研發(fā)工作并生產(chǎn)了測試樣機做了初步測試并取得了一定的效果。

圖3-1

圖3-2

 

隨著研發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)二維碼位移測量技術(shù)有優(yōu)點也有不足：

①測點數(shù)量多，引入的基點數(shù)量和轉(zhuǎn)測點數(shù)量也隨之增加，增加的數(shù)量為2n的關(guān)系，在實際應(yīng)用中，這會帶來安裝問題。

      ②現(xiàn)場安裝的二維碼機器視覺設(shè)備，在施工作業(yè)的時候，會受到吊車、挖機、施工人員的干擾。特別是在D型梁位置，施工工序在進(jìn)行到下穿橫梁、軌枕調(diào)整、道砟回填等時，機械作業(yè)和人工作業(yè)無法避免對設(shè)備的碰觸和損壞。

 ③列車經(jīng)過時，在上行線、下行線的右側(cè)股道因為列車經(jīng)過，形成不可通視區(qū)域，這部分區(qū)域無法正常觀測數(shù)據(jù)。

由于現(xiàn)場施工時，無法完全避免上述情況的出現(xiàn)，因此需要繼續(xù)研發(fā)出比二維碼實現(xiàn)軌道位移測量的技術(shù)更為先進(jìn)和實用的新技術(shù)。

      綜上所述，需要一種即能在不通視情況下，也能測量出軌道測點的動態(tài)數(shù)據(jù)的方法。

當(dāng)前測量豎向位移的靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)，僅能實現(xiàn)靜態(tài)測量。靜力水準(zhǔn)技術(shù)是用液體連通器原理，通過測量液體的壓力來間接測量液體的深度，再與基準(zhǔn)測點進(jìn)行比較從而得到測點豎向位移的。如果系統(tǒng)管道內(nèi)的液體受到振動影響，液體將會產(chǎn)生附加壓力，導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重錯誤，因此只能用于變化極為緩慢的靜態(tài)沉降測量。本項目是既有線，列車通過頻繁，且需要測量列車經(jīng)過時的實時位移數(shù)據(jù)。因此靜力水準(zhǔn)儀無法在本項目中使用。

傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀應(yīng)用在涉鐵監(jiān)測項目，在列車經(jīng)過時，需要特殊標(biāo)記列車經(jīng)過時的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄過濾處理。圖3-3和圖3-4為靜力水準(zhǔn)儀在鐵路上的實際應(yīng)用，獲取的靜態(tài)采集數(shù)據(jù)。圖中黑點表示火車經(jīng)過是的數(shù)據(jù)，可以看出火車經(jīng)過時，數(shù)據(jù)波動極大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常值的數(shù)十倍。如果采用該時間段的數(shù)據(jù)，每次火車經(jīng)過都將導(dǎo)致錯誤的報警，嚴(yán)重干擾施工秩序。而本次課題的研究將很好的解決這一問題。

 

圖3-3

圖3-4

 

常規(guī)的靜力水準(zhǔn)儀不能測量動態(tài)數(shù)據(jù)的原因是液體振動的加速度會產(chǎn)生一個附加的力。靜力水準(zhǔn)儀測量得到的壓力f與加速度滿足f=m（g+a），m為液體質(zhì)量，g為重力加速度，a為液體受到振動后引起的加速度。由于通常的位移變化都比較小，因此微小的加速度導(dǎo)致的附加壓力將嚴(yán)重影響液體壓力傳感器的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。

如果能夠除重力加速度之外的振動導(dǎo)致的動態(tài)加速度a測量出來，并據(jù)此對壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正補償，那么靜力水準(zhǔn)儀不但能夠測量靜態(tài)位移，也能夠同時測量動態(tài)位移。經(jīng)過樣機測試，深圳安銳科技有限公司研發(fā)的動力水準(zhǔn)儀確實能夠完美的測量動態(tài)位移，同時具備普通傳統(tǒng)的監(jiān)測功能，還能測量軌道的動態(tài)撓度，即解決了二維碼監(jiān)測的不足，同時沿用了二維碼動態(tài)監(jiān)測的核心理論和核心代碼算法。因此本項目全部使用動力水準(zhǔn)儀來代替二維碼實現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移測量。

由于動態(tài)采集的數(shù)據(jù)量非常大，如果不加以區(qū)分，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲計算等大量的資源消耗。因此在沒有列車經(jīng)過時，采用靜態(tài)測量。有列車經(jīng)過時采用動態(tài)測量。在施工現(xiàn)場的兩端，分別安裝微波雷達(dá)，測量是否有列車經(jīng)過及列車的方向。通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測軟件實現(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)融合實時處理，智能控制系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測量和動態(tài)測量的方式切換。

靜態(tài)采集時的工作原理為：在每個測點安裝一套動力水準(zhǔn)儀，用液管和氣管連通。當(dāng)液面靜止后所有連通容器內(nèi)的液面同在一個大地水準(zhǔn)面上▽O，由傳感器測出每一測點的液位，即初始液位值分別為：H_基0、H₁₀、H₂₀、H₃₀、H₄₀、·····H_i0。

設(shè)定基準(zhǔn)點(穩(wěn)定保持不動)，測點1上抬，測點2不變，測點3下沉，測點4不變，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液面達(dá)到平衡后形成新的水準(zhǔn)面▽i0，則各測點連通容器內(nèi)的新液位值分別為：H_基、H₁、H₂、H₃、H₄、······H_i。

各測點的液位由傳感器測得，各測點液位變化量分別計算為：△h_基=H_基-H_基0、△h1=H₁-H₁₀、△h2=H₂-H₂₀、△h3=H₃-H₃₀、△h4=H₄-H₄₀、······△hi=H_i-H_i0。其它各測點相對基準(zhǔn)點的垂直位移為：△H1=△h_基-△h1、△H2=△h_基-△h2、△H3=△h_基-△h3、△H4=△h_基-△h4、······△Hi=△h1-△hi。△Hi為正值表示該測點上抬，△Hi為負(fù)值表示該測點下沉。

圖3-5

 

動態(tài)采集時的工作原理為：在每個測點安裝一套動力水準(zhǔn)儀，用液管和氣管連通。當(dāng)液面靜止后所有連通容器內(nèi)的液面同在一個大地水準(zhǔn)面上▽O，由傳感器測出每一測點的液位，即初始液位值分別為：H₁₀、H₂₀、H₃₀、H₄₀、·····H_i0。

當(dāng)列車經(jīng)過時，整車重量通過車輪作用在對應(yīng)的測點，每個測點跟隨鐵軌整體受力情況上下往復(fù)運動，每個測點記錄毫秒級的數(shù)據(jù)變換量。設(shè)定采集時長為30秒，在采集周期內(nèi)，測點1采集的數(shù)據(jù)量為H₁₁、H_12、H_13、H₁₄ ······H_1i，測點2采集的數(shù)據(jù)量為H₂₁、H_22、H_23、H₂₄ ······H_2i，測點3采集的數(shù)據(jù)量為H₃₁、H_32、H_33、H₃₄ ······H_1i，測點4采集的數(shù)據(jù)量為H₄₁、H_42、H_43、H₄₄ ······H_4i，······

各測點液位變化量分別計算為：

測點1：

△h₁₁= H₁₁-H₁₀、△h₁₂= H₁₂-H₁₀、△h₁₃= H₁₃-H₁₀、△h₁₄= H₁₄-H₁₀、······△h_1i= H_1i-H₁₀、

測點2：

△h₂₁= H₂₁-H₂₀、△h₂₂= H₂₂-H₂₀、△h₂₃= H₂₃-H₂₀、△h₂₄= H₂₄-H₂₀、······△h_2i= H_2i-H₂₀、

測點3：

△h₃₁= H₃₁-H₃₀、△h₃₂= H₃₂-H₃₀、△h₃₃= H₃₃-H₃₀、△h₃₄= H₃₄-H₃₀、······△h_3i= H_3i-H₃₀、

測點4：

△h₄₁= H₄₁-H₄₀、△h₄₂= H₄₂-H₄₀、△h₄₃= H₄₃-H₄₀、△h₄₄= H₄₄-H₄₀、······△h_4i= H_4i-H₄₀、

······

以上是每個測點動態(tài)采集的數(shù)據(jù)換算過程。動態(tài)采集必須使用動力水準(zhǔn)儀，如使用傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)儀，將無法正確采集數(shù)據(jù)。

 

3.2系統(tǒng)構(gòu)成

構(gòu)健康自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為4部分：傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)、云端服務(wù)器，后端管理顯示系統(tǒng)。其中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和云端服務(wù)器系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的樞紐，傳感器把數(shù)據(jù)采集后發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)對原始數(shù)據(jù)做數(shù)字化處理，將數(shù)據(jù)本地存儲，同時4G無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及進(jìn)一步的分析判斷。如果有異常，就發(fā)送信息到相關(guān)負(fù)責(zé)人的手機和電腦上進(jìn)行預(yù)警。云服務(wù)器將數(shù)據(jù)下發(fā)到指揮部的PC電腦上進(jìn)行存儲備份和數(shù)據(jù)曲線顯示。

傳感器數(shù)據(jù)采集部分使用深圳安銳科技的動力水準(zhǔn)儀及配套的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，以實現(xiàn)海量動態(tài)數(shù)據(jù)的本地化邊緣計算，結(jié)果再上傳安銳測控云平臺，從而實現(xiàn)現(xiàn)場報警及數(shù)據(jù)顯示等功能。

動力水準(zhǔn)儀的特點：在非列車經(jīng)過時間，實現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集；在列車經(jīng)過時自行觸發(fā)實現(xiàn)高頻率采集，每秒鐘采集的數(shù)據(jù)可達(dá)30個，然后經(jīng)過算法處理，輸出列車經(jīng)過時軌道對應(yīng)測點的動態(tài)撓度數(shù)據(jù)，可以在后端進(jìn)行處理顯示。

動力水準(zhǔn)系統(tǒng)由水壓力傳感器、壓力傳導(dǎo)管道和液體容器組成，液體容器給整個液壓系統(tǒng)提供量程范圍內(nèi)的穩(wěn)定的液體，液體管道聯(lián)通所有動力水準(zhǔn)儀傳感器，保證處于同一個連通器內(nèi)，氣管連接各個傳感器的液面，保證所有傳感器受到相同的大氣壓力，減少列車風(fēng)壓和高差對傳感器的影響。動力水準(zhǔn)儀傳感器由擴散性非晶硅壓力傳感器測出，用內(nèi)置的壓力變送器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過485總線傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行初步的加工和處理再推送到云平臺。

以上描述的測點位置除了路基部分，軌道軌底和挖孔樁頂部同樣適用動力水準(zhǔn)儀。

當(dāng)鋼軌上的動力水準(zhǔn)儀檢測到列車即將到達(dá)的加速度變化時，觸發(fā)動力水準(zhǔn)儀進(jìn)入高頻采集模式。經(jīng)過多傳感器的數(shù)據(jù)融合后，得到鋼軌的動態(tài)撓度數(shù)據(jù)；列車離開后，動力水準(zhǔn)儀自動進(jìn)入低頻采集模式，正常頻率采集，獲取靜態(tài)沉降數(shù)據(jù)。

傾角傳感器：監(jiān)測軌道、接觸網(wǎng)立柱、挖孔樁的傾斜，傾角傳感器為三軸傳感器，可分別監(jiān)測X/Y/Z軸變化。

圖3-6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

     

3.3系統(tǒng)功能

無人自動化的物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)滿足在系統(tǒng)初始化完成后，自動運行。在監(jiān)測值超過設(shè)定的閾值時，發(fā)送報警短信(指定接收人手機號可多選)，發(fā)送報警信息至后端(管理端)進(jìn)行顯示和報警。整個系統(tǒng)采用無人值守24小時自動運行的方式工作，以便對施工過程中可能出現(xiàn)的沉降和傾斜問題，及時進(jìn)行預(yù)警，而無需人工干預(yù)。通過該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，能使項目施工安全得到更好的保障。

構(gòu)健康自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能為：

1、實時監(jiān)測

(1)、通過物聯(lián)網(wǎng)位移傳感器實時測量。

(2)、通過4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至安銳測控云平臺顯示。

(3)、通過云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲。

(4)、獲取水平值、水平差和動態(tài)撓度數(shù)據(jù)。

(5)、獲取沉降值和傾斜角度。

2、實時預(yù)警

(1) 通過手機APP軟件及短信進(jìn)行報警。

(2) Windows端、平臺發(fā)出報警聲音警示。

(3) 現(xiàn)場報警，監(jiān)測點的位移大于設(shè)定閾值時，即時提醒現(xiàn)場人員。

 

 

 四、系統(tǒng)實施 

測點選擇、布放和安裝。

（一）選點和布網(wǎng)

1、基準(zhǔn)點

2、軌道-上行線

3、軌道-下行線

4、挖孔樁

5、路基和其它

6、設(shè)備柜

（二）監(jiān)測計劃及頻率    

（三）監(jiān)測報警指標(biāo)值

1、累計沉降報警：

2、報警閥值：

（四）完成的工作量

 

 五、系統(tǒng)設(shè)備清單 

                

序號	名稱	說明	單位	數(shù)量
1	動力水準(zhǔn)儀	超輕型數(shù)字動力水準(zhǔn)儀,安裝位置靈活，可實時測量監(jiān)測點的沉降數(shù)據(jù)。量程高達(dá)1000m，分辨率為1mm。每套一個基準(zhǔn)，一個備用。	臺
2	PU液體平衡管	高壓透明PU專用管	米
3	PU氣體平衡管	高壓透明PU專用管	米
4	數(shù)據(jù)電纜	專用屏蔽數(shù)據(jù)水工電纜RVVP2*1.5	米
5	動力安裝支架	動力水準(zhǔn)儀專用支架1	套
	動力水準(zhǔn)儀支架	動力水準(zhǔn)儀專用支架2	套
6	液壓罐體	鋼質(zhì)	個
7	物聯(lián)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)	嵌入式固件設(shè)計，軟硬件一體化，采用SOC片上系統(tǒng)，具備高可靠性及安全性，所有控制功能的中樞硬件平臺：1識別、讀取及網(wǎng)絡(luò)上傳各種傳感器的數(shù)據(jù) 2、接入云服務(wù)器指令信號，3、接收遠(yuǎn)程授權(quán)人員指令，控制現(xiàn)場設(shè)備工作	套
9	通訊數(shù)據(jù)連接頭	4芯T型三通防水連接器	個
10	開關(guān)電源	精密穩(wěn)壓低紋波12V30A	臺
12	物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡	電信物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡，移動物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡。含1年的4G數(shù)據(jù)流量	張
13	位移傳感器	測量測點動態(tài)位移，專利產(chǎn)品	套
14	傾角傳感器	測量測點傾斜角度	套
17	電器控制柜	鋼質(zhì)，含軌道等電器安裝附件	個
18	安裝耗材	鐵絲、膨脹螺絲、軋帶等	批
20	安銳測控云平臺軟件	云服務(wù)器的方式做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制、連接設(shè)備和電腦及手機，保存各種控制策略等。含軟件使用及1年的云服務(wù)器租用費	套
21	短信服務(wù)	把報警信息以短信的形式推送到手機，避免因手機軟件沒有打開收不到現(xiàn)場報警信息的情況發(fā)生，含1年的短信使用費	年
22	Winows電腦端軟件	Windows平臺，實時顯示現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)和監(jiān)測視頻、照片	套
24	交換機	提供數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，24口，千兆	臺
25	網(wǎng)絡(luò)線纜	網(wǎng)絡(luò)鏈路	箱
26	電纜	RVV 2*1.5，各個監(jiān)測點電源	米
29	基準(zhǔn)點墩臺	放置水罐、基準(zhǔn)點等。	套

 

   

 六、課題成果 

經(jīng)過近24個月的工作，取得了以下成果：

（一）預(yù)警系統(tǒng)

（二）專用軟件

（三）專用的硬件

（四）獲得的數(shù)據(jù)