一种高速铁路隧道安全感知与预警系统的制作方法

本发明涉及隧道安全监测领域，具体涉及一种高速铁路隧道安全感知与预警系统。

背景技术：

国内高铁隧道存在的病害、相应的评估及检验内容如图1所示，检测内容繁杂多样，并且目前的隧道检验检测技术自动化、智能化程度较低，严重依赖人工。隧道内基本未安装传感器进行在线监测，自动化检测设备检出率不高，部分隧道安装了视频监控摄像机，但细小裂缝无法检测，

技术实现要素：

解决的技术问题

针对现有技术中的问题，本发明提出一种高速铁路隧道安全感知与预警系统，

技术方案

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种高速铁路隧道安全感知与预警系统，包括：隧道安全监测数据采集系统，通过传感器系统及数据采集系统采集隧道各项原始数据，并通过数据通信与传输系统传输原始数据到隧道安全检测数据平台；

隧道安全监测数据平台，用于接收原始数据，并通过数据处理和分析系统结合监测设备信息、行车环境信息分析处理数据，实现数据的储存、缓存及计算，再将处理后的数据代入到隧道安全模型中进行评估，当隧道安全模型出现异常时，通过数据通信与传输系统将异常信息传输到隧道安全检测应用系统；

隧道安全监测应用系统，将异常信息报告到列车上的车载信息中心，列车根据异常信息数据对应地对列车调控，实现安全感知与预警。

本技术方案总的由四个部分组成，隧道安全监测数据采集系统、隧道安全监测数据平台、隧道安全监测应用系统、车载信息中心进行连携工作，由隧道安全监测数据采集系统实时采集到隧道的温度、位移、振动、应力、沉降等数据；再传输到隧道安全监测数据平台进行数据接入、数据解析、数据处理、数据储存、数据缓存、数据计算；然后将处理后的数据在传送到隧道安全监测应用系统分析和应用，带入相应模型进行评估，实现安全感知预警、运维决策支持、全局安全评估、应急处置支持的功能；最后将安全评估的结果反馈到车载信息中心，给列车运行提供支持，达到隧道安全感知与预警的目的。

进一步地，所述传感器系统主要由安装在隧道中的光纤传感器与放置在监测站的光纤传感分析仪以及连接光纤传感分析仪的若干光纤组成，还包括在隧道内部安装的摄像机及各项检测隧道性能的传感器，诸如应变传感器、温度传感器、直线位移传感器、振动传感器等，以及光纤光栅静力水准仪、光纤光栅加速度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变计、光纤光栅位移计、光纤传感分析仪等。

光纤传感分析仪通过光纤与安装在隧道上的光纤传感器相连，在分析仪内将光信号转换为电信号，再通过网络连接线与计算机直接相连将数据传输到计算机上的数据采集系统。

进一步地，数据通信与传输系统主要由12通道模块式光纤传感分析仪和光纤传感器以及信号传输光缆、wdm光纤波分复用器等无源光纤组件构成，其中，光纤光栅类传感器可以混合组网，在单芯光纤上串联或并联(借助光纤分路器，属于无源光器件)相同或不同类型的1-12只传感器，具体的传感器数量取决于其量程对应的波段带宽。

进一步地，通过实地考察勘测隧道易发生病害的位置与需要监测的数据，分项点在隧道各个位置安装固定光纤光栅传感器，并用光纤连接到隧道中的监测站，实现实时采集数据的功能。

所述隧道洞顶、侧壁、道床上的所述光纤通过夹具固定，并沿着拱形隧道的拱形轮廓分布所述光纤。

进一步地，根据山体滑移范围确定隧道二衬位移监测范围，在监测范围区域中的所述隧道边墙左右侧各布置测量点，用于测量边墙横向位移，且其中一侧隧道边墙上分布的光纤高于另一侧隧道边墙上的光纤，旨在测量隧道二衬结构不同位置处的横向位移。

进一步地，所述隧道二衬位移监测范围内沿隧道纵向长度方向间隔区分为一般段与加密段，其中隧道一般段区域中的左右光纤的隧道纵向间距为6m，而隧道加密段区域中的左右光纤的隧道纵向间距为3m。

进一步地，所述数据采集系统包括安装在隧道上的数据采集站，用于收集由传感器系统传输的数据，并进行读数的信号调理、采集数据的初步处理和储存；然后通过数据与传输系统将处理数据传到数据处理和分析系统。

数据采集系统主要通过隧道安全监测软件与运行软件的计算机以及不间断电源、光纤连接线、以太网有线/无线网络连接设备等组成。隧道安全监测软件接收并处理传感器系统发送来的数据，进行实时计算并缓存，然后显示在计算机屏幕上；同时将计算后的数据通过以太网发送并储存到数据处理和分析系统。

进一步地，所述数据处理和分析系统由云平台服务器和安装在服务器上的隧道安全数据分析软件组成。

通过实时读取数据采集系统的数据，将数据代入研究得到的安全感知预警模型、运维决策支持模型、全局安全评估模型、应急处置支持模型，结合历史数据，对比分析有无发生异常情况，达到最短时间内发现问题，分析原因，解决问题的目的。在发现异常后将以最快速度将异常信息通知隧道安全监测应用系统，同时安排人工巡查。

隧道安全监测应用系统是安装在列车上的通讯设备与列车原有的安全控制系统的总称。

当隧道发生异常情况时，由传感器系统实时得到数据，经由监测站内的数据采集系统解析成通用可读的数据，通过数据通信与传输系统将数据发送到云平台，云平台上的数据处理和分析系统带入隧道安全模型发现异常，将会及时通知隧道安全监测应用系统，并把异常信息报告给列车上的车载信息中心，列车将根据异常原因对应对列车调控，达到隧道安全感知与预警的最终目的。

有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提出了一种高速铁路隧道安全感知与预警系统，集成了传感器系统、数据采集系统、数据通信与传输系统、数据处理和分析系统、隧道安全监测应用系统等系统，实现了对隧道结构的内力、变形、位移、隧道净空尺寸、隧道周边收敛、拱顶下沉等病害的实时监测。结合隧道结构信息、设备信息以及行车环境信息，在后台自动进行数据分析、病害识别，环境重建，可真正实现隧道检测的全面高效、无损安全、数字养护，实时评估隧道结构的健康状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有高铁隧道存在的病害及相应的评估及检验内容的汇总图；

图2为本发明的系统总体框架图；

图3为本发明传感器系统示例结构图；

图4为本发明光线通过夹具固定的方式示意图；

图5为本发明隧道监测分布点示意图；

图6为本发明二衬结构中隧道位移监测范围示意；

图7为本发明加密段隧道端面测弯计位置示意图；

图8为本发明一般段隧道端面测弯计位置示意图；

图9为本发明隧道加密段与一般段的平面布置图；

图10为本发明隧道安全检测软件的监测界面图；

图11为本发明数据通信与传输系统光纤接线图接线图；

图12为本发明隋饶安全数据分析软件界面图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1，结合图2，一种高速铁路隧道安全感知与预警系统，包括：隧道安全监测数据采集系统，通过传感器系统及数据采集系统采集隧道各项原始数据，并通过数据通信与传输系统传输原始数据到隧道安全检测数据平台；

隧道安全监测数据平台，用于接收原始数据，并通过数据处理和分析系统结合监测设备信息、行车环境信息分析处理数据，实现数据的储存、缓存及计算，再将处理后的数据代入到隧道安全模型中进行评估，当隧道安全模型出现异常时，通过数据通信与传输系统将异常信息传输到隧道安全检测应用系统；

隧道安全监测应用系统，将异常信息报告到列车上的车载信息中心，列车根据异常信息数据对应地对列车调控，实现安全感知与预警。

本技术方案总的由四个部分组成，隧道安全监测数据采集系统、隧道安全监测数据平台、隧道安全监测应用系统、车载信息中心进行连携工作，由隧道安全监测数据采集系统实时采集到隧道的温度、位移、振动、应力、沉降等数据；再传输到隧道安全监测数据平台进行数据接入、数据解析、数据处理、数据储存、数据缓存、数据计算；然后将处理后的数据在传送到隧道安全监测应用系统分析和应用，带入相应模型进行评估，实现安全感知预警、运维决策支持、全局安全评估、应急处置支持的功能；最后将安全评估的结果反馈到车载信息中心，给列车运行提供支持，达到隧道安全感知与预警的目的。

上述各系统结构由采集服务器、采集设备、传感器、传输设备等组成。每个节点往下由服务器、采集设备、传感器等构成微型网络，以保证系统的可维护性和扩充性，便于系统的进一步开发和监测规模的扩大。各系统之间之间通过信号线、网线、光纤网络联系而进行运作。

进一步地，如图3所示，传感器系统主要由安装在隧道中的光纤传感器与放置在监测站的光纤传感分析仪以及连接光纤传感分析仪的若干光纤组成，还包括在隧道内部安装的摄像机及各项检测隧道性能的传感器，诸如应变传感器、温度传感器、直线位移传感器、振动传感器等，以及光纤光栅静力水准仪、光纤光栅加速度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变计、光纤光栅位移计、光纤传感分析仪等。其中，光纤既是传感介质，又是传感信号传输通道，传输速率快，可以实现分布式、长距离的在线监测，性价比高，并且轻细柔韧安装方便、耐久性好、抗干扰，价格低廉，是未来信息化铁路必然的趋势。

光纤传感分析仪数据接口均为标准100m以太网，具有16通道同步25hz、16通道同步100hz两种规格，可分别适应不同隧道不同数量传感器连接的需求。

光纤传感分析仪通过光纤与安装在隧道上的光纤传感器相连，在分析仪内将光信号转换为电信号，再通过网络连接线与计算机直接相连将数据传输到计算机上的数据采集系统。

进一步地，参见图11，数据通信与传输系统主要由12通道模块式光纤传感分析仪和光纤传感器以及信号传输光缆、wdm光纤波分复用器等无源光纤组件构成，其中，光纤光栅类传感器可以混合组网，在单芯光纤上串联或并联(借助光纤分路器，属于无源光器件)相同或不同类型的1-12只传感器，具体的传感器数量取决于其量程对应的波段带宽。光纤f-p类光纤传感器可以借助wdm波分复用器进行1-4只串/并联混合组网。光纤mems加速度计可以借助wdm波分复用器进行1-16只串联/并联组网。

进一步地，通过实地考察勘测隧道易发生病害的位置与需要监测的数据，分项点在隧道各个位置安装固定光纤光栅传感器，并用光纤连接到隧道中的监测站，实现实时采集数据的功能。

如图4-5所示，隧道洞顶、侧壁、道床上的光纤通过夹具固定，并沿着拱形隧道的拱形轮廓分布光纤。

进一步地，根据山体滑移范围确定隧道二衬位移监测范围，在监测范围区域中的隧道边墙左右侧各布置测量点，用于测量边墙横向位移，且其中一侧隧道边墙上分布的光纤高于另一侧隧道边墙上的光纤，旨在测量隧道二衬结构不同位置处的横向位移。如图6-9所示，选取xxx隧道为例，dk119+790、dk121+530作为监测基准点。根据山体滑移范围确定隧道二衬位移监测范围为：dk119+800～dk121+500。

进一步地，如图6-9所示，隧道二衬位移监测范围内沿隧道纵向长度方向间隔区分为一般段与加密段，其中隧道一般段区域中的左右光纤的隧道纵向间距为6m，而隧道加密段区域中的左右光纤的隧道纵向间距为3m。

进一步地，数据采集系统包括安装在隧道上的数据采集站，用于收集由传感器系统传输的数据，并进行读数的信号调理、采集数据的初步处理和储存；然后通过数据与传输系统将处理数据传到数据处理和分析系统。

数据采集系统主要通过隧道安全监测软件与运行软件的计算机以及不间断电源、光纤连接线、以太网有线/无线网络连接设备等组成。隧道安全监测软件接收并处理传感器系统发送来的数据，进行实时计算并缓存，然后显示在计算机屏幕上；同时将计算后的数据通过以太网发送并储存到数据处理和分析系统。

进一步地，参见图10-11，数据处理和分析系统由云平台服务器和安装在服务器上的隧道安全数据分析软件组成。

通过实时读取数据采集系统的数据，将数据代入研究得到的安全感知预警模型、运维决策支持模型、全局安全评估模型、应急处置支持模型，结合历史数据，对比分析有无发生异常情况，达到最短时间内发现问题，分析原因，解决问题的目的。在发现异常后将以最快速度将异常信息通知隧道安全监测应用系统，同时安排人工巡查。

隧道安全监测应用系统是安装在列车上的通讯设备与列车原有的安全控制系统的总称。

当隧道发生异常情况时，由传感器系统实时得到数据，经由监测站内的数据采集系统解析成通用可读的数据，通过数据通信与传输系统将数据发送到云平台，云平台上的数据处理和分析系统带入隧道安全模型发现异常，将会及时通知隧道安全监测应用系统，并把异常信息报告给列车上的车载信息中心，列车将根据异常原因对应对列车调控，达到隧道安全感知与预警的最终目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。