一种悬挂式单轨交通结构健康监测系统及方法与流程

本发明属于单轨铁路交通安全技术领域，具体涉及一种悬挂式单轨交通结构健康监测系统及方法。

背景技术：

悬挂式单轨铁路是单轨铁路的一种，特点是使用的轨道只有一条，而非传统铁路的两条平衡路轨。悬挂式单轨的结构物主要是由轨道梁和立柱组成，类似于桥梁中的梁和墩。立柱的主要型式有倒l型和y型两种，可根据地形、用地等不同情况选择使用。单轨车辆轨道不同于一般的轨道交通方式中的钢轨，而是采用梁式轨道。

悬挂式单轨交通系统在运营阶段的结构工作状态、结构的安全性、关键零部件的及部位的异常与报警等都时刻影响着系统运营的稳定性和安全性。悬挂式单轨交通系统结构健康诊断、管理养护、结构加固也需要系统正常运行时的实时数据作为支撑，因此，悬挂式单轨交通系统养护、管理、维修、加固和运营需要一个完整的监测系统作为支撑，以便为运营阶段的养护管理提供决策依据。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于结构损伤和状态评估、满足其养护管理、运营和维修加固的悬挂式单轨交通健康监测系统。

为此，本发明提供了一种悬挂式单轨交通结构健康监测系统，轨道梁动态监测模块、结构静态监测模块及牛耳变形监测模块；

所述轨道梁动态监测模块用于监测轨道梁结构的振动、动态挠度及噪声；

所述结构静态监测模块用于监测轨道梁结构的静态挠度及立柱倾斜度；

所述牛耳变形监测模块用于测量牛耳的悬挂应变。

优选地，所述轨道梁动态监测模块采用宽频高精度mems光纤加速度传感器，对轨道梁跨中位置的振动和声音信号进行在线采集和分析，并通过加速度积分同时获得轨道梁的动态挠度。

优选地，所述轨道梁动态监测模块还用于将宽频高精度mems光纤加速度传感器的数据转化为音频，以还原列车通过该监测位置前后的结构振动噪声和环境噪声。

优选地，所述结构静态监测模块采用高精度mems光纤压力传感器，通过液位连通管构成光纤静力水准仪实现对结构静态挠度及立柱倾斜测量。

优选地，在每个轨道梁跨中监测点位，设置一个储液桶或液位连通管并在底部位置安装1只高精度mems光纤压力传感器。

优选地，所述牛耳变形监测模块采用自温补焊接式光纤应变计，且每只牛耳布设四支自温补焊接式光纤应变计。

优选地，所述自温补焊接式光纤应变计的应变量程±3000με，测量标距16mm。

优选地，所述监测系统还包括轨道梁间位移监测模块及风向风速仪；

所述轨道梁间位移监测模块用于相邻两个梁之间的x轴及y轴的不平度；

所述风向风速仪用于测量经过轨道梁的风载荷。

本发明还提供了一种悬挂式单轨交通结构健康监测方法，所述监测方法用于根据如前任一项所述的悬挂式单轨交通结构健康监测系统监测悬挂式单轨交通结构的健康状态。

本发明的有益效果：本发明提供的这种悬挂式单轨交通结构健康监测系统，轨道梁动态监测模块、结构静态监测模块及牛耳变形监测模块；轨道梁动态监测模块用于监测轨道梁结构的振动、动态挠度及噪声；结构静态监测模块用于监测轨道梁结构的静态挠度及立柱倾斜度。对悬挂式单轨交通系统进行实时监测，支持数据自动采集、贮存和查询；对关键构件进行多级报警功能，可自动诊断结构异常情况；结构当前和未来的整体安全性评估；为悬挂式单轨交通系统结构健康诊断、管理养护、结构加固提供依据。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明悬挂式单轨交通结构健康监测系统及方法的功能模块示意图；

图2是本发明悬挂式单轨交通结构健康监测系统及方法的轨道梁振动及动态挠度监测布点；

图3是本发明悬挂式单轨交通结构健康监测系统及方法的光纤光栅位移传感器在主梁上安装位置示意图；

图4是本发明悬挂式单轨交通结构健康监测系统及方法的牛耳监测布点示意图；

图5是本发明悬挂式单轨交通结构健康监测系统及方法的梁间位移监测布置点；

图6是本发明悬挂式单轨交通结构健康监测系统及方法的沉降监测原理图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种悬挂式单轨交通结构健康监测系统，如图1所示，轨道梁动态监测模块、结构静态监测模块及牛耳变形监测模块；

所述轨道梁动态监测模块用于监测轨道梁结构的振动、动态挠度及噪声；

所述结构静态监测模块用于监测轨道梁结构的静态挠度及立柱倾斜度；

所述牛耳变形监测模块用于测量牛耳的悬挂应变。

该方案是利用现代电子、信息、通信及计算机技术，同时结合智能传感器、大数据处理、综合评估等技术可实现监测指标的实时采集、实时传输、实时预警。亦可用于非长期或人工形式的监测、检测中。在悬挂式单轨交通系统上建立的结构健康监测系统能把握其运营阶段的结构工作状态和评估结构的安全性与正常使用性提供必要而可靠的数据，为运营阶段的养护管理提供决策依据。拟开发的悬挂式单轨交通结构健康监测系统要达到的功能目标为：

(1)对悬挂式单轨交通系统进行实时监测，支持数据自动采集、贮存和查询；

(2)对关键构件进行多级报警功能，可自动诊断结构异常情况；

(3)结构荷载-响应采用“数值模拟+机器学习”方法进行变形预测分析；

(4)结构当前和未来的整体安全性评估；

(5)为悬挂式单轨交通系统结构健康诊断、管理养护、结构加固提供依据。

(6)为列车安全运行控制提供智能化决策。

(7)简洁、实用、性能可靠、经济合理，并具有可扩展性和接入轨道交通智慧运维平台的能力。

总体上，悬挂式单轨交通结构健康监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术和bim技术等高新技术于一体的综合系统工程。

为了使悬挂式单轨交通结构健康监测系统成为一个功能强大并能真正用于结构损伤和状态评估，满足其养护管理、运营和维修加固的需要，同时又具有经济效益的轨道交通结构健康系统，应遵循如下设计原则：

(1)简洁、实用、性能可靠、经济合理；

(2)系统应能体现结构健康监测的最新技术，并具有可扩展性。

(3)满足悬挂式单轨交通系统养护、管理、维修、加固和运营的需要，坚持实用性原则第一；

(4)从动力、静力、外部荷载对结构进行实时监测，从结构变形、结构应力对结构进行实时监测；对结构的耐久性进行定期检查；

(5)根据理论计算、健康诊断、病患部位及养护管理的需求进行监测点布设；

(6)应用模态分析和bim技术，实现监测、健康诊断及运营管养的融合。

优选的方案，如图2所示，采用宽频高精度光纤mems加速度传感器，对轨道梁跨中位置的振动和声音信号进行在线采集和分析，并通过加速度积分同时获得轨道梁的动态挠度。由于最大弯矩出现在跨中，最大应力也出现在跨中，为监测本次动态挠度和振动监测选择轨道梁跨中底部位置进行，轨道全线以每跨轨道梁跨中截面为一个监测断面，每个监测断面布设一个光纤加速度传感器，具体布点图。数据24小时不间断采集。根据列车运行造成的振动，探测轨道梁的振动谱、振动模态、动态挠度，来分析轨道梁、立柱构成的系统的刚度变化、疲劳、断裂的趋势。

选用mems光纤加速度计，该传感器是一种宽频高精度光纤加速度传感器，采用微纳加工技术将加速度检测质量块、弹性支撑体、光学反射微镜、光入射及出射波导直接集成在一个微小的芯片上，真正实现了对加速度信号的全光检测，具有探头和传输线路不供电、抗电磁干扰、动态范围大、体积小巧、远距离光信号传输等诸多优点。光纤加速度计灵敏度高，动态范围大、线性度好，低频从0hz开始，具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化，技术参数一致性好、性能稳定可靠。光纤加速度计广泛应用于地震监测、建筑桥梁健康监测与测试、工业系统结构监测与测试、旋转机电设备振动监测与故障诊断、舰船振动噪声分析、海洋平台结构监测等领域。

同时，将宽频高精度mems光纤加速度传感器的数据转化为音频，通过听音，可以还原列车通过前后的结构振动噪声和环境噪声。

通过对宽频高精度光纤mems加速度传感器数据进行振级分析，可以计算获取列车通过前后的加速度传感器信号总振级，单位为db。并获取列车通过前后，加速度三分之一倍频程振级和频带分布。

优选的方案，采用高精度mems光纤压力传感器，通过液位连通管构成光纤静力水准仪实现对结构静态挠度及立柱倾斜测量。挠度监测量程0～1000mm。

具体实现方案：在每个轨道梁跨中监测点位，设置一个储液桶或液位连通管并在底部位置安装1只高精度光纤压力传感器，由此实现本监测点位连通管液体位置的精确测量；在每4个轨道梁的中间立柱设置一个参考点位，设置一个储液桶或液位连通管并在底部位置安装1只高精度光纤压力传感器和1只用于补偿大气压及温度的外置式高精度光纤压力传感器。每4个轨道梁选取最左、最右两个跨中监测点与1个中间立柱参考点之间通过非金属连通管+防冻液彼此串联。这种方案的优点是可靠性高、精度高，后续每3年可以进行校准确认，具有最优的长期测量精度。

参考图3所示，根据中间立柱参考点与左右各2个轨道梁跨中监测点之间的竖向位置变化，可以获取4个轨道梁的静态挠度量并对立柱倾斜状态进行有效监控。按照轨道梁长度20～25m估算，采用高精度光纤压力传感器构成的沉降变形监测系统。

优选的方案，由于牛耳部位为主要承重位置，本次牛耳变形监测选择立柱顶部牛耳位置进行，轨道全线以每个立柱单侧布置一个监测断面，采用自温补焊接式光纤应变计，在每只牛耳布设4支光纤应变计。布置位置参见图4所示。选用焊接式光纤应变计，该传感器是针对桥梁钢箱梁、减震阻尼器、金属锚具及其他金属结构件应力变形测量需求开发的高性能应变计。采用光纤金属化激光焊接工艺和温度自补偿结构封装，具有测量精度高、长期零点稳定、温度漂移微小、焊接操作简便、动态特性良好等特点。在完成对被测钢结构表面监测位置的局部打磨后，焊接式光纤应变计，在钢结构表面可用配套的专用焊枪头在5毫秒内完成焊接安装，使现场安装工艺极为简化。

优选的方案，如图5所示，整个桥体结构是由25-30米长的单体桥段组合而成，在桥体与桥体间采用软连接，在车辆不同负载速度运行通过接缝处时，梁间会有位移。同时x轴,y轴方向也会存在不平度。测量这几个特征量的变化情况对轨道安全舒适运行十分重要。传感器主要采用光纤光栅位移传感器，在每个接缝的x轴、y轴方向各装一只。

优选的方案，风速风向仪需12～30vdc供电，为此，选用6芯屏蔽双绞线进行信号传输和供电，并在就近外场现场机柜中配置一台24vdc开关电源供电。

根据评估总体规划的监测布点设计，在轨道梁跨中面和梁顶有测点，考虑到准确测量轨道梁所受风荷载的数据，要消除轨道梁结构本身对风速风向测量的影响，因此为每个风速仪设计一套高立杆支架以满足准确测量的要求，立杆高度6m。考虑到梁顶设备不仅需消除梁顶结构本身对风速风向测量的影响，还需保证能在避雷针的保护范围内，因此为梁顶风速仪设计使用一根高1.2m的安装立杆。

利用宽频高精度光纤mems加速度传感器、高精度光纤mems光纤压力传感器的长期高可靠、高稳定、高精度测量特性和光纤传感系统的同时基数据采集特性，可以对所有监测点传感器进行亚毫秒级时钟同步采集，便于后续的数据融合处理和软件传感器功能实现。最终实现结构安全状态实时评估、损伤预测，为列车运行车速智能控制和结构智慧运维提供决策支撑。

在一个具体的实施场景中，如图6所示，监测系统还包括远程监控中心即数据处理服务器，所述远程监控中心用于分析并显示轨道梁动态监测模块、结构静态监测模块及牛耳变形监测模块其中，针对结构静态挠度及立柱倾斜测量，推荐使用型高精度mems光纤f-p压力传感器，通过液位连通管构成光纤静力水准仪。所有模块的信息都通过光纤将信号传递至设备箱，设备箱内设有光纤传感分析仪用来分析各个模块的数据，然后通过无线网传递至远程的数据处理服务器处进行显示和进一步处理。

其中，存算一体光纤传感分析仪主机是基于fbga的嵌入式系统架构核心，具有强大的信号处理和诊断分析能力，它安装于电客车客室的机柜中，能够实时采集走行部与轨道梁耦合关系状态数据，进行在线监测融合诊断、数据分发、故障预测报警和数据策略化存储记录的智能化诊断功能部件。主要功能如下：

1)对智能走行部传感器进行参数配置及信息管理；

2)对电客车走行部运行状态进行实时监测识别，支持主机内各功能模块的在线自检，并将自检记录保存于系统运行日志文件之中；

3)主机软件对智能走行部传感数据和车辆运行位置信息进行综合分析、多参量融合诊断，有针对性地读取光纤传感器历史监测数据，以对轨道梁结构状态进一步分析诊断；

4)监测诊断主机软件基于在线状态监测数据，采用分段聚合近似方法来表示由监测数据形成的轨道梁性能退化轨迹时间序列，通过层次聚类方法实现衰退模式聚类，实现基于状态监测数据的轨道梁关键结构性能衰退模式挖掘；模式挖掘结果为应用状态监测数据进行轨道梁的结构健康预测奠定了良好基础；

5)通过数据下载接口实现与配套地面系统的数据连接,将监测状态信息通过以太网/mvb输出到tcms；

6)将保存的监测结论、样本数据使用车辆的无线传输模块到地面系统,通过无线网络与后台数据服务器通信保存所有的数据和诊断结论，与系统运行的日志文件等。

其中，光纤光栅传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。

选用光纤传感分析仪实现对宽频高精度mems光纤加速度传感器和光纤静力水准仪的同步1000hz信号采集。光纤传感分析仪面向轨道交通和高端工业装备智慧运维研制的高可靠、工业级、存算一体智能型波长信号解调设备，适用于温度、应变、压力、位移、加速度、静力水准仪等各种类型光纤光栅传感器、光纤f-p传感器和mems光纤传感器的高速、同步、高精度数据采集，内置存算一体信息处理器，可实现物理量策略化采集、数据存储和特征提取及智能化故障预测。

光纤传感分析仪采用低功耗嵌入式处理器设计，性能稳定可靠，兼顾了工业测量领域长期在线监测和野外工程现场恶劣温湿度环境的需求。

光纤光栅是通过激光刻写技术，在光纤纤芯上形成的折射率的周期性分布结构，它是一种分立式的反射型光纤器件。光纤光栅传感技术是以光纤光栅为敏感元件，以光纤为传输媒介，集测量和信号传输为一体的光纤传感技术。它具有如下的技术特点：

1、无源无电

光纤光栅传感器是光无源反射型器件，监测设备即远程监控中心(位于远程后方)中携带的光源发出的光信号经过光纤传输照射到光纤光栅上，经过光纤光栅反射后，携带感知到的传感信息的光信号再反射回监测设备中接收、分析处理和存储，因此在监测现场不需供电。

2、可串接

采用波分复用技术，可在一根光纤上串接几十个光纤光栅传感器，可大大节省信号传输线的数量。

3、信号传输距离远

由于光纤的传输损耗低(最低可达到0.02db)，所以光纤光栅传感信号传输距离远。一般在几十公里的传输距离内，不需要中继放大。

4、抗电磁干扰

光纤光栅传感使用的是光信号，并且在光纤内部传播，不怕电脉冲和雷电的干扰，外界的杂散光也不能耦合到光纤内部去，所以抗外界干扰能力强。

5、响应速度快

光纤光栅传感相对于其它的光纤传感来讲，具有响应速度快，一般可达到2000hz，满足本项目列车动态监测的要求。

其中，数据传输模块的功能是将系统采集到的原始数据及预处理后的数据发送到监控中心的服务器中，数据管理软件能借助数据传输系统随时从各个数据采集站将所查询的数据传输到指定位置。为保证数据传输的实时性、可靠性、保密性及系统的可扩展性，传输网络采用环形光纤网。数据传输模块还基于以下方面内容进行设计：

(1)数据可以经传输网络供远程传输和共享；

(2)为了与其它设备和网络相协调，传输网络基于tcp/ip标准；

(3)传输故障能在服务器上显示并发出警报；

(4)传输系统底层软件与操作系统完全兼容，操作系统升级时能够向上兼容；

(5)不同信息类型的传输应该准确无误，应该满足软件运行的实时性要求，且与硬件环境相匹配。

采用有线网络的方式与监测设备通信，通过以太网口的形式与数据中心平台交互。采集模块自带时钟，并能定期与监测系统时钟服务器进行时钟同步，时钟的累积漂移量≤5秒/天。采集模块可以通过服务器进行远程管理，断电后自动重启恢复。平均无故障时间mtbf≥100000小时。

一台数采仪可连接多个同类型的传感器由数据采集系统存储入数据库，并将各信号通道进行标识；通过有线网络发送至数字化平台；由数字化平台对数据进行异常分析，对由于环境等外界原因引起的异常数据，自动进行判别，自动激发重新采集数据等操作。数据确认无异常后由数字化平台进行抽取分类，按照各数据采集系统的标识情况存入相应数据库，由数字化监测管理系统实时调用，真正实现全天候24小时自动实时监测。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。