一种顾及温度误差对涉铁监测高程波动的计算方法与流程
本发明涉及铁路监测技术领域，尤其是一种顾及温度误差对涉铁监测高程波动的计算方法。
背景技术：
传统监测数据采集方法大多采用人工测量与内业分析评价相结合，或小范围上跨（下穿）立交施工自动化监测的方法，需更长观测时间，且观测时段及频率也会受到具体工程具体环境的影响，测量监测结果势必需要在监测完成后一定时间内出来，局限性很多，己不能满足快速涉铁施工监测频次及提高运营维护效率的要求。
静力水准系统测量可替代上述传统的监测数据采集痛点，静力水准系统测量原理：静力水准系统是利用液体总是寻求等势面的水平原理，即由水平视线测定监测点之间的高差。区别仅仅在于水平视线是由互相连通的水管完成，而普通水准仪是由光学仪器完成的。但静力水准系统测量受外界环境影响因素较大，静力水准系统工作媒介是液体，温度一定会引起液体密度变化，也就使液体体积发生变化，必然影响系统测量精度，因此修正测点温度变化具有意义。
根据《上海铁路局工务安全管理办法》（上铁工[2017]382号）行业标准要求，如图1所示。
《上海铁路局工务安全管理办法》监测报警阈值范围较常规预警更为严格，若观测数据温度无法修正，则会导致整个涉铁监测自动化系统预警有误，给工程是否停工等重大的决策造成困扰。
技术实现要素：
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种顾及温度误差对涉铁监测高程波动的计算方法，对温度不均匀问题通过同材质规避热膨胀系数计算方法，同时通过结合数据融合算法来进行补偿解决温度传感器的迟滞非线性问题，采用最小二乘法设计与实现静力水准测量系统在对迟滞进行补偿修正，提高监测数据精度。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种顾及温度误差对涉铁监测高程波动的计算方法，可实现静力水准系统的监测数据的修正，所述静力水准系统包括若干传感器钵体和连通水管，所述传感器钵体内盛放有液体，若干传感器钵体之间通过所述连通水管相连接使各所述传感器钵体的液体相连通形成等势面，其特征在于：将若干所述传感器钵体安装在对应的监测位置，在所述传感器钵体处设置可检测其周围环境温度的温度传感器；通过所述温度传感器所检测的周围环境温度计算所述传感器钵体内的液位高程变化量；听过所述液位高程变化量对所述静力水准系统的测量结果进行修正。
所述液位高程变化量的计算包括：对所述温度传感器的测量结果取平均值并分别得到温度的正、反行程的经验曲线；通过温度的正、反行程的经验曲线计算得到温度的改正数；通过该改正数计算所述液位高程变化量。
采用最小二乘法建立所述温度传感器的温度测量曲线的模型，以计算得到所述温度的正、反行程的经验曲线。
所述液位高程变化量通过下式计算：
式中，△h为所述液位高程变化量，γ液体为液体的热膨胀系数，v液体为所述液体的体积，s传感器为所述传感器钵体的截面积，△t为温度变化量，h反为温度的反行程经验曲线，h正为所述温度的正行程经验曲线。
本发明的优点是：
1）静力水准系统工作媒介是液体，温度不均匀变化必然引起液体密度变化，也就使液体体积发生变化，必然影响系统测量精度。本计算方法提出温度不均匀对静力水准系统精度的影响，提出不同材料的不同膨胀系数都考虑到实际温度补偿计算。利用连通管材质同传感器钵体，不考虑连通管和传感器钵体的热膨胀系数不同引起的液位变化前提下实现理论优化；
2）建立了通用大数据条件下的温度修正模型与建立函数映射，采用最小二乘法对正、反向曲线进行非线性校正拟合，再利用函数校正法对温度变化曲线进行迟滞补偿算得改正数，最后完成对温度的非线性校正与迟滞补偿，提高温度变化精度因子。
3）本发明基于涉铁监测环境下对材质规避热膨胀系数计算高程波动，进而再顾及消除迟滞误差进补偿修正提高温度变化准确度，以此确保监测得到的数据精度。
附图说明
图1为行业标准要求图；
图2为本发明中静力水准系统的测量原理图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例：本实施例中顾及温度误差对涉铁监测高程波动的计算方法，其是应用于采用静力水准系统所进行的涉铁高程监测。
如图2所示，静力水准系统共布设有n个观测点，其中1号点为相对基准点。在每个观测点上设置有传感器钵体，该传感器钵体内部存放有液体，例如水；相邻两个传感器钵体之间设置有连通水管从而使各传感器钵体构成连通器，进而使各传感器钵体内的液体相互流通可提供一等势面，该等势面即作为涉铁高程监测的监测依据，通过等势面的位置变化对各观测点的高程进行计算。在本实施例中传感器钵体和连通水管的材质相同。
在初始状态时，各测量安装高程相对于（基准）参考高程面δh0之间的距离则为：y01、…y0i…、y0n（i为测点代号，i=0，1，……，n）；各观测点安装高程与液面间的距离则为h01、h0i、…、h0n。通过静力水准系统对于铁路或者城市轨道交通工程进行自动化监测过程中，易收到周边环境影响，在测量过程中往往要对现场温度和气压进行测量，在距离观测值改化时加入温度和气压改正。通常情况下如果环境复杂情况下，往往需要对测站和目标点两处分别测量温度和气压，取均值作为改化的依据，这样一来复杂程度加大，且不利于无人值守的自动化变形监测实现。而本实施例则针对涉铁自动化形变监测提出对温度补偿方法，目的提高监测项目采集的数据精度。
具体而言，单独对某一测点进行计算，为了客观分析温度变化对监测桥墩箱梁内的静力水准系统测量读数的影响，还必须将不同材料的不同膨胀系数都考虑到实际温度补偿计算。在每个传感器钵体上设置温度传感器，通过该温度传感器可以实时地记录传感器钵体周围的温度变化情况，当温度变化后，传感器钵体内的液体体积会随温度变化而变化，此时，由于连通水管的材质和钵体的材质若不一样，不同的材质的热膨胀系数也不一样，这些因素都会导致钵体内的液位高程随温度变化而变化。
以传感器钵体内的液体为水作为说明，水的热膨胀系数γ跟其温度和密度之间的关系如公式（1）所示：
式中，ρ是水的密度，t是实测温度。
根据图2所示的静力水准系统的结构，水的体积变化与其和管材的膨胀系数的关系如公式（2）所示：
式中，其中△v为水的体积变化量，γ水和γ管分别为水和管材热膨胀系数，△t为温度变化量。
由于静力水准系统水管中液体是全充满状态，所以可以得到传感器钵体内的液位高程变化△h，该部分为求得由于温度不均匀导致需要进行补偿修正。该公式考虑到材料的不同膨胀系数，公式（3）计算出，s传感器为传感器钵体截面积。
式中，△h为水的高程变化，△v为水的体积变化量，s传感器为传感器钵体的截面积。
针对上述情况，本实施例是以连通水管材质和传感器钵体材质相同情况下静力水准系统数据补偿方法。由于连通管材质和传感器钵体相同，则不需要考虑由于连通管和钵体的热膨胀系数不同引起的液位变化，对由温度变化造成的液位高程变化需要进行补偿，公式（2）可得到公式（4），而其他的计算步骤相同。
式中，△v为水的体积变化量，γ水为水的热膨胀系数、v水为水的体积，△t为温度变化量。
联立公式（3）和公式（4）可得公式（5）：
通过公式（5）即可算得位于传感器钵体内的液体（水）因温度变化而造成的高程变化量。
本实施例在此基础上，为了削弱非线性（温度变化不定无规则）与迟滞特性对温度测量结果的影响，提高公式（2）中△t准确度，通过温度传感器阵列多次测量后对实验数据取平均值分别得到正、反行程的经验曲线，即通过结合大数据模型消除迟滞误差以修正该测点位置温度值。
将温度传感器的温度测量曲线线性化，但是这部分较为变化不确定较大，需通过经验效应对其建立大数据模型，本实施例使用最小二乘法。温度传感器阵列输出经验曲线的最小二乘法方程为：
其中，参数a的计算公式为：
参数b的计算公式为：
参数t为温度值。
式中，h为该测点位置输出温度非线性数据进行校正后的值，通过h在第i次的温度情况正、反向校正；m为监测周期内数据采样次数；ti为第i次采样点的温度值；
通过公式（9）对公式（5）中的△t纠偏，即该测点位置最接近真值的温度为：
将公式（10）代入公式（5）可最终得到削弱非线性因素后的改正后液位高程变化△h，即公式（11）中的△h，该值即最终为需要进行的补偿修正后的变化值。
本实施例可配合智能温度传感器并结合正反向修正相结合的计算方法，有效提高计算精度。其中，正向修正是指：采用智能温度传感器的智能化功能实现是传感器克服自身不足，通过修正获得高稳定性、高可靠性、高精度、高分辨力与提高自适应能力的必要条件。
反向修正是指，当前使用的电子器件中大多数使用半导体工艺制造，希望信号的输出端与输入端信号的曲线尽可能是线性关系，但实际情况并非如此，大多数情况都是非线性关系。作为智能温度传感器系统，无论其前端传感器输入/输出特性是多么复杂的非线性曲线，它都应该能够自动按照反向非线性特性进行特性刻度转换，使转换后的输出与输入呈理想的直线关系。
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！