高速鐵路大跨度橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

梅 琴

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 線路站場設(shè)計研究處，武漢430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢430063）

高速鐵路運行時速可達350km/h，為保持列車運行時的高平順性、高穩(wěn)定性、高安全性，要求軌道鋪設(shè)精度達±1mm。受溫度影響，大跨度橋梁伸縮位移較大，為防止伸縮引起鋼軌斷裂，需設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器[1]。由于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的伸縮特性和溫度敏感性，其所在地段是整條線路的薄弱環(huán)節(jié)，也是鐵路部門養(yǎng)護維修的關(guān)注重點[2]。

目前，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器主要通過定期的人工靜態(tài)檢查、動軌檢車及人工添乘、調(diào)節(jié)器零配件拆檢等方式進行養(yǎng)護維修[3]，以確保良好的運營使用狀態(tài)。以上檢測主要集中在天窗時間點，而軌道結(jié)構(gòu)在夏季和冬季，以及每日14：00和凌晨受溫度影響最大，往往難以及時、全面地發(fā)現(xiàn)問題。因此，有必要研發(fā)大跨度橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)進行全天候在線實時監(jiān)測。

國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多針對高速鐵路軌道系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的研究，主要特點包括：（1）測試周期較短，對象單一；（2）既有鐵路數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)存儲和顯示，不能完全滿足軌道服役狀態(tài)評估的實際需要。本文從大跨度橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)的軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測需求出發(fā)，利用光纖光柵傳感和視覺測量技術(shù)等前端監(jiān)測技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測、在線實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)可視化統(tǒng)計分析和預(yù)警評估，為鐵路工務(wù)部門養(yǎng)護維修提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)研究目標

1.1 研究內(nèi)容

系統(tǒng)針對梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和主橋軌道結(jié)構(gòu)的溫度、位移、應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)開展全天候監(jiān)測，有效掌握高鐵運營期間的軌道服役狀態(tài)。根據(jù)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器范圍主要軌道病害的相關(guān)研究[4-6]，本系統(tǒng)采用光纖光柵傳感、視覺測量和圖像識別等監(jiān)測技術(shù)和手段[7-8]，實現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)溫度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形以及鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、梁端伸縮裝置的實時監(jiān)測，主要監(jiān)測內(nèi)容如表1所示。

表1 高速鐵路大跨度橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)主要監(jiān)測內(nèi)容

1.2 系統(tǒng)需求

該系統(tǒng)的具體功能需求包括以下內(nèi)容：

（1）實現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測信息的自動化采集和實時傳輸，通過對多源數(shù)據(jù)進行比對、整合等預(yù)處理和數(shù)據(jù)存儲，為系統(tǒng)提供靈活、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化分析和處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)的模板自動生成日報、周報、月報，對于季報、年報提供文件上傳接口。

（3）通過對各關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)警值研究，建立軌道服役狀態(tài)預(yù)警模型，當(dāng)數(shù)據(jù)超限時，進行預(yù)警預(yù)報。

（4）根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)綜合分析，形成多維度對比分析，建立軌道服役狀態(tài)評估模型，對軌道結(jié)構(gòu)長期受力變形和結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行預(yù)測分析，為鐵路工務(wù)部門提供決策支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計

通過調(diào)研鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化手段，提出系統(tǒng)性設(shè)計，主要對總體架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、功能模塊、數(shù)據(jù)庫等進行設(shè)計研究。

2.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)感知終端、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理中心和預(yù)警監(jiān)控中心組成。其中數(shù)據(jù)感知終端由現(xiàn)場安裝的高清攝像機、溫度傳感器、位移傳感器等監(jiān)測設(shè)備組成。光纖光柵傳感數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸至數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器，并進行參數(shù)計算和分析。高清攝像機將定時抓拍的照片傳輸至數(shù)據(jù)處理中心的圖片服務(wù)器，并通過圖像識別程序進行識別和計算。預(yù)警監(jiān)控中心利用數(shù)據(jù)處理中心計算分析后的結(jié)果數(shù)據(jù)，建立基于B/S模式的Web應(yīng)用網(wǎng)站，形成可視化遠程網(wǎng)頁監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超限時會產(chǎn)生報警，并實時將預(yù)警信息發(fā)送至現(xiàn)場安全監(jiān)控人員，為工務(wù)養(yǎng)護部門上道檢修提供數(shù)據(jù)支撐，從而形成現(xiàn)場設(shè)備—數(shù)據(jù)處理—預(yù)警監(jiān)控的閉環(huán)式信息傳遞和反饋。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)基于B/S模式，采用分層架構(gòu)，自底向上分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和表示層，如圖2 所示。表示層主要采用動態(tài)頁面進行發(fā)布，負責(zé)進行用戶交互；應(yīng)用層主要針對系統(tǒng)的功能需求，提供各類功能的實現(xiàn)算法；服務(wù)層主要為應(yīng)用層的各類功能提供支撐服務(wù)，并與數(shù)據(jù)層進行交互；數(shù)據(jù)層主要由各類數(shù)據(jù)庫組成，負責(zé)進行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合等預(yù)處理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增刪改查[9]等功能。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

2.3 功能設(shè)計

根據(jù)各級用戶需求，系統(tǒng)功能模塊主要分為系統(tǒng)概況、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)報表、評估分析和預(yù)警預(yù)報，滿足實時數(shù)據(jù)的可視化管理、歷史數(shù)據(jù)的追溯評估和未來狀態(tài)的預(yù)警預(yù)測，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)監(jiān)測平臺的需求，對梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)尖軌伸縮位移、基本軌伸縮位移、鋼軌-軌枕相對位移、軌枕間距、主橋軌道結(jié)構(gòu)信息（溫度、位移、應(yīng)力等）以及用戶管理信息等進行關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表主要分為4 部分：

（1）鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)圖像處理數(shù)據(jù)存儲，包括尖軌伸縮位移表、基本軌伸縮位移表、鋼軌-軌枕相對位移表、軌枕間距表；

（2）主橋軌道結(jié)構(gòu)的傳感器采集數(shù)據(jù)存儲，包括主跨橫斷面數(shù)據(jù)表、1/4主跨橫斷面數(shù)據(jù)表、梁端橫斷面數(shù)據(jù)表；

（3）監(jiān)測設(shè)備臺賬，包括高清攝像機測點布置表、光纖光柵傳感器測點布置表、采集儀通道字典表；

（4）多級用戶權(quán)限存儲，包括工點信息表、組織結(jié)構(gòu)表、權(quán)限樹字典表。

各表之間相互獨立，系統(tǒng)以鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)圖像處理數(shù)據(jù)、主橋軌道結(jié)構(gòu)的傳感器采集數(shù)據(jù)表為基表，數(shù)據(jù)報表、預(yù)警預(yù)報信息等在基表的基礎(chǔ)上進行多表聯(lián)合查詢。以尖軌伸縮位移表為例，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2 所示。

表2 尖軌伸縮位移表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 圖像識別

光纖光柵傳感技術(shù)適用于高鐵軌道結(jié)構(gòu)大變形量、高頻振動、不影響軌道電路的高精度監(jiān)測，其傳感設(shè)備可實現(xiàn)對軌道結(jié)構(gòu)溫度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形等監(jiān)測，屬于接觸式測量。由于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)列車-軌道-基礎(chǔ)相互作用的復(fù)雜性和特殊性，不能在鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)上直接安裝傳感設(shè)備，因此需研發(fā)非接觸式測量方式，對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)尖軌伸縮位移、基本軌伸縮位移和軌枕間距等進行實時監(jiān)測。

本系統(tǒng)采用視頻監(jiān)控的方式，由高清攝像球機每半小時抓拍一次現(xiàn)場照片，傳輸至服務(wù)器后，通過圖像識別軟件，對伸縮位移和軌枕間距進行分析。

系統(tǒng)通過識別在尖軌尖端和對應(yīng)的基本軌軌腰處設(shè)置的兩處標識點的間距，實現(xiàn)兩者之間的相對位移測量[10]，從而獲得尖軌尖端伸縮位移數(shù)據(jù)，測量原理如圖4 所示，圖5為現(xiàn)場實物照片。

圖4 尖軌尖端伸縮位移識別方法原理

圖5 尖軌尖端伸縮位移實物圖片

在圖像識別算法中，依次對照片進行灰度化預(yù)處理、二值化降噪和目標區(qū)域識別。根據(jù)照片中標準距離的像素點，換算出待測距離的實際長度。其中目標區(qū)域識別主要采用霍夫變換特征提取技術(shù)[11]，從原始的圖像中分離出相同的圖形，找出圖像中所有的圓。圖像識別后的待測距離與經(jīng)人工上道卡尺測量核對后，識別率達95%以上。圖像識別流程如圖6所示。

圖6 圖像識別流程

3.2 軌道服役狀態(tài)評估與預(yù)警

以軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)為輸入，建立基于專家經(jīng)驗的主觀知識模型和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的定性分析模型。借助專家經(jīng)驗，初步確定軌道狀態(tài)評估指標。以評估指標為關(guān)鍵參數(shù)，建立基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有監(jiān)督特征學(xué)習(xí)模型，評估模型建立流程如圖7所示。系統(tǒng)通過海量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練和閉環(huán)反饋式自我修正，量化軌道狀態(tài)與其指標參數(shù)之間的關(guān)系，形成軌道狀態(tài)評估指標權(quán)值。

圖7 評估模型建立流程

預(yù)警模型的建立主要考慮影響軌道狀態(tài)的關(guān)鍵性因素和軌道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)。從關(guān)鍵性因素中獲取有效的預(yù)警指標，從軌道結(jié)構(gòu)當(dāng)前的運營狀態(tài)綜合分析中，剔除環(huán)境和行車影響后，若數(shù)據(jù)變化差發(fā)生較大變化，則表明軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能發(fā)生退化或軌道結(jié)構(gòu)部件發(fā)生損傷。

系統(tǒng)以設(shè)計規(guī)范值為預(yù)警基準閾值，接近預(yù)警基準值或超過基準值，給出相應(yīng)的分級預(yù)警提示，并向運營管理部門提出預(yù)期后果和應(yīng)急措施的建議。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控模塊子菜單有實時視頻、歷史圖片。該功能模塊通過訪問監(jiān)控現(xiàn)場攝像機的IP 地址，獲取實時視頻流。通過網(wǎng)頁云臺控制攝像頭角度、焦距等，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬變化，設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)速率，優(yōu)先上傳關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過設(shè)置預(yù)置位巡檢，對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)進行抓拍，并上傳至服務(wù)器進行圖像識別、分析。

4.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理模塊子菜單有實時波形、歷史趨勢、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)下載。該功能模塊基于傳感器采集數(shù)據(jù)和圖像識別處理的結(jié)果數(shù)據(jù)，在后臺進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除噪點和異常值，以圖表的方式進行實時波形和歷史趨勢可視化查詢和展示；對于圖像數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)等，按照制定的相應(yīng)數(shù)據(jù)模板進行導(dǎo)入，可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的查詢，及相應(yīng)圖表的下載和打印。

4.3 數(shù)據(jù)報表

數(shù)據(jù)報表模塊子菜單有日報、周報、月報、季報、年報。該功能模塊通過統(tǒng)計各監(jiān)測項不同時間跨度的最值生成報表，并提供給工務(wù)管理部門，其中，日報、周報按照預(yù)設(shè)的報表模板，在網(wǎng)頁端自動生成pdf 文檔；月報、季報和年報通過后臺接口上傳至服務(wù)器；可在網(wǎng)頁端查詢并下載所有的歷史報表。

4.4 評估分析

評估分析模塊子菜單有歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)綜合分析、專家評估分析。該功能模塊通過對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，形成各關(guān)鍵參數(shù)的同比分析和環(huán)比分析，結(jié)合環(huán)境和行車等因素，研究軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)演變的規(guī)律和特征，建立軌道服役狀態(tài)評估模型?；趯＜医?jīng)驗的主觀知識和數(shù)據(jù)驅(qū)動的定性分析，通過歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練和自我修正，以軌道狀態(tài)評估指標權(quán)值為輸出結(jié)果，形成專家評估分析系統(tǒng)。

4.5 預(yù)警預(yù)報

預(yù)警預(yù)報模塊子菜單有預(yù)警設(shè)置、預(yù)警發(fā)布、預(yù)警統(tǒng)計。該功能模塊通過預(yù)警值研究，結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)范，根據(jù)超限值所占百分比，形成分級預(yù)警機制，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、測點等獲取的數(shù)據(jù)，通過短信服務(wù)自動發(fā)送預(yù)警信息。工務(wù)部門管理人員根據(jù)超限情況，判斷是否需要進行維修，并對維修后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究分析，恢復(fù)正常后解除該處預(yù)警狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用光纖光柵傳感技術(shù)和視頻監(jiān)控相結(jié)合的方式，對高速鐵路大跨度橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及主橋軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)等開展監(jiān)測，實現(xiàn)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器基本軌與尖軌伸縮位移、鋼軌與軌枕相對位移、軌枕間距，以及鋼軌溫度、橋梁梁縫、混凝土應(yīng)力等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，并自動生成報表，實現(xiàn)預(yù)警功能和評估分析。目前，已在寧安鐵路安慶長江大橋和合福高鐵銅陵長江大橋部署應(yīng)用，運行效果良好，即將在昌贛鐵路贛江特大橋開展研究應(yīng)用。系統(tǒng)為高速鐵路大跨度橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)安全運營提供了數(shù)據(jù)支撐，可作為現(xiàn)有高鐵運營安全保障體系的補充和完善。下一步將對激光測量、無人機測量等非接觸式測量技術(shù)進行深入研究，并實現(xiàn)接口規(guī)范的統(tǒng)一和多源數(shù)據(jù)的融合。