無線振動檢測技術(shù)實(shí)時(shí)檢測高速鐵路橋梁的應(yīng)用與探討

王西雷

摘 要：近年來我國客運(yùn)專線建設(shè)突飛猛進(jìn)，由于客運(yùn)專線速度高、線路長，大部分地段都以橋梁的形式通過，使得既有高速鐵路橋梁檢查工作量大幅度提高，對設(shè)備管理部門橋梁日常檢查工作帶來極大的困擾。通過應(yīng)用無線振動實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)營狀態(tài)，為高速鐵路橋梁設(shè)備維護(hù)和管理實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、規(guī)范化提供了有利條件。

關(guān)鍵詞：無線振動;實(shí)時(shí)檢測;高速鐵路橋梁

中圖分類號：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

目前，專門用于橋梁特性實(shí)時(shí)檢測的系統(tǒng)不多，現(xiàn)有的檢測分析系統(tǒng)主要用于橋梁日常檢測：一是工務(wù)段或檢測工區(qū)用便攜式檢測儀器對所管轄區(qū)段高速鐵路橋梁進(jìn)行日常檢測和普查，有些工務(wù)段因?yàn)槿肆?、設(shè)備配備等原因而無力開展這項(xiàng)工作;二是各局橋檢隊(duì)根據(jù)計(jì)劃安排對特定橋梁進(jìn)行針對性的專項(xiàng)檢測，由于橋梁數(shù)量多，檢測人員少，無法對所有橋梁或特定橋梁進(jìn)行經(jīng)常性檢測。因此需要有實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)對特定橋梁進(jìn)行不間斷性實(shí)時(shí)監(jiān)測以滿足實(shí)際需求。經(jīng)過廣泛調(diào)研發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)GPRS即通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service），對實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的搭建提供了良好的解決平臺。在其基礎(chǔ)上可進(jìn)行多種數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，按數(shù)據(jù)流量計(jì)算，運(yùn)行費(fèi)用、成本低，無須維護(hù)傳輸平臺，而且GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高和永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)。本文重點(diǎn)對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)GPRS組建以及在

蘭新客專高速鐵路橋梁實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了介紹，以供探討。

1 工作原理

遠(yuǎn)程橋梁實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)就是把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，對鐵路橋梁橫向振動、豎向振動和加速度進(jìn)行準(zhǔn)確測量可靠傳輸和智能處理，建設(shè)一個(gè)全天24小時(shí)運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)。

（1） 采用941B拾振器1檔測加速度，2、3、4檔測位移，根據(jù)通道功能要求選擇檔位，

根據(jù)不同信號經(jīng)過放大、積分、濾波處理，再經(jīng)過A/D變換得到相應(yīng)的數(shù)值。

（2）941B傳感器根據(jù)要求安裝在梁體的跨中，當(dāng)列車通過時(shí)可迅速、準(zhǔn)確測量橋梁的振動或者加速度信號數(shù)值。

（3）采集數(shù)據(jù)通過采集模塊和GPRS模塊發(fā)射到移動網(wǎng)絡(luò)。

（4）每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊都帶有一個(gè)GPRS模塊，每個(gè)模塊出廠時(shí)分配一個(gè)32位的識別編號（ID），通過該編號，數(shù)據(jù)中心可以識別接收到的數(shù)據(jù)來自哪個(gè)測點(diǎn)，并對之進(jìn)行存儲和顯示。

（5）系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要的各種參數(shù)，通過配置軟件預(yù)先設(shè)定，并存入數(shù)據(jù)庫管理。

（6）利用移動通信公司的GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)路，采用動態(tài)域名解析技術(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

2 主要適用范圍

（1）橋梁檢定部門、工務(wù)段對重特大橋梁的日常實(shí)時(shí)檢測。

（2）橋梁設(shè)備管理。使用無線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對橋梁設(shè)備進(jìn)行檢測，以便建立橋梁有關(guān)振動和加速度數(shù)據(jù)庫。

（3）對重點(diǎn)病害橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3 系統(tǒng)的組成

（1）系統(tǒng)主要由：前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。位于橋梁不同部位的傳感器將檢測到的振動或者加速度信號經(jīng)調(diào)理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。同時(shí)，各個(gè)采集子單元的主板都帶有USB接口，可以在測試現(xiàn)場對采集的數(shù)據(jù)保存到U盤中，并將數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到移動GPRS網(wǎng)絡(luò)。

（3）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)集中器和中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間需要構(gòu)建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程、廣域通信。綜合考慮建設(shè)成本、利用效率等多方面因素，遠(yuǎn)程橋梁實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)選用移動公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

在每個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中內(nèi)嵌一個(gè)GPRS DTU模塊，給每個(gè)模塊插入一張移動SIM通信卡，月通信費(fèi)5元，數(shù)據(jù)流量30M，可以滿足檢測數(shù)據(jù)上傳到中心處理系統(tǒng)的應(yīng)用需求。只要GPRS網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，采用域名解析方式，數(shù)據(jù)集中器通過訪問中心域名就可以訪問到中心路由器，并與中心通信服務(wù)器建立TCP/IP通信連接。在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)用一根可以連接到公網(wǎng)（中國聯(lián)通、中國移動或者中國電信）的網(wǎng)線連接。該計(jì)算機(jī)每次開機(jī)后會自動與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，獲得運(yùn)營商動態(tài)分配的Internet IP地址，并且打開域名解析軟件，在域名服務(wù)器上自動注冊更新后的動態(tài)IP地址。

（4）中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。監(jiān)控中心站程序其軟件包括監(jiān)測中心控制界面及初始化程序、數(shù)據(jù)包的收發(fā)程序、數(shù)據(jù)處理和保存程序。其中最重要的是監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)與 GPRS 無線通信模塊之間的通信，它是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)端口通信控件Winsock能夠方便地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口的掃描和偵聽，通過設(shè)置一個(gè)固定不被計(jì)算機(jī)占用的端口作為通信端口，然后不斷的偵聽這個(gè)端口的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)端口中有數(shù)據(jù)包接收，那么開始把數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，然后接收，并且調(diào)用相關(guān)的中斷處理程序處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要由監(jiān)控中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與應(yīng)用軟件、公共網(wǎng)絡(luò)組成。工作時(shí)，中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)的應(yīng)用軟件通過移動GPRS網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用軟件完成數(shù)據(jù)保存、顯示、分析及數(shù)據(jù)打印等工作。

4 主要技術(shù)指標(biāo)和測試數(shù)據(jù)分析

該系統(tǒng)采用的主要技術(shù)指標(biāo)有橫向振幅、豎向振幅、豎向加速度，參照《高速鐵路橋梁運(yùn)營性能檢定規(guī)定》，普客通過產(chǎn)生的橫向振幅值按照普速線路《鐵路橋梁檢定規(guī)范》計(jì)算。

為了驗(yàn)證檢測數(shù)據(jù)的可靠性，無線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)完成后在振動臺上進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)使用有線檢測設(shè)備和無線檢測系統(tǒng)進(jìn)行對比測試，橫向振動值無線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)與有線檢測系統(tǒng)誤差6.6‰，豎向振動值無線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)與有線檢測系統(tǒng)誤差5.2‰，小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》有線檢測數(shù)據(jù)與無線檢測數(shù)據(jù)值不大于10%的規(guī)定，測試結(jié)果如圖2、圖3所示。

目前該系統(tǒng)已在蘭新客專烏魯木齊至吐魯番間紅燕南路立交特大橋（K3407+933橋）安裝運(yùn)行，總計(jì)安裝了12個(gè)采集單元，1個(gè)數(shù)據(jù)集中器和1個(gè)中心處理系統(tǒng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證無線振動實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)的可靠性，烏魯木齊局集團(tuán)公司工電檢測所使用有線橋梁檢測儀器對紅燕南路立交特大橋1孔至4孔梁進(jìn)行檢測，與無線振動實(shí)時(shí)檢測項(xiàng)目同步進(jìn)行，以復(fù)核檢測結(jié)果，其中主要對橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振動、豎向振動、豎向加速度三項(xiàng)指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

兩次檢測圖形、波形走勢高度一致，證明系統(tǒng)可靠性和重復(fù)性很好。經(jīng)過一段時(shí)間的現(xiàn)場檢測，無線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)功能完善，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，能夠滿足工務(wù)部門橋梁振動實(shí)時(shí)監(jiān)測需求。

5 結(jié)束語

隨著鐵路運(yùn)輸朝著高速、重載的方向不斷發(fā)展，對橋梁經(jīng)常性檢查觀測工作日益重要，需要橋梁維護(hù)人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握橋梁狀態(tài)。無線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了重特大橋的日常檢測和維護(hù)，有效的節(jié)約了人力，具有可靠性較高，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，其先進(jìn)性、實(shí)用性必將為鐵路提速重載和跨越式發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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