轨道变形监测系统设计与应用

时佳斌 柴雪松 王智超 刘艳芬 冯毅杰 凌烈鹏 暴学志

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中铁科学技术开发有限公司，北京 100081

受复杂气候与地质环境、自然灾害等影响，铁路轨道结构会出现上拱、横向位移等结构变形［1］，影响轨道结构稳定性与耐久性，严重时威胁铁路运营安全。

国内高校和科研院所相继开展了轨道在线监测技术研究。毕澜潇等［2］通过对双块式无砟轨道温度场进行有限元模拟和实测，提出了双块式无砟轨道温度场监测方法。闵永智［3］利用图像技术进行了路基沉降监测。王玉泽等［4］分析了采用电阻应变片式、振弦式、电涡流等手段开展轨道综合监测的应用实例。梅琴［5］选取温度传感器、振弦式位移传感器、振弦式应变传感器在郑徐高速铁路跨京杭大运河徐州特大桥的CRTSⅢ型板式无砟轨道结构开展服役状态监测，分析了CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的温度场、受力及变形。

上述技术手段的前提在于找到固定不动的基准点，采用不同技术获取轨道相对于基准点的位移，进而得到线形变化等数据。对于地质灾害引起的轨道变形，由于线路随同下部基础一起移动，在轨道变形监测时无法找到明确的测量基准点，因此既有监测技术不再适用［6-8］。

为满足铁路运营安全需求，采用分布式光纤传感技术，结合弦测装置及测量方法，设计轨道变形监测系统，通过对实时采集光纤应变数据进行处理，得到按弦长计算的结构变形数据，以实现轨道结构变形的在线监测，为轨道状态在线监测提技术支撑。

1 系统硬件设计

轨道变形监测系统由传感光纤、弦测装置、光纤解调仪与处理计算机组成，如图1所示。弦测装置在轨道上连续安装，内部连续布设传感光纤，传感光纤被划分为应变测量段和温度测量段。传感光纤作为传感元件接入光纤解调仪，并将采集到的频率、应变、温度等测量信息输出至处理计算机。处理计算机从光纤解调仪接收测量信息，对测量信息进行解算处理，并将解算处理结果通过网络上传。

图1 系统组成

弦测装置由刚性横梁、光纤锚固件、连接件、连接线、转向装置、紧固件组成。刚性横梁一端锚固在轨道上，另一端以横向限位方式与轨道相连，可以相对轨道转动和纵向滑动。传感光纤设置在刚性横梁内部并沿纵向连续布设。如图2所示，在轨道板边缘并排安装两组弦测装置，两组弦测装置中点交错设置。

图2 光纤弦测装置部署示意

2 系统软件设计

2.1 软件架构

轨道变形监测系统的软件由参数设置模块、数据采集与处理模块、数据展示模块三部分组成。参数设置模块包括硬件参数设置与光纤参数设置功能；数据采集与处理模块包括温度采集、应变采集、位移计算等功能；数据展示模块包括曲线操作、测量结果展示。

2.2 处理流程

轨道变形监测流程见图3。首先进行初始化，对光纤解调仪的采集模式、采样频率、脉冲宽度进行配置，同时设置传感光纤的光纤温度系数、光纤中心频率等参数。初始化成功后实时采集基线与应变数据，对应变数据进行温度补偿。最终通过相关算法将温度补偿后的数据转换为位移数据，实现轨道变形在线监测，发生轨道变形时及时报警。

图3 轨道变形监测流程

2.3 位移计算方法

位移计算是软件的主要输出内容，过程如下。

1）通过光纤解调仪及处理计算机连续检测传感光纤的实时信号，采集并储存传感光纤各段初始状态信息。

2）过渡段光纤信号反映环境温度的变化，须计算得到消除温度影响后光纤信号变化量Δs，计算式为

式中：s1为过渡段光纤信号；s2为测量段光纤信号。

3）根据光纤信号与应变的线性关系，解算出测量段光纤应变变化量Δε，计算式为

式中：Cε为光纤应变影响系数，由其自身性质决定。

4）由光纤应变变化量Δε计算得到弦长范围内的结构变形x，即弦测的正矢，计算式为

式中：k为光纤应变变化量与拉伸变形的比例系数。5）计算输出所需弦长弦测值Xi，计算式为

式中：n为大小弦长之比；x为小波长弦测值；i为弦序号。

2.4 报警上传

计算得到轨道变形数据后，对其是否超限进行判断，若超限则形成报警报文上传到报警管理系统。报警报文格式见表1。

表1 报警报文格式

3 现场应用

轨道变形监测系统于2020年10月8日在某地质灾害段现场投入应用，软件界面见图4。

图4 软件界面

在该线路里程K1759+008—K1759+208（隧道口）、K1759+548—K1759+808（隧道中部）区段铺设分布式光纤，其中选取监测现场轨道无变形的点整理了2020年11月01日至2021年10月31日整年度的监测数据。监测现场的主要变化工况包括列车通过时引起的振动和环境温度的变化。

3.1 列车振动对系统监测结果的影响

选取一天当中列车通过时段（27次）和无车时段（27次）的监测数据进行统计，结果见图5。可以看出，有无列车通过时监测数据基本一致，说明本系统的处理算法可以消除列车振动的影响。

图5 有无列车通过时轨道变形监测数据对比

3.2 环境温度对系统监测结果的影响

3.2.1 温度随时间变化

监测时段内环境温度及监测数据随时间的变化曲线见图6。可以看出：监测区段全年最低、最高温度分别发生在2021年1月11日、2021年8月3日，最大温度差约12℃；监测数据在-2.0～2.5 mm波动，说明本系统的温度补偿算法可以有效消除温度影响，对监测结果影响很小。

图6 环境温度及监测数据随时间的变化曲线

3.2.2 温度沿里程的变化

最低温度日（2021年1月11日）环境温度及监测数据沿线路里程的变化曲线见图7。可以看出：隧道口温度低于隧道中间；轨道变形在-2～2 mm波动，从空间上进一步说明本系统可以有效消除温度影响。

图7 最低温度时环境温度及监测数据沿里程的变化曲线

综上，本系统可以适应温度变化和列车振动的影响，检测精度满足设计要求（-3～3 mm）。

3.3 系统应用

2021年5月31日，系统发生报警，轨道变形沿里程的变化曲线见图8。可以看出：轨道变形集中发生在K1759+130—K1759+160以及K1759+580—K1759+620区段，10 m弦轨道最大位移约19.6 mm。经人工现场检查，确认线路发生严重变形，与监测数据一致。由于报警及时，这次由山体滑坡引起的轨道结构变形没有导致严重后果，保障了铁路行车安全。

图8 系统报警时轨道变形沿里程的变化曲线

4 结语

本文提出的轨道变形监测系统，以分布式光纤传感技术为基础，结合弦测装置及测量方法，解决了既有技术面临线路变形监测无测量基准的技术困难。经现场应用，系统可以及时、准确地对轨道结构变形进行监测及报警，为轨道变形在线监测提供了技术支持，对保障铁路运输安全有重要意义。