高速鐵路工務工程健康監(jiān)測系統(tǒng)設計方案研究

李靜文 劉健娜

摘要：高速鐵路因列車速度快、運載量大，對鐵路橋梁、隧道、路基和軌道等工務工程有著高平順、高穩(wěn)定性和高可靠性的要求。目前，對于整體線路工程中包含的橋梁、隧道、路基、軌道結構建立整套健康監(jiān)測系統(tǒng)相對較少。針對這一情況，本文依托高速鐵路工務工程中包含的橋梁、隧道、路基、軌道等結構設計出一套完整的運營健康監(jiān)測系統(tǒng)方案。

關鍵詞：高速鐵路;健康監(jiān)測;線路工程。

1 引言

我國作為全世界運營里程最長，也是高速鐵路在建規(guī)模最大的國家。目前相關部門已經開始對已建成的高速鐵路工務工程如何進行有效的結構監(jiān)測開始研究，但是現(xiàn)在的監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)都是對于單個的橋梁、隧道、路基或者軌道的某一部分進行實時監(jiān)測，而對于整體線路工程建立健康監(jiān)測系統(tǒng)相對較少。為此，本文擬結合高速鐵路工務工程的特點，設計出一套相應的監(jiān)測方案。

2 高速鐵路的主要特點

高速鐵路線路工程是典型的由不同結構物（橋梁、隧道、路基、軌道）相互串聯(lián)組成一個集成化、系統(tǒng)化的復雜系統(tǒng)。高速鐵路有以下特點：

2.1 高速列車為了保證速度快的特點，采用更多的橋梁和隧道來縮短距離。

2.2 高速列車行車速度快，密度大，對基礎設施和設備的依賴性能更強。

3 建立高速鐵路健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體目標和要求

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體目標

3.1.1 獲取橋梁、隧道、路基和軌道結構在正常環(huán)境與交通條件下運營的特征信息，評估結構的健康狀態(tài)。對于沿線整體性和關鍵部位的損傷，對結構整體做出健康狀態(tài)評估和安全性評價。

3.1.2 評價高速鐵路工務工程中橋梁、隧道和路基、軌道承受動、靜荷載的能力和可靠性，為運營管理與養(yǎng)護維修提供依據。

3.2 系統(tǒng)的總體網絡結構圖

高速鐵路健康監(jiān)測系統(tǒng)總體組成框架網絡結構圖。健康監(jiān)測系統(tǒng)包括：現(xiàn)場數(shù)據采集、數(shù)據傳輸（有線或無線）、數(shù)據處理管理、安全評估和信息顯示等。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)的模塊的集成

高速鐵路監(jiān)測子系統(tǒng)包括橋梁、隧道、路基、軌道四大子模塊如圖1所示。再通過數(shù)據傳輸系統(tǒng)將監(jiān)測信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并通過監(jiān)控中心的處理與分析對結構進行安全狀態(tài)評估、狀態(tài)評價或發(fā)布預警信息等。

3.4 數(shù)據采集系統(tǒng)通信網絡

這個數(shù)據采集系統(tǒng)通信網絡分為四個基礎采集總站如圖2，各站包括：橋梁采集總站、隧道采集總站、路基采集總站、軌道采集總站。

4 高速鐵路監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

高速鐵路健康監(jiān)測系統(tǒng)按照監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架和系統(tǒng)的物理分布情況，將軟件系統(tǒng)劃分為6功能模塊，主要分為：（1）模塊1：數(shù)據采集和傳輸系統(tǒng)（2）模塊2：數(shù)據處理系統(tǒng)（3）模塊3：數(shù)據管理系統(tǒng)（4）模塊4：結構健康評價系統(tǒng)（5）模塊5：界面顯示系統(tǒng)（6）模塊6：養(yǎng)修決策系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)界面功能設計

高速鐵路健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件主要界面功能菜單見圖6所示，可以看出整個系統(tǒng)可分為：橋梁監(jiān)測、隧道監(jiān)測、路基監(jiān)測、軌道監(jiān)測、健康評估子系統(tǒng)、數(shù)據管理、文檔管理、巡檢養(yǎng)護、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)管理等十大功能。

4.2 系統(tǒng)軟件的開發(fā)設計

高速鐵路健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據庫管理平臺，服務器采用，操作系統(tǒng)采用Windows 2003 SERVER。監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)平臺采用LabView 7.0進行設計等。軟件儲存的數(shù)據包括傳感器采集數(shù)據、報表統(tǒng)計數(shù)據、圖像等多媒體數(shù)據。界面交互顯示層采用自行開發(fā)的專門應用于高速鐵路健康監(jiān)測和數(shù)字化管養(yǎng)的客戶端系統(tǒng)，提供各種查詢和交互操作。軟件特點：（1）整個軟件系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一界面方式運行，可以對橋梁、隧道、路基、軌道各個子系統(tǒng)無縫連接的顯示;（2）實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測的功能;（3）統(tǒng)一的數(shù)據采集軟件，支持多信號采集;（4）具有遠程維護功能;（5）界面實現(xiàn)圖形化，易操作。

5 高速鐵路健康監(jiān)測系統(tǒng)設計實例

5.1 工程概況

京滬高速鐵路，線路由北京南站至上海虹橋站，全長1 318公里。線路中包含的橋梁長度1 140 km，占正線長度86.5%;隧道約長16 km，占正線長度1.2%;路基長162 km，占正線長度12.3%;本文選取位于濟南段路中的跨濟兗公路特大橋和西渴馬一號隧道全長2.812km以及濟南西客運站（車站路基及軌道）構成的一段高路鐵路線路，根據其結構特點建立一個自動建立一個監(jiān)測系統(tǒng)。測區(qū)間段屬于京滬高速鐵路的第三標段DIK412+0.62.27-DK667+0.2673正線全長，地處山東省濟南市位于黃河以南沖積平原、丘陵及丘間平原，全線最重要的路基工點類型有軟土和松軟土地路基。

5.2 系統(tǒng)軟件的主要界面實現(xiàn)

高速鐵路健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要界面有登錄界面、系統(tǒng)主界面以及軟件的幾種主要功能實現(xiàn)界面。

5.2.1 登錄界面

健康監(jiān)測系統(tǒng)登錄是在登錄主界面輸入用戶名和密碼確認后即可進入監(jiān)測系統(tǒng)進行查詢。登錄的界面。

5.2.2 系統(tǒng)功能界面

登錄系統(tǒng)后進入主界面，如圖7所示，主界面采用分區(qū)布置，各區(qū)具體功能有：網絡狀態(tài)、用戶管理、系統(tǒng)維護、巡檢養(yǎng)護、輔助功能、橋梁監(jiān)測、路基監(jiān)測、隧道監(jiān)測、軌道監(jiān)測、結構診斷等。

以橋梁的監(jiān)測分析為例介紹。下面把撓度的查詢過程為例進行演示。首先通過界面上橋梁模塊中的動態(tài)響應選擇撓度，如圖2所示。再選擇撓度波形查詢條件窗口對于要查詢的具體時間段進行選擇。最后彈出撓度波形圖窗口，其中顯示了撓度波形圖同時還記錄了行車的車次、起始時間和當時的環(huán)境情況。

6 結語

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，為了保障高速鐵路的運行安全，預防和避免工務設備基礎設施事故發(fā)生，需要建立高速鐵路健康監(jiān)測系統(tǒng)將四大基礎設備聯(lián)系起來總體的監(jiān)測與檢測，其中包括橋梁、隧道、路基、軌道狀態(tài)的檢測與監(jiān)測，并利用數(shù)據集成平臺形成數(shù)據的集中管理、共享和綜合分析，為工務管理部門和作業(yè)維修部門提供安全監(jiān)測與管理信息服務，以保證高速列車的運行安全。

參考文獻：

[1] 杜彥良， 張玉芝.趙維剛.高速鐵路線路工程安全監(jiān)測系統(tǒng)構建[J].土木工程學報， 2012.

[2] 杜彥良， 蘇木標， 王慶敏.武漢長江大橋長期健康監(jiān)測和安全評估系統(tǒng)研究[J].鐵道學報，2015 （4） ：101-110.