CN103175475B - 护坡监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种护坡监测系统，包括：护坡信息采集系统；护坡信息分析系统；和报警系统，在所述护坡信息分析系统确定发生护坡结构裂缝和/或达到危险程度的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。

Description

护坡监测系统

技术领域

本发明涉及铁路运行安全监测领域，具体地涉及监测铁路轨道安全方面。更具体地，本发明涉及监测铁路轨道至少一侧的护坡的状况。

背景技术

目前，铁路系统正处在迅速建设和发展的时期，随着高速铁路网规模迅速扩大，技术装备水平也快速提升，速度提升及运力加大。同时，也必须意识到，铁路运输安全也面临更多的挑战和考验。铁路周边环境更加复杂，自然气候环境变化频繁，灾害天气增加，对铁路运输安全尤其是高铁运行安全带来影响。

出于全面防护的考虑，技术人员研发出各种新技术，例如车载化探测装置、高速摄像技术、 GPS红外线探测技术、微波无线探测等，广泛应用于定位和监测，为铁路安全允许提供了有效的防护和监测手段。但是，各种单独的技术都有其局限性，分别会受环境，人文，设备等因素的限制，没有一种方法能完全解决铁路特别是高铁沿线的安全防护问题，而是需要靠各种手段的互补。

实践中，铁路轨道常常需要穿过山丘或者山谷，从而一侧或者两侧存在着仰坡，也就是沟堑式的构造。另外，也存在铁路路基高出周围地面，从而在其两侧或者一侧存在俯坡的情况。由于地质原因或者施工的原因，仰坡可能会存在滑落杂物的情况；以及路基松动，导致俯坡损坏的情况。由此，一般在侧坡上设置护坡结构，其可以由水泥修砌构筑，且可设置固定锚桩。然而，随着水土流失、地质变化或者地震等因素，侧坡上的护坡结构也会产生裂缝。这意味着护坡可能会损毁，从而对铁路的运行安全，特别是高速运行的列车会构成严重的威胁。为此，需要设置一定的措施来监测护坡结构的情况。

目前，对护坡的监测多采取人工方式（例如定期巡查）进行。并且，现有的可能非人工检测方式也都存在一定的缺陷，比如系统造价高、器件不耐用、金属器件易于腐蚀损坏和存在失窃隐患等。

与此相应地，近来光纤器件的快速发展和广泛运用，特别是先进的光纤光栅传感技术，为远程监测提供了可行性和便利性、以及经济性。其中，光纤光栅传感器具有体积小、精度高、寿命长、高可靠性，与传输光纤兼容等优点，且易埋入到待测物体内部。

然而，目前国内外上还没有采用光纤光栅传感网络来监控铁路护坡结构的状态的案例。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种克服现有技术不足并且符合经济高效需求的用于监测铁路护坡的技术。

根据本发明的一个方面，提供一种护坡信息采集系统，用于收集与铁路轨道至少一侧的护坡结构有关的信息，该护坡信息采集系统包括：光纤光栅位移传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和光纤光栅解调仪，其中所述光纤光栅解调仪与所说光纤光栅位移传感器或由其构成的阵列通过光纤光缆相连接；其中，所述传感器个体或阵列设置在铁路至少一侧的护坡结构内，当护坡结构产生裂缝时，所述传感器个体或者阵列能够感测到裂缝所造成的位移，并转换成感测信号返回给所述光纤光栅解调仪。

其中所述光纤光栅位移传感器设置在：位于所述护坡结构的表面，用于感测跨越裂缝两端的连接线的位移。

其中所述光纤光栅解调仪对从所述光纤光栅传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号。

根据本发明的另一个方面，提供一种护坡信息分析系统，包括：

信号接收装置，用于接收来自根据权利要求1所述的护坡信息采集系统的信号，处理器单元，通过分析来确定：

1）每个激光波长信号涉及哪个光纤光栅传感器；

2）所涉激光的波长的变化以及对应的所代表的裂缝水平；

3）所述护坡是否有裂缝，以及裂缝是否达到危险程度。

其中所述系统包括存储装置，其中预先存储：光纤光栅传感器与特征波长之间的对应关系；波长变化和光纤光栅传感器所测的裂缝之间关系；裂缝与发生护坡溃塌危险之间对应关系。

其中处理器单元，还包括用于：确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了护坡溃塌和/或哪条光纤光缆损毁。

其中处理器单元，还包括用于确定：相对于时间，裂缝的扩大速度是否大于预定的阈值。

其中处理器单元，还包括进一步用于：综合多个传感器的信息，确定局部区域是否存在护坡裂缝扩大的趋势或者垮塌威胁。

根据本发明的另一个方面，提供一种护坡监测系统，包括：

根据如前所述的护坡信息采集分系统；

根据如前所述的护坡信息分析分系统；

报警系统，在所述护坡信息分析系统确定发生护坡裂缝和/或达到危险程度的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。

其中，所述护坡信息分析系统可以综合多个所述护坡信息采集系统所收集的信息，确定道路沿线的多个监测位置的护坡情况。

本发明的优点在于，采用光纤光栅传感器，可以实现结构简单、适应性强、稳定性好的的监测系统，尤其是在铁路无人区、无电区以及恶劣的环境下可长期稳定工作。

附图说明

图1A为仰坡护坡的示意图；

图1B为俯坡护坡的示意图；

图2为根据本发明的护坡监测系统的示意图，其中包括了护坡信息采集分系统、护坡信息分析分系统和报警分系统；

图3为根据本发明的护坡信息采集分系统的示意图；

图4为根据本发明的防护网信息分析系统的逻辑过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、结构和优点更加清楚，下面结合附图对本发明进一步地进行详细描述。

其中，文中的术语“边坡”包括“仰坡”和“俯坡”的情况。“仰坡”即铁路轨道低于两侧的山坡和护坡的情况，而“俯坡”为铁路高于周围的护坡的情况。

在参照图1A、1B所示的铁路轨道一侧或两侧有仰坡或俯坡的区域，常常需要设立护坡结构，这是为了防止护坡垮塌从而掩埋了或者侵占铁路轨道。为监测护坡结构的安全性，需设置一定监测结构。根据本发明，在护坡上设置光纤光栅传感器阵列，所述传感器阵列能够监测护坡上是否有裂缝，以及裂缝的趋势和是否达到危险的程度。由此，构建护坡监测系统，可以实现远程实时地监测。

护坡监测系统应具有三个基本功能：对护坡裂缝进行检测，当裂缝超出规定范畴的时候能够自动识别，在确定后能够采取有效的手段进行报警。为了满足以上各项要求，如图2所示，根据本发明的护坡监测系统至少应由三个分系统构成：信息采集分系统；信号分析分系统；报警分系统。另外，由于设施对于设备可靠性要求较高，系统须具备自我诊断功能，当设备信息采集通路受损的时候，设备能给出相应的报警信号通知工作人员维护。

其中，所示信息采集分系统的主要工作是采集现场护坡信息并且转化成数据，以及通过网络等传输手段发送给信号分析分系统；信号分析分系统的主要工作是按照相应算法分析从信息采集分系统传送来的数据，以及结合时间变量来判断护坡的裂缝变化趋势，并发出相应等级的报警信号到报警分系统；报警分系统主要任务是接收信号分析分系统发送的报警信号后能够发出光、声、电等报警手段来告知各级工作人员相应的报警信息。下面分别描述各个分系统。

信息采集分系统

根据本发明，所述的光纤光栅传感器一般设置在护坡上的水泥固定锚桩上。在本发明中，优选地采用拉线式光纤光栅位移传感器。但是，也不排除使用其他类型的传感器。拉线式光纤光栅位移传感器一般主要由传感器、支架、拉线及接头、卡夹固定辅助件等几部分组成。在本发明中，也应该包括这样的类似具体结构，但本文多处仅以“传感器”简称之，而不再详细描述其具体组成结构。

根据本发明，所述拉线式光纤光栅位移传感器的工作原理是：

每个光纤光栅传感器从激光源（比如解调仪）接收激光，并反射回特定波长的激光。对于光纤光栅位移传感器，在位移的影响下，由其反射回的激光波长会发生偏移。对于每个光纤光栅传感器，其反射的特征波长λ在1510-1590nm之间。波长偏移的量△λ与位移S之间存在既定的关系，该关系式可以表示为：

△λ_i=k*S_i （1）

其中K为预定的系数，为一个经验值或试验测定值。

这样，通过光纤光栅反射光的中心波长相对变化量来检测拉线固定端的相对位移量。光纤光栅位移传感器具有准分布式组网(几十到几百点)、测量分辨率高(0.01%FS)、测量范围宽(300μm～20mm)、工作温度范围宽、不受电磁干扰、耐腐蚀、抗冲击振动、抗疲劳、使用寿命长等优点，可以广泛应用于对各种裂缝、各种结构两点间的相对位移变化监测，可用于岩土工程的变形、位置相对移动的测量，也可用于病害工程的裂缝监测。

如图3所示，所述信息采集分系统主要包括：传感器分布式阵列，光纤光缆和光纤光栅解调仪。

其中，所示传感器分布式阵列包括多个光纤光栅传感器，特例是仅仅包括一个该传感器。所述的光纤光栅传感器阵列可以是串联连接，或者并联连接，也可以并联和串联相结合的方式，从而构成一定的拓扑网络。例如，每个被检测对象上可以设置一个传感器，也可以设置几个传感器，并且多个被测对象上的传感器经过一定的方式连接。具体地，所述光纤光栅传感器阵列可以连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上。其中，由所述光纤光栅解调仪向光纤光栅传感器通过光纤光缆发送激光信号。一般地，解调仪发送预定的一束激光，包括多个预定波长的激光。按照预定设置，正常状态下每个的光纤光栅传感器反射特定波长的激光，而在被测位移的作用下光纤光栅传感器反射的激光的波长发生了偏移或者是消失。所述解调仪通过比较反射回到解调仪的激光的波长变化来观测各个传感器的外部环境对其所产生的影响。

其中，所述光纤光栅解调仪包括：激光发射装置，用于生成激光束，和激光输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤光缆中，所述传输光纤与光纤光栅传感器相连接，以传递激光。另外，所述光纤光栅解调仪包括激光解调装置，用于解调被反射的激光信号。另外，所述光纤光栅解调仪包括还包括另外的数据输出端口，用于向数据平台，比如服务器传输采集的数据信息。

其中，所述光纤光栅解调仪与光纤光栅传感器阵列相对匹配地设置在某一局部待测环境中，所述解调仪设置在较为安全稳定的位置。以及，所述光纤光栅解调仪可以由外部电源来供电，或者是在外部电源掉电的情况下可由其自带的电源来供电。

通过本发明的信息采集系统，可以收集得到关于某位置或者某局部区域例如某乘务段发生的信息。其中，如果得到某传感器反射的激光的波长发生偏移且持续一定的时间段，这意味着该传感器的位置（比如护坡上）出现了一定的裂缝；如果波长偏移速度较快，说明裂缝在迅速扩大；如果反射激光的波长达到某个预定值，说明裂缝达到了预定的宽度；以及如果应该由该传感器反射的激光消失，则说明很可能是损毁了该位置的传感器。这就需要利用信息分析系统来分析上述信息采集系统所收集的信号，从而得出一定的结论。

信息分析分系统

根据本发明的原理，需要设置信息分析系统来分析从上述信息采集分系统收集得到的信息。优选地是，一个信息分析分系统可以分析来自众多个信息采集分系统的信息。其中，信息分析分系统可以通过有线方式比如光缆与信息采集系统连接。可替换地是，也可以通过无线方式发送和传递信息，这可以借助于卫星网络来实现。

其中，所述信息分析分系统可以具体地实现为计算机服务器，如图2所示，其包括或者连接相应的数据库。根据本发明，所述信息分析分系统，包括处理器，作为数据处理和逻辑判断单元，用于对解调仪发送的与传感器波长变化有关的信息进行分析和判断，如图所示，应该包括以下步骤：

步骤101：所涉波长确定是属于哪个光纤光栅传感器的信息。

鉴于光纤光栅传感器波长偏移的量与每个所述传感器的特征波长相比较而言为很小的值，一般仅为一个或少数几个纳米的量，且变化后的波长一般与相邻波段的传感器特征波长也能够很好的区分。这样，确定了特征波长信息后就可以确定是对应哪个光纤光栅传感器的信息。并且，在确定传感器后就又可以确定对应于那个位置，如表1所示。

其中，每个光栅光纤传感器对应的特征波长λ及其可变范围预先存储在服务器中，或者根据预先确定的量来计算得出。

表1

反射波长	原始波长	对应传感器	对应偏移	对应位置
					λ1'	λ1	S1	△λ1	P1
λ2'	λ2	S2	△λ2	P2
					λ3'	λ3	S3	△λ3	P3
λ4'	λ4	S4	△λ4	P4
					…	…	…	…

步骤102：确定所涉传感器的波长偏移及所表示的位移水平。

根据前文所述，传感器所感测到的位移与传感器的波长偏移相对应，反过来也就可以通过监测波长偏移的量来确定传感器位置处是否发生相当的待测位移。参见如下的示例表格2

表2

对应偏移	位移水平
		△λ1	S1
△λ2	S2
		△λ3	S3
△λ4	S4
		…	…

通过如上所述的查找表2或者上述的公式（1），可以计算得出每个反射波长所代表的对应传感器所在位置处的位移水平。

步骤103：确定护坡结构上发生的情况以及严重程度。

其中，位移水平与护坡结构溃塌危险之间的对应情况根据经验或者实验测定来估计，对每个传感器而言，其对应关系反映在表3之中。这种对应关系不是固定的，而是人为设定的结果，所以也可以根据具体情况适当变动。

表3

位移水平	护坡裂缝情况
		S1	情况1
S2	情况2
		S3	情况3
S4	情况4
		…	…

其中，表1、2和3可以是一个整体的查找表的局部，或者三个分开的查找表。其中，还需要判断应该出现的波长信号却消失的情况：

如果传输给服务器的传感器信号中不包括或者中断对应某个光纤光栅传感器的信号，则意味着发生了某种严重情况，比如安装传感器的护坡结构被毁。这需要马上进行安全处理。如果是由一条分光缆连接的传感器的信号消失，则很可能是该条光缆被损毁。根据高度可能性的判断标准，服务器可将其归纳为“突发严重灾害情形”或“光缆损毁”等。判断的逻辑规则，可以由操作人员来具体设定，或进行修改。

另外，进一步地，当参照时间，确定波长偏移的变化速度较大时，优选是大于预定的门限值时，可以确定裂缝处于快速扩大中。也就是，护坡处于垮塌的相当危险中。

其中，在本发明中，对于每个传感器而言，根据上述判断过程，确定了存在裂缝、裂缝处于扩大中、裂缝达到危险状态等情况后，信息分析分系统可以以此为基础，进一步地，根据预定逻辑规则结合多个传感器的情况确定该局部区域的护坡出现了何种情况。比如，某局部护坡上的几个传感器都得到裂缝扩大的信息，则该护坡可能处于垮塌的较大威胁。由此，可以向报警系统发出相应的报警信号。

报警分系统

信息分析分系统，也就是图2中所示的服务器部分，在经过分析得到灾害发生或者危害程度的信息后，将此信息以某种媒介的形式发送给有关的人员，比如区域负责铁路安全的人员、维修人员，和上级决策者。

其中，由负责安全监控的人员，根据监测的情况，可以通过有线或者无线的方式，比如电话、短信、广播、警示灯，向有关人员进行示警或通告。

作为进一步的例子，本发明适合用来通过自动报警功能来进行自动监控和报警，因为一个服务器可以用来监控众多的传感器和大面积的区域，并且也可以实现报警的即时性。

这样，包括上述各个组成部分的铁路轨道护坡监测系统相对于现有的方式具有突出的优点，即准确、安全、即时和低成本等方面。该系统也可以与其他和铁路轨道有关的监测系统相兼容或并行，以实现综合性的功能。本发明以铁路护坡为例描述，实际上也适用于公路的护坡的情况。

本发明的功能特征不限于前面给出的那些例子，这样可以设想本发明精神内的任意种类的功能。尽管已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但并非为了将本发明限制为这里所阐述的具体例子。相反，本发明的范围仅受限于所述权利要求。

Claims (13)

1.一种护坡监测系统，包括护坡信息采集系统和护坡信息分析系统，所述护坡信息采集系统用于收集与铁路轨道至少一侧的护坡结构有关的信息，该护坡信息采集系统包括：

光纤光栅位移传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和

光纤光栅解调仪，其中所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅位移传感器或由其构成的阵列通过光纤光缆相连接；

其中，所述传感器个体或阵列设置在铁路至少一侧的护坡结构内，当护坡结构产生裂缝时，所述传感器个体或者阵列能够感测到裂缝所造成的位移，并转换成感测信号返回给所述光纤光栅解调仪，

所述护坡信息分析系统，包括：

信号接收装置，用于接收来自所述护坡信息采集系统的信息；

存储装置，其中预先存储：

光纤光栅位移传感器与特征波长之间的对应关系；

波长变化和光纤光栅位移传感器所测的裂缝之间关系；

裂缝与发生护坡溃塌危险之间对应关系，以及

处理器单元，设置成通过分析来自所述护坡信息采集系统的信息来确定：

1）每个激光波长信号涉及哪个光纤光栅位移传感器；

2）所涉激光的波长的变化以及对应的所代表的裂缝水平；

3）所述护坡是否有裂缝，以及裂缝是否达到危险程度。

2.根据权利要求1所述的护坡监测系统，其中所述光纤光栅位移传感器为拉线式光纤光栅位移传感器，并能够感测到连接线两端的位移变化。

3.根据权利要求1所述的护坡监测系统，其中所述光纤光栅解调仪包括激光发射装置，用于生成激光，和输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤中，所述传输光纤与光纤光栅位移传感器相连接，激光经光纤光栅位移传感器反射后返回到所述光纤光栅解调仪，

其中，激光在光纤光栅位移传感器内反射时，若受到外部的作用，反射的激光的波长会发生变化，且所述变化与外部作用之间具有预定的相关性。

4.根据权利要求2所述的护坡监测系统，其中所述光纤光栅位移传感器设置在：

位于所述护坡结构的表面，用于感测跨越裂缝两端的连接线的位移。

5.根据权利要求1所述的护坡监测系统，所述光纤光栅位移传感器阵列连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上。

6.根据权利要求1所述的护坡监测系统，其中所述光纤光栅解调仪对从所述光纤光栅位移传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号。

7.根据权利要求1所述的护坡监测系统，其中处理器单元，还设置成用于：

确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及

根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了护坡溃塌和/或哪条光纤光缆损毁。

8.根据权利要求1所述的护坡监测系统，其中处理器单元，设置成还用于确定：

相对于时间，裂缝的扩大速度是否大于预定的阈值。

9.根据权利要求1所述的护坡监测系统，其中处理器单元，还进一步用于：

综合多个传感器的信息，确定局部区域是否存在护坡裂缝扩大的趋势或者垮塌威胁。

10.根据权利要求1所述的护坡监测系统，其中该护坡监测系统进一步包括：

报警系统，在所述护坡信息分析系统确定发生护坡裂缝和/或达到危险程度的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。

11.根据权利要求10所述的护坡监测系统，特征在于，所述护坡信息采集系统与所述护坡信息分析系统通过有线或者无线方式远距离连接。

12.根据权利要求10或11所述的护坡监测系统，特征在于，包括一个或多个所述护坡信息采集系统，以及

所述一个或多个所述护坡信息采集系统向一个或多个所述护坡信息分析系统提供收集的信息。

13.根据权利要求10所述的护坡监测系统，特征在于，所述护坡信息分析系统综合多个所述护坡信息采集系统所收集的信息，确定轨道沿线的多个监测位置的护坡情况。