基于传感器技术的高铁路基沉降监测系统

栗一鸣 陈传虎

摘  要：近年来随着我国经济的发展，高速铁路的建设和发展突飞猛进，目前我国高铁运营里程已达世界第一。然而，在高铁发展的同时，其安全性是一个不容忽视的关键问题。速度在200km/h以上的高速铁路在路基、轨道、桥梁上的列车作用力远远大于既有普速铁路，由于路基的沉降变化引起的行车不平稳会严重影响旅客的乘车舒适度甚至危及行车安全，造成列车脱轨等重大铁路交通事故。因此，高速铁路的建设对路基的施工和监测提出了严苛的要求。根据既有高铁路基沉降监测方法的缺陷，确定路基沉降的因素及表现，提出了利用车辆转向架和传感器技术，利用GSM-R高铁无线通信系统，形成一套完整的监测系统，行车过程中对线路轨道的位移或形变进行粗略的监测，进而确定路基的变化。分析结果表明，该系统适用于路基沉降较明显的路段，需同既有线路所使用的监测装置配合使用。

关键词：路基沉降  传感器技术  GSM-R  无线通信

中图分类号：U213.157           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（c）-0026-03

Abstract： With the development of China's economy in recent years， the construction and development of high-speed railways have advanced by leaps and bounds. At present， China's high-speed rail operation mileage has reached the world's first. However， while the development of high-speed rail， its safety is a key issue that cannot be ignored. The high-speed railway with a speed of more than 200km / h has a greater force on the subgrade， track and bridge than the existing ordinary speed railway. The unstable driving caused by the subsidence change of the subgrade will seriously affect the passenger's riding comfort and even endanger driving safety， causing major railway traffic accidents such as train derailment. Therefore， the construction of high-speed railways imposes strict requirements on the construction and monitoring of subgrades. According to the defects of the existing high-speed railway foundation settlement monitoring method， the factors and performance of the roadbed settlement were determined， and the use of vehicle bogies and sensor technology and the GSM-R high-speed railway wireless communication system were proposed to form a complete monitoring system. The displacement or deformation of the line track is roughly monitored to determine the change of the roadbed. The analysis results show that the system is suitable for road sections with obvious roadbed settlement， and needs to be used in conjunction with the monitoring devices used on the existing lines.

Key Words： Roadbed settlement;Sensor technology;GSM-R;Wireless communication

高速鐵路由于路基的沉降变化引起的行车不平稳会严重影响旅客的乘车舒适度甚至危及行车安全，造成列车脱轨等重大铁路交通事故。目前我国既有高铁线路和新建高铁线路大多采用固定监测技术，在轨旁，路基基底，断面上以一定距离间隔设置水平监测仪，通过监测仪的数据来分析计算路基的沉降情况，该方案提供数据准确并且可以建立一个完整的监测网络体系框架。但其高昂的建设成本和复杂的施工是其不可忽视的弊端，目前现有的监测系统存在的问题主要有：（1）监测项目多。（2）受人为因素制约。（3）设备安装和检查复杂。如何发展一种新型高铁路基沉降自动监测系统使其既有可靠又经济，是一个公认的难题。本设计利用传感器和GSM-R高速铁路无线通信设备，能够较为简便地对路基沉降作出监测。

1  系统整体设计

该项目整体设计分为前端传感器和GSM-R高铁无线通信两大部分，系统的整体设计如图1所示。前端传感器的主要功能是收集线路轨道变化的参数，对由自然条件发生改变而产生的路基沉降所带来的轨道形变及时作出感知。传感器感受后经过信号调理转换电路将信号传递给机车车载设备，由车载计算机分析处理后记录。信号收集处理后则通过我国目前普遍使用的GSM-R高速铁路无线通讯设备，将信息及时发送至地面调度指挥中心，由相关人员进行调控、记录、上报。

2  传感器技术的设计

传感器是实现自动化智能化的路基监测的基础，利用传感器技术的监测技术具有精确、快速等特点，并能够有效地避免人为因素造成的误差，提高检测效率，同样的，监测设备的小型化、轻型化、智能化也是它的优点之一。压力传感器是该项目的核心元件，压力传感器是一种能够感受到压力信号，并按照一定规律将压力信号转换成电信号或者其他信号输出的器件[2]。通过对动态应力的检测从而了解轨面的变化，传感器里能直接感受压力变化的元件称为敏感元件，能够将敏感元件所感知的压力变换信号转变成易于测量和记录的电信号的元件，称为转换元件。此外，压力传感器还便于与其他传感器或仪表构成检测系统，还可以与计算机相连，构成控制系统。工作流程如图2所示。

3  GSM-R无线通信设计

GSM-R技术是一种应用于铁路通信系统中的先进技术，其开发之初旨在为铁路的建设、管理和运营提供通信调度和指挥，此外，在上述功能的基础上添加了优先级和广播呼叫功能，从而使得铁路通信系统不仅能够在语音通信领域，同时在信息数据传输、处理能力等方面都得到了较大幅度提升，从而使得铁路运营调度更加方便、安全[4]。通过合理化应用GSM-R列车调度系统，不仅能够显示列车运行所经过的各个点，而且还能将沿途存在路基沉降的位置坐标实时显示出来，借助此系统便能够辅助调度中心，使其可以借助网络技术，及时发出相关指令。

GSM-R系统包括网络子系统（NSS），基站子系统（BSS）、运行与管理子系统（OSS）三大部分。结构如图3所示。

3.1 网络子系统（NSS）

网络子系统（NSS）是依托移动交换中心而建立起来的，其与基站之间的连接借助于各种数据接口，能够传输各种数据和语音呼叫，是承担着数据和通信管理的重要组成部分[4]。

3.2 基站子系统（BSS）

基站子系统（BSS）是移动通信系统中与无线蜂窝网络关系最直接的基本组成部分。在整个移动网络中基站主要起中继作用。基站与基站之间采用无线信道连接，負责无线发送、接收和无线资源管理。而主基站与移动交换中心（MSC）之间常采用有线信道连接，实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信连接[5]。

3.3 运行与管理子系统（OSS）

它的作用分为以下几点，对交换网，智能网，GPRS系统和基站等设备进行网络化管理，对用户识别卡进行管理，计费，结算，客服等[3]。

4  结语

基于传感器技术的高铁路基检测系统能够在现有的路基沉降检测系统上，在列车移动中对轨道和路基实施动态的检测，一定程度上节约了时间、人力、物力等成本，同时又使对于路基的检测更加完善和系统。但同样，这样的检测也存在诸多问题，比如暂时无法克服来自风力、压力等非路基沉降带来的可能使列车运行产生震动的因素，这些因素可能会使传感器的检测结果产生差异，为此，不断的完善自身系统的可靠性以及如何克服这些因素成了接下来的研究方向，我相信，经过不断的努力，高铁安全运行会成为常态。

参考文献

[1] 郭帅杰，宋绪国.新建铁路对既有高铁附加沉降影响的分析方法研究[J].铁道标准设计，2020，64（2）：1-5，14.

[2] 蒲晓鹏.GSM-R在柳敦铁路的应用[D].兰州：兰州交通大学，2016.

[3] 魏同刚.浅析GSM-R技术在我国铁路移动通信中的发展[J].通讯世界，2017（24）：85-86.

[4] 黎奇，白征东，陈波波，等.GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统[J].测绘学报，2020，49（5）：569-579.

[5] 戈明喆.铁路枢纽GSM-R网络方案研究与应用[D].长春：吉林大学，2018.

[6] 秦红丽.高铁路基沉降监测系统的研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2018.