高速铁路工务工程健康监测系统设计方案研究

李静文 刘健娜

摘要：高速铁路因列车速度快、运载量大，对铁路桥梁、隧道、路基和轨道等工务工程有着高平顺、高稳定性和高可靠性的要求。目前，对于整体线路工程中包含的桥梁、隧道、路基、轨道结构建立整套健康监测系统相对较少。针对这一情况，本文依托高速铁路工务工程中包含的桥梁、隧道、路基、轨道等结构设计出一套完整的运营健康监测系统方案。

关键词：高速铁路;健康监测;线路工程。

1 引言

我国作为全世界运营里程最长，也是高速铁路在建规模最大的国家。目前相关部门已经开始对已建成的高速铁路工务工程如何进行有效的结构监测开始研究，但是现在的监测系统多数都是对于单个的桥梁、隧道、路基或者轨道的某一部分进行实时监测，而对于整体线路工程建立健康监测系统相对较少。为此，本文拟结合高速铁路工务工程的特点，设计出一套相应的监测方案。

2 高速铁路的主要特点

高速铁路线路工程是典型的由不同结构物（桥梁、隧道、路基、轨道）相互串联组成一个集成化、系统化的复杂系统。高速铁路有以下特点：

2.1 高速列车为了保证速度快的特点，采用更多的桥梁和隧道来缩短距离。

2.2 高速列车行车速度快，密度大，对基础设施和设备的依赖性能更强。

3 建立高速铁路健康监测系统的总体目标和要求

3.1 监测系统的总体目标

3.1.1 获取桥梁、隧道、路基和轨道结构在正常环境与交通条件下运营的特征信息，评估结构的健康状态。对于沿线整体性和关键部位的损伤，对结构整体做出健康状态评估和安全性评价。

3.1.2 评价高速铁路工务工程中桥梁、隧道和路基、轨道承受动、静荷载的能力和可靠性，为运营管理与养护维修提供依据。

3.2 系统的总体网络结构图

高速铁路健康监测系统总体组成框架网络结构图。健康监测系统包括：现场数据采集、数据传输（有线或无线）、数据处理管理、安全评估和信息显示等。

3.3 监测系统的模块的集成

高速铁路监测子系统包括桥梁、隧道、路基、轨道四大子模块如图1所示。再通过数据传输系统将监测信息传输到监控中心，并通过监控中心的处理与分析对结构进行安全状态评估、状态评价或发布预警信息等。

3.4 数据采集系统通信网络

这个数据采集系统通信网络分为四个基础采集总站如图2，各站包括：桥梁采集总站、隧道采集总站、路基采集总站、轨道采集总站。

4 高速铁路监测系统软件设计

高速铁路健康监测系统按照监测系统的基本框架和系统的物理分布情况，将软件系统划分为6功能模块，主要分为：（1）模块1：数据采集和传输系统（2）模块2：数据处理系统（3）模块3：数据管理系统（4）模块4：结构健康评价系统（5）模块5：界面显示系统（6）模块6：养修决策系统。

4.1 系统界面功能设计

高速铁路健康监测系统的软件主要界面功能菜单见图6所示，可以看出整个系统可分为：桥梁监测、隧道监测、路基监测、轨道监测、健康评估子系统、数据管理、文档管理、巡检养护、系统维护、系统管理等十大功能。

4.2 系统软件的开发设计

高速铁路健康监测系统数据库管理平台，服务器采用，操作系统采用Windows 2003 SERVER。监测系统的开发平台采用LabView 7.0进行设计等。软件储存的数据包括传感器采集数据、报表统计数据、图像等多媒体数据。界面交互显示层采用自行开发的专门应用于高速铁路健康监测和数字化管养的客户端系统，提供各种查询和交互操作。软件特点：（1）整个软件系统实现统一界面方式运行，可以对桥梁、隧道、路基、轨道各个子系统无缝连接的显示;（2）实现远程实时监测的功能;（3）统一的数据采集软件，支持多信号采集;（4）具有远程维护功能;（5）界面实现图形化，易操作。

5 高速铁路健康监测系统设计实例

5.1 工程概况

京沪高速铁路，线路由北京南站至上海虹桥站，全长1 318公里。线路中包含的桥梁长度1 140 km，占正线长度86.5%;隧道约长16 km，占正线长度1.2%;路基长162 km，占正线长度12.3%;本文选取位于济南段路中的跨济兖公路特大桥和西渴马一号隧道全长2.812km以及济南西客运站（车站路基及轨道）构成的一段高路铁路线路，根据其结构特点建立一个自动建立一个监测系统。测区间段属于京沪高速铁路的第三标段DIK412+0.62.27-DK667+0.2673正线全长，地处山东省济南市位于黄河以南冲积平原、丘陵及丘间平原，全线最重要的路基工点类型有软土和松软土地路基。

5.2 系统软件的主要界面实现

高速铁路健康监测系统软件主要界面有登录界面、系统主界面以及软件的几种主要功能实现界面。

5.2.1 登录界面

健康监测系统登录是在登录主界面输入用户名和密码确认后即可进入监测系统进行查询。登录的界面。

5.2.2 系统功能界面

登录系统后进入主界面，如图7所示，主界面采用分区布置，各区具体功能有：网络状态、用户管理、系统维护、巡检养护、辅助功能、桥梁监测、路基监测、隧道监测、轨道监测、结构诊断等。

以桥梁的监测分析为例介绍。下面把挠度的查询过程为例进行演示。首先通过界面上桥梁模块中的动态响应选择挠度，如图2所示。再选择挠度波形查询条件窗口对于要查询的具体时间段进行选择。最后弹出挠度波形图窗口，其中显示了挠度波形图同时还记录了行车的车次、起始时间和当时的环境情况。

6 结语

隨着高速铁路的迅速发展，为了保障高速铁路的运行安全，预防和避免工务设备基础设施事故发生，需要建立高速铁路健康监测系统将四大基础设备联系起来总体的监测与检测，其中包括桥梁、隧道、路基、轨道状态的检测与监测，并利用数据集成平台形成数据的集中管理、共享和综合分析，为工务管理部门和作业维修部门提供安全监测与管理信息服务，以保证高速列车的运行安全。

参考文献：

[1] 杜彦良， 张玉芝.赵维刚.高速铁路线路工程安全监测系统构建[J].土木工程学报， 2012.

[2] 杜彦良， 苏木标， 王庆敏.武汉长江大桥长期健康监测和安全评估系统研究[J].铁道学报，2015 （4） ：101-110.