一种无缝线路钢轨变形在线监测系统和监测方法与流程

本发明涉及铁路轨道安全监测，特别涉及一种无缝线路钢轨变形在线监测系统和监测方法。

背景技术：

1、中国已成为世界上高速铁路营业里程最长、运营速度最高的国家。在我国高速铁路的大规模建设过程中，无缝线路由于其消除了钢轨接缝，极大地改善了轨道结构、减小了振动，在高速线路中得到广泛应用。由于轨缝的消失，钢轨无法在温度改变时自由伸缩，从而在钢轨内部产生很大的温度应力，当扣件压力不足以抵消温度应力时，钢轨会发生纵向变形，温度升高时引发胀轨、爬行，当温度降低时则容易出现断轨，严重影响行车安全。因此，研究无缝线路钢轨变形在线监测技术，可以实时获知钢轨纵向变形，识别局部钢轨爬行，对预防胀轨、断轨的发生、保障铁路安全运营具有重要意义。

2、目前我国的钢轨纵向变形监测主要有位移观测桩手工拉线法、光学仪器或磁式传感器等监测手段。国外测量方法也基本采用位移观测桩法和光学测量法等。其中，手工拉线法测量误差大，在早期普速铁路等对钢轨纵向变形测量精度要求相对低的领域中应用较广，不适合高速无缝线路钢轨纵向位移监测。随着光纤光栅技术的日趋成熟，由于其测量空间密度大、响应速度快、精度高等特点，已被广泛应用在不同的工程领域。

3、现有的光纤监测技术在高速铁路无缝线路钢轨变形监测中，仍面临以下不足：温度影响未充分考虑，钢轨在温度变化下的应力变化复杂，现有方法在剔除温度影响上精度不足；监测范围有限，传统光纤监测系统覆盖范围较小，无法满足长距离钢轨的全线监测需求；数据分析能力不足，现有监测系统的数据处理效率低，缺乏自动化的数据分析和异常识别能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种无缝线路钢轨变形在线监测系统和监测方法，用于解决上述至少一个技术问题，其能够通过对布里渊频率变化量的监测，实现无缝钢轨纵向变形量的监测，减少了温度对测量结果的影响，提高了监测精度。

2、本发明的实施例是这样实现的：

3、一种无缝线路钢轨变形在线监测系统，其包括传感光纤、中继盒、光纤解调仪和工控机。

4、所述传感光纤设在钢轨的轨腰处，用于实时监测钢轨应变变化。

5、所述中继盒安装在所述钢轨的轨底处，连接所述传感光纤，用于标记每个传感光纤测区段。

6、所述光纤解调仪通过跳线连接所述传感光纤，用于向所述传感光纤发射并接收脉冲光和连续光，采集所述传感光纤的监测数据。

7、所述工控机通过数据传输线连接所述光纤解调仪，用于处理和分析所述监测数据。

8、在本发明较佳的实施例中，上述无缝线路钢轨变形在线监测系统中，所述传感光纤包括应变监测光纤和温度监测光纤。

9、所述应变监测光纤和所述温度监测光纤在一段所述传感光纤测区段结束处熔接为一体。

10、其技术效果在于：通过在钢轨轨腰处布设传感光纤，能够准确反映钢轨在运行过程中的受力情况。应变监测光纤和温度监测光纤被设计为在每段测区段结束处熔接为一体，能够同时监测应变和温度。

11、在本发明较佳的实施例中，上述无缝线路钢轨变形在线监测系统中，所述应变监测光纤通过所述跳线连接所述光纤解调仪的开始端。

12、所述温度监测光纤通过所述跳线连接所述光纤解调仪的结束端。

13、其技术效果在于：通过将应变监测光纤和温度监测光纤在监测结束处熔接，形成光路的闭合回路，保证光信号在整个传感光纤中的连续传输。通过温度监测光纤独立获取温度数据，再结合应变监测光纤的数据进行综合分析，能够有效剔除温度变化对应变测量的影响。

14、在本发明较佳的实施例中，上述无缝线路钢轨变形在线监测系统中，所述中继盒包括外壳、光纤接头、卡具和密封条。

15、所述光纤接头设在所述外壳内，连接所述传感光纤。

16、所述卡具安装在所述外壳上，固定在所述钢轨的轨底处。

17、所述密封条设在所述外壳的连接处。

18、一种无缝线路钢轨变形在线监测方法，其包括：

19、将无缝线路钢轨变形在线监测系统中的设备依次连接，形成光路闭合回路，所述无缝线路钢轨变形在线监测系统为如前所述的系统。

20、对每个传感光纤测区段进行标定，包括测区起止位置的标定、测区内测点的标定及测区对应点位的标定。

21、对所述无缝线路钢轨变形在线监测系统进行设备调试。

22、根据获取的布里渊频率数据计算温度变化量，剔除温度影响，计算得到钢轨的实际纵向变形量，识别钢轨异常。

23、在本发明较佳的实施例中，上述无缝线路钢轨变形在线监测方法中，所述测区起止位置的标定包括：

24、使用光纤解调仪向传感光纤发射并接收脉冲光和连续光，检测返回的布里渊散射信号，获取基准状态下的布里渊频率沿光纤长度的分布曲线。

25、对每个所述传感光纤测区段的两端边界处的所述传感光纤施加温度变化。

26、获取因温度变化引起的布里渊频率的偏移曲线，在所述偏移曲线中查找波峰，波峰的位置对应所述传感光纤的空间位置，定位到所述传感光纤测区段的起点和终点。

27、其技术效果在于：通过结合布里渊频率偏移的标定方法、温度补偿技术和分区识别机制，提升了无缝线路钢轨变形在线监测系统的精度。

28、在本发明较佳的实施例中，上述无缝线路钢轨变形在线监测方法中，所述测区内测点的标定包括：

29、对每个所述传感光纤测区段内的所述传感光纤进行连续测量，采集原始数据。

30、对所述原始数据进行滤波处理，去除噪声和无效数据，得到平滑信号曲线。

31、对所述平滑信号曲线进行分析，提取典型特征参数。

32、检查提取的所述典型特征参数是否符合类正弦曲线特征，若符合，则进行峰值计算，若不符合，则重新采集原始数据并处理。

33、进行峰值计算，识别所述平滑信号曲线中的峰值a，标记曲线的起始位置横坐标x1和结束位置横坐标x2，其中，x2＞x1。

34、计算所述平滑信号曲线的半峰值a/2，获取所述平滑信号曲线上幅值为半峰值的点的横坐标x1，x2，…xi，…。

35、根据x1≤xi≤x2，筛选得到每个所述传感光纤测区段内的有效的测点。

36、其技术效果在于：通过对传感光纤测区段的连续测量并采集原始数据，结合滤波处理和曲线平滑化，有效去除噪声和无效数据，通过半波全宽方法精确的提取有效测点，提高了测量精度和稳定性。

37、在本发明较佳的实施例中，上述无缝线路钢轨变形在线监测方法中，所述测区对应点位的标定包括：

38、将对应变监测区段和温度监测区段内的点位进行一一匹配，应变测点与温度测点的地理位置相同。

39、得到所述传感光纤测区段内的测点对。

40、其技术效果在于：通过一一匹配应变测点与温度测点，确保了测量数据的空间一致性、精确剔除温度影响，提高了系统的监测精度、可靠性和分析效率。

41、在本发明较佳的实施例中，上述无缝线路钢轨变形在线监测方法中，所述对所述无缝线路钢轨变形在线监测系统进行设备调试包括：

42、对调试光纤进行模拟钢轨形变的纵向张拉测试，验证所述调试光纤感知应变信号的灵敏性和数据传输的可靠性。

43、调试光纤解调仪的光源强度的稳定性。

44、调试工控机的软件采集模式。

45、其技术效果在于：通过纵向张拉测试模拟钢轨变形，验证调试光纤对应变信号的灵敏度，确保应变信号感知的灵敏性和准确性；通过分析传感光纤的信号传输性能，确保信号能够稳定地传输至光纤解调仪和工控机，保证数据传输的稳定性和可靠性；通过调试光源的强度，确保光信号的稳定性，减少因光源波动引起的测量误差；通过调试工控机的软件采集模式，优化数据采集流程，确保应变信号和温度信号能够以最佳方式进行同步处理，减少数据处理延迟，提升系统的响应速度和监测效率。

46、在本发明较佳的实施例中，上述无缝线路钢轨变形在线监测方法中，所述根据获取的布里渊频率数据计算温度变化量，剔除温度影响，计算得到钢轨的实际纵向变形量，识别钢轨异常包括：

47、使用光纤解调仪从应变监测光纤和温度监测光纤处获取布里渊频率数据。

48、计算第i个测点处温度监测光纤的布里渊频率变化量δvti＝vti-v0i，其中，δvti为所述测点处的布里渊频率，v0i为所述测点的基准频率。

49、计算得到第i个所述测点的温度变化量其中，kt为所述温度监测光纤的频率温度转换系数。

50、计算得到温度变化引起的频率变化量δv∈ti＝δti×k∈t，其中，k∈t为所述应变监测光纤的频率温度转换系数。

51、从所述应变监测光纤的布里渊频率变化量v∈i中剔除温度变化引起的频率变化量δv∈ti以及钢轨的基准布里渊频率变化量v0，计算得到钢轨实际形变引起的布里渊频率变化量δv∈i＝v∈i-v0-δv∈ti。

52、计算得到第i个所述测点处的钢轨应变量其中，k∈为所述应变监测光纤的应变频率转换系数。

53、根据应变和形变之间的关系，计算得到钢轨的实际纵向变形量δl＝∈i×l，其中，l为测区的长度。

54、将计算得到的所述实际纵向变形量与标准值比较，判断所述实际纵向变形量是否超出正常范围，识别出钢轨是否存在异常情况。

55、其技术效果在于：通过使用专门的温度监测光纤获取测点的温度变化量，利用频率温度转换系数消除温度对应变监测光纤的影响，从应变监测光纤的布里渊频率变化量中剔除温度引起的频率变化和基准频率变化，准确获得应变监测光纤上的真实应变频率变化，避免了由环境温度变化导致的误判，能够准确计算钢轨实际形变引起的布里渊频率变化量。实现了对温度和应变的精准分离、真实变形的高精度计算、以及对钢轨异常情况的快速识别和报警。

56、本发明实施例的有益效果是：

57、本发明基于布里渊散射的分布式光纤传感监测技术，提出了一种无缝线路钢轨变形在线监测系统和监测方法。当分布式光纤有形变或温度变化时，光纤本身的布里渊频率会发生变化，通过对布里渊频率变化量的监测，实现无缝钢轨纵向变形量的监测。由于光纤的温感特性，本发明提出了定向实时温度补偿方法，即监测点位可实现实时温度补偿，进而减少温度对测量结果的影响，提高了监测精度。

58、本发明提供了一种无缝线路钢轨变形在线监测系统和监测方法，以无缝线路钢轨为监测对象，采用基于分布式光纤传感技术的钢轨纵向位移监测装置，对无缝钢轨纵向位移引起的光纤应变信息进行实时监测，并通过数据分析处理算法得到钢轨的纵向位移值。掌握无缝线路钢轨变形状态，识别局部钢轨爬行等异常状态，并锁定发生位置，从而保障铁路线路运营安全。