（控制科学与工程专业论文）铁路边坡安全监测系统设计.pdf

武汉理工人学硕十学位论文 摘要 铁路边坡容易受降雨、地震或风化等因素的影响而产生滑坡，影响铁路系统 的安全运营，因此对铁路边坡进行安全监测具有重大的实际意义。目前国内尚无 相关的监测系统，针对这一现状，本文对铁路边坡安全监测系统进行了研究。主 要内容如下： 本文将铁路边坡按照土质来分类，研究了各种不同类型铁路边坡的滑坡影响 因素，分析了常用的边坡监测技术、测点布设技术以及监测仪器的优缺点，并结 合铁路内部通信网络的特点提出了由现场监测节点、数据汇聚节点和远程监控中 心组成的铁路边坡安全监测系统。系统采用铁路内部的光纤网络通信，因此数据 传输延时小，无运行成本，可靠性高。 设计了针对土质边坡的现场监测节点的硬件结构，进行了以s t m 3 2 为核心 的硬件设计，具体设计了振弦式仪器和雨量计的信号调理电路、n o rf l a s hm 2 5 p 6 4 的s p i 接口电路、与数据汇聚节点通信的c a n 接口电路、防盗模块的开箱报警 电路和太阳能电池板加蓄电池供电电路。硬件电路结构简洁、可靠性高、测量精 度高、速度快、开箱报警电路的设计简单可靠。 设计了数据汇聚节点的数据传输的硬件电路，它包括$ 3 c 2 4 1 0 的最小系统、 对下通信的c a n 接口电路、与上通信的以太网控制器接口电路、电源供电电路 和防盗电路。可以直接移植嵌入式操作系统到数据汇聚节点上，进行功能扩展很 方便。 系统的软件包括三个部分：现场监测节点软件、数据汇聚节点软件和远程监 控中心的监控软件。各部分按照功能模块进行划分，现场监测节点软件包括数据 采集、处理、存储、传输、自身状态检测、命令的接收和执行模块。数据汇聚节 点软件包括数据的收发、存储、下层的监测节点的状态监测模块。远程监控中心 的监控软件采用v c 来实现，利用v c 的s o c k e t 控件实现数据的收发；数据 存储部分使用v c 的o d b c 控件来实现；数据处理部分采用专用的边坡稳定性 判断软件，当发现有危险时，进行报警处理。 关键词：铁路，边坡监测，现场监测节点，数据汇聚节点 武汉理工大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t r a i l w a ys l o p e sa r ev u l n e r a b l et or a i n ，e a r t h q u a k e sa n dw e a t h e r i n g ，w h i c ha f f e c t s t h es e c u r i t yo fr a i l w a ys y s t e ms e r i o u s l y t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gas e c u r i t ym o n i t o r i n g s y s t e mf o rr a i l w a ys l o p e i sn e c e s s a r ya n du r g e n t h o w e v e r , n os u c hm o n i t o r i n g s y s t e mh a sb e e nb u i l tu pn o w a d a y s ，a n dt h i si sw h y w ef o c u so u r s e l v e so nd e s i g n i n g t h es e c u r i t ys y s t e mo ft h er a i l w a ys l o p e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ed e s c r i b e d a sf o l l o w s ： i nt h i sp a p e r , t h er a i l w a ys l o p e sa r ec l a s s i f i e db yt h es o i lc o m p o s i t i o n k i n d so f f a c t o r s a f f e c t i n gt h es e c u r i t y f o rd i f f e r e n tr a i l w a ys l o p e sa l es t u d i e d ；a n dt h e a d v a n t a g e sa 币d i s a d v a n t a g e so ft h ec u r r e n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm e t h o d sf o r m o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e s ，m e t h o d sa b o u tt h el a y o u to ft h em o n i t o r i n gn o d e ，a n d m o n i t o r i n gi n s t r u m e n t s t h e n ，w i t hc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a i l w a ys l o p e i n t e r n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h es c h e m eo ft h em o t o r i n gs y s t e mb a s e do no n - s i t e m o n i t o r i n gn o d e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nn o d e ，a n dt h er e m o t em o n i t o r i n gb a s e di s p r o m o t e d t h ew h o l es y s t e mi ss i m p l e ，s t a b l e ，e c o n o m i c ，p r a c t i c a l l y t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fo n - s i t en o d ei sd e s i g n e df o rt l l e s o i ls l o p e t h e p l a t f o r mt a k e ss t m 3 2 a st h ec o n t r o l l e r , a n di n c l u d e st h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t s f o rv i b r a t i n gw i r ei n s t r u m e n t sa n dr a i ng a u g e ，s p ii n t e r f a c ef o rn o rf l a s hm 2 5 p 6 4 ， t h ec a nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e f o rd a t aa c q u i s i t i o nn o d e ，t h ea l a r mc i r c u i tf o r a n t i t h e f tm o d u l ea n dt h ep o w e rs u p p l yc i r c u i t t h ew h o l es y s t e mi ss i m p l es t r u c t u r e d ， r e l i a b l e ，a c c u r a t ea n df a s t t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fa c q u i s i t i o nn o d ei sd e s i g n e d , w h i c hi n c l u d e st h e m i n i m u ms y s t e mo f $ 3 c 2 4 1 0 ，t h ec a nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，t h ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ef o re t h e r n e tc o n t r o l l e r , t h ep o w e rs u p p l yc i r c u i ta n da n t i - t h e f tc i r c u i t e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mc a nb ed i r e c t l yt r a n s p l a n t e dt ot h ed a t aa g g r e g a t i o nn o d e s ， a n dc a nb ee x t e n d e de a s i l y t h es o f t w a r es y s t e mc o n t a i n st h r e ep a r t s ：t h eo n - s i t em o n i t o r i n gn o d e ，t h ed a t a a c q u i s i t i o nn o d ea n dt h er e m o t em o n i t o r i n gc e n t e r m o d u l e sa l ed i v i d e da c c o r d i n g t of u n c t i o n s t h eo n s i t em o n i t o r i n gn o d ec o n t a i n sm o d u l e sf o ra c q u i s i t i o n ， p r o c e s s i n g , s t o r i n g , t r a n s m i t t i n g , s e l f s t a t u sc h e c k i n g ，c o m m a n dr e c e i v i n ga n d e x e c u t i o n t h ea c q u i s i t i o nn o d ei m p l e m e n t st h er e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gf u n c t i o n s ， s t o r i n g ，a n ds t a t u sc h e c k i n go fs u b l a y e rm o n i t o r i n gn o d e s t h es o f t w a r eo f r e m o t e m o n i t o r i n gc e l a t e ri sd e v e l o p e di nv c + + ，m ed a t at r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ga r e i i 武汉理l 【大学硕七学位论文 r e a l i z e dv i as o c k e t , a n dd a t as t o r a g ei si m p l e m e n t e du s i n go d b c s p e c i a l i z e d s t a b i l i t yi d e n t i f y i n gs o f t w a r ei su s e dt op r o c e s sd a t aa n da l e r tw h e ns e r i o u ss i t u a t i o n 0 c c u r s k e yw o r d s ：r a i l w a y , s l o p em o n i t o r i n g ，o n s i t em o n i t o r i n gn o d e ，d a t aa c q u i s i t i o nn o d e i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 挂墨至置。日期：到望：堑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 ，i 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：桂勿霞导师( 签名) ：勉乞日期加卜s 础 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理ji ：大学硕士学位论文 1 1 课题研究意义 第1 章绪论 中国铁路已进入高速时代，给日常生活带来方便的同时也增加了行车的风险 性。列车的运行速度如此之快，任何微小的外界干扰或自然灾害带来的后果都有 可能是致命的，都有可能造成重大的经济损失或者是人员的伤亡。这些外界干扰 包括边坡滑坡和塌方落石、强风、暴雨、大雪、地震以及异物入侵等等。本文主 要对铁路边坡的滑坡引发的灾害进行研究。 近些年来由于铁路边坡滑坡灾害引发的事故频繁发生，在2 0 0 7 年1 0 月8 日， 由于山体滑坡而导致温州铁路丽水段大的列车出轨，虽然侥幸的没有人员的伤 亡，但是也阻断了列车的正常运行。在2 0 0 7 年1 2 月2 6 日，宜万铁路的重大塌方事 故导致3 5 人遇难，代价是非常的惨痛的。在2 0 0 8 年6 月3 0 日，由于山体滑坡导致 黎湛铁路一起客车脱轨事故，导致7 人重伤。在2 0 0 9 年7 月2 9 日，焦柳铁路也发生 因山体滑坡而引发的事故，造成4 人死亡、1 1 人重伤、2 3 人轻伤、列车严重受损。 铁路滑坡灾害造成的后果是不容小觑的，轻则阻断交通，重则造成重大的经 济损失和人员伤亡。因此对高速铁路边坡安全监测系统进行研究是非常有意的。 ( 1 ) 预防、预报灾害，将损失降低到最小 通过铁路边坡安全监测系统可以实时的了解所监测的铁路边坡的状态。实时 掌握影响其滑坡的各因素的当前状态，包括表面裂缝的大小、边坡滑动的速度、 运动的趋势、以及按照这种趋势有没有发生灾害的可能性、如果灾害发生，它可 能波及到的地理范围。如果很早就了解边坡的滑动趋势【l 】，就可以根据该趋势构 造相应的防护网，阻止灾害的发生。如果实在无法阻止，也可以提前进行预报， 以避免不必要的经济损失和人员伤亡。因此对铁路边坡安全监测系统进行研究是 很有必要的。 ( 2 ) 提高监测系统的可靠性与安全性 由于技术水平和经济的原因，目前铁路边坡安全监测处于人工监测的方式， 找有经验的人定期对铁路边坡进行检查，然后根据自己的以往的观测经验来预测 该边坡的稳定性，从而减小灾害的影响。但是铁路边坡滑坡灾害往往都具有突发 性和危险性，往往在强震、暴雨、飓风的情况下发生【2 】，这种情况下依靠人工来 观测显然是不可能的。人工观测也存在着误差和主观性，从以上各方面综合考虑， 武汉理工人学硕十学位论文 人工观测法的并不能有效的预防灾害的发生，只有依靠电子设备对其进行全天候 的监测才能起作用，因此对铁路边坡安全监测系统进行设计是非常有必要的。 ( 3 ) 铁路边坡安全监测系统的可行性 铁路的高速化使得对铁路边坡安全监测系统进行建设已经成为铁路建设中 的一个刻不容缓的任务，目前我国的铁路边坡安全监测仍然处在一个很初级的阶 段，而同属于边坡监测系统的大坝安全监测系统目前则向着数字化、智能化、网 络化的方向迈进，远远的领先于铁路边坡安全监测系统的发展。两者同为边坡安 全监测方面的问题，虽然实际的应用环境不一样，但却有很多相同的成分，所以 很多的关于大坝安全监测方面的知识与经验都可以应用到铁路边坡安全监测系 统中，所以建设铁路边坡安全监测系统是具有可行性的。 从上面的分析可知，对铁路边坡安全监测系统进行研究既具必要性，又具可 行性。因此本课题选择对铁路边坡安全监测系统进行研究是很有意义的。 1 2 国内外研究现状 由于防灾意识的薄弱，现阶段我国对铁路防灾安全监测系统的认识仍处在理 论性的研究阶段，存在着很大的局限性与片面性。对铁路防灾系统的认识没有一 个全方位的认识，导致现有的铁路安全监测系统根本就不能满足提速后的要求。 目前主要采用人工观察的方式来收集自然灾害的信息，根本就不适应高速铁路的 发展趋势。目前对于铁路边坡进行滑坡监测也是依靠人工的方式来完成的。因此 建立符合我国铁路现状、国情和环境的铁路边坡安全监测系统是铁路建设中的一 个很重要的部分。 日本经常发生地质灾害，很早就开始了对铁路防灾安全监测系统的研究，其 中最成功的就是新干线，运行了几十年都没发生什么重大事故。它采用的是 c o s m o s 综合运营管理系统的子系统，在早期的列车运营系统的基础上，沿线 的采集气象、地震、轨温、异物入侵等环境量，实现了一个高安全性的系统。法 国高速铁路的安全监测系统与日本的铁路安全监测系统类似，对气象环境、电网 电压、异物入侵、轴温等因素进行了监测，此基础之上，还增加了设备检测和报 警的功能，进一步保证了系统的安全运营。在铁路安全监测系统上，德国的铁路 安全监测系统的安全性也很高，可以及时的预报突发的自然灾害对行车的影响， 掌握各种设备的运行状态【3 】。 国外的铁路安全监测系统相对于中国来说是很先进，可以参照国外的铁路安 全监测系统对中国铁路边坡安全监测系统进行设计。提高系统的可靠性与性能。 2 武汉理1 ：大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容 本文的目的就是针对中国铁路边坡的现状，设计一个符合中国国情和自然环 境现状的、具有可靠性、高度自动化的铁路边坡安全监测系统。使它能够对滑坡 灾害进行预报或者预防，将铁路滑坡造成的损失减少到最小。本文需要解决的主 要问题如下： ( 1 ) 监测系统的总体方案设计 研究铁路边坡的破坏形式和导致它破坏的因素，从而确定系统的监测参量。 研究目前常用的边坡稳定性监测技术和仪器，为系统选择合适的监测技术和仪 器。研究边坡监测中监测节点的布设方法，合理的布置系统的监测节点。根据铁 路通信系统的结构，合理的设置铁路边坡安全监测系统的架构。 ( 2 ) 铁路边坡现场监测节点硬件设计 针对具体类型的边坡选择合适的监测量，研究各监测仪器的结构和工作原 理，设计合理的信号调理电路，选择合适的控制器，设计n o rf l a s hm 2 5 p 6 4 存储 器接口电路、c a n 总线通信接口电路。针对铁路边坡所处的环境设计太阳能加 蓄电池供电的模式。针对现场监测节点的安全性需求，设计具有防盗功能的开箱 报警电路。 ( 3 ) 铁路边坡数据汇聚节点硬件设计 针对扩展功能和开发周期的要求，选择了三星的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器，设计了 它的最小系统。设计c a n 通信接口电路、以太网控制器c s 8 9 0 0 的接口电路、 供电电路和防盗电路。 ( 4 ) 铁路边坡安全监测系统软件设计 铁路边坡安全监测系统的软件包括现场监测节点软件、数据汇聚节点软件和 远程监控中心软件。现场监测节点的软件包括监测数据的采集、滤波和处理部分， 数据存储和上传部分，命令的接收和执行部分以及防盗处理部分。数据汇聚节点 包括现场监测数据的接收部分、远程监控中心控制命令的转发部分、现场监测节 点的自身状态判断部分以及防盗部分。远程监控中心包括数据的收发部分、存储 部分和数据处理部分。 3 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章铁路边坡安全监测系统方案设计 本系统总体设计方案的内容包括：结合中国铁路边坡的实际情况找出引起滑 坡的各个因素，选择合适的监测参数；选择合适的监测技术；合理的布设监测节 点；合理的设计系统的架构。 2 1 引起铁路边坡破坏的因素分析 铁路边坡的破坏形式以崩塌破坏和滑坡破坏为主，有的破坏介于两者之间， 还有的以流动、剥落等等形式出现，有的破坏是这几种形式的结合。崩塌经常伴 随着强烈地震或强暴雨发生在坡顶有裂缝的地方。它可能是由风化导致粘聚力力 减小引起的，也可能是因为雨水进入裂缝产生的水压引起的，或者是由于地震、 雷击等因素造成的。风化与水分和温度密切相关，因此对于易于发生崩塌破坏类 型的边坡要监测表面裂缝、温度、水分、雨量、地震等因素。滑坡是由于岩土体 重力的作用导致岩土体内的软弱面产生整体的滑动而引起的【4 l 。它发生在岩土体 内部，破坏速度比崩塌慢。所以对于滑坡的监测最重要的是监测深部位移。 铁路边坡按照组成的介质可分为岩质边坡和土质边坡。岩质边坡容易发生崩 塌破坏而很少会发生滑坡破坏，除非是岩体内有软弱层或风化层，或者是岩坡的 倾角很陡并伴随有地下水活动，此时边坡会向着软弱层滑动，对于这种滑坡破坏 还要监测地下水位。软岩质边坡被风化或受潮之后也容易产生滑坡现象，这种形 式的滑动在表面发生，对于这种滑坡还要检测湿度。土质边坡容易发生滑坡破坏， 因为它的上层比较稀疏，透水性很强，如果有水的话会软化。下层很密致，受水 的作用比较小，因此在它们的分界面处容易形成软弱面，容易沿着这个滑动面产 生滑坡破坏。因此对于土体滑坡要监测地下水位和降雨量。 影响铁路边坡稳定性的因素与它的组成成分、外形、内部的结构面的构成、 外界环境等因素息息相关。所以针对不同地段、不同结构、不同形状的铁路边坡 进行监测时，要结合它的实际情况选择合适的参数。这里将铁路边坡按照组成成 分来类。分为坚硬的岩坡( 崩塌破坏) 、内部有软质层的硬岩坡( 崩塌和滑坡破 坏) 、软质岩坡( 崩塌和滑坡破坏) 、土质边坡( 滑坡破坏) 四类。大致的监测参 数如图2 1 所示。但是在选择具体的监测因素时要结合铁路边坡所处位置的实际 环境和边坡的实际构造来进行选择，这里只是给出一个大致的方案。 4 武汉理工大学硕士学位论文 坚硬的硬质岩坡 软质岩坡 内部有软弱层的硬质岩坡 土质坡 图2 1 铁路边坡的分类及其监测因素 2 2 铁路边坡变形监测技术研究 铁路边坡安全监测属于边坡变形监测的范畴，现阶段用于边坡变形监测的技 术有以下几种【4 】： ( 1 ) 简易观测法 以人工的方式定期的对坡体进行观测。优点是可以从宏观上了解边坡的状 态。缺点是不具实时性，如果观察的时间间隔很久，就不具备预测的作用，而且 它还掺杂了人的主观性【5 1 。 ( 2 ) 大地测量法 通过测角或测距来测量边坡的二维水平位移和垂直位移。优点是监测范围 广、可以找出要重点监测的位置、量程大、测量的位移是绝对值，可以掌握边坡 的变形性态。缺点是易受天气和地形的影响、劳动强度大、测量周期长、不能实 现自动化监测。 ( 3 ) g p s 测量技术 利用g p s 卫星定位技术确定待测点三维坐标，从而判断该测点是否有发生 滑坡灾害的可能。优点是精度高、测量速度快、能够连续观测、实现自动化监测 系统。缺点是费用高，不符合我国的经济形势。虽然现阶段出现了一机多天线的 测量模式来减少成本，但它的高价格是仍然不能被中国庞大的铁路系统所接受 的。 武汉理r ：人学碗十 恤论文 ( 4 ) 仪表观测法 利用精密仪器对边坡的破坏机制进行监测从而判断边坡的稳定性。优点是能 够实现臼动化监测、测量速度快、精度高、集数据的采集、忙输、管理、分析与 身。缺点是蹙程有艉、元件易老化、可靠性也有待考证。观阶段l u 了仪器都在 向着工业化的方向迈进，很多传感器和电子元件都具有防雨、防风、防震、防雷、 防腐蚀等特性，可以满足：i ：作环境与可靠性的要求。 ( 5 ) 远程监测技术 是远距离传输技术和i 乜子仪表技术的结合，可以实现对边坡的远程自动监 测。优点是可以进行全天候的观测、集数据采集、存储、处理于一体、高度自动 化、省时省力、可靠性好。缺点是容易受到传感器质量的影响、运行中容易产生 故障、数据传输时有中断。 通过上面的分析可知，地坡变形监测技术苒有优劣它们在精度、实时性、 测量范崮、经费、应用条件、可靠性等等方面或多或少的部存在着一此问题。能 够进行自动化的测量实现网络化的传输，进行智能化的管理足变形监测技术的 发展方向。综台各方面的性能比较这罩选择远程监测技术。 2 , 3 铁路边坡监测节点的布设 目前监测点的布设一般聚用人工的方式，依靠有经验的人根据自己多年的观 察经验柬进行布醴。对于滑动方向和变形范围明确的边坡一般采用十字形布设 法，一般深部位移测量孔铺设在滑动方向上；如果不确定则一般采用放射形布设 的方式它一股将深部位移测量孔铺设在不同方向的交叉处“。十字形布设法和 放射形布设法图如图2 2 所示。 震 图2 2 十字形布设法和放射形布设法图 布设监测点时，首先要布置测线，利用大地测量法找出要监测的范围，根据 主滑动方向和变形的范围确定测线，选择典型的断面，布黄测线，再按照测线布 置相应的监测点。然后将各测线组成个监测网，监测网的布设不仅要体现某个 武汉理工大学硕七学位论文 面的特性，也要体现空间性，如主滑动面和可能的滑动面、组成边坡的各地质分 界面、不同的风化带上都要布设测点，这样可对整个边坡的破坏过程进行全面的 监测，最后要在关键的变形位置要加强节点的布设，在深度和密度方面都要加强。 2 4 铁路边坡安全监测系统总体方案设计 监测系统设计的好坏直接影响着系统的性能。在设计监测系统时要考虑精 度、可靠性、稳定性、灵敏度、使用的方便性等需求。 2 4 i 铁路边坡监测仪器的选择 选择仪器时要考虑性能、埋设、测量、读数和经济性等因素【6 】。由上面的分 析可知，要监测边坡变形需要监测表面裂缝( 裂缝计) 、温度( 温度计) 、雨量 ( 雨量计) 、地震( 地震仪) 、深部位移( 多点位移计) 、地下水位( 渗压计) 等等因素。其中裂缝计有差动电阻式、振弦式和电位器式等形式，多点位移计也 有差动电阻式和振弦式，渗压计也有差动电阻式和振弦式等形式。为了使测量与 读数方式统一，选择差阻式或振弦式仪器来进行形变量的测量。对于环境量的监 测选择相应的仪器或利用当地的气象预报与地震预报。 差阻式仪器适用于潮湿的工业环境、稳定可靠、寿命长、埋设起来也方便。 它的测量精度、灵敏度都比振弦式仪器低、而且体积大、检测的精度易受温度和 芯线电阻变化的影响。对连接电缆的要求高，不适合远距离传输与建立自动化监 测系统。在初期，差阻式仪器的测量都采用三芯电缆接法，随着芯线电阻阻值影 响的日益显著，研究出了四芯、五芯、六芯的接法，改善了测量的性能、提高了 测量的精度、增加了传输的距离。但是也造成了连接的不便等问题，因此影响了 系统的稳定性与可靠性。而且国家没有出台相应的标准，使得各厂商制造产品的 不统一，影响了仪器的通用性1 7 i s 【9 1 0 0 i h 。 振弦式仪器结构简单，使用稳定可靠。结构坚固，寿命长。输出的是频率信 号，稳定性高、能够抵抗强干扰、精度高，也可以很容易的与m c u 进行接口。 它在传输中不受距离的影响、对传输电缆的要求也不高。与标准的输出为电压或 电流信号的仪器相比，它的防雷性能也更好；能够防湿防潮。它很适合被用在岩 土工程监测系统中 1 5 】，经比较本文选择振弦式仪器【1 2 】【1 3 】。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 铁路边坡安全监测系统架构的选择 铁路边坡安全监测系统由现场监测节点、数据传输网络、计算机远程监控中 心三部分组成。 对于岩坡而言，其中硬质边坡，需要监测温度、水分、雨量、地震、裂缝等 量；含有软弱层的岩质边坡它还要监测深部位移和地下水位；对于土质边坡需要 监测雨量、地下水位、渗压、裂缝、深部位移。边坡安全监测节点需要根据边坡 的实际类型选择合适的参数进行监测，获取相应的物理量，然后把数据上传到远 程监控中心进行处理。 数据传输网络有两种方案可供选择，一种是采用有线的方式，另一种则是无 线的方式。采用无线方式的系统架构图如图2 2 所示。 图2 2 采用无线传输方式的系统架构图 无线网络已覆盖了铁路线路，因此采用有线的方式是可行的。它使用g s m 短信方式或g p r s 流量的方式来传输数据。为了节省数据传输的成本，应该选择 g p r s 流量的方式。采用上网方式时，如果g p r s 模块在长时间内没有数据流量就 会自动掉线，g p r s 模块掉线后，仅仅只需很短的时间就可以重新建立一个新的 网络链接( 一般小于i s ) ，但是在链接之后会被分配另外一个不同的i p 地址。这 样监控中心就不能主动的向现场监测节点主动的发起通信链接，就无法向其发送 控制命令。要想不掉线则需每隔一定的时间发送一个维持包，但是这样会浪费网 络资源。可以采用g p r s 流量和g s m 短信的相结合的方式来解决这个问题。当现 场监测节点向远程监控中心上传监测数据时采用g p r s 流量的方式，远程监控中 心向现场监测节点发送数据的时候采用短信的方式。 匦囹圈囤 武汉理工大学硕士学位论文 采用有线的传输方式可以采用铁路内部光纤通信网，高速铁路在铁路两侧的 槽道内分别铺设了光缆，光接入设备设的组网是每隔3 k m 左右通过光纤将其引入 到通信机房内。要根据光纤接入口的位置来组网。采用有线传输方式的系统架构 图如图2 3 所示。 心 图2 3 采用有线方式传输的系统架构 使用光纤传输时，在光纤接入口处就要设置一个数据汇聚节点，接收它附近 的1 5 公里以内的现场监测节点监测的数据，现场监测节点与数据汇聚节点之间 可采用c a n 总线、4 8 5 总线或r f 无线传输的方式。c a n 总线的最大传输距离可达 到l o k m ，4 8 5 总线最长能够达至u 1 2 0 0 r a ，目前r f 无线传输距离可达1 6 k m ，显然 使用c a n 总线和r f 无线传输都能够达到要求，但是r f 无线传输方式易受环境的 影响，考虑到传输的可靠性问题，本系统选择c a n 总线。数据汇聚节点接收到 现场监测节点的数据之后，将数据通过光网络传送到远程的计算机监控中心。 无线传输方式的系统架构显然比有线传输方式简单，实现起来也相对容易一 些，但是采用无线传输方式时，系统的建设成本很高，只要是系统在运行就存在 着运行成本。在数据传输时存在着无线传输延时的问题，这对系统可靠性的影响 是很大的。因此无论是从可靠性还是经济性方面来考虑，无线传输方式都不是一 个好的选择。有线传输能够保证高效可靠的数据传输，只要建成了就可以一劳永 逸，没有任何的运行成本，综合这几点的考虑，这里选择有线的传输方式。 远程监控中心的作用就是接收各汇聚节点传来的数据，根据边坡稳定性相关 的理论来判断所测边坡的稳定性，如果发现有滑坡的危险，则要报警。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先分析了铁路边坡的破坏形式和导致它破坏的因素，按照地质组成对 铁路边坡进行了分类，指出了各类边坡稳定性的影响因素，从而解决了各类边坡 的监测参量问题。接着研究了目前用于边坡变形监测的各方法的优缺点，选择了 精度高、价格低、可靠性好、适合建立网络自动化监测系统的远程监测技术作为 系统的核心监测技术。然后介绍了现场监测节点的布设方法，随后分析了用于变 形监测技术的仪器的类型，比较了差阻式仪器和振弦式仪器的优劣，选择了精度 较高、可靠性、通用性较高的振弦式仪器作为变形监测仪器。最后比较了有线传 输和无线传输的系统架构的特点，采用高稳定性、可靠性、费用低的有线传输方 式来构建铁路边坡安全监测系统。 l o 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第3 章铁路边坡现场监测节点硬件设计 铁路边坡的组成成分不同，外形不同，所处的外界环境不同，则引起其滑坡 的因素也不相同，现场监测节点所需监测的物理量也不相同。这里以土质边坡为 例来进行现场监测节点的设计。对于土质边坡需要监测雨量、渗压、表面裂缝、 深部位移。土质边坡现场监测节点的结构图如图3 1 所示。 图3 1 土质边坡现场监测节点的结构图 铁路土质边坡现场监测节点的硬件电路包括：表面裂缝计、多点位移计、渗 压计和雨量计的防雷击电路和信号调理电路；微控制器模块；外部存储器模块接 口部分；数据传输模块c a n 总线接口部分；电源供电模块和防盗模块。 3 1 表面裂缝计的信号调理电路设计 3 1 1 表面裂缝计的工作原理 表面裂缝计用于测量表面裂缝的开合度，这里选用振弦式的仪器。它的核心 部件是一个振弦式的感应元件，通过此元件来测量裂缝。感应元件由振弦、两个 固定端子、线圈、铁片、永久磁铁等部件组成【1 4 1 ，等效结构图如图3 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 固 定 端 图3 2表面裂缝计等效结构图 当线圈中有电流时，就会产生电磁场，铁片就会被线圈的电磁力吸引而向线 圈运动，振弦也会跟随铁片一起运动，当线圈中无电流时，电磁场消失，没有电 磁力的作用，铁片的重力会导致它背离线圈运动，振弦也会随着它一起动。在脉 冲电流的作用下，振弦会产生周期性的振动。当电流的频率与弦丝的固有频率相 近时，它们会共同振动。振弦就会切割由永久磁铁产生的磁力线，线圈中会产生 与振弦的固有频率相同的感生电动势。振弦的固有频率可由式3 1 得到。 厂：土it 一! 型( 3 - 1 ) ，= 一= f 1 ) 。 2 z p ，2 1 、p ，z 各参数都是关于振弦的，各物理量的含义如下【1 4 】： 厂是固有频率，是长度 t 是受到的应力p ，是体密度( 密度横截面积) z 是受到张力后长度的增量e 是弹性模量 仪器选定后，振弦的长度、体密度、弹性模量也就随之确定了，在式( 3 1 ) 中为常量，推出它的长度变化量与固有频率存在着一一对应的关系。在表面裂缝 计中长度的变化量就是裂缝的开合度，即裂缝的开合度与其内部振弦的固有频率 存在着对应关系，只要测出振弦的固有频率就可以求出相应的裂缝的开合度。而 振弦的固有频率又与拾振线圈中感应电动势的频率相同，所以只要测出感应电动 势的频率即可求出表面裂缝的开合度。 3 1 2 表面裂缝计的选型 表面裂缝计使用的是振弦式仪器，振弦式仪器按照封装线圈数目的不同，有 单线圈和双线圈两种类型。前者的线圈要采用分时复用技术，开始是作为激振线 圈，激振完后就充当拾振线圈来生成感生电动势。它工作采用“拨振 技术，首 先对线圈施加激振脉冲，此时线圈为激振线圈，激振完成之后停止激振，线圈中 感应出电动势，此时的线圈为拾振线圈。双线圈型中有一个激振线圈，一个拾振 线圈。一般采用“自动谐振 技术，通过正反馈电路来激励线圈【1 5 1 。 单线圈比双线圈少一个线圈，体积比较小，器件数目也比较少，因元器件故 1 2 武汉理一i ：人学硕十学位论文 障而出现事故的概率比较小，稳定性也比较好。单线圈只需要两根导线来传输信 号，双线圈需要四根，当需要进行长距离传输，使用单线圈可以节省成本；双线 圈的激励电路麻烦，容易产生倍频的干扰，导致传感器不能正常工作，所以本文 使用单线圈型的表面裂缝计【l6 1 。 采用单线圈型表面裂缝计测量裂缝开合度的步骤为：首先对线圈进行激振， 激振完成之后，振弦会以其固有频率振动，在拾振线圈中就会产生与该频率相同 的感应电动势，只要测出了感生电动势的频率，就可以确定相应的裂缝开合度。 温度对裂缝的测量影响很大，必须进行温度补偿。表面裂缝计的接口电路包括三 部分：激振电路、测频电路和温度补偿电路。表面裂缝计的信号调理电路的结构 框图如图3 3 所示。 一激振电路卜一 振弦式 叫温度补偿电路卜啼 m c u 传感器 叫拾振电路卜一 图3 - 3 表面裂缝计的信号调理电路结构框图 3 1 3 表面裂缝计的激振电路 早期对单线圈的激振采用的是间歇式激振技术，它用张弛式的振荡器与继电 器结合来对线圈进行激振【1 7 】。在表面裂缝的测量中，裂缝的开合度连续变化， 因此裂缝计的频率也是连续。对于这种方式即使是采用多谐振荡器，输出信号的 频率也只有有线的几种，则不能可靠的激振，测量的精度也不高。而且继电器工 作也不可靠、耗能量大，这种方法并不可取。 现阶段一般采用扫频技术来激振，当前的m c u 一般都具备p w m 功能，只 要简单的设置几个寄存器的值，就可以产生不同频率的p w m 脉冲信号。要控制 它输出某一频率范围内的脉冲信号是非常容易的，因此这里使用它来对表面裂缝 计进行激振。 m c u 中p w m 的脉冲驱动能力很弱，需要进行放大处理才能驱动表面裂缝 计。线圈需要的触发电压的范围为1 2 1 6 v 1 8 】。它所需的电压远大于m c u 所能 承受的电压范围，如果因为故障使线圈上的电压直接加到了m c u ，就会烧坏 m c u ，表面裂缝计与m c u 的距离可能很远，如果强制共地也会引入干扰，鉴于 以上两点必须进行信号隔离。野外的带电物体容易遭受雷电的攻击，防雷击电路 也是必不可少的。扫频电路结构图如图3 4 所示。表面裂缝计的扫频电路图如图 1 3 武汉理+ t ：大学硕士学位论文 3 5 所示。 图3 4 表面裂缝计扫频电路结构框图 防雷击电路 d 2 i 驱动放大电路 培模拟开关 接口 图3 5 表面裂缝计的扫频电路图 信号隔离电路选用光电隔离器件t l p 5 2 1 ，它能够稳定的工作频率可达 2 0 k h z ，而p w m 脉冲的频率范围为4 0 0 4 5 0 0 h z ，所以满足本系统的要求。 驱动放大电路使用三极管9 0 1 3 来实现，给线圈施加2 0 0 4 0 0 m a 的电流才能 对表面裂缝计进行激振。当9 0 1 3 工作在饱和区时，流过它的电流为5 0 0 m a ，当 通过它的电流为2 0 0 4 0 0 m a 时，9 0 13 近似工作于饱和区。如果长期工作于此状 态，其寿命会受到影响，发热量也会很大，使用时必须加上散热装置，因此本系 统采用两个三极管来分摊线圈的电流。三极管上的电流为1 0 0 2 0 0m a ，线圈可 1 4 武汉理一厂火学硕士学位论文 以等效为串联的电感与电阻，对其施加脉冲电流的时由于电感的稳流作用会产生 脉冲干扰，因此需要加一个快恢复二极管进行续流。 现场监测节点可能需要同时测量相邻的几点的表面裂缝的开合度，它们使用 的是相同的仪器，处理电路完全相同，所以可以复用电路，减少成本。这里设计 一个多通道复用电路，采用1 6 通道的c d 4 0 6 7 。 雷电容易在电源线与数据输入输出线部分引入，因此防雷击电路应该设计在 电源输入部分、数据输入输出部分和输出端的外线上【l9 1 。常用压敏电阻、瞬间 抑n - 极管和自动回复保险来组成防雷电路，压敏电阻与要保护的部分并联连 接，当外加电压很低时，压敏电阻的电流很小，不会影响另i j 的电路的正常工作， 当电压很大时，压敏电阻器的电流会很大，与之并联的电路的电流并不大，从而 起到保护元器件的作用。瞬间抑n - 极管t v s 的作用是快速的泄放压敏电阻未 放完的电流，自恢复保险在电流过大时会变成高阻态，从而切断通路。 3 1 4 表面裂缝计的拾振电路设计 表面裂缝计的感生电势很微弱( m y 级别) ，不是m c u 能够直接处理的范 围，因此放大环节必不可少。裂缝计工作在野外，受到的干扰也很严重，有用信 号可能被噪声信号所淹没，所以滤波环节也是必须的【2 0 1 。对表面裂缝计的信号 进行处理有两种方式： ( 1 ) 先放大再滤波 本系统的放大倍数很大，超过了单级放大器的能力，需采用两级放大器级联 形式。放大器的带宽是有限的，带宽之外的噪声信号会被滤掉【2 1 1 2 2 1 。但如果在 带宽内存在很强的干扰，经过一级放大后干扰会变得更大，作为第二级放大器的 输入可能使放大器的m o s f e t 脱离恒流区而进入线性区，从而导致噪声信号失 真。由傅里叶变换可知，失真的信号可以分解成频率从零到无穷大之间的任意值， 会在有用信号的范围内产生额外的干扰。现在大多都采用频率滤波的方式，要滤 掉这额外的干扰几乎是不可能的，所以采用先放大再滤波的效果不好【2 3 】【2 4 】【2 5 】【2 6 1 。 ( 2 ) 先滤波再放大 由于有用信号很微弱，信号的频率又是一个范围值，滤波器在边界附近的处 理效果也不好，信号只在很小的频率段内不衰减。如果待测信号的实际频率和这 个频率段相差很远，信号就会被衰减得更微弱，所以采用先滤波再放大的方式效 果也不好。 这里采用先前置放大后滤波然后再放大的方式，它可以处理先放大后滤波产 武汉理工人学硕士学位论文 生的附加干扰问题，也解决了先滤波再放大对有用信号的衰减问题【2 7 】【2 8 】。处理 之后感应电动势就转换成了等频率的v 级的正弦信号，经过零比较器的处理后， 转换成了脉冲信号，可以由m c u 测出该脉冲信号的频率，即表面裂缝计的拾振 线圈的感应电动势的频率。表面裂缝计拾振电路的结构框图如图3 - 6 所示，电路 图如图3 7 所示。 图3 - 6 表面裂缝计拾振电路结构框图 图3 7 表面裂缝计拾振电路图 与运算放大器相比仪表放大器能够在有噪声的环境下放大小信号，可以选择 1 6 武汉理工人学硕十学位论文 性的放大差分信号而抑制共模信号。具有高共模抑制比、能处理的信号可以小到 a v 级别、自身的噪声也很低、输入阻抗高、提高了输入信号源的带负载能力、 带宽比较宽、对电源的要求比较低、仅通过内部的引脚连接设置就可以改变增益、 很适合用来处理传感器输出的信号，所以本设计中采用仪表放大器。本系统的放 大倍数约为2 0 0 0 ，如果采用外接电阻来设置仪表放大器的增益，由于外部电阻 和内部封装电阻的温度系数的不一致，会引入额外的误差。采用其内部可以设置 的增益值。设置前置放大倍数为1 0 ，后置放大倍数1 0 0 ，滤波器的放大倍数设置 为2 ，仪表放大器选择a d 6 2 8 。 信号的频率范围为4 0 0 4 5 0 0 h z ，设置个带通滤波器，它由高通和低通滤 波器串联而成。高通滤波器的截止频率为2 0 0 h z ，低通滤波器的截止频率为 5 0 0 0 h z 2 9 】【3 0 】【3 l 】。滤波器