铁路沿线智能防护网传感监测方案.docx

同方威视技术股份有限公司设计文件 ECDA0000000D-铁路沿线智能防护网传感监测方案版 本：A发 放 号：受控状态：受控编制/日期：闫志学/2015.10.12审核/日期：批准/日期：19目 录一、调研背景1二、技术背景1三、设计目的3四、智能防护网系统总体方案34.1防护网特性分析34.1.1理论可监测量34.1.2考虑可监测量34.2智能防护网方案144.2.1系统总体架构44.2.2系统工作原理54.2.3系统指标64.3智能防护网方案264.3.1系统总体架构64.3.2系统工作原理74.3.3系统指标7五、智能防护网专用传感技术85.1纯拉力传感器85.1.1结构原理85.1.2传感计算95.2拉位移传感器（或拉力）95.2.1结构原理95.2.2传感计算115.3梁式纯拉力传感器135.3.1结构原理135.3.2传感计算135.4梁式拉位移传感器145.4.1结构原理145.4.2传感计算155.5扭力传感器155.5.1结构原理155.5.2传感计算165.6扭矩传感器165.6.1结构原理165.6.2传感计算165.7张力传感器175.7.1结构原理175.7.2传感计算175.8压位移传感器185.8.1结构原理185.8.2传感计算19六、智能防护网冲击量化计算19一、调研背景随着我国铁路建设的不断深入，铁路的发展呈现两大趋势。首先，铁路深入西部的偏远山区。由于区路况复杂，自然灾害频繁，现在沿线的路况勘查主要依靠人工，不仅效率低而且工作环境艰苦。另一个趋势是，在铁路系统发展成熟、人流量大的区间将开发高速客运专线。由于客运专线列车运行速度快，运输对象以客运为主，对客运专线的安全性提出了更高的要求。铁轨的修建过程中经常会穿越山体形成隧道，隧道口的仰坡和边坡是滑坡多发的地点，也是安全监测系统的目标区域。在土木工程中会对仰坡和边坡进行加固并设置防护装置，如防护网、防落石架等。对于这些防护装置，可以监测其受力情况或者通断状态。有些滑坡发生时并未完全破坏防护装置，此时监测系统发出预警信号，调用视频系统观测现场，辅助观测滑坡情况，判断是否需要立即控车或者派人到现场维修、排障等。如果滑坡情况较严重，防护网被破坏，此时有障碍物在铁轨上或者铁轨路基损坏的可能性很大，则立即产生控车信号。因此，铁路沿线智能防护网监测报警系统的开发迎合行业需求，对于铁路安全运行意义重大。二、技术背景目前，国内外对于铁路沿线防护网已经有了一定的研究基础和应用案例。其中主流技术是监测防护网的振动，通过振动围栏技术或振动传感器监测防护网是否有异物入侵，该方法只能进行防护网异物入侵报警；另外，还有监测防护网主结构绳拉力，以此来判断防护网受力大小，但是防护网受力情况复杂及落物位置不定等不确定因素的存在，致使该方案只能粗略的检测防护网受力状况，并不能对防护网异物堆积进行量化。由于铁路沿线不仅自然环境恶劣而且有高电磁干扰，因此对安全监测的要求较高：抗风沙雨雪等气候影响；抗电磁干扰影响；长距离监测；现场供电困难，要求现场无源；现场防护网受力复杂；现场安装困难等。光纤光栅传感技术具有体积小、重量轻、可靠性好、抗干扰、耐腐烛、不受电磁干扰、能在复杂的环境下工作，尤其是因为采用波长编码，光纤光栅传感器不受光源功率波动和光纤连接损耗以及光纤器件插入损耗的影响等诸多优点，非电监测、抗电磁干扰及防雷击等优点，检测的光信号能直接通过光纤传输，可满足铁路远程监测的要求。可以预见，光纤光栅传感监测技术将在铁路安全监测系统中得到更加广泛的应用。其次，同方威视技术股份有限公司光电科技事业部致力于光纤传感开发历时五年以上，团队强大，技术实力雄厚，对于推进光纤光栅传感技术在铁路行业的应用开发有着独特优势。通过对铁路安全监测现有系统的分析，设计了光纤光栅传感监测技术在智能防护网中的应用方案。该系统方案包括：信息采集单元、信息处理单元、布网和计算单元三部分。信息采集单元是指智能防护网所需的传感器；信息处理单元是指采集回的信号转换成事件发生、破网、落物积累等所需物理量及报警；布网和计算单元是指所需传感器种类和数量、传感器安装位置、以及事件算法。目前，市场上未见智能防护网状态监测专用、可集成化的传感器，并且可以借鉴使用的拉力传感器并不能排除实际使用环境中侧向受力、扭曲力、剪切力对拉力值的影响。另外，钢丝绳中每个绳股都呈螺旋线形状，当受到提升重物重力作用时，将产生使螺旋线伸长的拉应力和与螺旋线方向相反的转动力矩，因而可以观察到钢丝绳伸长和绕自身轴线旋转的现象。利用钢丝绳这一特性，我们可以开发测量钢丝绳受拉力伸长和扭转的参数，来间接得到钢丝绳受拉力大小，最终推算出防护网受力情况。因此，开发出智能防护网专用的组合传感器是实现铁路沿线智能防护网监测报警系统的关键。配合防护网传感器的布网及受力算法，选用模式识别和自学习功能的软件处理方式，消除现场复杂环境中的干扰因素，提取有效的现场数据，收集异物落网信息，准确及时的传达到相关部门。最终实现智能防护网的事件及时报警、事件量化计算功能。三、设计目的1. 铁路沿线智能防护网传感监测总体方案；2. 智能防护网专用传感技术；3. 智能防护网冲击量化计算。四、智能防护网系统总体方案4.1防护网特性分析4.1.1理论可监测量图4-1 智能防护网传感监测布网示意图传感监测点包括：上支撑绳、下支撑绳、钢柱、拉锚绳、减压环、格网、地基等。监测量有：上支撑绳拉力、下支撑绳拉力、上支撑绳扭力扭矩、下支撑绳扭力扭矩、钢柱倾斜、钢柱间距、钢柱应力应变、拉锚绳拉力、减压环直径、格网拉伸、地基沉降、地基压强、防护网振动等。4.1.2考虑可监测量根据现场状况：下支撑绳受力易受地貌状况影响，拉力传递效果不佳；减压环数量多、受力存在不确定性；上支撑绳距离地面较高，安装困难。因此，需要考虑在防护网上安装拉绳拉力传感器，用于监测落物重量；安装振动传感器，用于识别事件类别，判断落物堆积和破网事件，排除风雨雪、人员攀爬等干扰信息；钢柱拉锚绳拉力监测，用于辅助测量落物堆积重量；钢柱应力应变、地基沉降和压强、钢柱间距和倾斜等可监测信息。具体监测位置如图4-2所示。图4-2 防护网考虑可监测量4.2智能防护网方案14.2.1系统总体架构系统结构包括：事件识别系统、落物重量监测系统。事件识别系统由光纤振动传感器和模式识别软件算法组成，用于识别防护网落物破网和堆积事件，识别风雨雪和人员攀爬等事件；落物重量监测系统由钢柱应变传感器、拉锚绳拉力传感器、重量测算软件算法组成，用于测算落物重量大小。系统总体架构如图4-3所示。图4-3 系统总体结构示意图4.2.2系统工作原理该智能防护网系统逻辑上包括信息采集单元、数据处理单元和事件处理单元。信息采集单元包括振动、拉锚绳拉力、钢柱应变信息采集；数据处理单元包括振动信息处理、拉力信息、应变信息处理；事件处理单元包括事件类别和报警。该方案的逻辑示意图如图4-4。图4-4 系统工作原理逻辑示意图4.2.3系统指标项目指标要求供电电源交流220V10%工作时间全天候工作工作温度-15 - 40工作湿度0%95%，不结露报警方式短信、声光、界面展示防护网报警模式振动报警、破网报警、重物积累报警。数据存储量500G系统接口Socket网络接口4.3智能防护网方案24.3.1系统总体架构系统结构包括：事件识别系统、落物重量监测系统。事件识别系统由光纤振动传感器和模式识别软件算法组成，用于识别防护网落物破网和堆积事件，识别风雨雪和人员攀爬等事件；落物重量监测系统由拉绳拉力传感器、拉锚绳拉力传感器、重量测算软件算法组成，用于测算落物重量大小。拉绳拉力传感器配有“定力启动装置”，即该传感器受拉力超过规定值时，传感器才开始计算受力；设置该装置的目的是防止防护网网面松动摇晃对传感器产生的干扰。系统总体架构如图4-5所示。图4-5 系统总体结构示意图4.3.2系统工作原理该智能防护网系统逻辑上包括信息采集单元、数据处理单元和事件处理单元。信息采集单元包括振动、拉锚绳拉力、拉绳拉力信息采集；数据处理单元包括振动信息处理、拉力信息处理；事件处理单元包括事件类别和报警。该方案的逻辑示意图如图4-6。图4-6 系统工作原理逻辑示意图4.3.3系统指标项目指标要求供电电源交流220V10%工作时间全天候工作工作温度-15 - 40工作湿度0%95%，不结露报警方式短信、声光、界面展示防护网报警模式振动报警、破网报警、重物积累报警。数据存储量500G系统接口Socket网络接口五、智能防护网专用传感技术5.1纯拉力传感器5.1.1结构原理目前市场上的拉力传感器各式各样，但是拉力传感器的安装非常讲究，需要安装在没有侧向、扭曲受力的部位，否则会严重影响传感器的数值准确性。因此，市场上的拉力传感器的应用范围严重受限，急需开发一种纯拉力传感器。纯拉力传感器原理示意图如图5-1所示，传感器关键传感器件为最常用的力学试片，不同的是试片两端是用柔性连接（钢丝绳、链条等），该柔性连接的主要目的是消除外界侧向施力和扭曲力的干扰。该传感器最大的特点是结构简单、力学模型清晰。当传感器受到外界侧向力时（如图5-2所示），两端的柔性连接仅仅将拉力传递给传感器件，传感器件并未受到侧向力的干扰。图5-1 应变型纯拉力传感器原理示意图图5-2 受侧拉力示意图纯拉力传感器可以安装在铁路沿线智能防护网的上下支撑绳、上拉绳等等部位，监测其受力情况，并根据受力大小计算侵入物体的质量。5.1.2传感计算该传感器模型主要涉及到材料力学的应力应变计算单向应力状态下应力与应变的关系：5-1F为单向所受外力；S为受力横截面面积；E为材料的弹性模量，单位为N/m2。横向线应变、与纵向线应变成正比，比值为泊松比，而符号相反。在sx、sy、sz同时存在时，x方向的线应变ex为： 5-2在sx、sy、sz同时存在时，y、z方向的线应变为： 5-35.2拉位移传感器（或拉力）5.2.1结构原理目前市场上的位移传感器种类也很多，电子类的位移传感器居多，抗电磁干扰等性能较差。光纤的位移传感器也有近十种，但是拉绳式的位移传感器未见，由于该型式传感器可以监测横向位移、沉降、弯曲、转换拉力等，故有待于研究开发。有些场合需要制作大量程（例如几十吨）的拉力传感器，该量程的拉力传感器体积都很大，而且笨重，不利于安装。而该传感器结构可以将大吨位拉力，通过受力拉伸原理转换成微小拉力信号，测得外界拉力信号，再由算法还原拉力值大小。由于该传感器测得的是微小拉力，因此传感部件不需要很大，传感器本身体积较小，利于现场安装。图5-3 拉位移传感器原理示意图位移传感器原理示意图如图5-3，该结构关键力学器件是力学试件和弹簧，该位移传感器内外结构都有柔性连接，具有抗侧、扭曲力干扰问题。该位移传感器可以应用于铁路沿线智能防护网上下支撑绳弯曲监测（如图5-4）、沉降监测（如图5-5、5-6）等。该传感监测原理是：传感器壳体和柔性连接固定端两个点为基础点，两点之间线段最短，柔性连接的支撑点发生位移（沉降或弯曲）时，两点之间不再是线段，柔性连接被拉伸，弹簧伸长，拉力传感器件感受到外界拉力，由该拉力的大小即可得出沉降和弯曲程度。支撑点图5-4 位移传感器监测钢丝绳弯曲原理示意图图5-5 位移传感器沉降监测安装示意图图5-6 位移传感器监测沉降原理示意图5.2.2传感计算该传感器模型主要涉及到材料力学应力应变和弹簧受力计算。弹簧受力计算遵从胡克定律，至于弹簧设计应考虑如下：名称与代号压缩螺旋弹簧拉伸螺旋弹簧弹簧直径d/mm由强度计算公式确定弹簧中径D2/mmD2=Cd弹簧内径D1/mmD1=D2-d弹簧外径D/mmD=D2+d弹簧指数CC=D2/d一般4C6螺旋升角/=arctgPD2对压缩弹簧，推荐59有效圈数n由变形条件计算确定 一般n2总圈数n1压缩n1n(22.5)；拉伸n1n，n1n(1.52)(Y型热卷)；n1的尾数为1/4、1/2、3/4或整圈，推荐1/2圈自由高度或长度H0/mm两端圈磨平n1n1.5时，H0np+d。n1n2时，H0np+1.5d；n1n2.5时，H0np+2d。两端圈不磨平n1n2时，H0np+3d；n1n2.5时，H0np+3.5dLI型：H0(n+1)d+D1；L型：H0(n+1)d+2D1；L型：H0(n+1.5)d+2D1工作高度或长度Hn/mmHnH0-nHnH0+n，n-变形量节距p/mmpd间距/mmdpdd0压缩弹簧高径比bbH0/D2展开长度L/mmL=pD2n1/cosgL=pD2n+钩部展开长度（1） 强度计算公式 d=1.6KFC 5-4式中，K为曲度系数， K=0.615C+4C-14C-4；F为载荷；C为弹簧指数（亦称旋绕比），C=D2/d；为弹簧材料的许用扭转应力。由此可计算弹簧丝直径d。（2） 刚度计算公式n=Gd48FD23=Gd8FC3 5-5式中，n为弹簧的有效圈数； G为弹簧的切变模量；为弹簧变形量；D2 为弹簧圈中径；其它符号意义同前。（3）稳定性计算公式 为了限制弹簧载荷F小于失稳时的临界载荷Fcr。一般取F=Fcr/(22.5)，其中临界载荷可按下式计算:Fcr=CBkH0式中，CB 为不稳定系数 5-6图5-1 不稳定系数CB注： 1-两端固定； 2-一端固定； 3-两端自由转动5.3梁式纯拉力传感器5.3.1结构原理该梁式拉力传感器最大的特点是采用的是四点弯曲加载模型，同时采用了柔性连接受力传感部件的结构，能够抗侧、扭曲力干扰问题（如图5-7）。图5-7 梁式纯拉力传感器原理示意图四点加载可在内支点间的试样凸形表面部分产生均匀的纵向张应力，不会是光纤光栅产生啁啾现象。从内支点起到外支点止，应力线性地降至为零，四点加载试样使材料均匀受力有较大的区域，一般优于二点或三点加载试样，它特别适用于焊接材料试验和研究喷涂金属或有机涂层的保护性能。图5-8 四点加载示意图5.3.2传感计算该传感器模型主要涉及到四点弯曲加载受力计算图5-2 四点弯曲受力模型四点加载试样一般为宽1550mm和长110250mm的平直条带，试样厚度通常由材料的力学性能和所用产品形状决定，为适合特殊需要可改变试样尺寸.但应保持近似的尺寸比。如图5-2所示方式，支住试样两端，在两内支点上加力把试样顶弯。两个内支点必须对称地分布于外支架中点的两侧。两支点间试样凸形表面部分的弹性应力由下式计算：=12Ety3H2-4A2 5-7式中：最大张应力，Pa；E弹性模量，Pa；t试样厚度，m；y外支点间的最大挠度，m；H外支点间的距离，m；A内外支点间的距离，m。通常选择尺寸使A=H/4。5.4梁式拉位移传感器5.4.1结构原理该梁式拉位移传感器最大的特点是采用的是四点弯曲加载模型和弹簧，同时采用了柔性连接受力传感部件的结构，能够抗侧、扭曲力干扰问题。图5-9 梁式位移传感器原理示意图5.4.2传感计算该传感器模型主要涉及到四点弯曲加载受力计算和弹簧受力计算（如上）。5.5扭力传感器5.5.1结构原理该扭力传感器受力元件采用常用的拉力试件，由两支架以一定角度固定在钢丝绳上，拉力试件两端活性连接在两支架上，活性连接的作用是确保拉力试件仅受拉力作用。当钢丝绳受力拉紧时，钢丝绳本身就会发生一定扭转，两支架的角度会发生改变，这样拉力试件会感受钢丝绳的扭转力。图5-10 扭力传感器原理示意图由于捻角原因，钢丝绳内部存在扭矩，它将使钢丝绳产生扭转，具体表现：(1)单绳提升时，使钢丝绳绕自身轴线旋转而破坏其结构；(2)具有动滑轮组的多绳提升系统，使钢丝绳产生扭绞而中断其有效使用。扭转由钢丝绳结构决定，与钢丝绳结构参数有关。扭转效应强弱采用扭矩系数来描述。5.5.2传感计算该传感器模型主要涉及到材料力学应力应变（如上）。5.6扭矩传感器5.6.1结构原理该扭矩传感器受力元件采用常用的拉力试件和弹簧，由两支架以一定角度固定在钢丝绳上，拉力试件一端活性连接在支架上，另一端通过弹簧活性连接在支架上，活性连接的作用是确保拉力试件仅受拉力作用。当钢丝绳受力拉紧时，钢丝绳本身就会发生一定扭转，两支架的角度会发生改变，这样拉力试件会测出钢丝绳的扭转角度、扭矩。图5-11 扭矩传感器原理示意图5.6.2传感计算该传感器模型主要涉及到材料力学应力应变、弹簧受力以及钢丝绳扭矩计算。Kollros（1974，1976）率先用回归计算法来测评单层股钢丝绳的扭矩，这些公式来自于Engel（1957，1958和1966）的测量结果。扭矩常数的计算公式为：=MT=C1d 5-8式中，d为钢丝绳直径，mm；T为钢丝绳的拉力，N；C0为常数。Feyrer和Schifner（1986）对许多钢丝绳的扭矩测量后发现，仅靠式（5-8）不能准确描述钢丝绳的扭转，对式（5-8）进行了修正，得出了含有三个常数的扭矩回归计算公式：M=C1dT+C2d2T+C3Gd4 5-9式中，G为钢丝绳的剪切模量，N/mm2 ；为钢丝绳的单位长度扭转角，=L；为钢丝绳的扭转角（弧度），rad；C1、C2、C3为常数。钢丝绳的单位长度扭转角的正负由钢丝绳扭转方向确定，捻紧时为正，捻松时为负。5.7张力传感器5.7.1结构原理该张力传感器采用的是五点弯曲法，五点弯曲法是在三点弯曲法基础上的改进