一种高速铁路轨道基础沉降监控系统及监控方法

摘要

本发明涉及一种高速铁路轨道基础沉降监控系统，包括总监控端、以及数个分别设置在轨道各监测点上的子监控终端；其中，各个子监控终端分别包括控制器、以及分别与控制器相连的卫星定位模块、惯性测量模块、子通信模块；总监控端包括相互连接的监控服务器和总通信模块，总监控端与各个子监控终端之间通过总通信模块和子通信模块进行通信；本发明还涉及基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，在传统卫星测量方式的基础之上，配合惯性测量模块实时采集其所在监测点的位置信息，有效保证了高速铁路轨道基础沉降监控的精度。

权利要求

1.一种基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，其中，高速铁路轨道基础沉降监控系统包括总监控端、以及数个分别设置在轨道各监测点上的子监控终端；其中，各个子监控终端分别包括控制器、以及分别与控制器相连的卫星定位模块、子通信模块；总监控端包括相互连接的监控服务器和总通信模块，总监控端与各个子监控终端之间通过总通信模块和子通信模块经无线通信方式进行通信；所述各个子监控终端还分别包括与控制器相连的惯性测量模块；所述监控方法中，各个子监控终端中的卫星定位模块实时采集其所在监测点的定位信息，并发送至与之对应的控制器；其特征在于：所述各个子监控终端中的惯性测量模块实时采集其所在监测点的位置信息，并发送至与之对应的控制器；控制器按时间序列分别接收定位信息和位置信息，并按时间序列将其整合得到监测点位置信息，控制器将监测点位置信息发送至所述总监控端，所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，判断轨道各监测点的沉降情况，实现对高速铁路轨道基础沉降的监控。

2.根据权利要求1所述一种基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，其特征在于：所述控制器采用扩展卡尔曼滤波器，按时间序列将定位信息和位置信息进行整合得到监测点位置信息。

3.根据权利要求1或2所述一种基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，其特征在于：所述控制器按时间序列接收到由所述卫星定位模块采集到的定位信息后，根据定位信息对卫星定位模块工作正常与否进行判断，若判断卫星定位模块工作正常，则所述控制器按时间序列将定位信息和位置信息进行整合得到监测点位置信息；若判断卫星定位模块工作非正常，则所述控制器按时间序列将由所述惯性测量模块采集到的位置信息进行整合得到监测点位置信息。

4.根据权利要求3所述一种基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，其特征在于：所述控制器采用残差x2检验法，根据由所述卫星定位模块采集到的定位信息对卫星定位模块工作正常与否进行判断。

5.根据权利要求1所述一种基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，其特征在于：所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，针对同一监测点，对比不同时间点该监测点的监测点位置信息，判断轨道监测点的沉降情况。

6.根据权利要求1所述一种基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，其特征在于：所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，针对同一时间点，对比相邻监测点的监测点位置信息，判断轨道监测点的沉降情况。

说明书

一种高速铁路轨道基础沉降监控系统及监控方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高速铁路轨道基础沉降监控系统及监控方法。

背景技术

[0002] 高速铁路中最重要得两个特点是高平顺性和高稳定性，这两个特点决定了轨道基础沉降变形监测的意义和重要性。

[0003] 当行车速度在160km/h以下时，对波长为56、70、83、97m中长波高低的不平顺可不予管理，但分别在200、250、300、350km/h速度下时，其激扰频率与日本、法国高速车辆的车体垂向自振频率1Hz相当，导致车体产生“不明原因得强烈振动”，但轨检车测不出这种振动，且养路机械修不了，随着这个问题逐渐被人们所意识到，人们开始关注轨道路基的不均匀沉降和初始不平顺问题，因此，对于建设高平顺性和高稳定性的高速铁路来说，沉降监控的作用和意义显得尤为重要。

[0004] 我国正着力推广高速铁路建造技术，并加速推进高速铁路的建设，高速铁路的建设首先在施工技术上要求高，其次对运营管理提出了更高的要求。由于我国地质结构比较复杂，区域性的地面不均匀沉降对高速铁路的建设又会产生难以预估的影响，因此沉降监测成为建设过程中得重中之重，如何在建设过程中对高速铁路的建设进行有效的监控，不仅是施工顺利进行的保障，同时也是施工安全及运营后得安全保障。

[0005] 轨道基础沉降的分析、建模及科学预测是沉降监测的重要内容，沉降监测的目的是通过对监测数据进行处理与分析，以确定轨道基础的沉降过程、规律和幅度，查找变形原因，并判断这种变形是否正常。近年来，在我国经济建设高速发展和“十二五”规划大力建设基础设施的背景下，高速铁路得到了迅猛的发展，当铁路速度达到200km/h以上时，我们称之为高铁，针对高铁，由于轨道纵向上的不平顺而引起的列车震动相比于同等条件下的普通列车要严重得多，因此，高铁轨道的不平顺性将大大影响到旅客的舒适度。

[0006] 针对以上问题，目前普遍使用卫星测量方式，但该测量系统使用无线电波进行工作，常常会受到电离层天气的影响，在电离层天气发生扰动时，测量系统会产生几千米的误差，因此，电离层的变化严重影响单频卫星接收机的精度，而电离层闪烁则会影响所有类型卫星接收机的工作，特别是某些固定的区域，经常无法进行高精度的测量，卫星测量系统失灵事件时常发生。

发明内容

[0007] 针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种解决了传统卫星测量方式中的不足，能够有效提高轨道基础沉降监控精度的高速铁路轨道基础沉降监控系统。

[0008] 本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种高速铁路轨道基础沉降监控系统，包括总监控端、以及数个分别设置在轨道各监测点上的子监控终端；其中，各个子监控终端分别包括控制器、以及分别与控制器相连的卫星定位模块、子通信模块；总监控端包括相互连接的监控服务器和总通信模块，总监控端与各个子监控终端之间通过总通信模块和子通信模块进行通信；所述各个子监控终端还分别包括与控制器相连的惯性测量模块。

[0009] 作为本发明的一种优选技术方案：所述总通信模块和各个子通信模块均为无线通信模块，所述总监控端与所述各个子监控终端之间通过总通信模块和子通信模块进行无线通信。

[0010] 本发明所述一种高速铁路轨道基础沉降监控系统采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0011] （1）本发明设计的高速铁路轨道基础沉降监控系统，基于现有技术的基础上，增设惯性测量模块的监测点进行位置信息测量，有效弥补了传统卫星测量方式中的不足，大大提高了轨道基础沉降监控的精度，保证了高速铁路轨道基础沉降监控系统工作的稳定性；

[0012] （2）本发明设计的高速铁路轨道基础沉降监控系统中，针对总监控端与各个子监控终端之间的通信，采用无线方式进行通信，使得系统架设更加方便，且更加便于后期的设备维护。

[0013] 与此相应，针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于本发明设计的高速铁路轨道基础沉降监控系统，解决了传统卫星测量方式中的不足，能够有效提高轨道基础沉降监控精度的基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法。

[0014] 本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，所述各个子监控终端中的卫星定位模块实时采集其所在监测点的定位信息，并发送至与之对应的控制器；所述各个子监控终端中的惯性测量模块实时采集其所在监测点的位置信息，并发送至与之对应的控制器；控制器按时间序列分别接收定位信息和位置信息，并按时间序列将其整合得到监测点位置信息，控制器将监测点位置信息发送至所述总监控端，所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，判断轨道各监测点的沉降情况，实现对高速铁路轨道基础沉降的监控。

[0015] 作为本发明的一种优选技术方案：所述控制器采用扩展卡尔曼滤波器，按时间序列将定位信息和位置信息进行整合得到监测点位置信息。

[0016] 作为本发明的一种优选技术方案：所述控制器按时间序列接收到由所述卫星定位模块采集到的定位信息后，根据定位信息对卫星定位模块工作正常与否进行判断，若判断卫星定位模块工作正常，则所述控制器按时间序列将定位信息和位置信息进行整合得到监测点位置信息；若判断卫星定位模块工作非正常，则所述控制器按时间序列将由所述惯性测量模块采集到的位置信息进行整合得到监测点位置信息。

[0017] 作为本发明的一种优选技术方案：所述控制器采用残差x2检验法，根据由所述卫星定位模块采集到的定位信息对卫星定位模块工作正常与否进行判断。

[0018] 作为本发明的一种优选技术方案：所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，针对同一监测点，对比不同时间点该监测点的监测点位置信息，判断轨道监测点的沉降情况。

[0019] 作为本发明的一种优选技术方案：所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，针对同一时间点，对比相邻监测点的监测点位置信息，判断轨道监测点的沉降情况。

[0020] 本发明所述一种基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0021] （1）本发明设计的基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，在传统卫星测量方式的基础之上，配合惯性测量模块实时采集其所在监测点的位置信息，有效保证了高速铁路轨道基础沉降监控的精度；

[0022] (2)本发明设计的基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法中，针对传统卫星测量方式的测量结果进行验证判断，判断其工作过程是否正常，并根据判断结果，针对分别由卫星定位模块和惯性测量模块采集到的信息进行整合，用以提高最终获得监测点位置信息的精确度；

[0023] （3）本发明设计的基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法中，监控服务器针对最终接收到的监测点位置信息，可以灵活多样的采用多种方式进行比较判断，获得最终轨道监测点的沉降情况。

附图说明

[0024] 图1是本发明设计的高速铁路轨道基础沉降监控系统的模块图；

[0025] 图2是本发明设计的高速铁路轨道基础沉降监控系统的方法流程图。

具体实施方式

[0026] 下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0027] 如图1所示，本发明设计了一种高速铁路轨道基础沉降监控系统，包括总监控端、以及数个分别设置在轨道各监测点上的子监控终端；其中，各个子监控终端分别包括控制器、以及分别与控制器相连的卫星定位模块、子通信模块；总监控端包括相互连接的监控服务器和总通信模块，总监控端与各个子监控终端之间通过总通信模块和子通信模块进行通信；所述各个子监控终端还分别包括与控制器相连的惯性测量模块。

[0028] 本发明设计的高速铁路轨道基础沉降监控系统，基于现有技术的基础上，增设惯性测量模块的监测点进行位置信息测量，有效弥补了传统卫星测量方式中的不足，大大提高了轨道基础沉降监控的精度，保证了高速铁路轨道基础沉降监控系统工作的稳定性。

[0029] 作为本发明的一种优选技术方案：所述总通信模块和各个子通信模块均为无线通信模块，所述总监控端与所述各个子监控终端之间通过总通信模块和子通信模块进行无线通信。

[0030] 本发明设计的高速铁路轨道基础沉降监控系统中，针对总监控端与各个子监控终端之间的通信，采用无线方式进行通信，使得系统架设更加方便，且更加便于后期的设备维护。

[0031] 与此相应，如图2所示，本发明设计了一种基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，所述各个子监控终端中的卫星定位模块实时采集其所在监测点的定位信息，并发送至与之对应的控制器；所述各个子监控终端中的惯性测量模块实时采集其所在监测点的位置信息，并发送至与之对应的控制器；控制器按时间序列分别接收定位信息和位置信息，并按时间序列将其整合得到监测点位置信息，控制器将监测点位置信息发送至所述总监控端，所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，判断轨道各监测点的沉降情况，实现对高速铁路轨道基础沉降的监控。

[0032] 本发明设计的基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法，在传统卫星测量方式的基础之上，配合惯性测量模块实时采集其所在监测点的位置信息，有效保证了高速铁路轨道基础沉降监控的精度。

[0033] 作为本发明的一种优选技术方案：所述控制器采用扩展卡尔曼滤波器，按时间序列将定位信息和位置信息进行整合得到监测点位置信息。

[0034] 作为本发明的一种优选技术方案：所述控制器按时间序列接收到由所述卫星定位模块采集到的定位信息后，根据定位信息对卫星定位模块工作正常与否进行判断，若判断卫星定位模块工作正常，则所述控制器按时间序列将定位信息和位置信息进行整合得到监测点位置信息；若判断卫星定位模块工作非正常，则所述控制器按时间序列将由所述惯性测量模块采集到的位置信息进行整合得到监测点位置信息。

[0035] 作为本发明的一种优选技术方案：所述控制器采用残差x2检验法，根据由所述卫星定位模块采集到的定位信息对卫星定位模块工作正常与否进行判断。

[0036] 本发明设计的基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法中，针对传统卫星测量方式的测量结果进行验证判断，判断其工作过程是否正常，并根据判断结果，针对分别由卫星定位模块和惯性测量模块采集到的信息进行整合，用以提高最终获得监测点位置信息的精确度。

[0037] 作为本发明的一种优选技术方案：所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，针对同一监测点，对比不同时间点该监测点的监测点位置信息，判断轨道监测点的沉降情况。

[0038] 作为本发明的一种优选技术方案：所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，针对同一时间点，对比相邻监测点的监测点位置信息，判断轨道监测点的沉降情况。

[0039] 本发明设计的基于高速铁路轨道基础沉降监控系统的监控方法中，监控服务器针对最终接收到的监测点位置信息，可以灵活多样的采用多种方式进行比较判断，获得最终轨道监测点的沉降情况。

[0040] 本发明设计的高速铁路轨道基础沉降监控系统及监控方法在实际应用过程当中，所述各个子监控终端中的卫星定位模块实时采集其所在监测点的定位信息，并发送至与之对应的控制器；所述各个子监控终端中的惯性测量模块实时采集其所在监测点的位置信息，并发送至与之对应的控制器；控制器按时间序列分别接收定位信息和位置信息。

[0041] 所述控制器按时间序列接收到由所述卫星定位模块采集到的定位信息后，根据定位信息对卫星定位模块工作正常与否进行判断，若判断卫星定位模块工作正常，则所述控制器按时间序列将定位信息和位置信息进行整合得到监测点位置信息；若判断卫星定位模块工作非正常，则所述控制器按时间序列将由所述惯性测量模块采集到的位置信息进行整合得到监测点位置信息。其中，所述控制器采用残差x2检验法，根据由所述卫星定位模块采集到的定位信息对卫星定位模块工作正常与否进行判断，过程如下：

[0042] 建立系统误差方程：

[0043]

[0044]

[0045] 其中 为测量误差预测值， 为k-1时刻的测量误差估计值，Φ(k,k-1)为k-1时刻到k时刻的转移矩阵， 为观测估计值；H(k)为系统观测矩阵。

[0046] 如果k-1时刻以前（包括k-1步时刻）卫星系统输出无故障，那么经过卡尔曼滤波得到的k-1时刻的卫星估计值 应该是正确的。由系统的状态方程得到第k时刻系统状态的递推值：

[0047]

[0048] 由此可以得到k时刻系统观测的预测值：

[0049]

[0050] 由观测值的预测值 与实测值Z(k)之差构造检验统计量的方法称为残差χ2检验法。残差定义为

[0051]

[0052] 当卫星输出信号正常时，残差d(k)是零均值白噪声；当卫星输出信号异常时，残差d(k)的均值不再为零。因此，通过对残差d(k)的均值检验可确定系统是否发生了故障[0053] 以上过程之后，控制器采用扩展卡尔曼滤波器，按时间序列将定位信息和位置信息进行整合得到监测点位置信息，并且控制器将监测点位置信息发送至所述总监控端，所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，判断轨道各监测点的沉降情况，实现对高速铁路轨道基础沉降的监控，其中，控制器采用如下两种方式对监测点的沉降情况进行判断：

[0054] 方法一：所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，针对同一监测点，对比不同时间点，该监测点的监测点位置信息，若同一监测点在不同时间点时的位置信息不一致的话，则判断该监测点出现沉降；若同一监测点在不同时间点时的位置信息一致的话，则判断该监测点未出现沉降；由此判断轨道监测点的沉降情况。

[0055] 方法二：作为本发明的一种优选技术方案：所述监控服务器接收由各个子监控终端发送的监测点位置信息，针对同一时间点，对比相邻监测点的监测点位置信息，若同一时间点，相邻监测点的监测点位置信息中高度、角度信息不一致的话，则判断轨道上该两个监测点所在区域出现沉降；若同一时间点，相邻监测点的监测点位置信息中高度、角度信息一致的话，则判断轨道上该两个监测点所在区域未出现沉降；由此判断轨道监测点的沉降情况。

[0056] 本发明设计的高速铁路轨道基础沉降监控系统及监控方法在实际应用过程当中，卫星定位模块为XW-ADU3600测量定向OEM模块，惯性测量模块由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成，加速度计采用XW-AS1920石英加速度计，陀螺仪采用XW-GS1830-34三轴MEMS陀螺仪。

[0057] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。