基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法和系统

摘要

一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法，包括：在铁路桥梁健康状态下，通过轨道伴行光缆采集列车运行时在铁路桥梁上产生的桥梁振动信号作为健康样本信号；通过轨道伴行光缆实时采集列车运行时在铁路桥梁上产生的桥梁振动信号，并通过轨道伴行光缆对列车运行区域进行监控，获取所述桥梁振动信号与列车运行区域的对应关系；将对应的列车运行区域相同的桥梁振动信号与健康样本信号进行对比，获取两者之间的信号差异。本发明根据当前的列车运行产生的桥梁振动信号相对于健康样本信号的变化对桥梁监控状态进行评估，从而及时根据桥梁振动信号获知异常情况，以便及时启动桥梁异常排查程序，对铁路桥梁进行专项检测和评估，保证铁路桥梁的安全使用。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路桥梁安全监测领域，尤其涉及一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法和系统。

背景技术

铁路桥梁作为铁路实现各种障碍物跨越延伸的必备结构物，其运营期间的健康状态对于保障铁路运输安全具有重要的意义。随着铁路服役时间的积累，桥梁结构材料老化、结构性能退化等因素影响，健康状态的监测评估显得更加重要，传统的做法是在桥梁上特定部位安装关键传感器实现对桥梁健康状态的监测评估，效率慢，成本高。

事实上，当轨道上的列车距离待监测桥梁成百甚至上千米时，桥梁已经开始按照一定的频率振动，这种铁路沿线的振动可以被传感系统及时采集到，还可判断出列车和桥梁间的相对距离。因此，通过实时采集列车在轨道上运行时的振动信号，即可实现对铁路桥梁结构振动的长期监测。

发明内容

为了解决上述现有技术中铁路桥梁健康状态监测的缺陷，本发明提出了一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法和系统。

本发明的目的之一采用以下技术方案：

一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法，包括：

S1、在铁路桥梁健康状态下，通过轨道伴行光缆采集列车运行时在铁路桥梁上产生的桥梁振动信号作为健康样本信号，并将健康样本信号与采集健康样本信号时对应的列车的运行区域进行关联；

S2、通过轨道伴行光缆实时采集列车运行时在铁路桥梁上产生的桥梁振动信号，并通过轨道伴行光缆对列车运行区域进行监控，获取所述桥梁振动信号与列车运行区域的对应关系；

S4、将对应的列车运行区域相同的桥梁振动信号与健康样本信号进行对比，获取两者之间的信号差异。

优选的，在步骤S2之后还包括步骤S3：设置神经网络模型，并将对应的列车运行区域相同的桥梁振动信号与健康样本信号组成样本数据，对样本数据人工标注信号差异；通过神经网络模型对人工标注的样本数据进行学习，获得信号差异计算模型；

步骤S4具体为：将采集的桥梁振动信号与对应的列车运行区域相同的健康样本信号组成验证数据，将验证数据输入信号差异计算模型以获得对应的信号差异。

优选的，还包括步骤S5：获取信号差异与桥梁评估状态之间的对应关系；

在步骤S4之后还包括步骤S6：参照所述对应关系，获取步骤S4中所述信号差异对应的桥梁评估状态。

优选的，步骤S1中，健康样本信号还关联有列车类型和车速；步骤S2中，采集的桥梁振动信号也关联有列车类型和车速；步骤S4具体为：将对应的列车运行区域、列车类型和车速均相同的桥梁振动信号与健康样本信号进行对比，获取两者之间的信号差异。

优选的，在步骤S1之前，首先获取轨道伴行光缆的光纤长度节点与轨道位置之间的映射关系，以检测桥梁振动信号和列车位置；

列车运行在轨道上产生的振动信号沿着轨道双向传递，桥梁振动信号与列车运行区域进行关联的方法包括以下步骤：

通过轨道伴行光缆实时监测列车运行产生的振动信号对应的光纤长度节点，并获取所述光纤长度节点对应的轨道位置作为列车运行区域；

通过铁路桥梁对应的光纤长度节点实时监测桥梁振动信号；

将桥梁振动信号与同一时刻获得的所述振动信号对应的列车运行区域进行关联。

优选的，对轨道伴行光缆的光纤长度节点与轨道位置进行映射的方法包括以下步骤：

S101、将载有测绘系统的列车记作测绘列车，通过测绘列车上安装的测绘系统进行地理测绘，实时采集轨道的地理坐标信息；

S102、通过轨道伴行光缆中的光纤采集轨道上列车运行产生的振动信号；将测绘列车对应的振动信号记作目标振动信号，根据测绘列车长度及测绘系统在测绘列车上的安装位置获取所述目标振动信号对应的光纤长度节点；

S103、将同一测绘列车在同一时间采集的地理坐标信息和产生的目标振动信号进行关联，实现所述目标振动信号对应的光纤长度节点与所述地理坐标信息之间的映射，从而实现轨道伴行光缆与轨道间位置的映射。

优选的，步骤S103中，首先选择目标轨道，将测绘列车在目标轨道上运行时采集的地理坐标信息和产生的目标振动信号进行关联；目标轨道为铁路沿线上相邻两个站点之间的轨道。

优选的，步骤S102中，当目标轨道上有多辆列车同向行驶时，所述轨道伴行光缆将在同一时刻获得一组振动信号，该组振动信号的数量与同向行驶的列车数量对应一致，且该组振动信号中的各信号分别与轨道伴行光缆的不同位置相对应；根据站点发车时间或者列车到站时间获取测绘列车在该多辆列车中的排列顺序，将该所述排列顺序与任一组振动信号在轨道伴行光缆上的排序进行对比，获取轨道伴行光缆上对应测绘列车在任一时刻的目标振动信号。

优选的，光纤长度节点在铁路沿线上的长度值小于或者等于对应的测绘列车在相邻两次地理坐标信息采集时间间隔上运行的距离。

优选的，步骤S102中，根据测绘列车长度及测绘系统安装位置获取所述目标振动信号对应的光纤长度节点的方法为：首先获取光纤长度节点在铁路沿线上的长度值，当获取测绘列车在任一时刻产生的目标振动信号时，首先获取所述目标振动信号对应的振动探测范围；所述目标振动信号对应的光纤长度节点为对应的振动探测范围内以测绘系统在测绘列车上的安装位置为中心以长度值为直径的截取范围；所述长度值为固定值。

优选的，步骤S102中，根据测绘列车长度及测绘系统安装位置获取所述目标振动信号对应的光纤长度节点的方法为：将轨道伴行光缆沿轨道延长方向划分为多个光纤长度节点，当获取测绘列车在任一时刻产生的目标振动信号时，获取位于所述目标振动信号的振动探测范围内的光纤长度节点；根据测绘列车长度及测绘系统安装位置，获取测绘系统所在的光纤长度节点作为所述目标振动信号对应的光纤长度节点。

本发明的目的之二采用以下技术方案：

一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测系统，包括存储模块和处理器；存储模块中存储有计算机程序，处理器用于在执行所述计算机程序时，实现如权利要求1或2或3所述的基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法。

本发明的优点在于：

(1)根据当前的列车运行产生的桥梁振动信号相对于健康样本信号的变化对桥梁监控状态进行评估，从而及时根据桥梁振动信号获知异常情况，以便及时启动桥梁异常排查程序，对铁路桥梁进行专项检测和评估，保证铁路桥梁的安全使用。

(2)根据不同时期列车运行时传递到铁路桥梁的振动波形的变化，实现了对铁路桥梁的健康状态的实时监测和初步评估，以便及时发现桥梁异常。

(3)结合本发明提供的轨道伴行光缆的光纤长度节点与轨道位置之间的映射方法，保证了光纤长度节点与轨道间位置的精确映射，从而保证了桥梁振动信号与列车运行区域之间的精确映射，保证了在后采集的桥梁振动信号与健康样本信号之间的精确映射，避免了由于位置偏差等因素对桥梁振动信号与健康样本信号之间的信号差异的干扰，从而进一步保证了铁路桥梁健康状态评估的可靠性。

(4)本发明利用分布式光纤声波传感系统，通过轨道伴行光缆中的冗余芯实时采集轨道上列车运行时产生的强烈振动信号，该振动信号会沿着轨道向列车前后方快速传播，并引起铁路沿线的桥梁产生受迫振动，通过采集一段时间内的桥梁振动信号并分析其振动频谱特征，可为铁路沿线所有桥梁建立长期监测健康数据库，实现桥梁结构异常振动的安全监测，保障铁路系统的运维安全。

附图说明

图1为实施例1提出的一种轨道伴行光缆与轨道间位置映射方法流程图；

图2为实施例1提出的一种光纤长度节点获取情景示意图；

图3为实施例1提出的另一种光纤长度节点获取情景示意图；

图示：3-列车、4-测绘系统、5-轨道；

图4为实施例4提出的一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法流程图；

图5为实施例5提出的一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法流程图；

图6为实施例6提出的一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法流程图。

具体实施方式

分布式光纤声波传感技术，是一种利用通信用单模光纤实现振动和声场连续分布式探测的新型传感技术；

轨道伴行光缆：沿铁路轨道敷设的多芯通信光缆；

铁路桥梁：是铁路跨越河流、湖泊、海峡、山谷或其他障碍物，以及为实现铁路线路与铁路线路或道路的立体交叉而修建的构筑体。

实施例1

参照图1，本实施例提出的一种轨道伴行光缆与轨道间位置映射方法，包括以下步骤。

S101、将载有测绘系统的列车记作测绘列车，通过测绘列车上安装的测绘系统进行地理测绘，实时采集轨道的地理坐标信息。

S102、通过轨道伴行光缆中的光纤采集轨道上列车运行产生的振动信号；将测绘列车对应的振动信号记作目标振动信号，根据测绘列车长度及测绘系统在测绘列车上的安装位置获取所述目标振动信号对应的光纤长度节点。具体实施时，本步骤中，可通过轨道伴行光缆中的冗余光纤采集振动信号。

具体的，本步骤中，根据测绘列车长度及测绘系统安装位置获取所述目标振动信号对应的光纤长度节点的方法为：当获取测绘列车在任一时刻产生的目标振动信号时，首先获取光纤长度节点在铁路沿线上的长度值，获取所述目标振动信号对应的振动探测范围；所述目标振动信号对应的光纤长度节点，为该目标振动信号对应的振动探测范围内以测绘系统在测绘列车上的安装位置为中心以长度值为直径的截取范围；所述长度值为固定值。具体参照图2，本实施例中，根据测绘列车每一次采集的地理坐标信息结合测绘列车的振动探测范围Dn计算对应的光纤长度节点n。本实施例具体实施时，长度值与测绘列车相对应，长度值小于或者等于对应的测绘列车在相邻两次地理坐标信息采集时间间隔上运行的距离，以避免同一光纤长度节点映射两个不同的地理坐标的情况。本实施例中，该测绘列车在当前时刻对应的光纤长度节点n的范围如图2所示。

具体实施时，根据测绘列车长度及测绘系统安装位置获取所述目标振动信号对应的光纤长度节点，还可通过以下方法实现：将轨道伴行光缆沿轨道延长方向划分为多个光纤长度节点，当获取测绘列车在任一时刻产生的目标振动信号时，获取位于所述目标振动信号的振动探测范围内的光纤长度节点；根据测绘列车长度及测绘系统安装位置，获取测绘系统所在的光纤长度节点作为所述目标振动信号对应的光纤长度节点。例如图3所示，轨道伴行光缆上预先划分的光纤长度节点包括n-4到n+3。当测绘列车3处于图3所示位置时，其振动探测范围为Dn，该振动探测范围Dn横跨光纤长度节点n-3到n+1，结合测绘列车3长度和测绘系统4在测绘列车3上的安装位置，可计算出当前测绘系统处于光纤长度节点n上，从而将光纤长度节点n作为当前的目标振动信号对应的光纤长度节点，当前时刻测绘列车采集的地理坐标信息与光纤长度节点n进行映射。本实施例具体实施时，各光纤长度节点在铁路沿线上的长度应小于或者等于测绘列车在相邻两次地理坐标信息采集时间间隔上运行的最小距离，以避免同一光纤长度节点映射两个不同的地理坐标的情况。

S103、将同一测绘列车在同一时间采集的地理坐标信息和产生的目标振动信号进行关联，实现所述目标振动信号对应的光纤长度节点与所述地理坐标信息之间的映射，从而实现轨道伴行光缆与轨道间位置的映射。

具体实施时，步骤S103中，首先选择目标轨道，当测绘列车进入目标轨道，将测绘列车在目标轨道上运行时采集的地理坐标信息和产生的目标振动信号进行关联，从而将目标振动信号对应的光纤长度节点与所述目标振动信号相关联的地理坐标信息进行映射。

本实施方式中，测绘系统获取的地理坐标信息，为测绘系统在轨道沿线上的坐标，即为轨道的地理坐标。本实施方式中，通过测绘列车的运行，将轨道的地理坐标与光纤长度节点进行映射，测量精确，且自动化程度高，效率高。

实施例2

本实施例的步骤S102中，当目标轨道上有多辆列车同向行驶时，所述轨道伴行光缆将在同一时刻获得一组振动信号，该组振动信号的数量与同向行驶的列车数量对应一致，且该组振动信号中的各信号分别与轨道伴行光缆的不同位置相对应；根据站点发车时间或者列车到站时间获取测绘列车在该多辆列车中的排列顺序，将该所述排列顺序与任一组振动信号在轨道伴行光缆上的排序进行对比，获取轨道伴行光缆上对应测绘列车在任一时刻的目标振动信号。

假设，本实施例中，可设置轨道R为目标轨道。轨道R的轨道伴行光缆L采集到测绘列车C产生的目标振动信号H，测绘列车C所携带的测绘系统采集的地理坐标信息D，将采集时间相同的目标振动信号H与地理坐标信息D相关联，将振动信号H对应的光纤长度节点和地理坐标信息D进行映射。

具体的，目标振动信号H所在的轨道R，指的是该振动信号H所在的相邻两个站点之间的轨道，具体可记作(H；R1，R2)，H表示目标振动信号，R1和R2表示测绘列车先后经过的相邻的两个列车站点，(H；R1，R2)表示振动信号H对应的测绘列车从列车站点R1驶向列车站点R2。

当被测量的轨道R上有多辆列车同向行驶，且其中至少有一辆测绘列车时，首先获取多辆同向行驶的列车的排列顺序，并根据所述排列顺序获取轨道伴行光缆上对应测绘列车的目标振动信号。

假设，轨道伴行光缆L上有3个振动信号H

假设，列车C

实施例3

在实施例2的步骤S103中，目标轨道为铁路沿线上相邻两个站点之间的轨道。如此，以相邻两个站点之间的距离对轨道和轨道伴行光缆进行分割，方便了在站点设置光纤探测器，以便实现对光纤长度节点的精确定位，也有利于进一步提高光纤长度节点与地理坐标的映射精度。

本实施例中，某条线路上有两个相邻的站点记作A和B，将列车站点A和B之间的轨道伴行光缆标记为L

实施例4

本实施例提出了一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法，包括以下步骤。

S1、在铁路桥梁健康状态下，通过轨道伴行光缆采集列车运行时在铁路桥梁上产生的桥梁振动信号作为健康样本信号，并将健康样本信号与采集健康样本信号时对应的列车的运行区域进行关联。

由于振动信号具有传递性，列车运行在轨道上产生的振动信号沿着轨道双向传递，且传递距离与轨道材质、地形等均相关。故而，针对不同的铁路桥梁，可根据所在的地理位置、桥梁长度等采集与桥梁相对距离不同的列车运行区域内的列车传递到所述铁路桥梁的桥梁振动信号作为健康样本信号，具体的，可采集列车在铁路桥梁上运行时的桥梁振动信号作为健康样本信号，也可采集列车在铁路桥梁下运行时的桥梁振动信号作为健康样本信号；前者，为列车运行直接作用与轨道产生的信号，后者为列车在轨道上的振动信号的传递范围信号。

S2、通过轨道伴行光缆实时采集列车运行时在铁路桥梁上产生的桥梁振动信号，并通过轨道伴行光缆对列车运行区域进行监控，获取所述桥梁振动信号与列车运行区域的对应关系；

具体实施时，本实施例中，在步骤S1之前，首先获取轨道伴行光缆的光纤长度节点与轨道位置之间的映射关系，以检测桥梁振动信号和列车位置。

具体的，桥梁振动信号与列车运行区域进行关联的方法包括以下步骤：

第一步：通过轨道伴行光缆实时监测列车运行产生的振动信号对应的光纤长度节点，并获取所述光纤长度节点对应的轨道位置作为列车运行区域。

第二步：通过铁路桥梁对应的光纤长度节点实时监测桥梁振动信号。

第三步：将桥梁振动信号与同一时刻获得的所述振动信号对应的列车运行区域进行关联。

本实施例中，健康样本信号的本质为桥梁振动信号，健康样本信号与采集健康样本信号时对应的列车的运行区域的对应关系也根据以上方法获得。

S4、将对应的列车运行区域相同的桥梁振动信号与健康样本信号进行对比，获取两者之间的信号差异，以便根据当前的桥梁振动信号相对于健康样本信号的变化对桥梁监控状态进行评估，从而及时根据桥梁振动信号获知异常情况，以便及时启动桥梁异常排查程序，对铁路桥梁进行专项检测和评估，保证铁路桥梁的安全使用。

具体实施时，本实施方式中，可根据现有的在轨道伴行光缆上设置光栅传感器的方式或者手持光探测器的方式获取轨道伴行光缆的光纤长度节点与轨道位置之间的映射关系，也可通过实施例1或2或3获取轨道伴行光缆的光纤长度节点与轨道位置之间的映射关系。

实施例5

具体实施时，可将对应的列车运行区域相同的桥梁振动信号与健康样本信号进行人工对比，以获取两者之间的信号差异。

本实施例中，还提供了一种通过机器对列车运行区域相同的桥梁振动信号与健康样本信号进行对比的方法。

本实施例中，在步骤S2之后还包括步骤S3：设置神经网络模型，并将对应的列车运行区域相同的桥梁振动信号与健康样本信号组成样本数据，对样本数据人工标注信号差异；通过神经网络模型对人工标注的样本数据进行学习，获得信号差异计算模型。

步骤S4具体为：将采集的桥梁振动信号与对应的列车运行区域相同的健康样本信号组成验证数据，将验证数据输入信号差异计算模型以获得对应的信号差异。

如此，本实施例中，通过对历史大数据的机器学习，获得信号差异计算模型。然后通过固定下来的信号差异计算模型对列车运行区域相同的桥梁振动信号与健康样本信号进行对比，获得两者之间的信号差异，实现了信号差异的机器高效且可靠性评估。

实施例6

相对于实施例5，本实施例中，还包括步骤S5：获取信号差异与桥梁评估状态之间的对应关系。

在步骤S4之后还包括步骤S6：参照所述对应关系，获取步骤S4中所述的信号差异对应的桥梁评估状态。

实施例5中，仅输出信号差异，需要专业的操作人员进一步根据信号差异对桥梁状态进行评估。由于信号差异计算模块输出的信号差异通过对人工标注进行学习获得，故而，信号差异的表现形式可人工设置，从而可根据需要色湖之信号差异的表现形式，以满足不同的操作人员的需求。同时，通过操作人员对信号差异的观测，方便对桥梁状态的精确判断和深度评估。

本实施例中，根据信号差异与桥梁评估状态之间的对应关系，可直接获得桥梁评估状态，降低了对操作人员的专业性要求，有利于进一步提高桥梁评估效率。本实施例中，根据不同时期列车运行时传递到铁路桥梁的振动波形的变化，实现了对铁路桥梁的健康状态的实时监测和初步评估，以便及时发现桥梁异常，进行排查。

实施例7

相对于实施例5，本实施例中，步骤S1中，健康样本信号还关联有列车类型和车速；步骤S2中，采集的桥梁振动信号也关联有列车类型和车速；步骤S4具体为：将对应的列车运行区域、列车类型和车速均相同的桥梁振动信号与健康样本信号进行对比，获取两者之间的信号差异。

具体的，本实施例中，通过关联列车类型和车速，进一步削弱了由于列车本身造成的桥梁振动信号与对应的健康样本信号之间的信号差异，从而提高根据信号差异评估铁路桥梁健康状态的精确性。

同理，具体实施时，在健康样本信号不关联列车类型和车速的情况下，可着重根据桥梁振动信号的波形变化趋势相对于对应的健康样本信号的波形变化趋势的差异性对铁路桥梁健康状态进行评估。

实施例8

本实施例提出了一种基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测系统，包括存储模块和处理器；存储模块中存储有计算机程序，处理器用于在执行所述计算机程序时，实现如实施例4或5或6或7所述的基于轨道伴行光缆的铁路桥梁健康监测方法。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。