徐傳廷

（中鐵十四局第四工程有限公司，濟(jì)南250000）

1 引言

高鐵速度快、安全性好、舒適度高，在世界各國(guó)都得到了快速發(fā)展。為了能夠確保高鐵行車的平穩(wěn)安全運(yùn)行，其建設(shè)所需的標(biāo)準(zhǔn)要遠(yuǎn)高于普通的鐵路，確保軌道具有持久穩(wěn)定的高平順性。而小的沉降以及好穩(wěn)定性的路基則是保證軌道平順性的前提條件。所以需要對(duì)路基的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一方面來為路基的養(yǎng)護(hù)提供相應(yīng)的依據(jù)，另一方面通過對(duì)路基沉降規(guī)律的研究來控制或者減緩沉降的速度[1]。路基在施工之后的沉降主要是由填土壓密、行車荷載以及地基自重產(chǎn)生的路基工后沉降幾個(gè)方面組成的。路基表面沉降監(jiān)測(cè)的技術(shù)大體上可以劃分為傳統(tǒng)土木監(jiān)測(cè)技術(shù)、光學(xué)測(cè)量技術(shù)、GPS技術(shù)以及雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)[2]。

2 路基表面沉降光學(xué)測(cè)量方案設(shè)計(jì)

2.1 單點(diǎn)路基表面沉降測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1.1 單點(diǎn)路基表面沉降裝置設(shè)計(jì)

單點(diǎn)路基表面沉降裝置主要可以劃分為3部分，分別為光學(xué)成像、信號(hào)接收與處理、數(shù)據(jù)通信，其具體的框圖如圖1所示。

圖1 單點(diǎn)路基表面沉降測(cè)量裝置具體框圖

2.1.2 路基表面沉降光學(xué)測(cè)量原理

利用光學(xué)對(duì)路基表面的沉降進(jìn)行測(cè)量其裝置主要由光源、透鏡、CCD光電探測(cè)器等組成。光學(xué)測(cè)量的原理是在沉降監(jiān)測(cè)樁上設(shè)置點(diǎn)光源，而監(jiān)測(cè)樁通常又會(huì)埋在路基的表面處，一旦路基發(fā)生了沉降，監(jiān)測(cè)樁也就會(huì)隨之發(fā)生沉降，同時(shí)光點(diǎn)就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的位移。通常將透鏡以及CCD光電探測(cè)器共同組合成為測(cè)量裝置，并將其設(shè)置在沉降量可以忽略不計(jì)的地方作為基點(diǎn)，確保監(jiān)測(cè)的可靠性[3]。根據(jù)圖2可以得出其中，h為路基的沉降量也就是點(diǎn)光源所產(chǎn)生的位移值，h′為點(diǎn)光源在光電探測(cè)器上的像點(diǎn)位移值，d為點(diǎn)光源與成像透鏡中心的水平距離，d′為像敏面與像透鏡中心的水平距離。根據(jù)公式可以看出沉降值與物距和像距有著很大的關(guān)系，雖然可以通過CCD能夠?qū)′的數(shù)值計(jì)算出，但是物距和像距的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)卻難以測(cè)量。

圖2 基于CCD的光學(xué)測(cè)量原理圖

基于雙點(diǎn)光源的路基表面沉降測(cè)量裝置主要是由點(diǎn)光源組合以及測(cè)量部分所組成，如圖3所示。點(diǎn)光源之間的間距為s，像點(diǎn)間距為s′，則路基表面沉降公式可以表示為，通過2個(gè)點(diǎn)光源的成像比例技術(shù)能夠有效地避免測(cè)量物距與像距之間的誤差，系統(tǒng)的精度也得以提高。

圖3 路基表面沉降光學(xué)測(cè)量原理圖

2.1.3 CCD光斑中心提取算法

測(cè)量裝置通過確定LED在線陣CCD上成像光斑的中心來測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的沉降值，但是在測(cè)量的過程中由于各方面因素的影響，使得CCD所采集到的光斑信號(hào)呈現(xiàn)出光強(qiáng)分布不均勻的情況，需要采取合適的算法來精確定位光斑中心的位置。目前，常用的算法主要包括了中心法、傳統(tǒng)質(zhì)心法以及加權(quán)質(zhì)心法。CCD光斑中心定位算法對(duì)比見表1。

表1 CCD光斑中心定位算法對(duì)比

2.2 多點(diǎn)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 多點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)量

多點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)量是在待測(cè)的路基沿線設(shè)置多個(gè)表面沉降單點(diǎn)測(cè)量裝置，然后將這些單點(diǎn)測(cè)量裝置進(jìn)行串聯(lián)。該測(cè)量方案的穩(wěn)定性較好、精度高，體積小而且方便安裝，能夠在較長(zhǎng)的路基上進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。但是由于各個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性較大，其中一點(diǎn)的問題都會(huì)對(duì)之后的測(cè)量產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生累積誤差[4]。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量

旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量是在被測(cè)的路基之上設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)樁，在不發(fā)生沉降的地方設(shè)置旋轉(zhuǎn)臺(tái)。該方案能夠?qū)⑿盘?hào)處理部分與無線網(wǎng)絡(luò)搭建部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于各個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)相互獨(dú)立的，因而并不會(huì)因?yàn)槠渲心骋粋€(gè)測(cè)點(diǎn)的問題而對(duì)其他的測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響。但是該方案在旋轉(zhuǎn)時(shí)高精度的基準(zhǔn)面難以保證，也就導(dǎo)致了測(cè)量的誤差也沒辦法進(jìn)行有效的控制；且該方案的耗電量較大，在無交流電的環(huán)境下，該方案不太適用。

2.2.3 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量方案是將單點(diǎn)路基沉降測(cè)量方法進(jìn)行了擴(kuò)展，多個(gè)探測(cè)器能夠共用同一個(gè)無線模塊，此外對(duì)于各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間并無關(guān)聯(lián)性，并不會(huì)由于一個(gè)測(cè)點(diǎn)的問題而對(duì)其他測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響。但是該方案的裝置體積較大，施工的難度和成本均會(huì)隨之增加，此外熱脹冷縮也會(huì)產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致其精度會(huì)有所下降。

3 路基表面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

為了能夠?qū)﹁F路路基的動(dòng)應(yīng)力特性、位移、沉降變形等參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在關(guān)鍵路基斷面處埋設(shè)傳感元件就地安裝采集設(shè)備，通過采用無線、遠(yuǎn)程的自動(dòng)傳輸方法，將所采集的信息先經(jīng)過簡(jiǎn)單的后處理之后再傳至監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行分析處理。對(duì)于該路線由于處于野外，其環(huán)境條件相對(duì)較為惡劣，為了能夠保證長(zhǎng)期穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)，需要解決電磁干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸所造成的影響，以及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中電池供電的問題。在路基表面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與總控板之間采用無線模塊的通信技術(shù)。待完成了傳感器的安裝和調(diào)試，之后就需要進(jìn)入標(biāo)定階段，確定出物方與像方之間的比例關(guān)系。為了能夠評(píng)價(jià)表面沉降測(cè)量裝置的工作穩(wěn)定性，需要在調(diào)試完畢之后選擇一段時(shí)間進(jìn)行不間斷的多次測(cè)量，并對(duì)傳感器本身系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)誤差進(jìn)行修正。

3.2 影響系統(tǒng)可靠性的主要因素及解決措施

3.2.1 系統(tǒng)自身影響

元器件的安裝容易影響反射鏡座，造成俯仰、偏擺等角度誤差，會(huì)對(duì)光路產(chǎn)生一定的影響。此外光源也會(huì)造成一定的影響，點(diǎn)光源在CCD光敏面上的成像很小，倘若CCD與光源之間發(fā)生了相對(duì)的橫向移動(dòng)，也極有可能會(huì)使得像點(diǎn)出現(xiàn)在CCD光敏面的正中。傳感器裝置各部分材料的線脹系數(shù)會(huì)有所不同，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其尺寸發(fā)生不同的變化，同時(shí)又由于大氣環(huán)境干濕的變化影響，也就會(huì)導(dǎo)致之前緊密結(jié)合的地方出現(xiàn)差異性變形，對(duì)測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。濾片在理論上應(yīng)當(dāng)為平板玻璃，而實(shí)際中濾波片通常存在著一定的曲率半徑，會(huì)對(duì)成像透鏡所計(jì)算出的像距造成影響，所以在光路設(shè)計(jì)以及機(jī)械的加工中需要選擇高精度的濾波片。

3.2.2 大氣衰減和湍流

光波在大氣中傳播的過程，由于氣體分子以及溶膠的吸收與消散均會(huì)衰減光束的能量，也就會(huì)導(dǎo)致CCD的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有所減弱。所以光波的傳輸距離越長(zhǎng)，對(duì)其造成的影響也就會(huì)越嚴(yán)重。其中水和二氧化碳分子是造成大氣光學(xué)衰減的重要因素。而大氣湍流會(huì)導(dǎo)致空氣折射率產(chǎn)生隨機(jī)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)光束彎曲以及光強(qiáng)起伏的現(xiàn)象，對(duì)光學(xué)成像的質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生影響。在鐵路中，當(dāng)列車迅速通過時(shí)，會(huì)造成路基的振動(dòng)以及空氣的擾動(dòng)，尤其是面臨兩車相向通過時(shí)，該現(xiàn)象會(huì)加劇，造成CCD探測(cè)出的光強(qiáng)不夠穩(wěn)定而出現(xiàn)像點(diǎn)位置的抖動(dòng)。所以需要判斷出列車經(jīng)過的時(shí)間，對(duì)列車經(jīng)過時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，避免該類數(shù)據(jù)對(duì)沉降信息造成錯(cuò)誤的判斷。

3.2.3 太陽光影響

對(duì)于較為強(qiáng)烈的太陽光，碎石會(huì)產(chǎn)生一定的反射，如果反射的太陽光進(jìn)入光學(xué)的成像系統(tǒng)當(dāng)中，就會(huì)對(duì)成像的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，加大了背景光干擾。此外，部分陽光還會(huì)直接照射到監(jiān)測(cè)裝置的成像系統(tǒng)之中，大大降低了系統(tǒng)的信噪比。所以在測(cè)量的過程中應(yīng)當(dāng)盡可能地避免在背景光較強(qiáng)、空氣干擾較大的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。需要適當(dāng)?shù)卦诠饴分性黾訛V波片，或者在夜間進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，來提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

綜上，高鐵路基的沉降監(jiān)測(cè)有著至關(guān)重要的作用。高鐵高速行駛的特性要求高鐵的軌道必須具有持久穩(wěn)定的高平順性，高鐵路基的各種不均勻沉降等都會(huì)嚴(yán)重影響車輛振動(dòng)，對(duì)列車的平穩(wěn)性、安全性以及舒適性造成影響。通過對(duì)沉降的監(jiān)測(cè)來研究分析路基的沉降規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)路基沉降的預(yù)測(cè)以及控制，從而達(dá)到減小沉降的目的。本文著重對(duì)光學(xué)沉降測(cè)量技術(shù)展開了分析，闡述了單點(diǎn)路基表面沉降裝置設(shè)計(jì)、路基表面沉降光學(xué)測(cè)量原理、CCD光斑中心提取算法以及多點(diǎn)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)。并從系統(tǒng)自身影響、大氣衰減和湍流以及太陽光影響3個(gè)方面分析了影響光學(xué)沉降測(cè)量系統(tǒng)可靠性的主要因素及解決措施。