李德州

（天津南緯導(dǎo)航科技發(fā)展有限公司，天津 300392）

0 引言

當(dāng)前城市發(fā)展迅速，市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與鐵路相互交集越來(lái)越多，鄰近營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工項(xiàng)目大量增加。施工期間對(duì)鐵路設(shè)備進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)保障鐵路運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。由于營(yíng)業(yè)線(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目具有實(shí)施難度大、監(jiān)測(cè)頻次高、測(cè)量精度高、安全等級(jí)高、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足該類(lèi)工程需求，因此自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生。

接觸網(wǎng)立柱是接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的支撐設(shè)備，接觸懸掛被支柱支持在線(xiàn)路上方，承擔(dān)接觸懸掛與支持裝置的負(fù)荷。采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支柱和鋼柱，鋼柱基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土，承受支柱傳給的全部負(fù)荷，并保證支柱的穩(wěn)定性。鑒于鄰近營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工過(guò)程中受影響的接觸網(wǎng)立柱需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，常用的設(shè)備為全站儀、傾角儀，該文主要介紹無(wú)線(xiàn)傾角儀在實(shí)際中的應(yīng)用。

1 原理與監(jiān)測(cè)方法

1.1 概述

采用低功耗、遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)高精度傾角傳感器，針對(duì)戶(hù)外無(wú)供電使用條件或無(wú)須時(shí)刻量測(cè)，但必須定期檢測(cè)物體姿態(tài)角度的低功耗遠(yuǎn)程雙軸傾角傳感器。傳感器根據(jù)用戶(hù)設(shè)置的喚醒可定時(shí)上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，用戶(hù)無(wú)須實(shí)地勘測(cè)便可知被測(cè)物體狀態(tài)。設(shè)定報(bào)警角度閥值，當(dāng)超過(guò)傳感器檢測(cè)到物體突發(fā)超出安全角度值時(shí)會(huì)主動(dòng)喚醒設(shè)備，并第一時(shí)間上傳警報(bào)信息。

1.2 原理

該文采用進(jìn)口石英撓性伺服加速度計(jì)作為敏感元件，它是一個(gè)力平衡式的伺服系統(tǒng)，當(dāng)傳感器相對(duì)地球重心方向產(chǎn)生傾角θ時(shí)，由于重力作用，傳感器中敏感元件相對(duì)鉛錘方向擺動(dòng)一個(gè)角度，通過(guò)高靈敏的石英換能器將此角度轉(zhuǎn)換成信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，可以直接讀出被測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)角度變化量。

敏感元件是由接近零溫度系數(shù)的熔融石英玻璃制成的，具有精度高、穩(wěn)定性好、重復(fù)性高、漂移小等優(yōu)點(diǎn)。高智能型電子傾角儀可以接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同其他高智能型傳感器一樣實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，儀器原理如圖1所示。

圖1 儀器原理圖

1.3 監(jiān)測(cè)方法

傾角儀實(shí)際上是重力加速度計(jì)，測(cè)量地球引力在測(cè)量方向上的分量。測(cè)斜探頭已固定在儀器內(nèi)部。當(dāng)接觸網(wǎng)立柱發(fā)生傾斜時(shí)，通過(guò)自動(dòng)化采集系統(tǒng)可以直接讀出、兩個(gè)方向傾斜的角度，上傳數(shù)據(jù)至平臺(tái)。

傾斜儀是雙軸（垂直鐵路方向和平行鐵路方向的監(jiān)測(cè)）高精度數(shù)字型傾角傳感器。產(chǎn)品量程±15°，采用鋁合金外殼，防護(hù)等級(jí)IP67。相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

固定傾角儀輸出物理量為方向、方向的角度值，可換算為位移量。

首先傾角儀穩(wěn)定且安裝完畢后可選定此時(shí)的測(cè)量值和偏差值為、方向的初始安裝位置，即在現(xiàn)場(chǎng)效驗(yàn)設(shè)置為零點(diǎn)。然后每次測(cè)量數(shù)據(jù)須減去初始安裝值。此項(xiàng)功能在軟件中記錄并應(yīng)用。

其原理考慮為以下兩點(diǎn)。1）出廠(chǎng)時(shí)每個(gè)傾角儀的零點(diǎn)位置不一致，且生產(chǎn)不可能達(dá)到完全鉛直的0°位置。2）安裝時(shí)不可能完全按照每個(gè)傾角儀測(cè)出的零點(diǎn)位置安裝。

因此需要待固定傾角儀安裝穩(wěn)定后記錄安裝初始位置認(rèn)定為零點(diǎn)（，）。之后換算所需的固定傾角儀的有效測(cè)量值和有效偏差值（x，y），統(tǒng)一由當(dāng)次測(cè)量值x和偏差值y，分別減去初始安裝值，。

角度轉(zhuǎn)化為位移的計(jì)算公式。

式中：代表位移量大小，代表傾角儀安裝高度，代表傾斜度，代表傾角儀安裝的初始位置值，代表某次測(cè)量的角度值（其中和屬于兩維量，含、方向，此公式為近似算法）。

計(jì)算原理示意圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算原理示意圖

1.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括自動(dòng)化采集控制、無(wú)線(xiàn)傳輸和網(wǎng)上監(jiān)測(cè)平臺(tái)。無(wú)線(xiàn)傾角儀通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)平臺(tái)，按照監(jiān)測(cè)方案及圖紙修改傳感器相應(yīng)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分組、整理。設(shè)定好測(cè)點(diǎn)初始數(shù)據(jù)后，自動(dòng)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變量及日變量，呈現(xiàn)出各測(cè)點(diǎn)變化后的變形曲線(xiàn)，使監(jiān)測(cè)結(jié)果在平臺(tái)上完整展現(xiàn)。方便鐵路管理方及相關(guān)單位隨時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和施工狀況，確保監(jiān)測(cè)期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與相關(guān)設(shè)備管理單位實(shí)時(shí)共享，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái)將實(shí)時(shí)發(fā)布監(jiān)測(cè)成果，提供網(wǎng)址和賬號(hào)，可利用移動(dòng)接收端實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中包括數(shù)據(jù)報(bào)表、沉降趨勢(shì)變化分析及達(dá)到預(yù)警狀態(tài)的變化量。也可隨時(shí)查看歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)以及預(yù)警、報(bào)警信息。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的有效信息都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里，以供用戶(hù)查詢(xún)、下載、分析，能保障數(shù)據(jù)的安全與有效，時(shí)時(shí)確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可追溯性。

2 應(yīng)用實(shí)例

某涉鐵項(xiàng)目頂管隧道直線(xiàn)下穿高速鐵路，施工影響范圍內(nèi)線(xiàn)路上分布著10個(gè)接觸網(wǎng)立柱，下穿過(guò)程中土體擾動(dòng)勢(shì)必會(huì)造成接觸網(wǎng)立柱變形傾斜，因此在接觸網(wǎng)立柱（鋼柱）上安裝無(wú)線(xiàn)傾角儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。根據(jù)鄰近營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工監(jiān)測(cè)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，接觸網(wǎng)立柱傾斜預(yù)警值為3‰。由于規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)高，為了及時(shí)掌握傾角儀在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受溫度影響程度，在下穿施工準(zhǔn)備階段，提前安裝好無(wú)線(xiàn)傾角儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為后續(xù)施工提供數(shù)據(jù)參考。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

先把傾角儀用螺絲裝在定制好帶“L”型的不銹鋼板上，再用云石膠添加固化劑一起直接把傾角儀黏貼在接觸網(wǎng)立柱上，安裝在立柱基礎(chǔ)面垂直高度0.5米處，調(diào)節(jié)螺母，使傾角儀的軸線(xiàn)安裝垂直。傾角儀安裝位置確定之后，按照監(jiān)測(cè)方案及圖紙修改網(wǎng)上監(jiān)測(cè)平臺(tái)傳感器相對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分組、整理，設(shè)定好測(cè)點(diǎn)初始數(shù)據(jù)，按照每隔半小時(shí)的測(cè)量頻率進(jìn)行設(shè)置。監(jiān)測(cè)平臺(tái)自動(dòng)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變量及日變量，呈現(xiàn)出各測(cè)點(diǎn)變化后的變形曲線(xiàn)。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

無(wú)線(xiàn)傾角儀是通過(guò)加速度計(jì)的變化來(lái)反映位移變化的，采用進(jìn)口石英撓性伺服加速度計(jì)，熱穩(wěn)定性高。接觸網(wǎng)立柱采用鋼材，受熱脹冷縮效應(yīng)，溫度變化會(huì)導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)傾角儀測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)。一天中，最高氣溫在午后14時(shí)左右，最低氣溫在日出前后4時(shí)左右。統(tǒng)計(jì)4月1日至20日期間氣溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，如表2、圖3。溫差最大為4月6日、8日，最小為4月2日、20日。

圖3 4月1日至20日氣溫變化曲線(xiàn)圖

表2 4月1日至20日氣溫變化統(tǒng)計(jì)表

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中傾角儀運(yùn)行穩(wěn)定，以編號(hào)D01傾角儀為例，分別統(tǒng)計(jì)4月1日至20日期間每日最高溫時(shí)和每日最低溫時(shí)傾角儀、軸數(shù)據(jù)，如圖4、圖5所示。根據(jù)氣溫及、軸變化曲線(xiàn)圖分析，每日最低溫時(shí)、軸曲線(xiàn)平緩；每日最高溫時(shí)曲線(xiàn)在0.1°范圍內(nèi)浮動(dòng)，且與氣溫變化曲線(xiàn)吻合；整體上軸與軸曲線(xiàn)趨勢(shì)吻合。

圖4 4月1日至20日X軸變化曲線(xiàn)圖

圖5 4月1日至20日Y軸變化曲線(xiàn)圖

圖7 4月6日溫差最大日X軸變化曲線(xiàn)圖

圖8 4月2日溫差最小日Y軸變化曲線(xiàn)圖

分別統(tǒng)計(jì)4月1日至20日期間溫差最高日（4月2日）和最低日（4月6日）8時(shí)至16時(shí)、軸傾角儀數(shù)據(jù)，如圖6~圖9所示。根據(jù)變化曲線(xiàn)圖分析，溫差最低日曲線(xiàn)較平緩，在0.04°范圍內(nèi)浮動(dòng)；溫差最高日中午前后曲線(xiàn)有較明顯起伏，在0.1°范圍內(nèi)浮動(dòng)，且與每日氣溫變化規(guī)律相吻合；整體上軸與軸曲線(xiàn)趨勢(shì)吻合。

圖6 4月2日溫差最小日X軸變化曲線(xiàn)圖

圖9 4月6日溫差最大日Y軸變化曲線(xiàn)圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

從以上變化曲線(xiàn)圖分析可以看出，傾角儀數(shù)據(jù)與氣溫變化呈一致性，溫差最高日中午前后曲線(xiàn)有較明顯起伏，每日的最高溫、軸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)也與氣溫變化曲線(xiàn)圖吻合；無(wú)論是一日的數(shù)據(jù)或連續(xù)幾日的數(shù)據(jù)均體現(xiàn)出數(shù)據(jù)受氣溫的影響，最大在0.1°（傾斜度0.17%）范圍內(nèi)波動(dòng)，小于規(guī)范規(guī)定的接觸網(wǎng)立柱傾斜預(yù)警值0.3%。

3 結(jié)論

雖然無(wú)線(xiàn)傾角儀監(jiān)測(cè)結(jié)果受氣溫影響有波動(dòng)，但波動(dòng)范圍小于預(yù)警值，在布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮外部環(huán)境干擾對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，并采取措施排除干擾。

無(wú)線(xiàn)傾角儀數(shù)據(jù)量豐富，能夠?qū)崟r(shí)上傳至數(shù)據(jù)平臺(tái)，在實(shí)際應(yīng)用中排除外部環(huán)境干擾因素判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)更精準(zhǔn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，無(wú)線(xiàn)傾角儀傳感器及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也將不斷完善，將會(huì)在鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工中廣泛應(yīng)用。