一种铁路多年冻土区路基形变检测与预测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种铁路冻土区路基形变检测与预测系统，包括第一温度传感器、水分传感器、压力传感器、信号处理箱，分别采用多个第一温度传感器、水分传感器、压力传感器安装在轨道下方，信号处理箱安装在路肩上，第一温度传感器、水分传感器、压力传感器与信号处理箱连接，分别检测路基的地温、土壤含水量、冻土形变量，并将检测到的信息传输给信号处理箱进行处理，并将处理后的信息通过无线端发送至铁路有关管理部门，当铁路多年冻土区路基某一路段的冻土变化量超出预设值时，通知相关工作人员前往现场确认，并对变形的路基段的轨道进行校正。

A detection and prediction system of subgrade deformation in permafrost region of Railway

【技术实现步骤摘要】
一种铁路多年冻土区路基形变检测与预测系统
本专利技术涉及路基形变检测领域，尤其涉及一种铁路冻土区路基形变检测与预测系统。
技术介绍
随着高速铁路的发展，对列车安全性能的要求越来越高。对于高原地区的铁路线路来说，多年冻土变化是导致路基形变最重要的原因之一，路基的变形状况直接影响着铁路路基的安全性。自青藏铁路通车以来，部分多年冻土路段出现了沉降量形变偏大的情形，对青藏铁路路基稳定性造成了不利的影响。而随着川藏铁路的修建，也将面临着高原地区多年冻土带来的威胁。现有技术中，对多年冻土路基形变量大的路段采取了埋设热管与铺设块石护坡等补强措施取得了一定的效果。但是对于多年冻土路基形变的勘测主要还是以人工测量为主。即工作人员携带测量设备依次对整条线路的路基进行测量，这样不能够有目的的对某一段即将形变的路基进行检测，而且增加了工作人员的劳动强度。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种铁路冻土区路基形变检测与预测系统，对铁路多年冻土区路基下方的地温、水分、土壤形变量进行检测，计算出冻土随之间的变化量，并通过ARIMA时间序列预测模型对铁路冻土区路基下方的冻土量进行预测，能够让工作人员提前得知该区间路基即将发生变化，提醒工作人员前往查看，有针对性的对变形的路基轨道进行校正。为了实现上述目的，本专利技术提供的一种铁路冻土区路基形变检测与预测系统是这样实现的：一种铁路冻土区路基形变检测与预测系统，包括第一温度传感器、水分传感器、压力传感器、信号处理箱，分别采用多个第一温度传感器、水分传感器、压力传感器安装在轨道下方，信号处理箱安装在路肩上，第一温度传感器、水分传感器、压力传感器与信号处理箱连接，分别检测路基的地温、土壤含水量、冻土形变量，并将检测到的信息传输给信号处理箱进行处理，并将处理后的信息通过无线端发送至铁路有关管理部门，当铁路多年冻土区路基某一路段的冻土变化量超出预设值时，通知相关工作人员前往现场确认，并对变形的路基段的轨道进行校正。本专利技术的信号处理箱包括防水铝盒、太阳能电池板、控制电路板、模拟量数据采集器、GPRS模块、北斗定位模块、蓄电池、太阳能控制器，太阳能电池板安装在防水铝盒上表面，用于将太阳能转换为电能为控制电路板、模拟量数据采集器、GPRS模块、北斗定位模块供电，太阳能控制器连接在太阳能电池板与蓄电池之间，白天时，由太阳能控制器将太阳能电池板转换的电能分配给控制电路板、模拟量数据采集器、GPRS模块、北斗定位模块供电，并为蓄电池充电，夜间时，太阳能控制器便控制蓄电池为控制电路板、模拟量数据采集器、GPRS模块、北斗定位模块供电，控制电路板通过RS485线与模拟量数据采集器连接在一起，模拟量数据采集器对第一温度传感器、水分传感器、压力传感器采集到的模拟量转换为对应的数字信息后，通过RS485通信方式传输给控制电路板，北斗定位模块用于定位信号处理箱所在的位置，由控制电路板控制GPRS模块将信号处理箱所在的位置信息和该处第一温度传感器、水分传感器、压力传感器采集到的信息发送到铁路有关部门，在铁路有关部门的PC端对这些数据进行预测分析。本专利技术的防水铝盒内壁顶部设有电热丝、第二温度传感器，右侧设有通风门、步进电机、电机驱动板，电热丝用于为防水铝盒加热，电机驱动板连接在控制电路板与步进电机之间，第二温度传感器与模拟量数据采集器连接，用于采集防水铝盒内温度值，并将采集到的信息传输给模拟量数据采集器，模拟量数据采集器再发送给控制电路板进行处理，电热丝、步进电机、电机驱动板均与太阳能控制器连接，通风门的一端与步进电机的旋转轴连接，由于高原地区气候环境原因，导致昼夜温差大，当防水铝盒内温度过低时，由控制电路板控制电热丝加热，且控制电路板控制电机驱动板带动电机旋转，将通风门关闭，当防水铝盒内温度过高时，控制电路板控制电机驱动板带动电机旋转，打开通风门，使防水铝盒内空气得以流通，进而达到降温的效果。本专利技术的控制电路板采用STM32F103ZET6单片机作为内核，旁边还设有继电器，继电器连接在控制电路板与电热丝之间，由控制电路板控制继电器的通断来控制太阳能电池板或蓄电池为电热丝供电。本专利技术的通风门与步进电机的旋转轴之间采用钢条连接，步进电机的旋转轴两端通过轴承固定在防水铝盒右侧，由步进电机带动旋转轴转动，进而拉动钢条转动，通风门在钢条的拉力或推力下实现开门或者关门。本专利技术对铁路多年冻土区路基形变检测与预测的方案为：先对整个系统进行初始化，使系统回到最初的工作状态，接着由温度传感器、水分传感器、压力传感器分别检测路基的地温、土壤含水量、冻土形变量，并将检测到的信息传输到铁路相关部门的PC机上，在PC机上设置相应的上位机来监测各个路段多年冻土的变化，并在上位机上显示相应的地温、土壤含水量、冻土形变量与冻土量之间的变化特性曲线，特性曲线中可以确定多年冻土中水分的含量会随着冻土量的减少而增加，随着地温的增加，多年冻土的冻土量会下降，冻土量减少后，冻土的形变量会增加，根据地温、土壤含水量、冻土形变量等三个因素的变化量来判断多年冻土的含量，可以更准确的判断出多年冻土的变化信息，记录冻土含量随着时间变化而变化的值，并通过ARIMA时间序列预测模型来预测到了哪个时间点多年冻土的含量会增加或者减少到预设值范围外，并提醒相关工作人员前往确认，并测量该处路基是否发生形变，若发生了形变，工作人员需对该段路基上的轨道进行校正，为列车提供安全的运行条件，调整好后继续对该出的地温、土壤含水量、冻土形变量进行监测，若人工现场勘查后未检测出该段路基发生形变，那么就在上位机中调整冻土含量的阈值。本专利技术的ARIMA时间序列预测模型建立过程为：ARIMA模型的建模步骤：(1)模型识别第一步，判断平稳性。平稳序列必须满足：一是对于任意的时间t，其均值恒为一常数；二是对于任意的时间t和s，其自相关系数只与时间间隔t-s有关，而与t和s的起始点无关。通过时序图和相关系数构建的相关图判断序列的平稳性，对于非平稳序列，用差分或者数据转换的方法，使非平稳数列平稳化，只有平稳序列才能用ARMA模型建模，但是在差分在过程中应避免过差分，一般不易超过两次，否则既损失了信息量，又降低了效率。ARIMA模型的识别原则，如表1。如果自相关系数ACF截尾则选择MA模型，如果偏自相关系数PACF截尾则选择AR模型，如果自相关系数ACF和偏自相关系数都拖尾则用ARMA模型。表1自相关系数ACF偏自相关系数PACF选择模型拖尾P阶截尾AR(P)q阶截尾拖尾MA(q)拖尾拖尾ARMA(P，q)第二步，白噪声检验。利用Box和Pierce构造的Q统计量和Ljung构造的LB统计量，检验序列的随机性，即白噪声检验。式中，n是序列的观察数，m是指定的滞后阶数，ρ为延期k的自相关系数，Q和LB两种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁路冻土区路基形变检测与预测系统，其特征在于：包括第一温度传感器、水分传感器、压力传感器、信号处理箱，分别采用多个第一温度传感器、水分传感器、压力传感器安装在轨道下方，信号处理箱安装在路肩上，第一温度传感器、水分传感器、压力传感器与信号处理箱连接，分别检测路基的地温、土壤含水量、冻土形变量，并将检测到的信息传输给信号处理箱进行处理，并将处理后的信息通过无线端发送至铁路有关管理部门，当铁路多年冻土区路基某一路段的冻土变化量超出预设值时，通知相关工作人员前往现场确认，并对变形的路基段的轨道进行校正。/n

【技术特征摘要】
1.一种铁路冻土区路基形变检测与预测系统，其特征在于：包括第一温度传感器、水分传感器、压力传感器、信号处理箱，分别采用多个第一温度传感器、水分传感器、压力传感器安装在轨道下方，信号处理箱安装在路肩上，第一温度传感器、水分传感器、压力传感器与信号处理箱连接，分别检测路基的地温、土壤含水量、冻土形变量，并将检测到的信息传输给信号处理箱进行处理，并将处理后的信息通过无线端发送至铁路有关管理部门，当铁路多年冻土区路基某一路段的冻土变化量超出预设值时，通知相关工作人员前往现场确认，并对变形的路基段的轨道进行校正。


2.根据权利要求1所述的铁路冻土区路基形变检测与预测系统，其特征在于：所述的信号处理箱包括防水铝盒、太阳能电池板、控制电路板、模拟量数据采集器、GPRS模块、北斗定位模块、蓄电池、太阳能控制器，太阳能电池板安装在防水铝盒上表面，用于将太阳能转换为电能为控制电路板、模拟量数据采集器、GPRS模块、北斗定位模块供电，太阳能控制器连接在太阳能电池板与蓄电池之间，白天时，由太阳能控制器将太阳能电池板转换的电能分配给控制电路板、模拟量数据采集器、GPRS模块、北斗定位模块供电，并为蓄电池充电，夜间时，太阳能控制器便控制蓄电池为控制电路板、模拟量数据采集器、GPRS模块、北斗定位模块供电，控制电路板通过RS485线与模拟量数据采集器连接在一起，模拟量数据采集器对第一温度传感器、水分传感器、压力传感器采集到的模拟量转换为对应的数字信息后，通过RS485通信方式传输给控制电路板，北斗定位模块用于定位信号处理箱所在的位置，由控制电路板控制GPRS模块将信号处理箱所在的位置信息和该处第一温度传感器、水分传感器、压力传感器采集到的信息发送到铁路有关部门，在铁路有关部门的PC端对这些数据进行预测分析。


3.根据权利要求2所述的铁路冻土区路基形变检测与预测系统，其特征在于：所述的防水铝盒内壁顶部设有电热丝、第二温度传感器，右侧设有通风门、步进电机、电机驱动板，电热丝用于为防水铝盒加热，电机驱动板连接在控制电路板与步进电机之间，第二温度传感器与模拟量数据采集器连接，用于采集防水铝盒内温度值，并将采集到的信息传输给模拟量数据采集器，模拟量数据采集器再发送给控制电路板进行处理，电热丝、步进电机、电机驱动板均与太阳能控制器连接，通风门的一端与步进电机的旋转轴连接，当防水铝盒内温度过低时，由控制电路板控制电热丝加热，且控制电路板控制电机驱动板带动电机旋转，将通风门关闭，当防水铝盒内温度过高时，控制电路板控制电机驱动板带动电机旋转，打开通风门，使防水铝盒内空气得以流通，进而达到降温的效果。


4.根据权利要求3所述的铁路冻土区路基形变检测与预测系统，其特征在于：所述的控制电路板旁边设有继电器，继电器连接在控制电路板与电热丝之间，由控制电路板控制继电器的通断来控制太阳能电池板或蓄电池为电热丝供电。


5.根据权利要求3所述的铁路冻土区路基形变检测与预测系统，其特征在于：所述的通风门与步进电机的旋转轴之间采用钢条连接，步进电机的旋转轴两端通过轴承固定在防水铝盒右侧，由步进电机带动旋转轴转动，进而拉动钢条转动，通风门在钢条的拉力或推力下实现开门或者关门。


6.根据权利要求1所述的铁路冻土区路基形变检测与预测系统，其特征在于：所述系统对铁路多年...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡军，贾军昊，王强，郭成成，施斌缘，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36