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1、同方威视技术股份有限公司设计文献 ECDA0000000D-铁路沿线智能防护网传感监测方案版 本：A发 放 号：受控状态：受控编制/日期：闫志学/.10.12审核/日期：批准/日期：目 录一、调研背景1二、技术背景1三、设计目的3四、智能防护网系统总体方案34.1防护网特性分析34.1.1理论可监测量34.1.2考虑可监测量34.2智能防护网方案144.2.1系统总体架构44.2.2系统工作原理54.2.3系统指标64.3智能防护网方案264.3.1系统总体架构64.3.2系统工作原理74.3.3系统指标7五、智能防护网专用传感技术85.1纯拉力传感器85.1.1结构原理85.1.2传感计算9
2、5.2拉位移传感器（或拉力）95.2.1结构原理95.2.2传感计算115.3梁式纯拉力传感器135.3.1结构原理135.3.2传感计算135.4梁式拉位移传感器145.4.1结构原理145.4.2传感计算155.5扭力传感器155.5.1结构原理155.5.2传感计算165.6扭矩传感器165.6.1结构原理165.6.2传感计算165.7张力传感器175.7.1结构原理175.7.2传感计算175.8压位移传感器185.8.1结构原理185.8.2传感计算19六、智能防护网冲击量化计算19一、调研背景随着国内铁路建设的不断进一步，铁路的发展呈现两大趋势。一方面，铁路进一步西部的偏远山区。
3、由于区路况复杂，自然灾害频繁，目前沿线的路况勘查重要依托人工，不仅效率低并且工作环境艰苦。另一种趋势是，在铁路系统发展成熟、人流量大的区间将开发高速客运专线。由于客运专线列车运营速度快，运送对象以客运为主，对客运专线的安全性提出了更高的规定。铁轨的修建过程中常常会穿越山体形成隧道，隧道口的仰坡和边坡是滑坡多发的地点，也是安全监测系统的目的区域。在土木工程中会对仰坡和边坡进行加固并设立防护装置，如防护网、防落石架等。对于这些防护装置，可以监测其受力状况或者通断状态。有些滑坡发生时并未完全破坏防护装置，此时监测系统发出预警信号，调用视频系统观测现场，辅助观测滑坡状况，判断与否需要立即控车或者派人到
4、现场维修、排障等。如果滑坡状况较严重，防护网被破坏，此时有障碍物在铁轨上或者铁轨路基损坏的也许性很大，则立即产生控车信号。因此，铁路沿线智能防护网监测报警系统的开发迎合行业需求，对于铁路安全运营意义重大。二、技术背景目前，国内外对于铁路沿线防护网已有了一定的研究基本和应用案例。其中主流技术是监测防护网的振动，通过振动围栏技术或振动传感器监测防护网与否有异物入侵，该措施只能进行防护网异物入侵报警；此外，尚有监测防护网主构造绳拉力，以此来判断防护网受力大小，但是防护网受力状况复杂及落物位置不定等不拟定因素的存在，致使该方案只能粗略的检测防护网受力状况，并不能对防护网异物堆积进行量化。由于铁路沿线不
5、仅自然环境恶劣并且有高电磁干扰，因此对安全监测的规定较高：抗风沙雨雪等气候影响；抗电磁干扰影响；长距离监测；现场供电困难，规定现场无源；现场防护网受力复杂；现场安装困难等。光纤光栅传感技术具有体积小、重量轻、可靠性好、抗干扰、耐腐烛、不受电磁干扰、能在复杂的环境下工作，特别是由于采用波长编码，光纤光栅传感器不受光源功率波动和光纤连接损耗以及光纤器件插入损耗的影响等诸多长处，非电监测、抗电磁干扰及防雷击等长处，检测的光信号能直接通过光纤传播，可满足铁路远程监测的规定。可以预见，光纤光栅传感监测技术将在铁路安全监测系统中得到更加广泛的应用。另一方面，同方威视技术股份有限公司光电科技事业部致力于光纤
6、传感开发历时五年以上，团队强大，技术实力雄厚，对于推动光纤光栅传感技术在铁路行业的应用开发有着独特优势。通过对铁路安全监测既有系统的分析，设计了光纤光栅传感监测技术在智能防护网中的应用方案。该系统方案涉及：信息采集单元、信息解决单元、布网和计算单元三部分。信息采集单元是指智能防护网所需的传感器；信息解决单元是指采集回的信号转换成事件发生、破网、落物积累等所需物理量及报警；布网和计算单元是指所需传感器种类和数量、传感器安装位置、以及事件算法。目前，市场上未见智能防护网状态监测专用、可集成化的传感器，并且可以借鉴使用的拉力传感器并不能排除实际使用环境中侧向受力、扭曲力、剪切力对拉力值的影响。此外，
7、钢丝绳中每个绳股都呈螺旋线形状，当受到提高重物重力作用时，将产生使螺旋线伸长的拉应力和与螺旋线方向相反的转动力矩，因而可以观测到钢丝绳伸长和绕自身轴线旋转的现象。运用钢丝绳这一特性，我们可以开发测量钢丝绳受拉力伸长和扭转的参数，来间接得到钢丝绳受拉力大小，最后推算出防护网受力状况。因此，开发出智能防护网专用的组合传感器是实现铁路沿线智能防护网监测报警系统的核心。配合防护网传感器的布网及受力算法，选用模式辨认和自学习功能的软件解决方式，消除现场复杂环境中的干扰因素，提取有效的现场数据，收集异物落网信息，精确及时的传达到有关部门。最后实现智能防护网的事件及时报警、事件量化计算功能。三、设计目的1.
8、 铁路沿线智能防护网传感监测总体方案；2. 智能防护网专用传感技术；3. 智能防护网冲击量化计算。四、智能防护网系统总体方案4.1防护网特性分析4.1.1理论可监测量图4-1 智能防护网传感监测布网示意图传感监测点涉及：上支撑绳、下支撑绳、钢柱、拉锚绳、减压环、格网、地基等。监测量有：上支撑绳拉力、下支撑绳拉力、上支撑绳扭力扭矩、下支撑绳扭力扭矩、钢柱倾斜、钢柱间距、钢柱应力应变、拉锚绳拉力、减压环直径、格网拉伸、地基沉降、地基压强、防护网振动等。4.1.2考虑可监测量根据现场状况：下支撑绳受力易受地貌状况影响，拉力传递效果不佳；减压环数量多、受力存在不拟定性；上支撑绳距离地面较高，安装困难。
9、因此，需要考虑在防护网上安装拉绳拉力传感器，用于监测落物重量；安装振动传感器，用于辨认事件类别，判断落物堆积和破网事件，排除风雨雪、人员攀爬等干扰信息；钢柱拉锚绳拉力监测，用于辅助测量落物堆积重量；钢柱应力应变、地基沉降和压强、钢柱间距和倾斜等可监测信息。具体监测位置如图4-2所示。图4-2 防护网考虑可监测量4.2智能防护网方案14.2.1系统总体架构系统构造涉及：事件辨认系统、落物重量监测系统。事件辨认系统由光纤振动传感器和模式辨认软件算法构成，用于辨认防护网落物破网和堆积事件，辨认风雨雪和人员攀爬等事件；落物重量监测系统由钢柱应变传感器、拉锚绳拉力传感器、重量测算软件算法构成，用于测算落
10、物重量大小。系统总体架构如图4-3所示。图4-3 系统总体构造示意图4.2.2系统工作原理该智能防护网系统逻辑上涉及信息采集单元、数据解决单元和事件解决单元。信息采集单元涉及振动、拉锚绳拉力、钢柱应变信息采集；数据解决单元涉及振动信息解决、拉力信息、应变信息解决；事件解决单元涉及事件类别和报警。该方案的逻辑示意图如图4-4。图4-4 系统工作原理逻辑示意图4.2.3系统指标项目指标规定供电电源交流220V10%工作时间全天候工作工作温度-15 - 40工作湿度0%95%，不结露报警方式短信、声光、界面展示防护网报警模式振动报警、破网报警、重物积累报警。数据存储量500G系统接口Socket网络
11、接口4.3智能防护网方案24.3.1系统总体架构系统构造涉及：事件辨认系统、落物重量监测系统。事件辨认系统由光纤振动传感器和模式辨认软件算法构成，用于辨认防护网落物破网和堆积事件，辨认风雨雪和人员攀爬等事件；落物重量监测系统由拉绳拉力传感器、拉锚绳拉力传感器、重量测算软件算法构成，用于测算落物重量大小。拉绳拉力传感器配有“定力启动装置”，即该传感器受拉力超过规定值时，传感器才开始计算受力；设立该装置的目的是避免防护网网面松动摇晃对传感器产生的干扰。系统总体架构如图4-5所示。图4-5 系统总体构造示意图4.3.2系统工作原理该智能防护网系统逻辑上涉及信息采集单元、数据解决单元和事件解决单元。信
12、息采集单元涉及振动、拉锚绳拉力、拉绳拉力信息采集；数据解决单元涉及振动信息解决、拉力信息解决；事件解决单元涉及事件类别和报警。该方案的逻辑示意图如图4-6。图4-6 系统工作原理逻辑示意图4.3.3系统指标项目指标规定供电电源交流220V10%工作时间全天候工作工作温度-15 - 40工作湿度0%95%，不结露报警方式短信、声光、界面展示防护网报警模式振动报警、破网报警、重物积累报警。数据存储量500G系统接口Socket网络接口五、智能防护网专用传感技术5.1纯拉力传感器5.1.1构造原理目前市场上的拉力传感器各式各样，但是拉力传感器的安装非常讲究，需要安装在没有侧向、扭曲受力的部位，否则会
13、严重影响传感器的数值精确性。因此，市场上的拉力传感器的应用范畴严重受限，急需开发一种纯拉力传感器。纯拉力传感器原理示意图如图5-1所示，传感器核心传感器件为最常用的力学试片，不同的是试片两端是用柔性连接（钢丝绳、链条等），该柔性连接的重要目的是消除外界侧向施力和扭曲力的干扰。该传感器最大的特点是构造简朴、力学模型清晰。当传感器受到外界侧向力时（如图5-2所示），两端的柔性连接仅仅将拉力传递给传感器件，传感器件并未受到侧向力的干扰。图5-1 应变型纯拉力传感器原理示意图图5-2 受侧拉力示意图纯拉力传感器可以安装在铁路沿线智能防护网的上下支撑绳、上拉绳等等部位，监测其受力状况，并根据受力大小计算
14、侵入物体的质量。5.1.2传感计算该传感器模型重要波及到材料力学的应力应变计算单向应力状态下应力与应变的关系：5-1F为单向所受外力；S为受力横截面面积；E为材料的弹性模量，单位为N/m2。横向线应变、与纵向线应变成正比，比值为泊松比，而符号相反。在sx、sy、sz同步存在时，x方向的线应变ex为： 5-2在sx、sy、sz同步存在时，y、z方向的线应变为： 5-35.2拉位移传感器（或拉力）5.2.1构造原理目前市场上的位移传感器种类也诸多，电子类的位移传感器居多，抗电磁干扰等性能较差。光纤的位移传感器也有近十种，但是拉绳式的位移传感器未见，由于该型式传感器可以监测横向位移、沉降、弯曲、转换拉力等，故有待于研究开发。有些场合需要制作大量程（例如几十吨）的拉力传感器，该量程的拉力传感器体积都很大，并且笨重，不利于安装。而该传感器构造可以将大吨位拉力，通过受力拉伸原理转换成微小拉力信号，测得外界拉力信号，再由算法还原拉力值大小。由于该传感器测得的是微小拉力，因此传感部件不需要很大，传感器自身体积较小，利于现场安装。图5-3 拉位移传感器原理示意图位移传感器原理示意图如图5-3，该构造核心力学器件是力学试件和弹簧，该位移传感器内外构造均有柔性连接，具有抗侧、扭曲力干扰问题。
