[发明专利]铁路路基塌陷监测系统及监测方法

权利要求书

1.一种铁路路基塌陷监测系统，其特征在于：包括

-跟踪装置(3)，数量为多个，沿铁路路基(1)的线路方向埋设，包括磁场发射元件；

-无人机监测系统(2)，于跟踪装置上方沿铁路线路飞行，包括无人机(5)、设置在无人机顶部的GPS(6)和分别位于无人机左右机翼的三轴磁传感探头；所述无人机监测系统(2)还包括分别位于无人机左、右侧机翼上的三维旋转平台(7、9)；所述三轴磁传感探头数量为两个，为分别位于左、右侧机翼上的三维旋转平台(7、9)上的左侧三轴磁传感探头(8)和右侧三轴磁传感探头(10)；

-数据控制系统(4)，将无人机监测系统的监测信息处理成路基的深部变形并进行铁路路基塌陷的早期预警。

2.根据权利要求1所述的铁路路基塌陷监测系统，其特征在于：所述磁场发射元件为钕铁硼永磁铁(11)。

3.根据权利要求2所述的铁路路基塌陷监测系统，其特征在于：所述跟踪装置还包括钕铁硼永磁铁(1)外的依次包围的高阻尼橡胶隔震层(12)、工程塑料防渗层(13)和高耐久性混凝土层(14)。

4.根据权利要求3所述的铁路路基塌陷监测系统，其特征在于：所述跟踪装置位于路基下的埋设深度为10-20米，相邻跟踪装置的间距为50米。

5.一种铁路路基塌陷监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1)计算跟踪装置在三维旋转平台的旋转中心P处激发的磁场梯度：

B_zz≈-B_xx-B_yy(1c)

式中，B_xk、B_yk和B_zk(k＝A，B，C，D)为三维旋转平台在360°范围内每旋转90°由三轴磁传感探头测量，然后将铁轨激发的磁场、噪声磁场、无人机监测系统的固有干扰磁场消除后得到；d为三轴磁传感探头绕三维旋转平台的旋转半径，取0.3～0.5米；

S2)计算磁场梯度张量的模量C_T：

式中，B_xx，B_yy，B_zz，B_xy，B_xz和B_yz由式(1a-1f)计算得到；

S3)计算磁场梯度张量的模量的局部梯度变化：

式中，C_T右为无人机飞行方向的右侧的磁传感探头中心的磁场梯度张量的模量，C_T左为无人机飞行方向的左侧的磁传感探头中心的磁场梯度张量的模量；L为左、右侧机翼上的两个三轴磁传感探头的旋转中心的距离，取2.0～3.0米；

S4)计算无人机上2个磁传感探头的旋转中心的连线的中心O点至第i个路基深部跟踪装置中心的距离r_ij：

式中，j＝1，2，3为当第i个跟踪装置在无人机的监测范围之内时，在其航迹上连续选择的3个测点；C_Tij,左和C_Tij,右由式(2)计算得到；ΔC_Tij由式(3)计算得到；

S5)计算第i个跟踪装置中心的坐标为(x_i，y_i，z_i)：

ijijiji1i2i3iii式中，(x_ij，y_ij，z_ij)，(j＝1，2，3)为无人机上O点的坐标，通过GPS测得，r_i1、r_i2和r_i3由式(4)计算得到；由式(5)～式(7)，得到第i个路基深部跟踪装置中心的坐标为(x_i，y_i，z_i)；

S6)计算第i个跟踪装置的三维位移(u_i，v_i，w_i)：

无人机沿着铁路线路每巡航一次均得到所有跟踪装置中心的坐标,将(x_i，y_i，z_i)与无人机前一次巡航监测时、经过第i个跟踪装置时计算出的(x′_i，y′_i，z′_i)比较，得到第i个跟踪装置的三维位移(u_i，v_i，w_i)，通过三维位移(u_i，v_i，w_i)判断铁路路基深部变形的安全性，并进行塌陷的早期预警。