一种城市轨道交通振动地图管理系统的制作方法

1.本发明属于城市区域环境振动评价技术领域，具体涉及一种城市轨道交通振动地图管理系统。


背景技术：

2.随着城市现代交通的发展，引起的振动日益频繁,振动通过地基地坪、建筑物等向道路两侧传播,对邻近振动敏感的精密仪器、设备、建筑物以及居民产生巨大的影响，故在城市的管理维护中会对城市振动情况进行监控，以方便城市管理。当前，轨道交通振动环境影响问题正呈现出新的特点：首先，密集的路网布局正逐渐扩大轨道交通振动影响的范围；其次，城市居民对于生活环境要求的普遍提高使得关注轨道交通振动环境影响问题的人群逐渐扩大；最后，经济规模和人口规模的不断扩大导致城市土地资源日趋紧张，城市可持续发展的战略目标对更加科学精准的规划体系呼吁越来越迫切，对振动环境影响评价工作的全局性、全域性寄予了越来越多的期望。
3.鉴于上述原因，轨道交通环境振动预测不止于解决以局部敏感点为代表的个案，而客观要求发展新的预测和管理模式，需要实现对沿线更大区域环境振动分布情况的快速预测和直观呈现，但是现有技术通常通过振动测定设备实现振动监控，难以实现直观方便的环境振动监控，经研究，早在二十世纪60年代，德国、捷克等欧洲国家开始通过噪声地图来反映城市区域噪声的分布和影响，噪声地图的成功应用以及其长期以来所发挥的良好社会效益为城市区域环境振动管理提供了思路和指引，这对轨道交通环境振动的快速预测和可视化管理提供了很好的借鉴，以噪声地图为借鉴，针对上述现有城市轨道交通振动状况监控过程中无法预测振动分布情况以及直观表现出振动状况的不足，需要构建一种方便对城市轨道交通振动状况进行监测的地图以及一种城市轨道交通振动地图管理系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的至少一种缺陷，提供了一种城市轨道交通振动地图管理系统。
5.本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种城市轨道交通振动地图管理系统，包括振动监测系统、振动计算系统、数据计算系统和显示管理系统；
6.所述振动监测系统用于采集列车通过时各个断面的振动源强数据；
7.所述振动计算系统用于接收振动监测系统采集的振动源强数据，并据此计算轨道交通横向距线路中心线设定范围内的振动数据；
8.所述数据计算系统用于接收振动数据，并对振动数据进行处理，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，并存储在数据库中；
9.所述显示管理系统用于对振动地图数据进行可视化呈现。
10.进一步地，所述振动监测系统包括光纤光栅解调仪和沿线路纵向连续布置的阵列光栅光缆，所述阵列光栅光缆用于采集列车通过时各个断面的振动源强数据，并将采集到
的振动源强数据传递给光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪通过网络将振动源强数据传递给振动计算系统。
11.进一步地，振动计算系统用于接收振动监测系统采集的振动源强数据，并据此计算轨道交通横向距线路中心线设定范围内的振动数据，具体包括：对列车通过时各个断面的振动源强数据进行1/3倍频分析，得到该次列车通过时诱发的隧道壁振动源强，采用过车时段最大振级vlzmax表示；
12.计算各个断面横向距线路中心线设定范围内的振动数据。
13.进一步地，各断面距线路中心线设定范围内振动数据的计算公式为：
14.vlz
max
＝vlz
0max
+cd+cb+c
td
15.式中：vlz
max
为轨道交通环境振动分布的评价指标；vlz
0max
为轨道交通隧道壁振动源强；cd为距离衰减修正系数，单位db；cb为建筑物类型修正系数，单位db；c
td
为行车密度修正系数，单位db。
16.进一步地，所述数据计算系统用于对振动数据进行处理，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，具体包括：所述数据计算系统用于将振动数据通过插值、拟合方式进行处理，形成用于绘制振动地图的振动地图数据库。
17.进一步地，本发明的振动地图管理系统还包括地理信息系统，所述地理信息系统用于对地理信息进行搜集及数字转化，并提供给数据计算系统，所述数据计算系统用于获取地理信息数据以及振动数据，对地理信息数据、振动数据进行处理、整合，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，并存储在数据库中。
18.进一步地，所述显示管理系统还用于提供数据查询功能；
19.所述显示管理系统还用于提供措施效果查询功能；
20.所述显示管理系统还用于提供规划建议功能；
21.所述显示管理系统还用于提供回放预测功能；
22.所述显示管理系统还用于提供超标预警功能。
23.进一步地，所述数据计算系统用于根据数据库中的振动数据，结合深度学习技术完成对未来振动的预测，实现振动环境的预警和预报。
24.进一步地，所述数据计算系统用于接收未采取措施的地段的振动数据以及采取措施的地段的振动数据，通过对比实时监测所得未采取措施的地段以及采取措施的地段的振动数据，得到该减振措施的减振效果。
25.进一步地，所述数据库用于整理和存储每一次过车所致的振动数据，所述数据计算系统用于对不同时期的过车所致的振动数据进行对比分析，为轨道结构服役状态发展规律的分析提供帮助。
26.本发明至少具有如下有益效果：
27.1.本发明通过布置阵列光栅光缆采集断面上列车通过各个断面的振动数据，并计算最大振级，之后计算出轨道交通环境振动的传递以及分布，与轨道交通沿线地图进行插值或者拟合绘制出的分布云图即为振动地图，绘制简单，能够直观表现出振动状况、通过计算得出振动地图，使用方便并能根据公式对下一时段的振动状况进行预测，并且能够直观表现。
28.2.本发明通过将振动数据划分为若干长度为1s的段落，并对每一段落进行1/3的
倍频分析得出各个断面1s段落所对应的分频振级，通过合理设置数据段落的重叠系数使得断面分频振级的计算的精度高，进一步提高振动地图拟合后的精确度，使振动地图的数据结构更具实用性；通过计算断面轨道交通环境振动的传递及分布，公式中引入各种建筑或者环境类型的修正数据，提高了整体计算的精度，使计算结果以及后续的振动地图准确实用，方便对城市轨道交通振动状况进行直观监控。
29.3.本发明振动地图可整合地理信息系统获取的地理信息，并将振动地图所在的区域道路等建筑信息做融合展示，方便直观查看城市轨道交通的振动状况；通过将最大振级vlzmax进行标准限值，并将低于或高于标准限值的两种数据分别用两种颜色标注形成振动超限分布地图，使用中与地理信息系统提供的实际建筑进行拟合，能够更加直观对城市轨道交通的振动状况进行监控。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
31.图1是本发明的一种实施例提供的城市轨道交通振动地图管理系统的原理框图；
32.图2是本发明一种实施例提供的1s时间段落所对应各中心频率相关指标的关系图；
33.图3是本发明一种实施例提供的1/3倍频程各中心频率及其对应频带上下限示意图；
34.图4是本发明的振动地图案例示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
36.实施例一
37.参见图1，本发明实施例提供一种城市轨道交通振动地图管理系统，包括振动监测系统、振动计算系统、数据计算系统和显示管理系统；
38.所述振动监测系统用于采集列车通过时各个断面的振动源强数据；
39.所述振动计算系统用于接收振动监测系统采集的振动源强数据，并据此计算轨道交通横向距线路中心线设定范围内的振动数据；
40.所述数据计算系统用于接收振动数据，并对振动数据进行处理，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，并存储在数据库中；
41.所述显示管理系统用于对振动地图数据进行可视化呈现。
42.进一步地，所述振动监测系统包括光纤光栅解调仪和沿线路纵向连续布置的阵列光栅光缆，所述阵列光栅光缆安装于隧道侧壁隧道侧壁高度方向距轨顶面1.25～1.5m处，其安装位置满足现行标准——hj453-2018《环境影响评价技术导则城市轨道交通》关于环境振动源强测试的相关要求，用于采集列车通过时各个断面的振动源强数据，并将采集到
的振动源强数据传递给光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪通过网络将振动源强数据传递给振动计算系统。
43.考虑到轨道交通全线长度较长，该光纤光栅解调仪优选为设置多个，以保证振动数据的准确性和可靠性。其中，优选地，每台光纤光栅解调仪用于获取其前后两侧的两段振动缆线的监测信息；在其中一个实施例中，上述光纤光栅阵列振动光缆沿轨道交通全线连续布设，也即相邻两台光纤光栅解调仪之间由单根缆线串接，则在该单根串接缆线中，以某点为分界点，该分界点前侧的光纤光栅振动传感器向前侧的光纤光栅解调仪发送监测信息，该分界点后侧的光纤光栅振动传感器向后侧的光纤光栅解调仪发送监测信息，这可通过光缆内光纤光栅振动传感器的光发射方向的设置来实现；在另外的实施例中，上述光纤光栅阵列振动光缆采用分体式布置方式，包括多个振动监测缆段，相邻两个振动监测缆段端部相抵或者相邻两个振动监测缆段有部分重叠，同样能实现上述轨道交通全长覆盖布置的效果，能够实现轨道交通全线振动监测即可，在该方案中，相邻两台光纤光栅解调仪之间可设置两条振动监测缆段，该两条振动监测缆段分别与该两台光纤光栅解调仪连接。
44.对于上述光纤光栅阵列振动光缆的布置，优选地，其埋设于隧道侧壁，例如在隧道盾构管片表面开设纵向布线槽以埋设光纤光栅阵列振动光缆，并且所述纵向布线槽采用混凝土封填。该纵向布线槽内浇筑的混凝土优选为采用高强、快凝混凝土。在另外的方案中，该光纤光栅阵列振动光缆也可强力胶粘连于隧道侧壁。
45.阵列光栅光缆中采用5～10米等间距设置振动测区，进而将轨道交通全线或重点关注区段划分成了有较小间距的振动传播断面，称为断面；
46.利用现场安装的阵列光栅光缆及光纤光栅解调仪，可以采集到列车通过时各个断面的振动源强数据。
47.振动计算系统用以获取轨道交通沿线设定范围区域列车运行所致的环境振动数据。
48.进一步地，振动计算系统用于接收振动监测系统采集的振动源强数据，计算轨道交通横向距线路中心线设定范围内的振动数据，具体包括：振动计算系统用于接收振动监测系统采集的振动源强数据，对列车通过时各个断面的振动源强数据进行1/3倍频分析，得到该次列车通过时诱发的隧道壁振动源强，采用过车时段最大振级vlzmax表示；
49.针对每一次列车通过，循环执行上述步骤，即可获得该次列车通过时每一个断面的隧道壁振动源强vlzmax；
50.以至少一次(如连续至少五次)列车通过的时间为一个时段，每一时段，各断面采用该时段内全部列车通过vlzmax的算术平均值作为其环境振动源强；
51.每一时段，采用hj 453-2018中的公式计算各个断面距线路中心线设定范围(如0～50m)内的轨道交通环境振动分布，得到轨道交通横向距线路中心线设定范围内的振动数据。
52.最大振级vlzmax的步骤如下：
53.将列车通过时的振动数据划分为若干长度为1s的段落，划分时可以适当重叠，其中原始振动数据为时程数据；
54.依次对每一个1s段落的数据做1/3倍频分析，得到每一段数据对应的振级vlz，第i个1s数据段落对应的振级采用vlzi表示,；
55.倍频分析的步骤如下：
56.s1：对数据段落做傅里叶变换，针对1/3倍频程的单个中心频率(图3为一种实施例提供的1/3倍频程各中心频率及其对应频带上下限示意图)，滤除其对应频带以外的振动分量，即得到该中心频率的振动分量，对该中心频率的振动分量做傅里叶逆变换得到该中心频率对应的振动数据a(t)，使用公式4-1求得该中心频率对应的加速度有效值aw，式中t为测量时间长度；
[0057][0058]
s2：针对1/3倍频程的每一个中心频率，执行s1，求得每一个中心频率对应的加速度有效值aw；
[0059]
s3：第i个1s数据段落对应的振级vlz计算公式为4-2
[0060][0061]
式中：wj为第j个中心频率对应的计权因子；a
wj
为第j个中心频率对应频带内的加速度有效值；a0为基准加速度，a0＝10-6
m/s2；
[0062]
待所有1s段落的数据全部分析结束后，可得到最大振级vlzmax；
[0063]
进一步地，所述数据计算系统用于对振动数据进行处理，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，具体包括：所述数据计算系统用于将振动数据通过插值、拟合方式进行处理，形成用于绘制振动地图的振动地图数据库。
[0064]
每一次过车事件均可以触发一次数据计算，并将每一次过车的数据进行存储，即每一次过车事件均可实现一次对振动地图数据的更新。
[0065]
进一步地，由于每一次过车均可完成对振动地图数据的一次更新，并将每一次过车的数据进行存储，以轨道交通常见3～5min的发车间隔为例，每一天06：00～22：00时段内即可存储约200次过车的数据，且每一次过车所获取的数据均具有明确的时间顺序，因此所述数据计算系统用于基于振动地图数据库存储的大量的振动数据，采用深度学习技术可以完成对未来一定时间内振动数据的预测，实现振动环境的预警和预报，具体地，所述数据计算系统用于将数据库中的振动地图数据作为样本训练深度学习模型，利用训练好的深度学习模型模型即可对未来振动进行预测。
[0066]
进一步地，所述数据计算系统用于接收未采取措施的地段的振动数据以及采取措施的地段的振动数据，通过对比实时监测所得未采取措施的地段以及采取措施的地段的振动数据，得到该减振措施的减振效果。
[0067]
本发明可以以连续多次列车通过的时间为一个时段，每一时段均可以根据该时段采集到的轨道交通环境振动源强对振动地图和振动超限分布地图中的环境振动数据进行更新，并将更新后的振动数据存入数据库。
[0068]
本发明可以每一次列车经过，根据该时刻采集到的轨道交通环境振动源强对振动地图和振动超限分布地图中的环境振动数据进行更新，并将更新后的振动数据存入数据库。
[0069]
所述数据计算系统还用于待建轨道交通线路为既有轨道交通线路的延长线路时，采集既有轨道交通线路的振动数据对待建轨道交通线路的振动数据进行预测，以获得所述地面振动数据。
[0070]
所述数据计算系统还用于将既有轨道交通线路的振源数据作为待建轨道交通线路的源强值，再采用振动传递衰减公式去预测待建轨道交通线路的地面环境振动，从而获得所述地面振动数据。
[0071]
振动计算系统、数据计算系统可以设置在同一计算机服务器中。计算机服务器上也可以设置显示管理系统。当然，振动计算系统、数据计算系统等还可以不设置在同一计算机服务器中。显示管理系统还可以设置在客户端上，客户端与服务器连接。
[0072]
进一步地，所述显示管理系统用于完成对数据库中的数据信息进行可视化呈现，以不同的色彩及色彩深度代表振动数据，绘制出轨道交通环境振动的分布云图。
[0073]
进一步地，所述显示管理系统用于通过给定轨道交通环境振动vl
zmax
的标准限值，将低于限值和超出限值的vl
zmax
进行标记、分类，用于生成振动超限分布地图。如将低于限值和超出限值的vl
zmax
采用不同的颜色进行展示，用以生成振动超限分布地图。
[0074]
同时所述显示管理系统用于提供数据查询、措施效果查询、规划建议、回放预测(由于振动计算系统是在实时地获取振动数据，因此每过车一次就会更新一次振动地图，经存储后可进行回放预测)、超标预警等功能。
[0075]
实施例二
[0076]
参见图1，本发明实施例提供的振动地图管理系统还包括地理信息系统，所述地理信息系统用于对地理信息进行搜集及数字转化，并提供给数据计算系统，所述数据计算系统用于获取地理信息数据以及振动数据，对地理信息数据、振动数据进行处理、整合，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，并存储在数据库中。
[0077]
进一步地，数据计算系统用以完成对地理信息数据、振动数据的整合、解析、插值拟合、坐标转换等。
[0078]
所述数据计算系统用于对地理信息数据、振动数据进行处理、整合，具体包括：获取由地理信息系统所得的地理信息数据和由振动计算系统所得的地面振动数据，将地理信息数据与地面振动数据转换至统一坐标体系，并将离散的数据信息通过插值、拟合等方式进行连续化处理，然后对数据进行分类存储，形成用于绘制振动地图的振动地图数据库。
[0079]
进一步地，地理信息系统用以完成对地理信息的搜集及数字转化形成绘制振动地图所需格式的数据，并存入地理信息库，等待数据计算系统调用。地理信息包括轨道交通信息、道路信息、建筑信息、地形信息、环境信息、人口分布信息等。
[0080]
进一步地，数据库用以存储和整合地理信息系统提供的数据以及经振动预测系统预测所得的振动数据。
[0081]
进一步地，所述显示管理系统用于完成对数据库中的数据信息进行可视化呈现，以不同的色彩及色彩深度代表振动数据，绘制出轨道交通环境振动的分布云图，在分布云图中导入(融合)地理信息数据，将振动地图所对应区域内的地理信息进行融合展示，得到该时段融合有地理信息数据的振动地图，参见图4所示。
[0082]
本发明的系统集成了区域地理信息、振源信息以及振动数据信息，后台建立信息数据库，并在系统中读取并显示。系统建立并可查询的数据库包括建筑(住宅、商务办公、工
业企业)信息数据库、道路/水系/轨道交通信息数据库、振源信息数据库、网格振动数据库等，并具有数据库更新和扩充功能，以方便后续调整和补充数据。
[0083]
数据库中振源信息及振动数据信息来源于振动计算系统，每一次列车经过，即可完成对振源信息及振动数据信息的一次更新。
[0084]
本发明的系统可得到轨道交通沿线区域内昼间和夜间时段振动的分布情况，并以云图的形式显示，可以从整体上直观反映振动分布情况，掌握高振动区域、判断超标区和达标区、比较昼夜振动变化情况。
[0085]
本发明的系统可实现对减振措施效果的分析，如通过对比实时监测所得未采取措施的地段以及采取措施的地段的振动数据，经对比可得出措施的减振效果。
[0086]
本发明的系统可实现轨道交通沿线规划用地的环境适宜性分析，城市轨道交通振动地图管理系统不仅可以显示、分析和管理建成区的振动影响，还可以为城市轨道交通沿线的未建成区域提供振动环境适宜性分析。
[0087]
本发明的系统还有回顾和预测功能，振动地图是在以计算为主的基础上建立的，因此可以实现振动的存储、回顾和预测功能。
[0088]
数据库中振源信息及振动数据信息来源于振动计算系统，如每一次列车经过，都可完成对振源信息及振动数据信息的一次更新和存储，以便回顾查询，此外随着积累的数据越来越多，结合深度学习技术即可完成对未来振动的预测。
[0089]
数据库中振源信息及振动数据信息来源于振动计算系统，每一次列车经过，即可完成对振源信息及振动数据信息的一次更新和存储，随着积累的数据越来越多，结合深度学习技术即可完成对未来振动的预测。而通过振动预测可以事先了解可能产生的振动污染，便于规划布局和实施预防措施，还能进一步实现振动环境的预警和预报。
[0090]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种城市轨道交通振动地图管理系统，其特征在于：包括振动监测系统、振动计算系统、数据计算系统和显示管理系统；所述振动监测系统用于采集列车通过时各个断面的振动源强数据；所述振动计算系统用于接收振动监测系统采集的振动源强数据，并据此计算轨道交通横向距线路中心线设定范围内的振动数据；所述数据计算系统用于接收振动数据，并对振动数据进行处理，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，并存储在数据库中；所述显示管理系统用于对振动地图数据进行可视化呈现。2.如权利要求1所述的城市轨道交通振动地图管理系统，其特征在于：所述振动监测系统包括光纤光栅解调仪和沿线路纵向连续布置的阵列光栅光缆，所述阵列光栅光缆用于采集列车通过时各个断面的振动源强数据，并将采集到的振动源强数据传递给光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪通过网络将振动源强数据传递给振动计算系统。3.如权利要求1所述的城市轨道交通振动地图管理系统，其特征在于：振动计算系统用于接收振动监测系统采集的振动源强数据，并据此计算轨道交通横向距线路中心线设定范围内的振动数据，具体包括：对列车通过时各个断面的振动源强数据进行1/3倍频分析，得到该次列车通过时诱发的隧道壁振动源强，采用过车时段最大振级vlzmax表示；计算各个断面横向距线路中心线设定范围内的振动数据。4.如权利要求3所述的城市轨道交通振动地图管理系统，其特征在于：各断面距线路中心线设定范围内振动数据的计算公式为：vlz
max
＝vlz
0max
+c
d
+c
b
+c
td
式中：vlz
max
为轨道交通环境振动分布的评价指标；vlz
0max
为轨道交通隧道壁振动源强；c
d
为距离衰减修正系数，单位db；c
b
为建筑物类型修正系数，单位db；c
td
为行车密度修正系数，单位db。5.如权利要求1所述的城市轨道交通振动地图管理系统，其特征在于：所述数据计算系统用于对振动数据进行处理，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，具体包括：所述数据计算系统用于将振动数据通过插值、拟合方式进行处理，形成用于绘制振动地图的振动地图数据库。6.如权利要求1所述的振动地图管理系统，其特征在于：还包括地理信息系统，所述地理信息系统用于对地理信息进行搜集及数字转化，并提供给数据计算系统，所述数据计算系统用于获取地理信息数据以及振动数据，对地理信息数据、振动数据进行处理、整合，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，并存储在数据库中。7.如权利要求1所述的城市轨道交通振动地图管理系统，其特征在于：所述显示管理系统还用于提供数据查询功能；所述显示管理系统还用于提供措施效果查询功能；所述显示管理系统还用于提供规划建议功能；所述显示管理系统还用于提供回放预测功能；所述显示管理系统还用于提供超标预警功能。8.如权利要求1所述的城市轨道交通振动地图管理系统，其特征在于：所述数据计算系统用于根据数据库中的振动数据，结合深度学习技术完成对未来振动的预测，实现振动环
境的预警和预报。9.如权利要求1所述的城市轨道交通振动地图管理系统，其特征在于：所述数据计算系统用于接收未采取措施的地段的振动数据以及采取措施的地段的振动数据，通过对比实时监测所得未采取措施的地段以及采取措施的地段的振动数据，得到该减振措施的减振效果。10.如权利要求1所述的城市轨道交通振动地图管理系统，其特征在于：所述数据库用于整理和存储每一次过车所致的振动数据，所述数据计算系统用于对不同时期的过车所致的振动数据进行对比分析，为轨道结构服役状态发展规律的分析提供帮助。

技术总结
本发明公开了一种城市轨道交通振动地图管理系统，该系统包括振动监测系统、振动计算系统、数据计算系统和显示管理系统；振动监测系统用于采集列车通过时各个断面的振动源强数据；振动计算系统用于接收振动监测系统采集的振动源强数据，并据此计算轨道交通横向距线路中心线设定范围内的振动数据；数据计算系统用于接收振动数据，并对振动数据进行处理，得到用于绘制振动地图所需的振动地图数据，并存储在数据库中；显示管理系统用于对振动地图数据进行可视化呈现。本发明便于进行城市振动监测，生成振动地图，可方便直观观察城市振动状况。况。况。


技术研发人员：朱彬 罗伟 李秋义 张政 张超永 李路遥 叶松 张泽 牛亚文 林超 郭积程
受保护的技术使用者：中铁第四勘察设计院集团有限公司
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/12