CN101377433B - 基于钢轨形变/应力参数的车辆减载检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钢轨的形变/应力参数实现的车辆测重方法。该方法可以实时地对通过特定钢轨的轨道交通车辆进行车重、车辆减载情况的检测。在该方法中，首先沿钢轨布置多个形变/应力传感器，通过传感器获得钢轨形变/应力数据；然后根据传感器数据进行轮重峰值识别，根据峰值数据转换为轮重数据；另外，将计轴事件进行记录，同时从有关数据库中得到车辆编组的车轮数据；结合计轴事件，根据各测量点测量的轮重数据与车轮数据计算单个测量点测量的单车车重平均值。实施本方法完全不影响车辆的正常运行，在轨道交通车辆严重减载的情况可以给出告警或预警，是现有车辆重量测量方法的有益补充。

Description

基于钢轨形变/应力参数的车辆减载检测方法

技术领域

本发明涉及一种测量轨道交通系统中车辆实际重量的方法，尤其涉及一种基于钢轨的形变或应力参数实现的轨道交通车辆减载情况的测量方法，属于列车运行监测技术领域。

背景技术

在列车运行中，实时监测车辆的重量对于铁路安全运输而言具有重大的意义。目前，铁路部门广泛使用的车辆重量测量设备一般是专用的地秤系统或利用压电传感器测量钢轨轨腰中性部位的剪切力测量系统。这些现有测量设备都存在一定的不足之处。例如专用的地秤系统连接在特定的轨道上。为达到测量精度的要求，车辆只能以非常慢的速度通过，无法满足对高速运行的车辆实时采集其重量数据的要求。使用剪切力测量系统一般需要在钢轨打孔，这会影响钢轨使用的寿命，因此在实际应用中也受到很多的限制。另外，还有一种被称为轨道测量床的新型车辆测重设备。该设备在安装使用时需要改变轨道道床结构和钢轨紧固部件联结方式，施工过程也比较复杂，因此实际使用也不是很普遍。

鉴于现有车辆测重技术所存在的不足，人们先后提出一些改进的轨道交通车辆重量测量方案。例如在公开号为CN2475641的中国实用新型专利所公开的一种钢轨动态变形测量装置。当车辆通过该测量装置时，位移传感器直接测量两支座之间距离的微小变化，从而实现对车辆重量、超载、偏载及车轮踏面擦伤等参数的综合测量。但是，此实用新型所采用的机械装置比较复杂，且机械尺寸比较大，安装布置具有一定的困难。

另外，在公开号为CN1676389的中国发明专利申请中，公开了一种基于光纤光栅的铁路监控系统。该系统中，将光纤的一部分附着在铁路的一对轨道之一上。对应于该部分光纤所附着的轨道特性的变化，光纤本身的特性也发生变化。通过接收和分析变更的光信号，就可以利用光信号中包含的信息来确定所附着轨道的特性变化。因为在反射波长中的偏移反射了轨道经历的应变，而该应变涉及其上的重量，通过累加沿着整个火车的所有应变测量，可测量火车的重量。

但是，上述铁路监控系统只是大略地提出了利用光纤光栅进行车辆测重的技术思路，并没有提供具体的实现方案。而且，在该发明中，将光纤直接附着在轨道上进行有关参数的监测，这种直接测量方式很容易导致出现光纤被飞石击毁的情况。从事直接测量的传感器也容易脱落或失效，不宜长期使用。因此在实际操作中，上述发明专利申请所提供的直接测量方式是不可取的。

经过研究，本发明人认为在列车车轮经过钢轨某一点时，钢轨对车轮产生垂向支撑力，以使列车车厢重力得到平衡。这种支撑力主要来自钢轨弹性形变产生的弹力。换句话说，当列车对钢轨梁式结构施加垂直轮轨接触面的压力时，钢轨会产生对应的弹性形变，其形变的量与车重存在非线性的对应关系。因此通过该形变量就可以获得车辆的重量数据。但是，目前尚没有基于该形变/应力参数获取车辆重量的成熟技术方案。

另外，由于对钢轨之类的弹性体而言，其形变和内部的应力成正比，测量形变就相当于测量应力，为方便起见，在下文中统一采用测量形变/应力参数的表述。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术方案所存在的不足，提供一种基于钢轨的形变/应力参数实现的轨道交通车辆减载情况的测量方法。该测量方法可以实时地对通过特定钢轨的轨道交通车辆进行车重、车辆减载情况的检测。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于钢轨形变/应力参数的车辆测重方法，其特征在于：

首先沿钢轨布置多个形变/应力传感器，通过传感器获得钢轨形变/应力数据；然后根据传感器数据进行轮重峰值识别，根据峰值数据转换为轮重数据，并将其存入轮重数据表中；另外，将计轴事件进行记录，同时从有关数据库中得到车辆编组的车轮数据；结合计轴事件，根据各测量点测量的轮重数据与车轮数据计算单个测量点测量的单车车重平均值。

一种基于钢轨形变/应力参数的车辆减载检测方法，其特征在于：

首先获得传感器的测量数据，根据传感器数据进行轮重峰值识别，该峰值形变数据减去测量基准数据得到钢轨形变数据；利用该钢轨形变数据并查阅形变与压力数据对照表以获得与测量数据对应的压力数据，计算压力与车重换算出的轮重比值；将该比值和预设的告警比值比较，如果大于告警比值则产生告警信号。

其中，用于实施所述车辆减载检测方法的测量点有两个，每个测量点由一个传感器或一组传感器组成；

所述两个测量点分别分布在两条钢轨上，且位于两个轨枕间隔的中点，进行测量的位置为钢轨轨底。

在两个测量点分别实施如上述的车辆减载检测方法。

一种基于钢轨形变/应力参数的车辆减载检测方法，其特征在于：

在预先知道列车编组中各节车厢重量的情况下，首先接收传感器的数据，确认是否产生计轴事件；出现计轴事件之后，进行加轴或减轴的数据处理；接着，取计轴拐点或曲线交叉点的数据，得到所测量的压力数据，按减载率＝1-测量的压力数据/车辆轮重数据的公式获得减载率数据。

其中，首先通过计轴事件计算列车车轴的数目，利用计轴数和计轴事件发生的时间获得列车编组数据库中的车辆重量和车辆轴数数据，用车重除以轴数，再除以2就可以得到所述车辆轮重数据。

另外，可以首先基于上述的车辆测重方法获得单个测量点测量的单车车重平均值，将该平均值作为列车编组中各节车厢的重量，然后基于上述的车辆减载检测方法计算减载率数据。

本发明所提供的车辆测重方法可以在不影响车辆正常运行的情况下，测得轨道交通车辆重量数据，并对于轨道交通车辆严重减载的情况给出告警或预警，是现有车辆重量测量方法的有益补充。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为钢轨延伸方向拉伸变化的受力分析情况示意图；

图2为钢轨中点处的剖面图；

图3为绝对压力测量方案中的测量点布置方式示意图；

图4为第一减载率测量方案中的测量点布置方式示意图；

图5为第二减载率测量方案中的测量点布置方式示意图。

具体实施方式

利用钢轨的形状或应力变化来测量车辆重量的基本原理是：在列车车轮经过钢轨某一点时，钢轨对车轮产生垂向支撑力，以使列车车厢重力得到平衡。这种支撑力主要来自因钢轨弹性形变产生的弹力。换句话说，当列车对钢轨梁式结构施加垂直轮轨接触面的压力时，钢轨会产生对应的弹性形变，其形变的大小与车辆重量存在非线性的但单调的对应关系。根据这种对应关系，可以根据钢轨的形变或应力大小来间接获得车辆的重量数据。

经过发明人反复试验，在钢轨梁式结构中，两支撑点间的中点的轨底部分比较适合作为安装形变/应力传感器的测量点。这一测量点如图1、图2所示。其中，图1所示为钢轨延伸方向拉伸变化的受力分析情况。从图1中可以看出，测量点的最佳位置在两钢轨轨枕之间的钢轨中点处。图2所示为钢轨中点处的剖面图。单纯从力学角度分析，测量点的最合理位置在图2所示的轨底位置，此处测量效果最佳，是整体道床和无渣道床优选安装方案。考虑到传统道床轨底面受道渣影响的情况和维护作业的实际需要，在轨底底部布置测量点的方案可以变通为在轨底上表面布置的方案，如图2所示的那样，而钢轨的其他位置不建议使用。这种布置方案的考虑一方面是确保传感器的测量方向与钢轨延伸方向一致，另一方面是因为轨顶部分基本上为纵向挤压变化，而且位置过于接近车轮，传感器系统容易影响行车作业且容易被车轮损坏；轨腰部分的形变情况不太确定，在有些特殊位置传感器甚至感受不到形状变化。

在本发明中，用于感应钢轨形变/应力参数的传感器可以是安装在钢轨上的光纤光栅、电应变片或者其他感应形状应力变化的传感器。它们可以采用本申请人另案申请的“钢轨形变/应力参数间接测量装置”进行安装，从而实现对钢轨形变/应力参数的间接测量；如采用光纤光栅传感器也可以采用前述公开号为CN1676389的中国发明专利申请中所描述的安装方式进行安装，从而实现对形变/应力参数的直接测量。考虑到工程实施的便利性等多方面因素，本发明人建议优选“钢轨形变/应力参数间接测量装置”来具体实施本发明。

在工程实践中，为避免微弱干扰和/或非车轮因素的形变干扰，对传感器采集的变化数据应设置恰当的门限阀值予以过滤。这是本领域技术人员都能轻易完成的工作，在此就不详细赘述了。

本发明以测量钢轨的形变/应力参数为基础，提出了对通过车辆进行实时车辆重量、车辆减载情况检测的完整技术方案。这里的车辆减载是指在车速比较高时，由于轨面存在不平顺性，车轮的压力存在暂时性减小的情况，铁路术语称为减载。减载达到一定程度会出现非常严重的脱轨隐患，铁路系统对减载情况有非常明确的规定。因此，本发明的一个重要应用就是对超标减载情况的监测。

实践中，将测量车辆重量的应用作为减载率为零的正常情况进行处理，因此本发明也可以归结为一种检测车辆减载情况的技术方案。对于减载测量可以要求测车轮对钢轨的绝对压力，也可以直接测量减载率。在测量过程中，需要解决的主要问题是钢轨纵向形变量与车辆重量的非线性对应关系问题、传感器的布置方式问题、同车车轴判定问题、数据曲线轮重计量点选择问题等。下面对此分别进行详细的说明。

1.绝对压力测量方案

绝对压力测量方案是实际测量轮轨在垂直方向上的受力情况，记录压力数值并对于压力小于规定值达到一定比率的情况给出报警。

绝对压力测量方案中的测量点布置方式如图3所示。其中1、2所指示的是两个测量点。每个测量点由一个传感器或一组传感器组成。两个测量点分别分布在两条钢轨上，且位于两个轨枕间隔的中点。分布在两条钢轨上的测量点应该接近，但不必限制在同一轨枕间隔内。实际安装传感器的位置为钢轨的轨底部分，以测量钢轨的拉伸形变。

绝对压力测量方案的实施过程是这样的：首先获得传感器的测量数据，利用离散导数计算方法计算压力数据/时间曲线的上拐点即压力峰值位置(数据曲线轮重计量点)，得到压力峰值时的形变数据。这里的拐点计算方法是首先将当前采样数据与前一时刻的采样数据的差值除以当前采样数据，获得当前的曲线离散导数。根据当前时刻的曲线离散导数与采样数据的符号进行判断比较，如果两者符号不同则可以认为产生了一个曲线拐点。该曲线拐点处的受力值就是所需的峰值压力数据。将峰值压力时的形变数据减去测量基准数据(该测量基准数据是在长期测量数据的基础上，根据在无车状态下间隔10分钟以上采样平均值进行修正的基准数据)得到钢轨形变数据。利用该钢轨形变数据并查阅预先准备的形变与压力数据对照表就可以获得与测量数据对应的压力数据(也可以根据经验曲线进行拟合计算)；该压力数据和相应的时间信息一起被记录到压力数据记录数据库中。将该压力数据和预设的告警压力数据表中得到的告警压力数据进行比较，如果压力数据大于告警压力数据则产生告警信号。将告警信号产生时的压力数据和相应的时间信息组合存入告警数据库中。

在此应要注意的是，对于传感器测量点1和2，上述的计算是分别进行的。

2.减载率测量方案

针对能够预先知道列车编组中各节车厢重量的情况，本发明人提出了如下的第一减载率测量方案。

首先，确定传感器识别出的车轮是哪一列列车的以及是列车编组的哪一节车厢的，根据列车时刻表和列车编组信息可以得到车辆的重量，由此得出的减载率是1-(测量的压力数据/(车厢总重/车轮数))。对于减载率参数，各国铁路都有明确的规定，应按该规定对减载率超限的情况进行告警。

为了确定每一个车轮具体所属的车辆，测量点的布置方式应满足进行计轴运算的要求，即如图4所示，将A、B两个传感器组成如本发明人另案申请的“基于钢轨形变/应力参数的车辆计轴方法”中所述的一个计轴测量点。其中，可将A或B传感器设定在两轨枕中点位置，与对面传感器C组成类似绝对压力测量方案的传感器组合。

与上述的绝对压力测量方案类似，在第一减载率测量方案中，每个测量点由一个传感器或一组传感器组成。分布在两条钢轨上的两个测量点应该接近，但不必限制在同一轨枕间隔内，也可以错开放置在不同轨枕间隔内。实际进行测量的位置为钢轨轨底。

第一减载率测量方案的实施过程如下：首先接收传感器的数据，确认是否产生计轴事件。出现计轴事件之后，进行加轴或减轴的数据处理。计轴数的加减根据经过当前交叉点之后第一和第二测量点的测量数据大小关系和预定的计轴数增加方向确定所测量的数据是否是同一车轴(即判别是否同轴)。接着，取计轴拐点的数据，按上述绝对压力测量方案中计算车轮压力的方法得到所测量的压力数据，按减载率＝1-(测量的压力数据/轮重)输出减载率数据。这里的轮重数据是首先通过计轴事件计算列车车轴的数目，利用计轴数和计轴事件发生的时间获得列车编组数据库中的车辆重量和车辆轴数数据，用车重除以轴数，再除以2就可以得到车辆轮重数据。获得减载率数据之后，与减载率限制数据表中的最低减载率数据进行比较，如果减载率数据大于该最低减载率数据，则将告警信息存入告警数据库，告警数据库向外接的监测系统发送告警数据。

针对不能够预先知道列车编组中各节车厢重量的情况，本发明人提出了如下的第二减载率测量方案。

第二减载率测量方案与第一减载率测量方案的主要不同在于需要直接测量车厢本身的重量，其余的技术步骤非常类似于上述的第一减载率测量方案。针对车厢重量的测量，应多布置一些测量点，并适当拉开距离。图5显示了包含6个测量点的实施例，其中1、2、3、4、5、6分别是一个测量点。每个测量点根据编组信息测量列车编组中所有车轮的压力数据之和，将其作为一次测重的结果。多个测量点取平均值就可以得到各车的重量。根据各节车厢的重量计算轮重数据，根据轮重数据就可以获得相对减载率。

在第二减载率测量方案中，设置多个测量点的做法不仅可以较好地测量车厢重量，也可以根据相对连续的减载率测量对车辆运行的安全性进行预警。

下面对第二减载率测量方案中，测量车辆重量的具体实施方式进行说明。在测量车辆重量的过程中，传感器测量点的布置方式如图5所示。首先从传感器中获得钢轨形变数据；然后根据传感器数据进行轮重峰值识别，根据峰值数据转换为轮重数据，并将其存入轮重数据表中。另外，将计轴事件进行记录，同时从有关数据库中得到车辆编组的车轮数据。结合计轴事件，根据各测量点测量的轮重数据与车轮数据计算单个测量点测量的单车车重平均值，将该单车车重平均值存入测重数据库中。获得车辆重量的数据之后，参照上述第一减载率测量方案中的有关步骤，就可以获得相应的减载率数据。

以上对本发明所提供的基于钢轨形变/应力参数的车辆测重方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (3)

1.一种基于钢轨形变/应力参数的车辆减载检测方法，其特征在于：

首先沿钢轨布置多个形变/应力传感器，获得所述多个形变/应力传感器的测量数据，根据所述多个形变/应力传感器的测量数据进行轮重峰值识别，将所获得的峰值形变数据减去测量基准数据得到钢轨形变数据；

利用该钢轨形变数据并查阅形变与压力数据对照表，获得与测量数据对应的压力数据，计算压力与车重换算出的轮重比值；

将该轮重比值和预设的告警比值比较，如果大于告警比值则产生告警信号。

2.如权利要求1所述的基于钢轨形变/应力参数的车辆减载检测方法，其特征在于：

用于实施所述车辆减载检测方法的测量点有两个，每个测量点由一个或一组形变/应力传感器组成；

所述两个测量点分别分布在两条钢轨上，且位于两个轨枕间隔的中点，进行测量的位置为钢轨轨底。

3.如权利要求1或2所述的基于钢轨形变/应力参数的车辆减载检测方法，其特征在于：

在两个测量点分别实施如权利要求1所述的车辆减载检测方法。

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