CN103144652A - 轨道曲线地段列车运行安全的远程监控预警方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
轨道曲线地段列车运行安全的远程监控预警方法及其系统，在轨道曲线地段钢轨动力响应最大截面处设置应变传感器并采集该测点的钢轨动力响应数据，通过GPRS服务器-Internet网络将数据传输到控制台，计算出脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数；与列车运行安全判定标准比较，进行安全评价；当脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数超过列车运行安全判定标准时，发送预警信号。系统包括远端采集模块、数据传输设备、GPRS数据传输服务器、GPRS数据接收服务器、控制台等。本发明具有实时、无线和高速传输等特点；免去了由于环境等因素给现场检测工作带来的不便，保障了作业人员的安全，同时也提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通安全领域。
背景技术
随着我国铁路与城市轨道交通的高速化发展，列车进行提速后所带来的安全问题日益突出，曲线地段的动力响应也越来越明显，国外高速铁路的运行经验表明，高速列车的安全问题是高速化铁路最难解决的三大问题之一，其它两个问题分别是环境问题和舒适性问题。而如何高效、实时地监测曲线地段列车运行安全问题是列车运行安全问题的一大课题，因此有效地保障列车安全运行，是铁路运输工作的重中之重，关系到铁路提速后的安全运行，也关系到人民生命及财产安全。由于曲线地段设置了超高，使得列车经过时会出现较多的不平顺，因此曲线地段为列车运行事故多发地段。日本一列开往尼崎市的列车在转弯时，因速度过快脱轨撞上铁轨外的公寓造成了曾经震惊日本的福知山线事故。日本新干线在东京和大阪设置了对行驶的列车进行监视和远距离控制的中央控制系统，每条线路上还安装了被称为“ATC”的列车速度自动控制系统。当司机无视红色信号的提醒而贸然继续前行时，“ATC”就会无视人的存在而让列车强行自动停止。因此研究制定科学、合理的监测预警技术和管理措施，有效发挥工程监测及预警在轨道交通建设的安全保障作用，为实现安全管理目标和工程建设的安全、顺利与快捷推进保驾护航，是高速铁路发展亟待解决的重大问题之一。
随着列车运行速度的提高，对列车运行安全进行评价是保障铁路安全运输生产的前提。因此，对轨道进行安全监测是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供轨道曲线地段列车运行安全的远程监控预警系统及其方法。为列车在曲线地段安全运行评价提供依据。
本发明通过对列车运行在轨道曲线地段时钢轨动力响应数据的采集，再计算出轮轨垂直作用力及水平作用力，传入GPRS数据传输服务器，经由通信网络模块，再通过GPRS数据接收服务器，由控制台接收数据进行分析并计算出轮轨脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数，根据列车运行安全标准来评价列车运行安全性，利用预警软件对危险情况进行报警。
本发明以轨道曲线地段监控数据为基础，以无线传输技术为依托，实现列车安全运行评价。
本发明所述的远程监控预警系统包括远端采集模块、数据传输设备、GPRS数据传输服务器、GPRS数据接收服务器、控制台。远端采集模块由垂向应变传感器、水平应变传感器组成。远端采集模块连接到数据传输设备、数据传输设备连接到GPRS数据传输服务器，数据传输设备将从远端采集模块采集到的钢轨动力响应数据进行处理，然后传输给GPRS数据传输服务器，再由GPRS数据传输服务器将数据发送到Internet网络上；GPRS数据接收服务器与控制台连接，GPRS数据接收服务器通过Internet网络接收由GPRS数据传输服务器发送的数据，输出到控制台，由控制台进行数据处理，绘出应变-时间关系图，结合轮轨垂直力和水平力标定出轮轨的垂直力和水平力，算出脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数。
本发明所述的应变传感器为应变片。应变片的设置分为两种：测试垂直力时将应变片贴在轨腰两侧的中和轴上为垂向应变传感器；测试水平力时将应变片贴在轨底的上表面和下表面为水平应变传感器。
本发明所述的远程监控预警方法包括如下步骤。
（1）根据轨道曲线地段动力响应设置测点，将测点设置在轨道曲线地段钢轨动力响应最大截面处。
（2）在测点处钢轨的不同位置设置应变传感器并采集该测点的钢轨动力响应数据。
（3）将钢轨动力响应数据通过GPRS无线传输的方式传输到控制台。由远端监测点的数据传输设备将各测点的钢轨动力响应数据发送数据到GPRS数据传输服务器，再经过GPRS数据传输服务器将数据发送到Internet网络上； GPRS数据接收服务器通过Internet网络接收由GPRS数据传输服务器发送的数据，并将数据传输到控制台。本发明采用无线数据通讯的方法实现控制台与远端监控点之间的联系。
（4）控制台根据钢轨动力响应数据计算出脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数。
通过步骤（3）组成的无线数据通讯平台将步骤（2）采集的各测点的钢轨动力响应数据传输到控制台，由控制台通过软件绘出应变-时间关系图，结合轮轨垂直力和水平力标定可得出钢轨的垂直力和水平力，并计算出各测点的脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数。
（5）将脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数与列车运行安全判定标准比较，进行安全评价。
本发明所述的轨道曲线地段钢轨动力响应最大截面处为直缓点，缓圆点，圆缓点和缓直点。
本发明所述的列车运行安全判定标准，是根据我国列车安全运行相关规定及当地的实际铁路线路情况制定的相对应的列车运行安全评判标准。本发明所述的列车运行安全判定标准的指标选择脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数。一般情况下，可采用以下列车运行安全判定标准。
表1 列车运行安全判定标准。
| 评定等级 | 安全 | 预警 | 危险 |
| 脱轨系数 | 小于1.0 | 1.0~1.2 | 大于1.2 |
| 轮重减载率 | 小于0.6 | 0.6~0.65 | 大于0.65 |
| 倾覆系数 | 小于0.8 | 0.8~1.0 | 等于1.0 |
（6）当列车运行安全判定标准的指标（脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数）超过列车运行安全判定标准时，控制台向调度台发送预警信号，以保障列车的安全运行。
本发明构建了轨道远程监控预警管理体系，力图通过远端数据采集、将监测数据通过无线网络发送到控制台、并将监测数据通过无线网络及时发送到控制台，通过控制台软件进行处理，准确判别列车运行安全性，并及时发出预警信号，采取应对措施，降低安全风险。本发明和现有的列车安全监控技术相比，（1）它利用了GPRS网络的实时、无线和高速传输等特点，可以快速地获得列车运行的数据，为运输管理提供及时、可靠的指挥依据；（2）它免去了由环境等因素给现场检测工作带来的不便，保障了作业人员的安全，同时也可以提高工作效率。本发明将给我国列车在曲线地段运行安全监测带来新的突破，由于我国的铁路以及城市轨道交通的全面提速，由此带来的安全问题也日益突出，无线监测是当前铁路检测发展的趋势，对列车安全监控具有重要的意义。
附图说明
图1为轨道远程监控预警系统及方法示意图。
图2为曲线地段测点布置图。
图3为轮轨垂直力贴片及组桥。
图4为轮轨水平力贴片及组桥。
图5为控制台预警流程图。
图6为本发明轨道曲线地段列车运行安全的远程监控预警系统及其方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
在本实施中，轨道曲线地段列车运行安全的远程监控预警系统示意图如图1所示。首先由远端采集模块对列车运行到曲线地段时钢轨的动力响应数据进行采集，再由数据传输设备将动力响应数据发送到GPRS数据传输服务器，通过Internet网络传输至GPRS数据接收服务器，最后输出到控制台，通过软件计算出轮轨的作用力，继而算出各测点的脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数，根据列车运行安全判定标准来判断列车运行的安全性，通过预警系统进行预警。
下面给出本发明方法对轨道曲线地段列车运行安全远程监控预警的具体过程。
（1）根据轨道曲线地段动力响应设置测点。其中测点设置在轨道曲线地段动力响应最大的四个截面处，分别为：直缓点、缓圆点、圆缓点和缓直点。测点的设置形式如图2所示。
（2）在曲线地段动力响应最大截面处设置应变片并采集该截面处钢轨的动力响应数据。如图3所示的轮轨垂直力贴片及组桥图，测试垂直力时将应变片分别贴在离枕盒中心线110mm的两个断面上，贴片的位置处在轨腰两侧的中和轴上，应变片的方向与钢轨纵向成45°角。其中A、A’、B、B’、C、C’、D、D’为贴在轨腰两侧中和轴上的贴片，将其组成桥。如图4所示的轮轨水平力贴片及组桥图，测试水平力时将应变片分别贴在离枕盒中心线110mm的两个断面离轨底边缘20mm处，轨底上表面和轨底下底面各贴4个，应变片的方向与钢轨纵向成45°角，按轨底上表面和下底面分别组成两个桥。其中A、A’、B、B’、C、C’、D、D’ 为贴在轨底上表面的贴片，将其组成一个桥，A1、A1’、B1、B1’、C1、C1’、D1、D1’ 为贴在轨底下底面的贴片，将其组成另一个桥。
（3）将钢轨动力响应数据通过GPRS无线传输的方式传输到控制台。数据传输设备将步骤（2）中采集到的钢轨动力响应数据发送到GPRS数据传输服务器，再经过GPRS数据传输服务器转换进入到Internet网络并传输到GPRS数据接收服务器，并由GPRS数据接收服务器传输数据到控制台，GPRS数据接收服务器与控制台之间需要固定IP且采用独立通讯协议进行数据通讯。本发明采用无线数据通讯的方法实现中控室控制台与远端监控点之间的联系。
（4）预先在控制台中导入轮轨垂直力标定曲线、轮轨水平力标定曲线和列车运行安全判定标准。当GPRS通讯服务器将远端采集的钢轨动力响应数据传输到控制台后，软件立即对接收到的动力响应数据进行分析和处理。具体分析和处理方法为：软件根据接收到的动力响应数据绘出应变及时间的关系图，由于机车相邻轮对间距已知，可计算出机车运行速度，并快速在应变及时间关系图中搜索出对应的应变点，再对比已导入的垂直力标定曲线即可计算出该测点此刻的轮轨垂直力P及水平力Q，继而可以算出列车运行到该测点时刻的车辆脱轨系数（Q/P）。同理，可以计算出轮重减载率（△P/ 
）和倾覆系数（P d /P 0 ）。其中△P为减载侧车轮的轮重载量，
为轮对的平均静轮重；P d 为单侧轮轨垂向动荷载，P 0 为相应的轮轨垂向静荷载。
（5）本发明初步给出一个列车运行安全评判标准，是根据我国列车安全运行相关规定及普通铁路线路基本参数所指定的，标准如表1所示。
表1 列车运行安全判定标准
| 评定等级 | 安全 | 预警 | 危险 |
| 脱轨系数 | 小于1.0 | 1.0~1.2 | 大于1.2 |
| 轮重减载率 | 小于0.6 | 0.6~0.65 | 大于0.65 |
| 倾覆系数 | 小于0.8 | 0.8~1.0 | 等于1.0 |
（注：该标准可以根据当地不同的线路情况及经验数据进行修改或者重新制定）。
（6）预警系统预先将列车运行安全评判标准载入到预警程序中，预警系统的预警流程图如图5所示。当预警系统中的数据单元接收到步骤（4）中算出的脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数的数据后，软件读入这部分数据后带入到预警算法程序中 ，接着由程序进行安全评价。评价方法为：当列车运行安全判定标准的三项指标均处在安全状态时，则认为列车运行状态为安全，同时数据单元更新数据，预警系统进入下一组数据的运算；当列车运行安全判定标准的指标中有一项或以上不在安全状态时，则认为列车运行状态不安全，同时接通报警，并根据列车运行安全判定标准范围给出预警或者危险信号，及时通知主控室向运行的列车及工作人员发出相应信号。
Claims (4)
1.一种轨道曲线地段列车运行安全的远程监控预警方法，其特征是包括如下步骤：
（1）根据轨道曲线地段动力响应设置测点，将测点设置在轨道曲线地段钢轨动力响应最大截面处；
（2）在测点处钢轨的不同位置设置应变传感器并采集该测点的钢轨动力响应数据；
（3）由远端监测点的数据传输设备将各测点的钢轨动力响应数据发送数据到GPRS数据传输服务器，再经过GPRS数据传输服务器将数据发送到Internet网络上； GPRS数据接收服务器通过Internet网络接收由GPRS数据传输服务器发送的数据，并将数据传输到控制台；
（4）控制台根据钢轨动力响应数据计算出脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数；
（5）将脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数与列车运行安全判定标准比较，进行安全评价；
（6）当脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数超过列车运行安全判定标准时，控制台向调度台发送预警信号，以保障列车的安全运行。
2.根据权利要求1所述的轨道曲线地段列车运行安全的远程监控预警系统的方法，其特征是步骤（1）所述的轨道曲线地段钢轨动力响应最大截面处为直缓点，缓圆点，圆缓点和缓直点。
3.一种实现权利要求1所述轨道曲线地段列车运行安全的远程监控预警方法的系统，其特征是包括远端采集模块、数据传输设备、GPRS数据传输服务器、GPRS数据接收服务器、控制台；远端采集模块由垂向应变传感器、水平应变传感器组成；远端采集模块连接到数据传输设备、数据传输设备连接到GPRS数据传输服务器，GPRS数据接收服务器与控制台连接；数据传输设备将从远端采集模块采集到的钢轨动力响应数据进行处理，然后传输给GPRS数据传输服务器，再由GPRS数据传输服务器将数据发送到Internet网络上； GPRS数据接收服务器通过Internet网络接收由GPRS数据传输服务器发送的数据，输出到控制台。
4.根据权利要求3所述的轨道曲线地段列车运行安全的远程监控预警系统，其特征是所述的应变传感器为应变片。
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