CN104143107B - 一种轨道交通工具车轮追踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通工具车轮追踪系统，包括控制系统、地面识别系统和复数个电子标签，所述的电子标签安装在轨道交通工具的车轮上，地面识别系统包括地面识别装置和地面天线阵列，地面天线阵列接地面识别装置，地面识别装置接控制系统。本发明通过地面识别系统的地面识别装置和地面天线阵列可以获取轨道交通工具旋转车轮电子标签上的数据，实现了车轮工作状态等数据统计实时化和自动化采集、有效降低生产成本、提高安全生产效率，为车轮安全、稳定地运行提供了可靠的统计依据。

Description

一种轨道交通工具车轮追踪系统

[技术领域]

本发明涉及轨道交通车辆管理，尤其涉及一种轨道交通工具车轮追踪系统。

[背景技术]

车轮追踪是列车例行检查的常规标准之一，为了保障铁路安全运营，列车车轮每间隔3个月需要例行检查一次，高铁和动车例行检查的时间更短，因为车轮是钢的，轨道也是钢的，列车在轨道上运行，车轮的摩擦，微观的看，车轮的磨损不是规律的圆形的磨损，是不规则的椭圆型的磨损，这不规则的磨损，超过一定的程度，就是个偏心圆，重心不在圆心，旋转振动加大，为了要避免这个情况，使用需要例行检查和及时返厂维修，同时监控车轮的工作寿命。

传统的车轮追踪，是采用人工手工登记的方法，主要是记录车轮上的钢印的数字编号，将数据登记在记录册中。使用传统的记录方式追踪和追踪的缺点是效率低和劳动强度大，漏抄、错抄时有发生，而且数据跟踪不及时、不能在车辆运行中检查登记。

申请号为CN200910214594.5的中国发明申请公开了一种铁路车号自动识别系统，包括通过车号采集系统和交换机与数据库处理系统网络相联的地面识别系统和视频监控系统，数据库处理系统对信息通过集中管理系统进行处理、存储和转发；所述视频监控系统有安装在车辆进站口及轨道衡旁边的摄像机、触发开关、感应线圈、视频解压系统、图像存储器和图像处理系统；所述地面识别系统有安装在机车或货车底部中梁上的电子标签和安装在轨道间的地面天线和电磁式车轮传感器、以及安装在探测机房的RF微波射频装置和读出工控机，该地面识别系统依次通过微波天线、微波机和通讯模块电路与车号采集系统网络相联，在一定程度上能实现对特定车辆统计的实时化和自动化、有效降低生产成本和提高安全生产效率。

但是，上述的铁路车号自动识别系统存在以下缺点：

采用收发一体式单天线结构，使用线极化天线，微波发射信号覆盖范围小，范围是：水平面半功率角为30度；垂直面半功率角为60度，覆盖范围小，不适合应用在对旋转车轮的检测。

电子标签安装在车厢下面，有较好的微波空间环境，标签尺寸为236mm×60mm×17mm。这种电子标签尺寸太大，轨道交通工具的轮毂上面安装不了。

这种标签就不是UHF标签，只有一个区，而且只有128位，这这种标签属于一种半有源标签，需要很大的微波信号才能激活这个标签，这么大的微波信号对人体也有一定的危害性，而且重量比较重。

电子标签安装在车厢上，车厢的运动轨迹相对铁道是平行移动的，电子标签和天线之间微波信号很完整。但车轮运行是旋转运动，微波环境恶劣，金属屏蔽严重，信号不易读取。

由此，现有的铁路车号自动识别系统的技术方案无法在车辆高速运行过程中获得轨道交通工具车轮的信息。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种能够在车辆运行过程中读取轨道交通工具车轮信息的轨道交通工具车轮追踪系统。

本发明要解决的技术问题是提供一种能够在车辆高速运行过程中读取快速轨道交通工具车轮信息的轨道交通工具车轮追踪系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种轨道交通工具车轮追踪系统，包括控制系统、地面识别系统和复数个电子标签，所述的电子标签安装在轨道交通工具的车轮上，地面识别系统包括地面识别装置和地面天线阵列，地面天线阵列接地面识别装置，地面识别装置接控制系统。

以上所述的轨道交通工具车轮追踪系统，地面识别装置包括微处理器、RFID读写模块和射频切换电路；微处理器接RFID读写模块，RFID读写模块接射频切换电路，射频切换电路接地面天线阵列的各个天线。

以上所述的轨道交通工具车轮追踪系统，控制系统包括PLC、工控机、服务器和车轮传感器；车轮传感器的信号输出端接PLC，PLC接地面识别装置的微处理器；PLC接工控机，工控机接服务器；车轮传感器检测到有轨道交通工具驶入时，向PLC发出信号，PLC通过微处理器唤醒RFID读写模块；RFID读写模块通过射频切换电路和地面天线阵列向外发送和接收微波信号；RFID读写模块对接收的数据进行解码，通过微处理器上传到PLC；车轮传感器检测到轨道交通工具驶离后，向PLC发出信号，PLC通过微处理器控制RFID读写模块进入休眠状态。

以上所述的轨道交通工具车轮追踪系统，电子标签安装在轨道交通工具的车轮轮毂的外周，电子标签的天线采用全向、1×2或2×2阵列偶极子天线。

以上所述的轨道交通工具车轮追踪系统，电子标签是UHF无源电子标签，电子标签用户数据存储区的容量为64字节；存储数据包括车轮、出厂日期、铁水配比编号、制造单位、检测次数和检测日期。

以上所述的轨道交通工具车轮追踪系统，地面天线阵列包括发射天线组合和接收天线组合，发射天线组合和接收天线组合分别包括复数个单体天线；发射天线组合和接收天线组合沿轨道纵向布置。

以上所述的轨道交通工具车轮追踪系统，发射天线组合和接收天线组合各包括3-8个单体天线，发射天线组合和接收天线组合的单体天线沿轨道纵向分开布置或交错布置。

以上所述的轨道交通工具车轮追踪系统，单体天线为的水平半功率角为20-40度；垂直半功率角为90-130度。

以上所述的轨道交通工具车轮追踪系统，单体天线为线极化天线，包括2个偶极子天线和一块反射底板；偶极子天线的极子为八边形的铝板或铜板，反射底板为铝合金板，极子与反射底板的距离大于50mm；单体天线的长轴方向与轨道的纵向正交，偶极子天线的长轴方向与单体天线的长轴方向同向；2个偶极子天线沿单体天线的长轴方向分开布置，中心距为250-300mm。。

以上所述的轨道交通工具车轮追踪系统，单体天线固定在轨道两根铁轨之间的枕木上，相邻单体天线之间的间距为2-6m。

本发明轨道交通工具车轮追踪系统通过地面识别系统的地面识别装置和地面天线阵列可以获取轨道交通工具旋转车轮上电子标签上的数据，实现了车轮数据统计的实时化和自动化、有效降低生产成本、提高安全生产效率，为车轮安全、稳定地运行提供了可靠的统计依据。

[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详细的说明。

图1是本发明实施例1地面天线阵列的安装示意图。

图2是本发明实施例1单体天线的主视图。

图3是本发明实施例1单体天线的俯视图。

图4是本发明实施例1单体天线的立体图。

图5是本发明实施例1电子标签的安装示意图。

图6是图5中的A向剖视图。

图7是是本发明实施例1电子标签的结构示意图

图8是本发明实施例1轨道交通工具车轮追踪系统的原理框图。

图9是发明实施例2地面天线阵列的安装示意图。

[具体实施方式]

本发明实施例1轨道交通工具车轮追踪系统的结构如图1至图8所示，包括控制系统、地面识别系统和安装在车辆上的许多个电子标签1，电子标签1是UHF无源电子标签。

UHF无源电子标签1安装在轨道交通工具的车轮上，地面识别系统包括地面识别装置和地面天线阵列，地面天线阵列接地面识别装置，地面识别装置接控制系统。

地面识别装置包括微处理器ARM7芯片、RFID读写模块(R2000芯片)和射频切换电路(射频切换芯片RF1450)。微处理器接RFID读写模块，RFID读写模块接射频切换电路，射频切换电路的输出端TX和接收端RX分别接地面天线阵列的发射天线和接收天线。

控制系统包括PLC、工控机、服务器和车轮传感器。车轮传感器的信号输出端接PLC，PLC接地面识别装置的微处理器。PLC接工控机，工控机接服务器。车轮传感器检测到有轨道交通工具驶入时，向PLC发出信号，PLC通过微处理器唤醒RFID读写模块。RFID读写模块通过射频切换电路和地面天线阵列向外发送和接收微波信号。RFID读写模块对接收的数据进行解码，通过微处理器上传到PLC。车轮传感器检测到轨道交通工具驶离后，向PLC发出信号，PLC通过微处理器控制RFID读写模块进入休眠状态。

如图5和图6所示，无源微波电子标签1安装在轨道交通工具的车轮轮毂2的外周，电子标签1的天线为全向空间的偶极子天线。

电子标签1用户数据存储区的容量为64字节。存储数据包括车轮、出厂日期、铁水配比编号、制造单位、检测次数和检测日期等数据。

电子标签的天线采用全向、1×2或2×2阵列偶极子天线接收灵敏度-85DB，2×2阵列偶极子天线的结构如图7所示。

如图1所示，地面天线阵列包括发射天线组合100和接收天线组合200，发射天线组合100和接收天线组合200分别包括4个单体天线3。发射天线组合100和接收天线组合200沿轨道纵向分开布置。

发射天线组合100和接收天线组合200的单体天线3分别沿轨道纵向分开布置。

单体天线3固定在轨道两根铁轨4之间的枕木5上，同一天线组合中相邻单体天线3之间的间距L1为2-6m，优选为3-4m，不同天线组合间相邻单体天线3的间距L2为2-6m，优选为3-4m。

单体天线3为的水平半功率角为20-40度，优选为30度。垂直半功率角为90-130度，优选为120度。

单体天线3为线极化天线，包括2个偶极子天线301和一块反射底板302。偶极子天线301的极子305为八边形的铝板，反射底板302为铝合金板，极子与反射底板302的距离L3大于50mm。单体天线3的长轴方向与轨道铁轨4的纵向正交，偶极子天线301的长轴方向与单体天线3的长轴方向同向。2个偶极子天线301沿单体天线3的长轴方向分开布置，中心距L4为250-300mm，优选275mm。

在本实施例中，天线阵列用于发射和接收微波信号，是用于激活车轮电子标签和读取车轮电子标签的数据的前端部件。

车轮传感器用于检测轨道交通工具驶入，启动地面识别系统检测设备进行工作。如果长时间地让地面识别系统设备一直工作，会使地面识别系统的寿命减短。而且还可以判断轨道交通工具驶入的方向。

工业PLC用于实现逻辑控制和数据传输；使用工业级的PLC做逻辑控制和数据传输功能，运行工业专用的PLC系统，工作温度范围宽，同时进行专用的防雷击处理。

工作站工控机用于运行工作站的应用程序，实时显示车轮编号，轨道交通工具编号和车轮相关信息；服务器用于数据存储，数据处理，数据分析等工作。

在本实施例中，把电子标签安装在距离轴心不远的轴毂上，按照受力分析和高速动平衡分析，距离轴毂越远，偏心的轴心力都大于2g,所以最佳的安装位置是轴毂上。受轴毂的空间限制，电子标签尺寸是：83mm×26mm×11mm，底部弧面型，使用不锈钢螺丝固定在车轮的轮毂2上。

本发明轨道交通工具车轮追踪系统以上实施例的工作过程如下：

地面识别装置上电开始时，ARM7芯片对R2000芯片进行初始化，主要是进行R2000的发射功率，工作频率范围和信号量等的参数初始化，初始化完成ARM7处于等待状态，R2000处于低功耗休眠模式。射频切换电路处于0通道状态。

轨道交通工具驶入时，车轮传感器检测到有轨道交通工具驶入，触发一个24V的高电平脉冲信号给工业PLC控制系统，工业PLC控制系统接收到触发信号唤醒地面识别系统。

当工业PLC通过串口给ARM7发送执行识别命令时，ARM7唤醒R2000芯片，R2000芯片开始工作，按初始化的工作频率，经过射频切换电路通过发射天线发送微波信号，触发车轮上的电子标签；然后同时接收电子标签的数据经过射频切换电路把信号传输到R2000芯片上进行解码，把解码的数据传输到ARM7中，ARM7通过串口传输到工业PLC中，用同样的方法一直反复执行，直到接收到工业PLC的停止命令。

如上所述，地面识别系统接收到工业PLC控制系统的命令通过射频芯片R2000把TTL数字信号调制成902M-928M的空中协议G2/ISO180006C经过天线阵列把数据和无线能量传输到车轮标签上，车轮的电子标签被空中的微波信号激活，而且符合G2/ISO180006C，解析空中传输的数据，数据解析完成并且符合要求，电子标签就通过微波信号推送出数据，微波信号经过天线阵列进入R2000芯片把902M-928M的空中协议G2/ISO180006C解调成TTL数字信号，地面识别系统读取TTL数字信号转换成机器码，通过铁路专用以太网把数据传输到工作站的工控机中，工作站的工控机又通过铁路专用以太网传输到铁路总公司总部的服务器中，服务器得到车轮标签里面的数据后，分析车轮的数据，历史数据，车轮状态等等，为车轮可靠稳定地运行提供统计依据。

本发明实施例2地面天线阵列的安装方式与实施例1不同的是，发射天线阵列100的单体天线3A和接收天线阵列200的单体天线3B沿轨道纵向交错布置。

单体天线3A和3B固定在轨道两根铁轨4之间的枕木5上，相邻单体天线的间距L为2-6m，优选为3-4m。

微波电子标签在空旷的环境下读数据的距离是6米，在这个范围内，才能有效的把微波信号反射回来。

在实施例1中，4个天线发射的微波信号是4个天线面积的之和的一个大面积。单体天线之间的间隔3米-3.5米，发射天线和接收天线是分离的，微波的大面积是8个天线之和，按3米的天线距离计算，8个天线的面积之和是：3×8个＝24米，通过这个数据得出，在300KM/H的行驶速度下是可以满足读电子标签数据的长度。

在实施例2中天线交叉间隔排布，接收天线和发射天线之间间隔2-6米，这种方式的天线排布，以上的推论依然成立，无线射频的发射信号理论是：发送------接收------发送------接收------，这个顺序流程，如果火车从反方向过来，那对于无线信号的顺序是：接收------发送------接收------发送------，发射天线阵列和接收天线阵列是通过切换芯片来切换的,切换芯片每切换一路的时间<10μS，接收和发射分别是都是4路，4X10μS＝40μS，发射切换天线需要40μS，接收切换天线需要40μS，总共需要80μS，按83.33M/S的速度，80μS车辆移动了0.006664米，这么短的距离可以忽略不计所以，本发明以上实施例的天线系统能够可靠稳定的读取数据。

天线放置第2种情况,顺序如:发射-----发射------,接收-------接收------；发射天线阵列和接收天线阵列是通过切换芯片来切换的,切换芯片每切换一路的时间<10μS，接收和发射分别是都是4路，4X10μS＝40μS，列车正面驶入的论证如前所述，列车反向驶入的论证，天线顺序是：接收------接收------，发射------发射-----；发射切换天线需要40μS，接收切换天线需要40μS，总共需要80μS，按83.33M/S的速度，80μS就移动了0.006664米，在这么段的距离里，可以忽略不计，所以本发明以上实施例的天线系统能够可靠稳定的读取数据。

实施例2相对于实施例1有更大的优势。实施例2的单体天线排列是：发射-----接收-----发射------接收------，对于微波信号来说，也是这种排列方式，而且发射天线和接收天线的切换时间非常短，分别是40μS，发射天线发射信号激活标签，接收天线就立刻反应数据接收，而且即使不能立刻反应接收数据，还有邻近的发射天线进行激活，继续保持激活状态，这样往复循环，相当于列车进入一个很大的微波磁场环境。实施例1分开排列的也是进入一个很大的微波磁场环境，但是发射信号和接收信号的片区比较集中，实施例1的安装方式对于列车达到500KM/H的时候就会出现局限了。

本发明以上实施例具有以下有益效果：

1.使用电脑信息技术和射频微波技术，把预置在轨道交通工具车轮的RFID标签的数据通过射频微波信号传输到地面的服务器中，完成数据自动采集、记录的过程。

2.在线式、实时检测、实时数据分析、节省人工；动态实时检测数据分析车轮的公里数、运行轨迹、状态；使车轮可靠稳定的运行提供数据依据。

3.铁轨枕木上安装的阵列式天线可以稳定可靠地读取高速旋转车轮上微波电子标签的数据。

Claims (7)

1.一种轨道交通工具车轮追踪系统，包括控制系统、地面识别系统和复数个电子标签，其特征在于，所述的电子标签安装在轨道交通工具的车轮轮毂的外周，地面识别系统包括地面识别装置和地面天线阵列，地面天线阵列接地面识别装置，地面识别装置接控制系统；电子标签的天线采用全向、1×2或2×2阵列偶极子天线,地面天线阵列包括发射天线组合和接收天线组合，发射天线组合和接收天线组合分别包括复数个单体天线；发射天线组合和接收天线组合沿轨道纵向布置，电子标签是UHF无源电子标签，电子标签用户数据存储区的容量为64字节；存储数据包括车轮、出厂日期、铁水配比编号、制造单位、检测次数和检测日期。

2.根据权利要求1所述的轨道交通工具车轮追踪系统，其特征在于，地面识别装置包括微处理器、RFID读写模块和射频切换电路；微处理器接RFID读写模块，RFID读写模块接射频切换电路，射频切换电路接地面天线阵列的各个天线。

3.根据权利要求2所述的轨道交通工具车轮追踪系统，其特征在于，控制系统包括PLC、工控机、服务器和车轮传感器；车轮传感器的信号输出端接PLC，PLC接地面识别装置的微处理器；PLC接工控机，工控机接服务器；车轮传感器检测到有轨道交通工具驶入时，向PLC发出信号，PLC通过微处理器唤醒RFID读写模块；RFID读写模块通过射频切换电路和地面天线阵列向外发送和接收微波信号；RFID读写模块对接收的数据进行解码，通过微处理器上传到PLC；车轮传感器检测到轨道交通工具驶离后，向PLC发出信号，PLC通过微处理器控制RFID读写模块进入休眠状态。

4.根据权利要求1所述的轨道交通工具车轮追踪系统，其特征在于，发射天线组合和接收天线组合各包括3-8个单体天线，发射天线组合和接收天线组合的单体天线沿轨道纵向分开布置或交错布置。

5.根据权利要求1所述的轨道交通工具车轮追踪系统，其特征在于，单体天线为的水平半功率角为20-40度；垂直半功率角为90-130度。

6.根据权利要求1所述的轨道交通工具车轮追踪系统，其特征在于，单体天线为线极化天线，包括2个偶极子天线和一块反射底板；偶极子天线的极子为八边形的铝板或铜板，反射底板为铝合金板，极子与反射底板的距离大于50mm；单体天线的长轴方向与轨道的纵向正交，偶极子天线的长轴方向与单体天线的长轴方向同向；2个偶极子天线沿单体天线的长轴方向分开布置，中心距为250-300mm。

7.根据权利要求1所述的轨道交通工具车轮追踪系统，其特征在于，单体天线固定在轨道两根铁轨之间的枕木上，相邻单体天线之间的间距为2-6m。