CN106891914A - 轨道扣件系统工作状态实时监测装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道扣件系统工作状态实时监测装置、系统和方法，该装置包括传感器模块和信号接收模块，传感器模块包括加速度传感器、应变片和位移传感器中的至少一个；信号接收模块包括相应地加速度传感器适配器、应变片适配器和位移传感器适配器中的至少一个；数据采集器；数据存储器；以及数据无线收发器，其中加速度传感器适配器为加速度传感器供电并采集来自其的加速度数据；应变片适配器为应变片供电并采集来自其的应变数据；位移传感器适配器为位移传感器供电并采集来自其的位移数据；数据采集器收集来自各适配器的数据，并存储在数据存储器中，实时地通过数据无线收发器发送，以供分析确定该扣件系统的工作状态。

Description

轨道扣件系统工作状态实时监测装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种轨道扣件系统工作状态实时监测装置、系统和方法。

背景技术

我国高铁、城市地铁、城际铁路等轨道交通行业发展迅猛，在国民经济建设中发挥了重大作用。截止2016年9月全国高铁总里程达到2万公里，占世界60％以上。高铁列车在极大地方便了人们日常出行的同时，也对轨道交通设施本身提供了更高的要求。

轨道扣件系统是无缝轨道中一个关键部件。随着列车运行速度的不断上升，扣件弹条的力学环境变得更加恶劣：振动加速度量级增大，高频段能量显著增加。这些变化增大了弹条机械疲劳损伤与失效的风险。目前在各个运行的轨道线路中因振动量级过大导致的弹条断裂失效时有发生。弹条忽然断裂会严重影响线路运行安全，增加线路维护保养成本。

当前还没有一个很好的办法来监测弹条的工作状态，原因有：

a.扣件系统动力学特性复杂；

b.监控用传感器技术难度大，对环境适应性要求较高；

c.单一类型的测量不能准确的评价工作状态，必须多类型传感器协同工作；

d.全线实时监测，数据量极大，对大数据分析处理解决方案要求高；

智能监测解决方案，涉及专业领域较多，对跨专业合作要求高。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种智能型轨道扣件系统振动监测装置、系统和监测方法。该装置、系统和方法可以有效的监测弹条的工作状态，准确预报潜在失效弹条的位置，在弹条发生失效之前作出预警，避免出现突然破坏，保障轨道安全运营，降低轨道维护成本。

本发明第一方面公开了一种轨道扣件系统工作状态实时监测装置，包括

传感器模块，包括

用于测量扣件弹条加速度的加速度传感器、用于测量扣件弹条应变的应变片和用于测量扣件弹条位移的位移传感器中的至少一个；

信号接收模块，包括

相应地，加速度传感器适配器、应变片适配器和位移传感器适配器中的至少一个；

数据采集器；

数据存储器；以及

数据无线收发器，

其中加速度传感器适配器为加速度传感器供电并采集来自其的加速度数据；应变片适配器为应变片供电并采集来自其的应变数据；位移传感器适配器为位移传感器供电并采集来自其的位移数据；数据采集器收集来自各适配器的数据，并存储在数据存储器中，实时地通过数据无线收发器发送，以供分析确定该扣件系统的工作状态。

在一个实施例中，当所述传感器模块包括加速度传感器时，所述监测装置还包括传感器安装基座，测量所使用的传感器通过传感器安装基座直接安装在扣件弹条上。

在一个实施例中，除了加速度数据、应变数据以及位移数据至少之一外，所述信号接收模块还记录进行测量的传感器的信号所在弹条的编号。

在一个实施例中，所述信号接收模块还记录测量日期及时间。

在一个实施例中，加速度传感器被安装为使得至少确保能够测量扣件弹条竖直方向上加速度信号；应变片固定在弹条应力集中区域上；位移传感器安装在弹条最大竖直方向位移的位置。

在一个实施例中，所述数据采集器具有工作和休眠两种工作模式，当列车即将通过时，以加速度传感器测量的扣件弹条振动加速度信号的一时域幅值为触发量，数据采集器进入工作模式开始记录数据，非工作情况下处于休眠模式。

在一个实施例中，所述加速度传感器适配器与所述数据采集器集成为一个加速度信号采集功能面板，负责加速度数据的采集；和/或所述应变片适配器与所述数据采集器集成为一个应变信号采集功能面板，负责应变数据的采集；和/或所述位移传感器适配器与所述数据采集器集成为一个位移信号采集功能面板，负责位移数据的采集。

本发明第二方面公开了一种轨道扣件系统工作状态实时监测系统，包括根据本发明第一方面所述的轨道扣件系统工作状态实时监测装置；

数据基站；

数据分析处理器；以及

终端模块，

其中数据无线收发器将收集的数据发送给数据基站，数据基站通过专用网络将数据发送给数据分析处理器进行分析，根据扣件系统特征变化，判断扣件弹条工作状态，当出现扣件弹条工作状态异常时，向终端模块发送预警信号。

本发明第三方面公开了一种使用本发明第二方面所述的系统进行轨道扣件系统工作状态监测的方法，包括步骤

S1：使用监测装置，获得扣件弹条监测数据；

S2：将所述监测数据通过数据基站发送到数据分析处理器；以及

S3：数据分析处理器对监测数据进行分析，根据扣件系统特征变化，判定弹条工作状态，确定出现特征异常的弹条，将预警信号发送给终端。

在一个实施例中，步骤S3中，数据分析处理器对监测数据进行分析进一步包括：

S31：从待分析的数据中选取合适的数据块,其中合适的数据块是指整个待分析的时域信号均为列车正在通行时的宏观稳态信号；以及

S32：分析信号时域特征,将信号从时域转换到频域，分析信号频域特征。

本发明的有益效果如下：

通过本发明的装置、系统和方法，能达到如下技术效果至少之一：

可以直接、准确、快速的发现扣件系统失效，直接指出失效位置；

可及时发现扣件系统潜在的缺陷，提供失效预警，最终可对扣件的使用健康状态进行智能预测；

自动化程度高，可极大地降低轨道维护成本，提高全线轨道运营安全性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明一个实施例的轨道扣件系统工作状态实时监测装置及包括其的系统的示意图；

图2为根据本发明一个实施例的信号接收模块示意图；

图3为根据本发明一个实施例的实时监测系统的逻辑层示意图；以及

图4示出根据本发明一个实施例的轨道扣件系统工作状态监测方法。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

参考图1，示处本发明一个实施例的轨道扣件系统工作状态实时监测装置1，包括传感器模块10和信号接收模块20。

传感器模块10包括用于测量扣件弹条加速度的加速度传感器100、用于测量扣件弹条应变的应变片105(其也是一种传感器)以及用于测量扣件弹条位移的位移传感器110、以及传感器安装基座(或工装)115，传感器通过传感器安装基座115直接安装在扣件弹条2上。

信号收发模块20包括加速度传感器适配器200、应变片适配器205、位移传感器适配器210、数据采集器215、数据存储器220和数据无线收发器225。其中加速度传感器适配器200为加速度传感器100供电并采集来自其的加速度数据；应变片适配器205为应变片105供电并采集来自其的应变数据；位移传感器适配器210为位移传感器110供电并采集来自其的位移数据。数据采集器215收集来自各适配器的数据，并存储在数据存储器220中，实时地通过数据无线收发器225发送，以供分析确定该扣件系统的工作状态。

通过本发明的装置，可及时发现扣件系统潜在的缺陷，提供失效预警，最终可对扣件的使用健康状态进行智能预测。

在一个具体示例中，信号收发模块20记录的信息包括：传感器测量的加速度、应变和位移，传感器信号所在弹条的编号(弹条位置)，测量日期及时间等。

加速度传感器100安装的位置和方式足够好的话，能够测量(X,Y,Z)三个方向的弹条加速度，然而，在本发明的一个具体示例中，加速度传感器100被安装为使得至少确保能够测量扣件弹条竖直方向上加速度信号即可。

在一个具体示例中，加速度传感器100及加速度传感器安装基座115的总质量不超过0.03kg。

在一个具体示例中，应变片105以粘贴的方式固定在弹条应力集中区域上，本领域技术人员根据现场实际情况和经验能够知道弹条应力集中区域的位置。

在一个具体示例中，位移传感器110通常安装在可测量弹条最大竖直方向位移的位置，本领域技术人员根据现场实际情况和经验能够知道弹条最大竖直方向位移的位置。

进一步地，加速度传感器100、应变片105的有效频率范围优选地为10-3000Hz，容差为±10％。位移传感器115的有效频率范围优选地为10-1000Hz，容差为±10％。

进一步地，加速度传感器100的分辨率优选地优于0.1m/s²(有效值RMS)；位移传感器110的分辨率优选地优于0.01mm(RMS)。

在一个具体示例中，数据采集器215的采样频率不低于10kHz。

进一步地，所述数据采集器215具有工作和休眠两种工作模式，当列车即将通过时，以加速度传感器100测量的扣件弹条振动加速度信号的一时域幅值为触发量，数据采集器215进入工作模式开始记录数据，非工作情况下处于休眠模式。该触发量可以由操作员或用户根据经验通过下文中所述的终端模块设定，并将该触发量通过数据无线收发器225发送给加速度传感器100。这样，在保证能实时监测的前提下，进一步降低了装置的功耗，延长了装置的使用寿命。

根据测量物理量的不同，传感器信号类型有加速度、位移和应变。可在同一弹条上布置三种传感器，如上述实施例中所述那样，亦可根据需要布置其中的一种或者两种。在这种情况下，相应的适配器也仅包括一种或者两种。

本发明基于模块化设计思路，根据不同类型传感器输出信号特征，针对性的开发了不同的信号采集功能面板，在信号收发装置20上可根据实际测量的需要对其做出调整，具有方便、可靠的优点。

具体地，如图2所示，加速度传感器适配器200与数据采集器215可以集成为一个加速度信号采集功能面板230，负责加速度数据的采集。

所述应变片适配器205与所述数据采集器215可以集成为一个应变信号采集功能面板240，负责应变数据的采集。

所述位移传感器适配器210与所述数据采集器215可以集成为一个位移信号采集功能面板250，负责位移数据的采集。

各种功能面板与所述信号收发模块20的接口统一，可根据需要选择。

本发明还提供了一种包括上述轨道扣件系统工作状态实时监测装置1的系统，还包括数据基站3、数据分析处理器4以及终端模块5。其中数据无线收发器225以无线通讯的方式将收集的数据发送给数据基站3，数据基站3通过专用网络将数据发送给数据分析处理器4进行分析。

终端模块5例如为PC机、手机、平板电脑等可以具有显示、输入、并连接数据分析处理器4的一切终端。通过该终端模块，可以设定监测参数、显示监测结果、接收预警信号等人机交互功能。

从逻辑层角度来看，如图3所示，该系统分为测量层，由传感器模块10实现测量功能；接入层，由信号接收模块20实现接入功能；汇聚层，由数据基站3实现功能；核心层，由数据分析处理器4实现功能；终端层，由终端模块5实现功能。

数据分析处理器4从待分析的数据中选取合适的数据块,其中合适的数据块是指整个待分析的时域信号均为列车正在通行时的宏观稳态信号；对信号进行时域和频域分析；根据扣件系统特征变化，判断该扣件弹条工作状态，当出现扣件弹条工作状态异常时，向终端模块5发送预警信号。

通过本发明的系统，可以实时的采集弹条工作状态信息，可及时发现扣件系统潜在的缺陷，提供失效预警，最终可对扣件的使用健康状态进行智能预测。并且一旦操作员设定好参数之后，系统自动进行监测，自动化程度高，可极大地降低轨道维护成本，提高全线轨道运营安全性。

在实际的应用场景中，需要根据轨道上轨道扣件系统的分布来相应地设置监测装置1和无线数据基站3的数目和位置。在一个具体示例中，无线数据基站30有效覆盖距离大于100m，有效连接信号收发模块20的数目大于2400个。如果要监测多个扣件系统的工作状态，信号收发模块20记录的信息除了包括传感器测量的加速度、应变和位移中的一种或多种外，还需要记录传感器信号所在弹条的编号(弹条位置)。可以直接、准确、快速的发现扣件系统失效，直接指出失效位置；进一步，为了防止出现已更换新的弹条而监测系统仍就是对该位置的弹条记录为异常的情况，还需要记录测量日期及时间等。这种情况下，操作员通过比较测量时间和更换时间，就知道数据是否还需要关注。

根据本发明的又一个方面，本发明还公开了一种轨道扣件系统工作状态监测方法，基于所述智能型轨道扣件系统工作状态实时监测装置的测量结果，利用时域、频域分析方法得到加速度信号、位移信号和应变信号的变化特征，以此判断扣件系统的工作状态，提供失效预警，具体包括以下步骤：

S1：使用监测装置1，获得扣件弹条监测数据；

S2：将所述监测数据通过数据基站3发送到数据分析处理器4；

S3：数据分析处理器4对监测数据进行分析，根据扣件系统特征变化，判定弹条工作状态，确定出现特征异常的弹条，将预警信号发送给终端。

在一个具体示例中，所述监测数据包括弹条的加速度、应变和位移数据中的至少之一。

进一步地，当需要监测多个扣件弹条的工作状态时，所述监测数据还包括传感器信号所在弹条的编号。

再进一步地，所述监测数据还包括测量日期及时间。

在一个具体示例中，步骤S3中，数据分析处理器4对监测数据进行分析进一步包括：

S31：从待分析的数据中选取合适的数据块,其中合适的数据块是指整个待分析的时域信号均为列车正在通行时的宏观稳态信号；

S32：分析信号时域特征,将信号从时域转换到频域，分析信号频域特征。优选地，利用快速傅里叶变换(FFT)和短时傅里叶变换(STFT)至少之一进行所述转换。

进一步地，在步骤S32中，分析信号时域特征之前，还包括步骤S321：对信号进行滤波、去毛刺。其中，滤波采用Butterworth二阶算法对时域信号进行低通、高通或带通滤波操作。

进一步地，在步骤S32中，分析信号时域特征包括步骤S322：对信号进行加窗及带宽确定。

进一步地，在步骤S32中，分析信号频域特征包括步骤S323：对信号进行频率分辨率及频域平均方式确定。其中，频率分辨率一般不大于4Hz，分析带宽大于3000Hz。

进一步地，对于步骤S321-S323，操作员可以根据信号的具体特征进行参数设定。

在一个具体示例中，在步骤S32中，对不同种类的信号采用不同的处理方法，包括：

对加速度信号，采用时域和频域分析相结合，时域分析得到时域上峰值的幅值、单位时间内的RMS值，频域分析得到频域内峰值所在的频率、频域内RMS值和典型带宽上的RMS值；

对应变信号，以时域分析方法为主，得到应变信号的时域峰值，结合疲劳失效的雨流分析方法对弹条寿命进行预测；

对位移信号，以时域分析方法为主，得到位移信号的时域峰值。

在一个具体示例中，在步骤S3中，扣件系统特征变化包括：

A)信号频域上特征的变化，包括：

加速度与位移信号频域内峰值频率f_measure-N的改变；

加速度与位移信号频域内峰值幅值A_measure-N的改变；

单位时间内，加速度、位移的RMS值；

式中N为峰值的次序。

B)信号时域上特征的变化，包括：

单位时间内，加速度、位移的RMS值；

应变信号峰值的突变。

本发明的基本思路为：可将扣件系统看作为一个“输入-系统-输出”的系统模型。其中，输入为火车经过时的激励；系统为弹条的动力学特性；输出为可测的加速度信号、位移信号和应变信号。弹条动力学特性与其弹条机械特征密切相关。弹条内部含有裂纹、弹条安装出现松动等情况都会使系统特性发生变化。在同一输入或经过归一化处理后，利用输出特征的变化间接地找到系统特征的变化，即弹条动力学特性的变化，再根据这种变化的程度判断弹条是否出现异常，并提供预警。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种轨道扣件系统工作状态实时监测装置，其特征在于，包括传感器模块，包括

用于测量扣件弹条加速度的加速度传感器、用于测量扣件弹条应变的应变片和用于测量扣件弹条位移的位移传感器中的至少一个；

信号接收模块，包括

相应地，加速度传感器适配器、应变片适配器和位移传感器适配器中的至少一个；

数据采集器；

数据存储器；以及

数据无线收发器，

其中加速度传感器适配器为加速度传感器供电并采集来自其的加速度数据；应变片适配器为应变片供电并采集来自其的应变数据；位移传感器适配器为位移传感器供电并采集来自其的位移数据；数据采集器收集来自各适配器的数据，并存储在数据存储器中，实时地通过数据无线收发器发送，以供分析确定该扣件系统的工作状态。

2.根据权利要求1所述的轨道扣件系统工作状态实时监测装置，其特征在于，当所述传感器模块包括加速度传感器时，所述监测装置还包括传感器安装基座，测量所使用的传感器通过传感器安装基座直接安装在扣件弹条上。

3.根据权利要求1所述的轨道扣件系统工作状态实时监测装置，其特征在于，除了加速度数据、应变数据以及位移数据至少之一外，所述信号接收模块还记录进行测量的传感器的信号所在弹条的编号。

4.根据权利要求3所述的轨道扣件系统工作状态实时监测装置，其特征在于，所述信号接收模块还记录测量日期及时间。

5.根据权利要求1所述的轨道扣件系统工作状态实时监测装置，其特征在于，加速度传感器被安装为使得至少确保能够测量扣件弹条竖直方向上加速度信号；应变片固定在弹条应力集中区域上；位移传感器安装在弹条最大竖直方向位移的位置。

6.根据权利要求1所述的轨道扣件系统工作状态实时监测装置，其特征在于，所述数据采集器具有工作和休眠两种工作模式，当列车即将通过时，以加速度传感器测量的扣件弹条振动加速度信号的一时域幅值为触发量，数据采集器进入工作模式开始记录数据，非工作情况下处于休眠模式。

7.根据权利要求1所述的轨道扣件系统工作状态实时监测装置，其特征在于，

所述加速度传感器适配器与所述数据采集器集成为一个加速度信号采集功能面板，负责加速度数据的采集；和/或

所述应变片适配器与所述数据采集器集成为一个应变信号采集功能面板，负责应变数据的采集；和/或

所述位移传感器适配器与所述数据采集器集成为一个位移信号采集功能面板，负责位移数据的采集。

8.一种轨道扣件系统工作状态实时监测系统，其特征在于包括根据权利要求1-7中任一项所述的轨道扣件系统工作状态实时监测装置；

数据基站；

数据分析处理器；以及

终端模块，

其中数据无线收发器将收集的数据发送给数据基站，数据基站通过专用网络将数据发送给数据分析处理器进行分析，根据扣件系统特征变化，判断扣件弹条工作状态，当出现扣件弹条工作状态异常时，向终端模块发送预警信号。

9.一种使用权利要求8所述的系统进行轨道扣件系统工作状态监测的方法，其特征在于，包括步骤

S1：使用监测装置，获得扣件弹条监测数据；

S2：将所述监测数据通过数据基站发送到数据分析处理器；以及

S3：数据分析处理器对监测数据进行分析，根据扣件系统特征变化，判定弹条工作状态，确定出现特征异常的弹条，将预警信号发送给终端。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S3中，数据分析处理器对监测数据进行分析进一步包括：

S31：从待分析的数据中选取合适的数据块,其中合适的数据块是指整个待分析的时域信号均为列车正在通行时的宏观稳态信号；以及

S32：分析信号时域特征,将信号从时域转换到频域，分析信号频域特征。