CN107941534B - 一种动车组走行部运行状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动车组走行部运行状态监测系统，所述系统包括悬挂安装于动车组车底的裙板内的数据采集模块，用于实时检测动车组的行走部运行状态数据；车载工控机与数据采集模块通过有线局域网通讯方式连接，用于控制数据采集模块采集行走部运行状态数据；远程服务器与车载工控机通过无线通讯方式连接，用于向车载工控机下发控制指令，接收车载工控机传输的行走部运行状态数据，并存储和显示行走部运行状态数据；客户端与远程服务器通过无线通讯方式连接，用于向远程服务器下发控制指令，接收并显示远程服务器传输的行走部运行状态数据以及远程服务器反馈的预警信息。本发明实现了车辆‑地面测量结果的实时传输、显示及安全预警。

Description

一种动车组走行部运行状态监测系统

技术领域

本发明涉及动车组部件检测技术领域，特别是涉及一种动车组走行部运行状态监测系统。

背景技术

动车组车辆在线路上长期运行服役过程中，随着线路条件的变化、轮轨型面的磨损及车辆各部件性能的降低，列车的运行性能不断下降，导致动车组走行部出现构架横向加速度报警、车体垂向抖动、车体平稳性和舒适度超标、轴箱振动加速度过大等动车组走行部运行状态的问题，严重影响列车的运行安全性，导致列车运行速度降低、车轮镟修周期的缩短以及车辆运行维护的成本增加。

上述动车组走行部运行状态的监控，现有的检测系统采用车上电气柜或便携式安装方式，占用车上有限的空间资源，影响旅客的上下行，测量过程中需要人工干预，系统智能化程度不高，测量结果实时性很难保证，很难实现车辆-地面测量结果的实时传输、显示及安全预警。

发明内容

本发明的目的是提供一种动车组走行部运行状态监测系统，以实现车辆-地面测量结果的实时传输、显示及安全预警。

为实现上述目的，本发明提供了一种动车组走行部运行状态监测系统，所述系统包括：

数据采集模块，所述数据采集模块悬挂安装于动车组车底的裙板内，用于实时检测所述动车组的行走部运行状态数据；

车载工控机，与所述数据采集模块通过有线局域网通讯方式连接，用于控制所述数据采集模块采集所述行走部运行状态数据；

远程服务器，与所述车载工控机通过无线通讯方式连接，用于向所述车载工控机下发控制指令，接收所述车载工控机传输的所述行走部运行状态数据，并存储和显示所述行走部运行状态数据；

客户端，与所述远程服务器通过无线通讯方式连接，用于向所述远程服务器下发控制指令，接收并显示所述远程服务器传输的所述行走部运行状态数据以及所述远程服务器反馈的预警信息。

可选的，所述数据采集模块包括电源转换器、数据采集器、采集控制器、网络通讯设备、数据存储设备和测试线缆；所述电源转换器用于为所述数据采集器、所述采集控制器、所述网络通讯设备和所述数据存储设备提供电源；

所述数据采集器与所述采集控制器通过所述测试线缆连接，所述数据存储设备与所述采集控制器连接，所述数据采集器受所述采集控制器控制采集所述行走部运行状态数据并将所述行走部运行状态数据传输至所述采集控制器，所述采集控制器将所述行走部运行状态数据存储于所述数据存储设备；

所述采集控制器通过所述网络通讯设备与所述车载工控机连接，实现所述所述采集控制器与所述车载工控机之间的数据交互。

可选的，所述数据采集器包括单向振动加速度传感器、三向振动加速度传感器、应变传感器和位移传感器，所述单向振动加速度传感器、所述三向振动加速度传感器、所述应变传感器和所述位移传感器分别在所述动车组的行走部设置数据采集点，所述行走部包括车体前底板、车体后底板、前空簧座、后空簧座、前转向架构架、后转向架构架、前转向架前轴箱转臂、前转向架后轴箱转臂、后转向架前轴箱转臂和后转向架后轴箱转臂。

可选的，所述数据采集点包括后转向架构架后端测点、后转向架后轴箱测点、车体后底板测点、后空簧座下测点、后空簧座上测点、后转向架前轴箱测点、后转向架构架前端测点、车体前底板与车体后底板的中间测点、前转向架构架后端测点、前转向架后轴箱测点、车体前底板测点、前空簧座下测点、前空簧座上测点、前转向架前轴箱测点、前转向架构架前端测点；在每一所述数据采集点上均采集振动加速度、应变力和位移。

可选的，所述远程服务器包括构架横向加速度报警分析单元，车体垂向抖动分析单元，车体平稳性分析单元，舒适度分析单元，振动传递分析单元以及轴箱振动频谱分析单元；

所述构架横向加速度报警分析单元，用于对所述后转向架构架后端测点、所述后转向架构架前端测点、所述前转向架构架后端测点和所述前转向架构架前端测点采集的振动加速度数据进行带通滤波，并判断滤波后的振动加速度数据是否连续预设次数均超过设定振动加速度阈值，若是，发出构架横向加速度报警指令；

所述车体垂向抖动分析单元，用于对所述车体后底板测点、所述车体前底板与车体后底板的中间测点和所述车体前底板测点采集的振动加速度数据进行频谱分析，得到车体垂向抖动频率，根据所述车体垂向抖动频率大小判断车体垂向抖动程度强弱；

所述车体平稳性分析单元，用于对所述车体后底板测点、所述车体前底板与车体后底板的中间测点和所述车体前底板测点采集的横向和垂向的振动加速度数据进行频谱分析，并分别通过频域加权得到车体横向和垂向振动加速度加权系数，判断车体横向和垂向振动加权系数是否在预设稳定的加权系数范围内，若是，确定车体平稳性良好；

所述舒适度分析单元，用于对所述车体后底板测点、所述车体前底板与车体后底板的中间测点和所述车体前底板测点采集的纵向、横向和垂向的振动加速度数据进行频谱分析，并对纵向、横向和垂向的振动加速度数据的频谱进行频域加权得到一个振动加速度综合加权系数，判断所述综合加权系数是否在预设舒适的加权系数范围内，若是，确定车体舒适度良好；

所述振动传递分析单元，对所有所述数据采集点的振动加速度数据进行时域分析和频域分析，得到各个所述数据采集点振动的幅值和主频，根据所述幅值和主频获得由轴箱、构架、空簧座、枕梁到车体的振动传递规律；

所述轴箱振动频谱分析单元，用于对所述后转向架后轴箱测点、所述后转向架前轴箱测点、所述前转向架后轴箱测点和所述前转向架前轴箱测点采集的振动加速度数据进行频谱分析，得到轴箱的主频，根据所述轴箱的主频的大小确定轴箱振动强弱。

可选的，所述系统还包括与所述车载工控机连接的车载GPS设备，所述车载GPS设备用于采集所述动车组的经纬度和运行速度，并将所述经纬度和所述运行速度发送至所述车载工控机，所述车载工控机实时绘制所述动车组的行驶路线和行驶轨迹，所述远程服务器根据所述行驶路线和所述行驶轨迹识别所述动车组前行线路情况，并显示所述前行线路情况。

可选的，所述远程服务器还包括车轮缺陷分析单元，所述车轮缺陷分析单元用于对所述后转向架后轴箱测点、所述后转向架前轴箱测点、所述前转向架后轴箱测点和所述前转向架前轴箱测点采集的振动加速度数据进行频谱分析，得到轴箱的主频，根据所述车载GPS设备采集的所述速度和所述轴箱的主频识别车轮是否存在缺陷，若是，发出车轮缺陷报警指令，并定位存在缺陷的车轮。

可选的，所述无线通讯方式为车载4G网络，所述车载4G网络与所述车载工控机的有线局域网连接，并采用自定义TCP/IP通讯数据帧格式的TPC/IP网络通讯协议。

可选的，所述远程服务器还包括历史数据查询单元，所述历史数据查询单元用于获取所述远程服务器存储的历史行走部运行状态数据，所述远程服务器结合所述历史行走部运行状态数据和实时采集的所述行走部运行状态数据确定所述动车组在不同条件下列成运行状态和性能的变化规律。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的动车组走行部运行状态监测系统包括数据采集模块、车载工控机、远程服务器和客户端，数据采集模块在车底裙板内采用悬挂安装方式，不占用车上有限空间资源，不影响旅客上下行。并且车载工控机通过无线通讯方式远程受控于远程服务器，将数据采集模块采集的动车组的行走部运行状态数据传输至远程服务器，并且远程服务器还能与客户端进行实时数据交互，该系统在地面可以实现远程操控，测量过程中无需人工干预，保证了数据检测的客观性和实时性，实现了车辆-地面测量结果的实时传输、显示及安全预警。

另外，本发明中的远程服务器包括构架横向加速度报警分析单元，车体垂向抖动分析单元，车体平稳性分析单元，舒适度分析单元，振动传递分析单元以及轴箱振动频谱分析单元，因此本发明还能针对构架横向加速度报警、车体垂向抖动、车体平稳性和舒适度、轴箱振动状态以及车体振动传递规律进行分析，根据分析结果进行状态预警，为动车组行走部性能维护提供数据依据。

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的动车组走行部运行状态监测系统的系统框图；

图2为本发明提供的动车组走行部运行状态监测系统的结构示意图；

图3为本发明中数据采集模块的结构示意图；

图4为本发明中数据采集模块的安装位置实物图；

图5为本发明中远程服务器软件主界面；

图6为本发明中车载工控机软件主界面；

图7为本发明中PC计算机的客户端软件主界面；

图8为本发明中手机的客户端软件主界面。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种动车组走行部运行状态监测系统，以实现车辆-地面测量结果的实时传输、显示及安全预警。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

如图1-4所示，本发明提供了一种动车组走行部运行状态监测系统，所述系统包括数据采集模块100、车载工控机200、远程服务器300和客户端400。

其中，如图3和4所示，数据采集模块100悬挂安装于动车组车底的裙板内，用于实时检测所述动车组的行走部运行状态数据。车载工控机200与数据采集模块100通过有线局域网通讯方式连接，用于控制数据采集模块100采集行走部运行状态数据。远程服务器300与车载工控机200通过无线通讯方式连接，用于向车载工控机200下发控制指令，接收车载工控机200传输的行走部运行状态数据，并存储和显示所述行走部运行状态数据。客户端400与远程服务器300通过无线通讯方式连接，用于向远程服务器300下发控制指令，接收并显示远程服务器300传输的行走部运行状态数据以及远程服务器300反馈的预警信息。

在本实施例中，上述的无线通信方式采用车载4G网络通讯设备实现，该车载4G网络通讯设备发出的4G网络采用TPC/IP网络通讯协议建立数据采集模块、车载工控机、远程服务器和客户端间的数据通讯网络和数据传输链路。其中客户端可以为智能手机和/或PC计算机。其传输顺序为：1.安装有实时监控程序的车载工控机、智能手机和/或PC计算机采用TCP/IP协议连上远程服务器；2.远程服务器向车载工控机下发各监控测点指令，远程服务器软件主界面见图5；3.车载工控机根据监控测点指令控制数据采集模块采集数据，并通过网络CURL协议将采集数据反馈至车载工控机，车载工控机软件主界面见图6；4.采集的数据经车载工控机筛选和处理后发送至远程服务器；5.远程服务器收到车载工控机的数据指令后实时显示并存储数据；6.远程服务器按照各智能手机和/或PC计算机等客户端的权限，将数据分发至各个智能手机和/或PC计算机等客户端，实现同步显示，PC计算机的客户端软件主界面见图7，手机的客户端软件主界面见图8；7.远程服务器根据各监控测点数据按照标准评判原则进行评判，超限指标及时进行安全预警，并将预警信息及时发送至各智能手机和/或PC计算机等客户端。

需要说明的是，上述的基于TCP/IP协议车载4G网络是自定义TCP/IP通讯数据帧格式，该通讯数据帧格式保证了数据通讯的安全可靠。

在实际应用中，数据采集器可以包括单向振动加速度传感器、三向振动加速度传感器、应变传感器和位移传感器，所述单向振动加速度传感器、所述三向振动加速度传感器、所述应变传感器和所述位移传感器分别在所述动车组的行走部设置数据采集点，所述行走部包括车体前底板、车体后底板、前空簧座、后空簧座、前转向架构架、后转向架构架、前转向架前轴箱转臂、前转向架后轴箱转臂、后转向架前轴箱转臂和后转向架后轴箱转臂。

如图2所示，根据数据采集器的安装位置设定的数据采集点可以包括后转向架构架后端测点1、后转向架后轴箱测点2、车体后底板测点3、后空簧座下测点4、后空簧座上测点5、后转向架前轴箱测点6、后转向架构架前端测点7、车体前底板与车体后底板的中间测点8、前转向架构架后端测点9、前转向架后轴箱测点10、车体前底板测点11、前空簧座下测点12、前空簧座上测点13、前转向架前轴箱测点14、前转向架构架前端测点15；在每一所述数据采集点上均采集振动加速度、应变力和位移。

远程服务器以及客户端中集成有智能化数据实时分析程序，该程序构成的各个执行单元将实时跟踪数据采集器所采集的任意数据通道的数据，实现测量点数据的安全监控。具体的，所述远程服务器包括构架横向加速度报警分析单元，车体垂向抖动分析单元，车体平稳性分析单元，舒适度分析单元，振动传递分析单元以及轴箱振动频谱分析单元。

所述构架横向加速度报警分析单元用于对所述后转向架构架后端测点1、所述后转向架构架前端测点7、所述前转向架构架后端测点9和所述前转向架构架前端测点15采集的振动加速度数据进行0.5-10Hz的带通滤波，并判断滤波后的振动加速度数据是否连续10次均超过1.0g(g为重力加速度)，若是，发出构架横向加速度报警指令。此时远程服务器将构架横向加速度报警信息发送至客户端，客户端即可根据报警信息对动车组相应的行走部的各个部件进行检修，以及时避免危害发生。

所述车体垂向抖动分析单元用于对所述车体后底板测点3、所述车体前底板与车体后底板的中间测点8和所述车体前底板测点11采集的振动加速度数据进行频谱分析，得到车体垂向抖动频率，根据所述车体垂向抖动频率大小判断车体垂向抖动程度强弱。

所述车体平稳性分析单元用于对所述车体后底板测点3、所述车体前底板与车体后底板的中间测点8和所述车体前底板测点11采集的横向和垂向的振动加速度数据进行频谱分析，并分别通过频域加权得到车体横向和垂向振动加速度加权系数，判断车体横向和垂向振动加权系数是否在预设稳定的加权系数范围内，若是，确定车体平稳性良好。具体的，可以按照GB5599-85标准分析车体平稳性并按标准进行评价，若超出标准规定数值，发出平稳性预警指令。

所述舒适度分析单元用于对所述车体后底板测点3、所述车体前底板与车体后底板的中间测点8和所述车体前底板测点11采集的纵向、横向和垂向的振动加速度数据进行频谱分析，并对纵向、横向和垂向的振动加速度数据的频谱进行频域加权得到一个振动加速度综合加权系数，判断所述综合加权系数是否在预设舒适的加权系数范围内，若是，确定车体舒适度良好。具体的，可以按照EN12299标准分析车体舒适度并按标准进行评价，若超出标准规定数值，发出舒适度预警指令。

所述振动传递分析单元对所有所述数据采集点1-15的振动加速度数据进行时域分析和频域分析，得到各个所述数据采集点振动的幅值和主频，根据所述幅值和主频获得由轴箱、构架、空簧座、枕梁到车体的振动传递规律；

所述轴箱振动频谱分析单元用于对所述后转向架后轴箱测点2、所述后转向架前轴箱测点6、所述前转向架后轴箱测点10和所述前转向架前轴箱测点14采集的振动加速度数据进行频谱分析，得到轴箱的主频，根据所述轴箱的主频的大小确定轴箱振动强弱。

在实际应用中，本发明所述的系统还包括与车载工控机200连接的车载GPS设备，参见图2，车载GPS设备用于采集动车组的经纬度和运行速度，并将经纬度和运行速度发送至车载工控机200，车载工控机200实时绘制动车组的行驶路线和行驶轨迹，远程服务器300根据行驶路线和行驶轨迹识别动车组前行线路情况，并显示前行线路情况。所述前行线路情况可以是过直线、曲线、隧道、桥梁等，结合分析结果，对列车通过各线路条件时的状态进行安全评估。

基于车载GPS设备采集的数据，上述远程服务器300还可以包括车轮缺陷分析单元，该车轮缺陷分析单元用于对后转向架后轴箱测点2、所述后转向架前轴箱测点6、所述前转向架后轴箱测点10和所述前转向架前轴箱测点14采集的振动加速度数据进行频谱分析，得到轴箱的主频；根据车载GPS设备采集的速度和轴箱的主频识别车轮是否存在缺陷，若是，发出车轮缺陷报警指令，并定位存在缺陷的车轮。

作为可选的一种实施方式，上述远程服务器300还包括历史数据查询单元，该历史数据查询单元用于获取远程服务器存储的历史行走部运行状态数据，远程服务器结合历史行走部运行状态数据和实时采集的行走部运行状态数据确定动车组在不同条件下列成运行状态和性能的变化规律。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种动车组走行部运行状态监测系统，其特征在于，所述系统包括：

数据采集模块，所述数据采集模块悬挂安装于动车组车底的裙板内，用于实时检测所述动车组的行走部运行状态数据；

车载工控机，与所述数据采集模块通过有线局域网通讯方式连接，用于控制所述数据采集模块采集所述行走部运行状态数据；

远程服务器，与所述车载工控机通过无线通讯方式连接，用于向所述车载工控机下发控制指令，接收所述车载工控机传输的所述行走部运行状态数据，并存储和显示所述行走部运行状态数据；

客户端，与所述远程服务器通过无线通讯方式连接，用于向所述远程服务器下发控制指令，接收并显示所述远程服务器传输的所述行走部运行状态数据以及所述远程服务器反馈的预警信息；

所述数据采集模块包括电源转换器、数据采集器、采集控制器、网络通讯设备、数据存储设备和测试线缆；所述电源转换器用于为所述数据采集器、所述采集控制器、所述网络通讯设备和所述数据存储设备提供电源；

所述数据采集器与所述采集控制器通过所述测试线缆连接，所述数据存储设备与所述采集控制器连接，所述数据采集器受所述采集控制器控制采集所述行走部运行状态数据并将所述行走部运行状态数据传输至所述采集控制器，所述采集控制器将所述行走部运行状态数据存储于所述数据存储设备；

所述采集控制器通过所述网络通讯设备与所述车载工控机连接，实现所述采集控制器与所述车载工控机之间的数据交互；

所述数据采集器包括单向振动加速度传感器、三向振动加速度传感器、应变传感器和位移传感器，所述单向振动加速度传感器、所述三向振动加速度传感器、所述应变传感器和所述位移传感器分别在所述动车组的行走部设置数据采集点，所述行走部包括车体前底板、车体后底板、前空簧座、后空簧座、前转向架构架、后转向架构架、前转向架前轴箱转臂、前转向架后轴箱转臂、后转向架前轴箱转臂和后转向架后轴箱转臂；

所述数据采集点包括后转向架构架后端测点、后转向架后轴箱测点、车体后底板测点、后空簧座下测点、后空簧座上测点、后转向架前轴箱测点、后转向架构架前端测点、车体前底板与车体后底板的中间测点、前转向架构架后端测点、前转向架后轴箱测点、车体前底板测点、前空簧座下测点、前空簧座上测点、前转向架前轴箱测点、前转向架构架前端测点；在每一所述数据采集点上均采集振动加速度、应变力和位移；

所述远程服务器包括构架横向加速度报警分析单元，车体垂向抖动分析单元，车体平稳性分析单元，舒适度分析单元，振动传递分析单元以及轴箱振动频谱分析单元；

所述构架横向加速度报警分析单元，用于对所述后转向架构架后端测点、所述后转向架构架前端测点、所述前转向架构架后端测点和所述前转向架构架前端测点采集的振动加速度数据进行带通滤波，并判断滤波后的振动加速度数据是否连续预设次数均超过设定振动加速度阈值，若是，发出构架横向加速度报警指令；

所述车体垂向抖动分析单元，用于对所述车体后底板测点、所述车体前底板与车体后底板的中间测点和所述车体前底板测点采集的振动加速度数据进行频谱分析，得到车体垂向抖动频率，根据所述车体垂向抖动频率大小判断车体垂向抖动程度强弱；

所述车体平稳性分析单元，用于对所述车体后底板测点、所述车体前底板与车体后底板的中间测点和所述车体前底板测点采集的横向和垂向的振动加速度数据进行频谱分析，并分别通过频域加权得到车体横向和垂向振动加速度加权系数，判断车体横向和垂向振动加权系数是否在预设稳定的加权系数范围内，若是，确定车体平稳性良好；

所述舒适度分析单元，用于对所述车体后底板测点、所述车体前底板与车体后底板的中间测点和所述车体前底板测点采集的纵向、横向和垂向的振动加速度数据进行频谱分析，并对纵向、横向和垂向的振动加速度数据的频谱进行频域加权得到一个振动加速度综合加权系数，判断所述综合加权系数是否在预设舒适的加权系数范围内，若是，确定车体舒适度良好；

所述振动传递分析单元，对所有所述数据采集点的振动加速度数据进行时域分析和频域分析，得到各个所述数据采集点振动的幅值和主频，根据所述幅值和主频获得由轴箱、构架、空簧座、枕梁到车体的振动传递规律；

所述轴箱振动频谱分析单元，用于对所述后转向架后轴箱测点、所述后转向架前轴箱测点、所述前转向架后轴箱测点和所述前转向架前轴箱测点采集的振动加速度数据进行频谱分析，得到轴箱的主频，根据所述轴箱的主频的大小确定轴箱振动强弱。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述系统还包括与所述车载工控机连接的车载GPS设备，所述车载GPS设备用于采集所述动车组的经纬度和运行速度，并将所述经纬度和所述运行速度发送至所述车载工控机，所述车载工控机实时绘制所述动车组的行驶路线和行驶轨迹，所述远程服务器根据所述行驶路线和所述行驶轨迹识别所述动车组前行线路情况，并显示所述前行线路情况。

3.根据权利要求2所述的监测系统，其特征在于，所述远程服务器还包括车轮缺陷分析单元，所述车轮缺陷分析单元用于对所述后转向架后轴箱测点、所述后转向架前轴箱测点、所述前转向架后轴箱测点和所述前转向架前轴箱测点采集的振动加速度数据进行频谱分析，得到轴箱的主频，根据所述车载GPS设备采集的所述速度和所述轴箱的主频识别车轮是否存在缺陷，若是，发出车轮缺陷报警指令，并定位存在缺陷的车轮。

4.根据权利要求1-3任一项所述的监测系统，其特征在于，所述无线通讯方式为车载4G网络，所述车载4G网络与所述车载工控机的有线局域网连接，并采用自定义TCP/IP通讯数据帧格式的TPC/IP网络通讯协议。

5.根据权利要求4所述的监测系统，其特征在于，所述远程服务器还包括历史数据查询单元，所述历史数据查询单元用于获取所述远程服务器存储的历史行走部运行状态数据，所述远程服务器结合所述历史行走部运行状态数据和实时采集的所述行走部运行状态数据确定所述动车组在不同条件下列成运行状态和性能的变化规律。