CN109764795A - 基于NB-iot的高速铁路轨道板上拱自动化监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于NB‑iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，主要分为三大模块，前端高精度顶针位移传感器（1）、基于NB‑iot的采集传输装置（2）、数据监测平台（3），该系统前端高精度顶针位移传感器（1）采用双顶针位移传感器，其原理简单运行稳定可靠，安装结构相对简单，基于NB‑iot的采集传输装置（2）可控制其低功耗工作，采用一节1号锂电池上传频次不可使其工作超过1年，因其采用体积相对小电池故整个装置相对小，后期维护也仅仅是更换电池。NB‑iot窄带物联可在局部区域支撑海量节点，数据监测平台（3）在保证数据安全的前提下用户可查看监测轨道板的上拱位移量及水平位位移量，并及时预警，为铁路安全运营及铁路维保提供大量的数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于铁路工程监测系统技术领域，主要针对高速铁路轨道板的上拱自动化监测，高速铁路轨道板在高速铁路承载铁轨与架设路基之上，因地质因素、施工质量因素、自身随温度翘曲，轨道板均会发生水平位移及上拱，故该系统具体涉及基于NB-iot的高速铁路轨道板上拱自动化监测系统。
背景技术
我国高速铁路轨道结构主要采用了有砟轨道和无砟轨道2种形式。目前大面积使用的为无砟轨道，无砟轨道由于取消了传统的碎石道床结构，轨道保持几何状态能力提高，轨道稳定性强，维修工作量少，成为了高速铁路轨道结构新的发展方向。然后CRTSⅡ型板的大面积采用，其病害也逐渐产生，在极端连续高温条件下，轨道板接缝出现挤碎和上供现象，影响轨道结构的稳定，严重时可能会危机行车安全。
在岩土工程中，需要保证工程质量和保证工程安全均需要安装和使用各类传感器，例如要监测应变则采用应变计，要监测沉降则采用沉降传感器，要监测位移则采用位移传感器，所需要量亦是日益增加。且随科技的发展，目前传感器数据传输均是向无线物联网方向发展，数据均为海量存储云平台展示。传感器的各类数据对工程建设具有指导性甚至是决定性的意义，如不准确及及时监测可能造成工程质量的缺失甚至造成灾难性事故。我国对轨道板拱起变形的检测主要是依靠现场人工检查，靠视觉观察。当轨道板拱起产生离缝时，才能被肉眼识别。受夜间检查环境影响，这种作业费时费力，效果不佳。当轨道板拱起产生离缝造成较大的轨道不平顺时，利用综合检测列车可以间接发现，但由于轨道板拱起引起的轨道不平顺幅值很小，且影响范围往往较窄，远达不到我国高速铁路目前的日常保养标准，很难引起检测分析人员的注意。因此，需要研究新的方法提高轨道板上拱离缝辨识的精度。
发明内容
本发明目的是提供一种基于NB-iot的高速铁路轨道板上拱监测的自动化系统。
所采用的的技术方案是：
一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，包括：前端高精度顶针位移传感器（1）、基于NB-iot的采集传输装置（2）、数据监测平台（3），其中：
所述前端高精度顶针位移传感器（1），采用电位器原理将角度旋转量转化为竖向位移；
所述基于NB-iot的采集传输装置（2），其内部包括MCU控制单元、NB-iot模组、存储电路、AD采集电路，MCU控制单元上设置智能上传机制，通过AD采集电路采样前端高精度顶针位移传感器（1）上的电压值， MCU控制单元通过从存储电路读取前端高精度顶针位移传感器（1）的标定系数，并计算其位移物理量，然后通过比对智能上传机制，判断是否将数据实时上传或不上传， MCU控制单元再启动NB-iot模组将采集到前端高精度顶针位移传感器（1）位移物理量按窄带物联网络上传至数据监测平台（3）；
所述数据监测平台（3）支持海量基于NB-iot的采集传输装置（2）节点，对海量数据进行分项展示并进行算法处理，同时，数据监测平台（3）可在基于NB-iot的采集传输装置（2）上行数据后，下行命令至基于NB-iot的采集传输装置（2）修改参数，装置再进入休眠。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述前端高精度顶针位移传感器（1），内置发条，传感器顶针具有伸缩弹性，电子电位器内部通过激光修刻，标定其线性度保证输出电压与位移值线性度一致。其原理是电子电位器旋转角度变化带动电刷变化从而电位器的可变电阻端阻值发生变化，将旋转位移量转换成竖向直线位移量。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述前端高精度顶针位移传感器（1），采用双顶针位移传感器，可同时测量高速铁路轨道板上拱及水平位移。“双顶针+专用挡块”能有效地实现无砟轨道板端竖向上拱变形和水平膨胀变形的同步监测，通过将双测针测缝计固定安装于CRTSII轨道板端的纵向侧面，同时将专用挡块固定安装于底座板上，测缝计两个测针分别与专用挡块的水平顶面和45°斜面紧密接触，当轨道板端产生竖向（上拱）变形位移或（和）水平（膨胀）变形位移时，双测针同步测量就可以准确地得到上拱变形和膨胀变形值。采用滑动电位器原理，将角度位移量转换为竖向位移量，内部电位器采用进口高精，原理上可无限分辨率，并采用激光修刻技术使提高精度，综合精度可达0.01mm，量程38mm。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述智能上传机制是一系列的阈值结合一起决定，存储在存储单元，阈值包含上限值、下限值及时间判定点，如达到了其中任何一项， MCU控制单元启动上传操作。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述MCU控制单元，可控制前端高精度顶针位移传感器（1）和基于NB-iot的采集传输装置（2）常规是低功耗休眠状态，等待预设采集间隔达到，则启动基于NB-iot的采集传输装置（2），控制电路先给前端高精度顶针位移传感器（1）供上电源并通过AD采集电路取样，AD采集电路采样电位器上分压电路电压，根据电压值与之前标定参数可计算其位移量，采集传输完毕，控制NB-iot模组进入休眠状态，并断掉前端高精度顶针位移传感器（1）供电，且自身MCU控制单元控制电源进入低功耗模式，节省电量。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述基于NB-iot的采集传输装置（2）供电采用3.6V锂电池。因其采用普通电池供电故体积相对较小。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述数据监测平台（3）为BS结构。可通过权限管理各用户可浏览各自权限传感器数据数据，同样可通过权限添加修改传感器各项参数，平台能按要求图形显示单个传感器变化曲线、多个同类传感器断面变化曲线，图形显示路线图，有二维安装布置图，体现传感器安装信息。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，在系统中，每个所述基于NB-iot的采集传输装置（2）均有其唯一编码，所述数据监测平台（3）根据其编码及安装位置将其归属至高速铁路位置对应，并对数据可以分组及分段显示，并将数据植入GISS地图上显示。NB-iot模组具有如下特点：一是广覆盖，在同样的频段下，NB-iot比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本。根据其特点一跟特点二，可保证在局部通信问题及节点海量问题的存在，且运营资费相比于常规GPRS资费更便宜。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述基于NB-iot的采集传输装置（2）具有同时采集多通道功能，一个基于NB-iot的采集传输装置（2）可采集3个前端高精度顶针位移传感器（1）的数据。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述数据监测平台（3），可对海量数据进行分类管理，并建有及时报警机制，且对用户可以权限管理，用户可通过连接Internet网络的终端查看分析数据，且平台具有数据分析能力，数据曲线或多点曲线等对比分析，及具有加入算法等分析功能。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述报警机制，包括：声光预警、网页预警、短信预警，预警均有记录产生。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，用户通过终端设备接入常规Internet网络登录所述数据监测平台（3），即可查看数据或分析数据并接受预警信息。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，设定上传每天最后一组数据为心跳数据，会提醒传感器电量，信号强度，流量使用情况。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述数据监测平台（3）下行数据，可修改或增加参数，包括：上传机制阈值、上传频次、标定参数，其修改参数均存储于存储单元。可预设其上传频次，例如1小时上传1次或一天1次，但采样间隔是可以加密集，例如10分钟采样一次，如没有超过预设阈值则不处理，如超过则启动紧急上传机制。每次采样同样采集电池电压，如低于阈值同样上传电池电量低的数据，提示用户更换电池。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，系统数据上传路径为：通过NB-iot模组先按其上传规则参照其路径直接上传至其供应商平台，在其供应商平台再通过转发程序转发至平台服务器的IP地址的TCP/IP的端口号，平台通过数据库软件存储数据并展示。
进一步地，所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，所述数据监测平台（3），同时具有以下功能：3.1权限管理，用户根据其不同的权限才可浏览其相应的数据并接受其相应的预警；3.2数据可分类管理，根据路段及用户需求可对数据库按树形结构分类管理，便于海量传感器的分类，每个传感器最终别名均可自主化。3.3数据可植入GNSS地图，可在地图中查看测点传感器的数据；3.4测点数据展示：测点数据可通过表格展示，可通过曲线展示，可加入一定算法模型预测变化趋势。3.5预警：可通过网页声光报警，可通过短信报警。预警均有记录产生。3.6心跳数据：每一天最后一组为心跳数据，会提醒传感器电量，信号强度，流量使用情况。
本发明基于NB-lot窄带物联网的高速铁路轨道板上供监测系统的特点：
1.前端传感器为高精顶针机械式位移传感器，具有单顶针和双顶针分项选择。
2.独有的双顶针传感器，可通过双顶针传感器竖向位移转换为监测轨道板的水平位移及上供位移。
3.NB-iot采集传输装置具有省电策略，网关采样前给传感器供电，采样完毕传感器供电切断，并对数据上传具有选择性从而达到节省电量效果。
4.低功耗设计，一节1号锂电池每天上传12条数据可支持2年，一条测量数据可支持5年。
5.具有同时采集多通道功能，NB-iot装置可采集3个顶针传感器的数据。
6.NB-iot采集传输装置具有策略上传机制，如采集频次，心跳频次，上传阈值等参数。
7.平台可对数据分站管理，各线路段可树形分支管理，实行权限管理。
8.平台对数据具有分析功能并能及时预警，预警方式有声光预警、网页预警、短信预警等。
本发明的有益效果包括：该系统可对高速铁路沿线轨道板的水平位移及上拱进行自动化监测，因高速铁路运营要求高，监测精度要求高，并安装工艺简易，维护简单，且要求系统稳定性高，基于NB-iot的高速铁路轨道板上拱监测的自动化系统，前端采用高精机械式顶针位移传感器保证监测精度，其数据传输采用NB-iot，其采集采用高效率的嵌入式系统，数据传输通过NB-iot发送至平台，监测平台可兼容海量NB-iot装置的上行数据，并可下行数据至装置，检测平台可对海量数据进行分类管理，并及时报警机制，且对用户可以权限管理，用户可通过连接Internet网络的终端查看分析数据系，且平台具有数据分析能力，数据曲线或多点曲线等对比分析，及具有加入算法等分析功能。
因其基于NB-iot可控制其低功耗工作，采用一节1号锂电池上传频次不可使其工作超过1年，因其采用体积相对小电池故整个装置相对小，后期维护也仅仅是更换电池。NB-iot窄带物联可在局部区域支撑海量节点，信号增益更大穿透能力更强，远远优于常规的GRPS传输系统。数据平台根据铁路线路进行树形结构管理数据，并通过权限管理各自项目段。该系统前端体积小便于铁路施工，后期维护也便捷。数据监测平台在保证数据安全的前提下用户可清洗明了的查看监测轨道板的上拱位移量及水平位位移量，并及时预警相关公务人员，因其为自动化监测，可大大减低巡检工人的工作量，且可在高速铁路运营期间监测及可实时监测，人工巡检达不到的效果，避免因轨道板形变产生的事故或其他危害，并同时通过平台及时预警险情，为铁路安全运营及铁路维保提供大量的数据支撑。
该发明产品在现场使用简易，只需按要求安装完传感器，再将传感器防水航插接入到NB-iot装置的的插头，并记录各点安装数据位置，做好台账即可，用户根据各轨道板测点的监测需求在监测平台配置其各项参数即可按其需求工作，用户只需通过互联网终端可查看测点数据测点记录，实现物联网与互联网的交互。
附图说明
图1是本发明系统组成示意图；
图2是本发明基于NB-iot的采集传输装置（2）工作原理模块示意图；
图3是本发明MCU控制单元的程序流程图；
图4 是本发明系统拓扑图；
图5 是本发明双顶针位移传感器安装及测量原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明，以便于本领域技术人员理解本发明。
本发明系统是一种基于高精度传感器和NB-iot传输技术和数据平台结合的一个大数据智能交互系统。高精度传感器根据高速铁路轨道板检测点及需求按设计安装好，通过基于NB-iot的装置采集其位移传感器的位移值并传输至平台，平台对数据进行分类管理，按用户需求展示并分析数据，并对危险数据及时预警。
本系统的组成如图1和图4所示，主要分为三大模块，前端高精度顶针位移传感器（1）、基于NB-iot的采集传输装置（2）、数据监测平台（3）；其中：
前端高精度顶针位移传感器（1）采用滑动电位器原理，将角度位移量转换为竖向位移量，内部电位器采用进口高精，原理上可无限分辨率，并采用激光修刻技术使提高精度，综合精度可达0.01mm，量程38mm。并采用双顶针位移传感器可同时测量高速铁路轨道板上拱及水平位移（膨胀）。“双顶针+专用挡块”的设计能有效地实现无砟轨道板端竖向上拱变形和水平膨胀变形的同步监测，如图5所示，通过将双测针测缝计固定安装于CRTSII轨道板端的纵向侧面，同时将专用挡块固定安装于底座板上，测缝计两个测针分别与专用挡块的水平顶面和45°斜面紧密接触，当轨道板端产生竖向（上拱）变形位移或（和）水平（膨胀）变形位移时，双测针同步测量就可以准确地得到上拱变形和膨胀变形值。设单个双测针测缝计的变形位移测量值输出分别为S1、S2，则：
SE=S1，SE为竖向变形位移量（上拱量）；
SE+SN=S2，得SN=S2-SE，SN为水平变形位移量（膨胀量）。
基于NB-iot的采集传输装置（2）的组成模块如图2所示，其内部含有MCU控制单元，可控制外围芯片和NB-iot模组，MCU控制单元常规是低功耗休眠状态，等待预设采集间隔达到启动采集电路，MCU控制电路与先给传感器供上电源并通过采集电路取样。AD电路采样电位器上分压电路电压，根据电压值与之前标定参数可计算其位移量。然后MCU控制单元将采集数据发送至NB-iot模组，并控制模组以一定模式发送至监测数据平台。采集传输完毕控制NB-iot模组进入休眠状态并断掉传感器供电，且自身MCU控制电源进入低功耗模式，节省电量。
NB-iot装置的智能处理方法，NB-iot可预设其上传频次，例如1小时上传1次或一天1次，但采样间隔是可以加密集，例如10分钟采样一次，如没有超过预设阈值则不处理，如超过则启动紧急上传机制。每次采样同样采集电池电压，如低于阈值同样上传电池电量低的数据，提示用户更换电池。
其中，MCU控制端的工作流程如图3所示：
MCU控制端与内部RTC时钟实时通信，在定时（可修改设置）采样传感器的位移量，并监测传感器的内部上传策略，是否达到上传条件，常规上传条件是时间和阈值亦可加入其他条件。达到上传条件则MCU控制端唤醒NB-iot模组，启动NB-iot上传流程，按其机制将数据上传至监测平台，上位机平台再按相应协议解析得到前端位移传感器的位移量等其他物理量参数数据。监测平台再根据其唯一ID及其安装台账可建立实际位置及配置其测点所属数据结构位置并多种方式展示数据。配置测点各项参数，平台可在NB-iot装置上传数据上行时同时下行至装置修改参数。
NB-iot具有如下特点：一是广覆盖，在同样的频段下，NB-iot比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本。根据其特点一跟特点二，可保证在局部通信问题及节点海量问题的存在，且运营资费相比于常规GPRS资费更便宜。因其采用普通电池供电故体积相对较小。
数据监测平台（3），根据基于NB-iot的采集传输装置（2）中NB-iot特点可支持海量节点，在系统中NB-iot装置采集传感器数据均上传至监测数据平台，每个NB-iot装置均有其唯一编码，数据平台根据其编码及安装位置将其归属至高速铁路位置对应，并对数据可以分组及分段显示，并将数据植入GISS地图上显示。平台同时具有一下功能：
3.1权限管理，用户根据其不同的权限才可浏览其相应的数据并接受其相应的预警；
3.2数据可分类管理，根据路段及用户需求可对数据库按树形结构分类管理，便于海量传感器的分类，每个传感器最终别名均可自主化。
3.3数据可植入GNSS地图，可在地图中查看测点传感器的数据；
3.4测点数据展示：测点数据可通过表格展示，可通过曲线展示，可加入一定算法模型预测变化趋势。
3.5预警：可通过网页声光报警，可通过短信报警。预警均有记录产生。
3.6心跳数据：每一天最后一组为心跳数据，会提醒传感器电量，信号强度，流量使用情况。
该发明产品在现场使用简易，只需按要求安装完传感器，再将传感器防水航插接入到NB-iot装置的的插头，并记录各点安装数据位置，做好台账即可，用户根据各轨道板测点的监测需求在监测平台配置其各项参数即可按其需求工作，用户只需通过互联网终端可查看测点数据测点记录，实现物联网与互联网的交互。
基于NB-iot低功耗传输可一节锂电长时间工作，且无线运营资费相对便宜。且NB-iot可直接传输至监测平台。单节点供电、通信无相互干扰及关联，低功耗长时间工作减少大量的安装调试人力及时间成本，且前端NB-iot物联网装置与监测平台交互智能，系统的稳定性也大大提高。
以上实施例仅用于说明本发明的具体实施方式，而不是用于限定本发明，本发明所要求保护的范围以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，包括：前端高精度顶针位移传感器（1）、基于NB-iot的采集传输装置（2）、数据监测平台（3），其中：
所述前端高精度顶针位移传感器（1），采用电位器原理将角度旋转量转化为竖向位移；
所述基于NB-iot的采集传输装置（2），其内部包括MCU控制单元、NB-iot模组、存储电路、AD采集电路，MCU控制单元上设置智能上传机制，通过AD采集电路采样前端高精度顶针位移传感器（1）上的电压值， MCU控制单元通过从存储电路读取前端高精度顶针位移传感器（1）的标定系数，并计算其位移物理量，然后通过比对智能上传机制，判断是否将数据实时上传或不上传， MCU控制单元再启动NB-iot模组将采集到前端高精度顶针位移传感器（1）位移物理量按窄带物联网络上传至数据监测平台（3）；
所述数据监测平台（3）支持海量基于NB-iot的采集传输装置（2）节点，对海量数据进行分项展示并进行算法处理，同时，数据监测平台（3）可在基于NB-iot的采集传输装置（2）上行数据后，下行命令至基于NB-iot的采集传输装置（2）修改参数，装置再进入休眠。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，所述前端高精度顶针位移传感器（1），内置发条，传感器顶针具有伸缩弹性，电子电位器内部通过激光修刻，标定其线性度保证输出电压与位移值线性度一致。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，所述前端高精度顶针位移传感器（1），采用双顶针位移传感器，可同时测量高速铁路轨道板上拱及水平位移。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，所述智能上传机制是一系列的阈值结合一起决定，所述智能上传机制存储在存储单元，阈值包含上限值、下限值及时间判定点，如达到了其中任何一项， MCU控制单元启动上传操作。
5.根据权利要求4所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，所述MCU控制单元，可控制前端高精度顶针位移传感器（1）和基于NB-iot的采集传输装置（2）常规是低功耗休眠状态，等待预设采集间隔达到，则启动基于NB-iot的采集传输装置（2），控制电路先给前端高精度顶针位移传感器（1）供上电源并通过AD采集电路取样，AD采集电路采样电位器上分压电路电压，根据电压值与之前标定参数可计算其位移量，采集传输完毕，控制NB-iot模组进入休眠状态，并断掉前端高精度顶针位移传感器（1）供电，且自身MCU控制单元控制电源进入低功耗模式，节省电量。
6.根据权利要求5所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，所述基于NB-iot的采集传输装置（2）供电采用3.6V锂电池。
7.根据权利要求1所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，所述数据监测平台（3）为BS结构。
8.根据权利要求7所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，在系统中，每个所述基于NB-iot的采集传输装置（2）均有其唯一编码，所述数据监测平台（3）根据其编码及安装位置将其归属至高速铁路位置对应，并对数据可以分组及分段显示，并将数据植入GISS地图上显示。
9.根据权利要求8所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，所述基于NB-iot的采集传输装置（2）具有同时采集多通道功能，一个基于NB-iot的采集传输装置（2）可采集3个前端高精度顶针位移传感器（1）的数据。
10.根据权利要求7~9任一所述的一种基于NB-iot的高速轨道板上拱自动化监测系统，其特征在于，所述数据监测平台（3），可对海量数据进行分类管理，并建有及时报警机制，且对用户可以权限管理，用户可通过连接Internet网络的终端查看分析数据，且平台具有数据分析能力，数据曲线或多点曲线等对比分析，及具有加入算法等分析功能。
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