CN110907081A - 基于物联网的受电弓接触压力监测装置、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的受电弓接触压力监测装置、系统及方法，其中装置包括光纤应变传感器、光纤加速度传感器、定位装置、通信装置和控制处理器；相关传感器以及定位装置通过光通信把数据发送给控制处理器，控制处理器一次处理相关数据在由无线通信装置发出。监测系统包括监测装置和列车运行管理后台，列车运行管理后台接收来自监测装置的信息，再通过监测方法计算确定弓网受流异常的地方并提醒。

Description

基于物联网的受电弓接触压力监测装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及列车受电弓接触压力实时监测，特别是基于物联网的受电弓接触压力监测装置、系统及方法。
背景技术
高速铁路中，与列车速度直接相关的一个重要参数是电力机车的受流质量。受电弓与接触线之间的可靠接触和相互作用，是保证电力机车良好受流的重要条件，即受电弓与接触线间要有一定的接触压力，当接触压力过大时，会增加受电弓和接触线的异常磨损，缩短其使用寿命，接触压力过小时，会使它们之间接触不良，使供电时断时续，甚至引起火花或电弧，以致烧损接触线。因此对受电弓与接触线间的接触压力监测十分有必要，尤其是应通过物联网技术将相关信息直接实时传送至列车运行管理后台处。其次目前的相关的数据记录多是与铁路距离段相结合，对应到具体地点时较为麻烦，实现各监测点对应相应的地点可方便对应管理与查找。由于现在高速列车行驶速度更快，相应的受电弓接触压力的监测方法在现有技术的基础上同样具有适应性的改进空间。
发明内容
本发明提供一种基于物联网的受电弓接触压力监测装置、系统及方法，目的在于克服现有技术的不足，
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
第一方面，本发明提供基于物联网的受电弓接触压力监测装置，包括光纤应变传感器、光纤加速度传感器、定位装置、通信装置和控制处理器；所述光纤应变传感器安装于受电弓的碳滑板与支架之间，所述光纤加速度传感器安装于受电弓基座处；所述定位装置与所述控制处理器连接；所述通信装置包括第一无线光通信发射器、第二无线光通信发射器、无线光通信接收器以及无线通信发射器，所述第一无线光通信发射器的输入端与所述光纤应变传感器的信号输出端连接，所述第二无线光通信发射器的输入端与所述光纤加速度传感器的信号输出端连接，所述无线光通信接收器与所述控制处理器连接，所述无线通信发射器与控制处理器连接。
进一步的，所述控制处理器包括光电信号转换单元和控制处理单元，所述光电信号转换单元的输入端与所述无线光通信接收器的输出端连接，所述光电信号转换单元的输出端与所述控制处理单元连接；所述控制处理单元与所述定位装置连接，所述控制处理单元还与所述无线通信发射器连接。
进一步的，所述定位装置包括北斗定位模块和或GPS定位模块；所述无线通信发射器包括3G、4G和5G通信模块。
第二方面，本发明提供基于物联网的受电弓接触压力监测装置的监测系统，包括所述监测装置以及列车运行管理后台，所述列车运行管理后台包括无线通信接收器、监测显示器、数据存储器和处理器；所述处理器分别与所述无线通信接收器、监测显示器以及数据存储器连接；所述无线通信接收器用于接收所述监测装置发送的信息，所述监测显示器用于显示受电弓接触压力数据信息，所述数据存储器用于存储经所述处理器处理的所有数据。
进一步的，所述处理器还用于判定弓网受流情况，所述监测显示器还用于显示弓网受流状态。
第三方面，本发明提供用于基于物联网的受电弓接触压力监测系统的监测方法，包括监测系统中的处理器和数据存储器，具体处理流程如下：
步骤1，所述处理器读取所述数据存储器中所存储的某个时间段的所有接触压力数据和加速度值数据，计算该时间段内的接触压力平均值
Figure BDA0002309050220000021
根据所述时间段内的所有加速度ai的值，绘制ai曲线图；
步骤2，计算所选时间段内接触压力数据的标准差
Figure BDA0002309050220000022
步骤3，根据标准差计算所选时间段内接触压力的最大值Fimax＝Fi+3σ以及最小值Fimin＝Fi-3σ，此处采用3倍标准差法限定异常值范围；
步骤4，判断某一刻的接触压力值Fi是否属于异常值，即Fimax≥Fi≥Fimin，当Fi在该范围时进入步骤5，当Fi不在该范围时进入步骤6；
步骤5，判断Fi＜μF，其中μ为异常值系数，当Fi＜μF时，则弓网受流正常，结束流程，否则进入步骤6；
步骤6，判断在ai曲线中在该接触压力点时的ai是否存在异常峰值，当不存在异常峰值时，则弓网受流异常，结束流程，否则进入步骤7；
步骤7，计算该时间点排除加速度影响的单一接触压力Fj＝Fi-mai，其中m为受电弓质量；
步骤8，判断该时间点的单一接触压力Fj＜μF，其中μ为异常值系数，当Fj＜μF时，即弓网受流正常，结束流程，否则即弓网受流异常，结束流程。
进一步的，还包括监测显示器，当所述处理器计算得出弓网受流异常时，所述监测显示器显示相应异常信息。
进一步的，所述步骤3在实际工程使用时，限定异常值范围还可以采用2倍标准差。
进一步的，所述步骤5和步骤8中的异常值系数μ的取值范围为1.5-1.8。
进一步的，所述异常信息至少包括实测接触压力信息、加速度信息以及地理位置信息。
本发明具有以下优点：
1.实现将受电弓接触压力实时且稳定的反馈至管理后台，并将监测点的位置信息同时记录，方便位置信息与接触压力信息的对应；
2.通过受电弓接触压力的监测方法，更准确反映高速列车的弓网受流情况。
附图说明
图1为本发明的监测方法流程图。
具体实施方式
为使发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
本实施例提供了基于物联网的受电弓接触压力监测装置，包括光纤应变传感器、光纤加速度传感器、定位装置、通信装置和控制处理器；所述光纤应变传感器安装于受电弓的碳滑板与支架之间，所述光纤加速度传感器安装于受电弓基座处；所述定位装置与所述控制处理器连接；所述通信装置包括第一无线光通信发射器、第二无线光通信发射器、无线光通信接收器以及无线通信发射器，所述第一无线光通信发射器的输入端与所述光纤应变传感器的信号输出端连接，所述第二无线光通信发射器的输入端与所述光纤加速度传感器的信号输出端连接，所述无线光通信接收器与所述控制处理器连接，所述无线通信发射器与控制处理器连接。
虽然在受电弓上的应变传感器、加速度传感器与所述控制处理器的数据传输属于近距离数据传输，通常情况下可以使用诸如蓝牙、LORA等短距离通信方式，但是由于高压电网中高压电的电场影响，使得短距离电波通信易受到干扰，为减少干扰的影响，所以此处选择光通信，相应地，相关传感器的输出信号也为光信号。
为最大限度的避免所述无线通信发射器发射电波信号受到高压电网的影响，所述无线通信发射器可以安装于列车上受高压电网影响小的位置，该无线通信发射器的通信方式包括但不限于3G、4G以及5G。
所述控制处理器包括光电信号转换单元和控制处理单元，所述光电信号转换单元的输入端与所述无线光通信接收器的输出端连接，所述光电信号转换单元的输出端与所述控制处理单元连接；所述控制处理单元与所述定位装置连接，所述控制处理单元还与所述无线通信发射器连接。
通常接触压力信息记录中的位置信息为某铁路段某公里处，但是这种记录方式对应具体某铁路段某公里处难于确定具体的地理坐标以及位置；本系统中，控制处理接收到的每一个信号脉冲时都会提取该时刻的定位信息，便于在出现异常情况时，快速方便的找到异常点，节约检修的时间。
可以料想到的是，每个记录了具体地理坐标信息的接触压力数据可以可视化，将每个点的数据呈现在铁路路线上，可更为直观的提取有关异常点的具体地理位置信息。
所述定位装置包括北斗定位模块和或GPS定位模块；所述无线通信发射器包括但不限于3G、4G和5G通信模块。
本申请另一实施例还提供了基于物联网的受电弓接触压力监测装置的监测系统，包括所述监测装置以及列车运行管理后台，所述列车运行管理后台包括无线通信接收器、监测显示器、数据存储器和处理器；所述处理器分别与所述无线通信接收器、监测显示器以及数据存储器连接；所述无线通信接收器用于接收所述监测装置发送的信息，所述监测显示器用于显示受电弓接触压力数据信息，所述数据存储器用于存储经所述处理器处理的所有数据。
所述处理器还用于判定弓网受流情况，所述监测显示器还用于显示弓网受流状态信息。
所述处理器在通过无线通信接收器接收到来自运营列车上监测装置所发出的监测信息后，进一步对相关信息进行计算处理，从而判断弓网受流是否正常，进一步的所述监测显示器将显示所述处理器计算处理的弓网受流状态信息。
本申请另一实施例还提供了用于基于物联网的受电弓接触压力监测系统的监测方法，包括监测系统中的处理器和数据存储器，如图1所示，其具体处理流程包括：
步骤1，所述处理器读取所述数据存储器中所存储的某个时间段的所有接触压力数据和加速度值数据，计算该时间段内的接触压力平均值
Figure BDA0002309050220000041
根据所述时间段内的所有加速度ai的值，绘制ai曲线图；现代列车中即使是高速列车的运行也是非常稳定的，受电弓与电网的接触压力符合正态分布，所以首先记录当前时间段内的接触压力平均值
Figure BDA0002309050220000051
并且绘制加速度ai的曲线图；
步骤2，计算所选时间段内接触压力数据的标准差
Figure BDA0002309050220000052
在多数工程应用参数中，正态分布的标准差可以用于判定异常值；
步骤3，根据标准差计算所选时间段内接触压力的最大值Fimax＝Fi+3σ以及最小值Fimin＝Fi-3σ，此处采用3倍标准差法限定异常值范围；正态分布中，平均值加正负3倍标准差至少可以覆盖99％的数据范围，在工程应用中，通常将不在平均值加正负3倍标准差范围内的测量值归为异常值；由于高速列车安全性要求十分高，所以该方法应用在高速列车时，可以将异常值限定在平均值加正负2倍标准差范围外；
步骤4，判断某一刻的接触压力值Fi是否属于异常值，即Fimax≥Fi≥Fimin，当Fi在该范围时进入步骤5，当Fi不在该范围时进入步骤6；
步骤5，判断Fi＜μF，其中μ为异常值系数，当Fi＜μF时，则弓网受流正常，结束流程，否则进入步骤6；
步骤6，判断在αi曲线中在该接触压力点时的αi是否存在异常峰值，当不存在异常峰值时，则弓网受流异常，结束流程，否则进入步骤7；
步骤7，计算该时间点排除加速度影响的单一接触压力Fj＝Fi-mai，其中m为受电弓质量；
步骤8，判断该时间点的单一接触压力Fj＜μF，其中μ为异常值系数，当Fj＜μF时，即弓网受流正常，结束流程，否则即弓网受流异常，结束流程。
本实施例所提供的方法中，计算了受加速度影响增大接触压力的情况，在实际情况中，还有受加速度影响使接触压力减小以及使受电弓脱网的情况，受电弓脱网产生高压电弧严重影响行车安全，所以在加速度ai的曲线图中包括加速度ai的方向信息，同时将加速度ai的分方向定义为减小接触压力的方向，在实际使用中，加速度ai负方向的峰值同样会被记录为异常值，由所述监测显示器进行提醒。
还包括监测显示器，当所述处理器计算得出弓网受流异常时，所述监测显示器显示相应异常信息。
所述步骤3在实际工程使用时，限定异常值范围还可以采用2倍标准差。
所述步骤5和步骤8中的异常值系数μ的取值范围为1.5-1.8；随着列车行驶速度的不断提高，对安全的标准也越来越严格，通常对于行驶速度越快的列车其异常值系数μ的取值就越小，尤其是速度超过300公里每小时的列车，其异常值系数μ通常取值为1.5。
所述监测显示器显示的所述异常信息至少包括实测接触压力信息、加速度信息以及地理位置信息。

Claims (10)

1.基于物联网的受电弓接触压力监测装置，其特征在于，包括光纤应变传感器、光纤加速度传感器、定位装置、通信装置和控制处理器；所述光纤应变传感器安装于受电弓的碳滑板与支架之间，所述光纤加速度传感器安装于受电弓基座处；所述定位装置与所述控制处理器连接；所述通信装置包括第一无线光通信发射器、第二无线光通信发射器、无线光通信接收器以及无线通信发射器，所述第一无线光通信发射器的输入端与所述光纤应变传感器的信号输出端连接，所述第二无线光通信发射器的输入端与所述光纤加速度传感器的信号输出端连接，所述无线光通信接收器与所述控制处理器连接，所述无线通信发射器与控制处理器连接。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的受电弓接触压力监测装置，其特征在于，所述控制处理器包括光电信号转换单元和控制处理单元，所述光电信号转换单元的输入端与所述无线光通信接收器的输出端连接，所述光电信号转换单元的输出端与所述控制处理单元连接；所述控制处理单元与所述定位装置连接，所述控制处理单元还与所述无线通信发射器连接。
3.根据权利要求2所述的基于物联网的受电弓接触压力监测装置，其特征在于，所述定位装置包括北斗定位模块和或GPS定位模块；所述无线通信发射器包括3G、4G和5G通信模块。
4.基于物联网的受电弓接触压力监测系统，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的监测装置以及列车运行管理后台，所述列车运行管理后台包括无线通信接收器、监测显示器、数据存储器和处理器；所述处理器分别与所述无线通信接收器、监测显示器以及数据存储器连接；所述无线通信接收器用于接收所述监测装置发送的信息，所述监测显示器用于显示受电弓接触压力数据信息，所述数据存储器用于存储经所述处理器处理的所有数据。
5.根据权利要求4所述的基于物联网的受电弓接触压力监测系统，其特征在于，所述处理器还用于判定弓网受流情况，所述监测显示器还用于显示弓网受流状态。
6.用于基于物联网的受电弓接触压力监测系统的监测方法，其特征在于，包括处理器和数据存储器，具体处理流程如下：
步骤1，所述处理器读取所述数据存储器中所存储的某个时间段的所有接触压力数据和加速度值数据，计算该时间段内的接触压力平均值
Figure FDA0002309050210000011
根据所述时间段内的所有加速度αi的值，绘制αi曲线图；
步骤2，计算所选时间段内接触压力数据的标准差
Figure FDA0002309050210000012
步骤3，根据标准差计算所选时间段内接触压力的最大值Fimax＝Fi+3σ以及最小值Fimin＝Fi-3σ，此处采用3倍标准差法限定异常值范围；
步骤4，判断某一刻的接触压力值Fi是否属于异常值，即Fimax≥Fi≥Fimin，当Fi在该范围时进入步骤5，当Fi不在该范围时进入步骤6；
步骤5，判断Fi＜μF，其中μ为异常值系数，当Fi＜μF时，则弓网受流正常，结束流程，否则进入步骤6；
步骤6，判断在ai曲线中在该接触压力点时的ai是否存在异常峰值，当不存在异常峰值时，则弓网受流异常，结束流程，否则进入步骤7；
步骤7，计算该时间点排除加速度影响的单一接触压力Fj＝Fi-mai，其中m为受电弓质量；
步骤8，判断该时间点的单一接触压力Fj＜μF，其中μ为异常值系数，当Fj＜μF时，即弓网受流正常，结束流程，否则即弓网受流异常，结束流程。
7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，还包括监测显示器，当所述处理器计算得出弓网受流异常时，所述监测显示器显示相应异常信息。
8.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述步骤3在实际工程使用时，限定异常值范围还可以采用2倍标准差。
9.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述步骤5和步骤8中的异常值系数μ的取值范围为1.5-1.8。
10.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述异常信息至少包括实测接触压力信息、加速度信息以及地理位置信息。
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