CN113701822A - 一种轨道车辆智能监测系统 - Google Patents

Abstract

一种轨道车辆智能监测系统，包括能量供给装置、传感器采集网络、云端服务器平台和监测可视化平台，能量供给装置连接传感器采集网络，传感器采集网络连接云端服务平台，云端服务平台连接监测可视化平台。本发明采用先进的MEMS传感器数据收集技术与大数据分析技术，从较少的指标中分析出较多的监测参数；利用一套设备监测多个轨道车辆指标，功能性更加强大；监测精度高于传统的监测设备；实现了轨道车辆监测的实时化；实现了轨道车辆监测的智能化；传感器无需镶嵌入车体，提高传感器利用率，拆卸简便。

Description

一种轨道车辆智能监测系统

技术领域

本发明涉及电子监测技术领域。

背景技术

铁路运输具有速度快，运量大，安全性高等多种优势，是世界上最为广泛的运输方式之一。尽管如此，铁路运输也有其劣势所在，单次事故就将会造成不可估量的损失，而且会极大地影响其他铁路的运输过程，作为铁路唯一的风险排查手段，铁路安全监测至关重要。传统监测系统和方案，存在许多弊端：

1.监测仪器价格昂贵，传统监测方式经济效益较差。我国轨道车辆监测主要采用人工携带专业仪器进行轨道车辆监测的方式，针对不同的问题需要携带不同的专业仪器。这些仪器价格高昂，每一台价格达到数十万元甚至上百万元。另外，由于这些设备对精确性有着极高的要求，日常维修也有着极高的花费；

2.传统监测手段针对问题面较少，监测效率低下。轨道车辆作为一个整体系统，不同的参量之间会产生相互作用，不同类型的轨道车辆问题的产生也往往能够从其他方面显现。但是由于现有监测仪器仅针对少量问题，所以要实现对轨道车辆指标的全面监测，就需要多种的监测仪器的组合使用，这样一来会增加巡检工人的任务负担，另外造成了不同监测项目的脱节，没有能很好地发挥系统性监测的优势，效率低下；

3.传统监测手段智能化程度低，实时性较差。传统的监测手段采用“人工+仪器”的监测方式，本质上相当于一种工具的升级，人工属性并没有改变，随着我国铁路总里程的不断增加，未来势必无法满足监测的实际需求。此外，传统监测方式需要占用铁轨，降低了铁路的运输效率，而发生问题时，周期化的人工巡检会存在一定的滞后性，这就使得事故发生的风险无法被及时排查，对列车安全行驶造成严重威胁。

发明内容

为了解决轨道车辆监测系统经济效益较差、监测效率低下、智能化程度低、实时性较差、环境受限大等问题，本发明提供了一种轨道车辆智能监测系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种轨道车辆智能监测系统，包括能量供给装置、传感器采集网络、云端服务器平台和监测可视化平台，能量供给装置连接传感器采集网络，传感器采集网络连接云端服务平台，云端服务平台连接监测可视化平台，轨道车辆所受振动通过振动传感器采集转换为数字化信息上传至采集单元，采集单元通过无线传输将数据上传至云端服务器，云端服务器将接收数据处理、分类及挖掘，将结果传输到监测可视化平台，可视化界面呈现需要的监测指标，并在监测指标异常时自动预警。

所述能量供给装置包括太阳能电池模块、备份电池模块和车载电源模块，太阳能电池模块设有睡眠唤醒机制，当车载电源断开并且备份电池电量不足时，太阳能电池唤醒供电；当车载电源连接或者备份电池电量充足时，太阳能电池睡眠储存电能；能量供给装置集成安装在轨道车辆车厢与车厢空隙处；太阳能电池板安装于轨道车辆车厢顶部或者侧面；备份电池为18650电池组。

所述传感器采集网络包括振动传感器和采集单元，振动传感器采用位移传感器、速度传感器、加速度传感器或者力传感器，采集单元采用ESP开发板，ESP开发板焊接在PCB板上，具备WIFI和蓝牙模块，传感器采集网络通过ESP开发板的WIFI或蓝牙实时储备数据以及传输到云端服务器。

所述云端服务器平台包括原始数据预处理模块和数据分类与挖掘模块，数据首先去除异常值，转化成时域分布图之后，通过降采样设置与平滑滤波处理得到时域重构图；之后再通过快速傅里叶变化得到频谱图；最终采用Good-Turing平滑算法与Horvitz-Thompson估计器的大数据处理方式对频域数据进行分类与挖掘，得到需要的监测指标。

本发明的轨道车辆智能监测系统，采用先进的MEMS传感器数据收集技术与大数据分析技术，从较少的指标中分析出较多的监测参数，为高效监测奠定了基础；利用一套设备监测多个轨道车辆指标，功能性更加强大；监测精度高于传统的监测设备，并且能够满足安全监测的需求；实现了轨道车辆监测的实时化，可以及时发现危险，降低事故风险；实现了轨道车辆监测的智能化，克服了人工监测的种种弊端；传感器无需镶嵌入车体，提高传感器利用率，拆卸简便。

附图说明

图1是本发明轨道车辆智能监测系统原理图。

图2是本发明轨道车辆智能监测系统流程图。

图3是本发明能量供给装置原理图。

图4是本发明传感器采集网络原理图。

图5是本发明大数据分析处理流程图。

具体实施方式

本发明轨道车辆智能监测系统如图1所示，包括能量供给装置、传感器采集网络、云端服务器平台和监测可视化平台，能量供给装置包括太阳能电池供电、备份电池供电、车载电源供电给三大板块；传感器采集网络包括传感器单元网络、采集单元网络、数据储备传输网络；云端服务器平台包括原始数据预处理模块、数据分类与挖掘模块；监测可视化平台包括监测控制平台、可视化管理平台。

如图3所示，能量供给装置包括太阳能电池供电模块，太阳能电池板通过吸收太阳能转换为电能储存在电池中，电能储存的电池设有睡眠唤醒机制，当车载电源断开并且备份电池电量不足时，太阳能电池唤醒供电；当车载电源连接或者备份电池电量充足时，太阳能电池睡眠储存电能。能量供给装置集成安装在轨道车辆车厢与车厢空隙处，太阳能电池板安装于轨道车辆车厢顶部或者侧面，备份电池可选用满足电压条件的即可，例如18650电池组等。

如图4所示，传感器采集网络的振动传感器采用位移传感器、速度传感器、加速度传感器或者力传感器，感器采集网络的采集单元包括壳体、PCB板、ESP开发板、导线、电阻、LED灯、储存卡，传感器采集网络的数据储备传输网络通过ESP32开发板的WIFI和蓝牙两种传输路径，实时储备数据以及传输到云端服务器。壳体采用3D打印技术批量制造，具有抗干扰、易散热等特性。ESP开发板焊接在PCB板上，具备WIFI和蓝牙模块，同时设有开关和SD卡槽，采用多种型号均可，例如ESP32、ESP8266等，LED灯焊接在PCB板上，采用三色、两色、单色型号均可，储存卡插入到ESP开发板的SD卡槽，采用高速的闪存卡均可。

如图5所示，云端服务器平台包括原始数据预处理模块、数据分类与挖掘模块，首先会经过预处理流程，主要是去除异常值，以免对之后的数据挖掘造成障碍；转化成时域分布图之后，由于采样频率过高，造成数据过于密集，通过降采样设置与平滑滤波处理使得数据更加清晰；之后再通过快速傅里叶变化得到频谱图；最终采用Good-Turing平滑算法与Horvitz-Thompson估计器等改进的大数据处理方式对频域数据进行分类与挖掘，最终得到需要的监测指标。

监测可视化平台，监测控制平台主要是控制采集的频率、传感器部署状况监测界面以及整个系统的正常运行等，可视化管理平台主要是收集查看相关监测数据与结果、用户使用记录以及授权等，在监测指标异常时会自动预警。

如图2所示，轨道车辆智能监测方法，包括以下步骤：

S1、轨道车辆所受振动激励反馈到振动传感器；

S2、振动传感器转换为数字化信息上传至采集单元；

S3、采集单元实时储备数据到内存卡备份，并通过WIFI或者蓝牙将数据上传至云端服务器；

S4、云端服务器将接收数据处理、分类及挖掘，将结果反馈到可视化界面；

S5、可视化界面呈现需要的监测指标，并在监测指标异常时自动预警。

本发明采用先进的数据收集与分析技术，实现原理革新。传统的监测工具主要采用红外线、超声波、水平仪等测量仪器进行参量收集，再通过与《铁路工务手册》中规定的指标进行比较，从而进行轨道车辆状态的判断，通过这些原理进行监测时过于复杂，造成监测效率低下；而本发明所采用先进的MEMS传感器数据收集技术与大数据分析技术，从较少的指标中分析出较多的监测参数，为高效监测奠定了基础。

本发明可以利用一套设备监测多个轨道车辆指标，功能性更加强大。传统监测工具针对不同的监测项目利用不同的原理，需要收集不同的参量，进而造成了监测仪器针对性强而功能覆盖面较窄的特点；而铁轨智能监测系统能够很好地利用大数据挖掘技术，从同时收集的多个参量分析出所需要的监测项目的体现指标，进而可以集多项监测功能于同一个设备，实现更加强大的监测功能。

本发明监测精度略高于传统的监测设备，并且能够满足安全监测的需求。传统监测工具由于对每一类轨道车辆问题都有不同原理的针对性监测，所以能够实现极高的监测精度，这也是为了弥补传统的周期性监测会产生空档期的缺点，最大程度上降低空档期危险发生的概率；由于轨道车辆监测系统所选择的分析参数需要能够反映多种问题，不仅通过大数据分析手段实现了较高的监测精度，而且通过高频监测的工作方式满足安全监测的需求。

本发明实现了轨道车辆监测的实时化，可以及时发现危险，降低事故风险。传统的轨道车辆监测是一种周期化的作业方式，在两个周期中间，各个铁路段都会有相应较长的空档期，在这个空档期铁路可能会由于外力发生较大程度的损坏，从而使列车行驶存有危险；本发明在列车通过时即可以实现数据收集与监测，由于轨道车辆行进的密集，基本实现了轨道车辆监测的智能化，从而使得危险可以及时被发现并清除，从而降低事故发生风险。

本发明实现了轨道车辆监测的智能化，克服了人工监测的种种弊端。传统的轨道车辆监测还是依靠人的经验与相关标准去判定轨道车辆是否处于异常状态，这样就可能存在异常误判或异常遗漏等问题，并且因为要求精度极高，需要大量的人力投入；本发明通过大数据分析与自动预警的方式实现了轨道车辆监测的智能化，只需要很少的人力进行系统操作即可，更加高效。

本发明使用方式传感器无需镶嵌入车体，提高传感器利用率，拆卸简便。传统的轨道车辆监测需要传感器镶嵌入车体，会占用轨道车辆空间，本发明的MEMS无线传感器直接安装在轨道车辆上，在需要换下时一并拆除，无需二次操作，装卸简易，并且因为特殊的工作原理，不会影响列车的正常行驶，不会损害车体本身，从而提高了传感器的利用率。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种轨道车辆智能监测系统，其特征在于：包括能量供给装置、传感器采集网络、云端服务器平台和监测可视化平台，能量供给装置连接传感器采集网络，传感器采集网络连接云端服务平台，云端服务平台连接监测可视化平台，轨道车辆所受振动通过振动传感器采集转换为数字化信息上传至采集单元，采集单元通过无线传输将数据上传至云端服务器，云端服务器将接收数据处理、分类及挖掘，将结果传输到监测可视化平台，可视化界面呈现需要的监测指标，并在监测指标异常时自动预警。

2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆智能监测系统，其特征在于：所述能量供给装置包括太阳能电池模块、备份电池模块和车载电源模块，太阳能电池模块设有睡眠唤醒机制，当车载电源断开并且备份电池电量不足时，太阳能电池唤醒供电；当车载电源连接或者备份电池电量充足时，太阳能电池睡眠储存电能；能量供给装置集成安装在轨道车辆车厢与车厢空隙处；太阳能电池板安装于轨道车辆车厢顶部或者侧面；备份电池为18650电池组。

3.根据权利要求1所述的一种轨道车辆智能监测系统，其特征在于：所述传感器采集网络包括振动传感器和采集单元，振动传感器采用位移传感器、速度传感器、加速度传感器或者力传感器，采集单元采用ESP开发板，ESP开发板焊接在PCB板上，具备WIFI和蓝牙模块，传感器采集网络通过ESP开发板的WIFI或蓝牙实时储备数据以及传输到云端服务器。

4.根据权利要求1所述的一种轨道车辆智能监测系统，其特征在于：所述云端服务器平台包括原始数据预处理模块和数据分类与挖掘模块，数据首先去除异常值，转化成时域分布图之后，通过降采样设置与平滑滤波处理得到时域重构图；之后再通过快速傅里叶变化得到频谱图；最终采用Good-Turing平滑算法与Horvitz-Thompson估计器的大数据处理方式对频域数据进行分类与挖掘，得到需要的监测指标。

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