CN114093217A - 一种钢轨探伤车仿真操作系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢轨探伤车仿真操作系统，包括通过交换机实现数据互联的以下计算机仿真系统：行车仿真系统，用于仿真钢轨探伤车在钢轨线路上的运行；电控仿真系统，用于仿真电控系统控制探轮动作；对中仿真系统，用于仿真控制探轮与钢轨线路对中；监视仿真系统，用于仿真探轮运行状态监视画面；检测仿真系统，用于仿真检测系统超声波钢轨探伤检测；分析系统，用于接收检测仿真系统检测数据，分析识别伤损，形成B型图文件。本发明通过计算机网络通信仿真钢轨探伤车各子系统的工作特性及通信协议，为钢轨探伤车研发调试提供验证，能解决现有系统钢轨探伤车工作性能难以全面现场验证，操作培训困难，受时间、地点及成本等试验条件制约的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及超声波探伤检测技术领域，尤其涉及一种钢轨探伤车仿真操作系统。
背景技术
在铁路工程和维护车辆领域，超声波钢轨探伤车广泛应用于钢轨的探伤和维护。如附图1所示，一个超声波钢轨探伤系统主要包括：钢轨探伤检测系统1及钢轨探伤 分析系统2。钢轨探伤检测系统1通过装在探轮架3上的探轮4发出超声波激励脉冲 信号，检测钢轨5伤损回波，检测结果传输至钢轨探伤分析系统2，钢轨探伤分析系 统2形成检测B型图，进行伤损回放分析。为了提供钢轨探伤检测系统1正常检测条 件，钢轨探伤车提供了行车系统、电控系统、对中系统及监视系统。行车系统控制探 伤车行车；电控系统检测控制气路及水路，起落探轮架，向钢轨5表面喷洒耦合水， 利于超声波传播；对中系统控制探轮4与钢轨5对中；监视系统采用网络视频监视探 轮4工作状态。钢轨探伤检测系统1通常由多达30余路超声波通道对钢轨进行多角度 高速探伤，检测条件要求高，钢轨探伤车监视参数多，造价贵，在钢轨探伤检测作业 时，一般需3～5名经专业培训的操作人员协同工作。对于设计部门，钢轨探伤车各系 统的工作性能需经多项试验验证。
在现有技术中，与本发明较为相关的技术方案主要有：
本申请人于2014年05月22日申请，并于2014年08月06日公开，公开号为CN103969343A的中国发明申请。该发明公开了一种钢轨探伤仿真试验装置及其系统， 装置包括：仿真计算机，与信号发生/数据采集器相连，采用故障特征点设置钢轨伤损 图，模拟故障钢轨；当进行仿真试验时，设置机车速度信号，根据机车运行位置对应 的钢轨伤损图依次生成超声波回波参数数据，并传输至信号发生/数据采集器；信号发 生/数据采集器，与外部的钢轨探伤检测系统相连，向其输出机车速度信号；接收钢轨 探伤检测系统发送的超声波激励信号，根据仿真计算机传输的超声波回波参数数据向 钢轨探伤检测系统返回超声波回波模拟信号。本发明克服了现有技术对钢轨探伤检测 系统缺乏试验室验证手段、试验成本高和易受环境制约的技术问题，可以随时随地对 检测系统工作性能进行验证。
上述发明申请采用仿真电信号为检测系统电子柜性能试验提供了条件，然而，对于钢轨探伤检测系统的通信及其它系统性能没有验证，缺乏钢轨探伤车系统整体验证。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钢轨探伤车仿真操作系统，以解决现有系统钢轨探伤车工作性能难以全面现场验证，操作培训困难，受时间、地点及成本等试 验条件制约的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种钢轨探伤车仿真操作系统的技术实现方案，钢轨探伤车仿真操作系统，包括：通过交换机实现数据互联的行车仿真系统、 电控仿真系统、对中仿真系统、监视仿真系统、检测仿真系统及分析系统。
所述行车仿真系统，用于仿真钢轨探伤车在钢轨线路上的运行。
所述电控仿真系统，用于仿真电控系统控制探轮动作。
所述对中仿真系统，用于仿真控制探轮与轮线路对中。
所述监视仿真系统，用于仿真探轮运行状态监视画面。
所述检测仿真系统，用于仿真检测系统超声波钢轨探伤检测。
所述分析系统，用于接收检测仿真系统检测数据，分析识别伤损，形成B型图文件。
进一步的，所述行车仿真系统包括行车仿真系统主机、司控指令、地图显示器及线路显示器。所述行车仿真系统主机装有行车仿真软件模块，包括线路地图模块、外 部指令实时采集模块、以太网通信模块、动画输出模块及线路动画文件。所述地图显 示器采用触控显示器，所述线路地图模块设定行车计划路径，得到线路名，司机操控 台操控手柄提供司控指令，包括调速手柄设定机车速度、换向手柄设定运行方向。所 述线路地图模块通过外部指令采集模块读取司控指令，得到机车速度V，并根据线路 名M及机车速度V得到里程脉冲坐标X。在达到机车设定速度前，采用加速度A限 制，加速时间
里程脉冲坐标
达到设定速度V后采用恒速运行。机车 运行时，所述线路地图模块通过地图显示器显示运行路径，为动画输出模块提供包括线 路名M、机车速度V及里程脉冲坐标X在内的司控信息S。司控信息S通过以太网通信模 块与交换机通信，发送至对中仿真系统、监视仿真系统及检测仿真系统。所述动画输出 模块读取相应线路名M的线路动画文件，按机车速度输出动画至线路显示器。
进一步的，所述电控仿真系统包括电控仿真系统主机及触控显示器。所述电控仿真系统主机装有电控仿真软件模块，包括触控指令采集模块、触控指令解析模块、触 控按钮显示模块及以太网通信模块。通过触控显示器按键输入电控指令，经触控指令 采集模块、触控指令解析模块后，所述触控按钮输出模块输出显示按钮状态至触控显 示器，并通过以太网通信模块，经交换机发送电控指令至监视仿真系统。所述电控仿 真系统模拟水路及气路控制，输出电控信息K，所述电控信息K包括探轮提升K1、探轮 下降K2、耦合水开关K3及探轮下压量H。所述探轮下压量H采用恒气压力P控制， 使探轮与钢轨表面成面接触状态，探轮下压量H函数曲线H＝f(P)由现场试验获得， 所述耦合水开关K3控制在探轮与钢轨表面结合处喷洒耦合水，利于超声波在探轮与钢 轨间的传播。
进一步的，所述对中仿真系统包括对中仿真系统主机、手动调节给定及对中显示器。所述对中仿真系统主机装有对中仿真软件模块，包括对中仿真模块、路况设置文 件及以太网通信模块。所述对中仿真模块通过以太网通信模块接收司控信息S，读取 存贮在对中仿真系统主机中对应线路名M的曲线数据，计算曲线正矢值L，得到线路 偏差给定值PL，同时检测手动调节给定值PM。所述对中仿真模块根据自动对中控制 系统数学模型仿真计算，输出对中偏差值ES，通过以太网通信模块，经交换机发送至 检测仿真系统及监视仿真系统。所述对中仿真模块同时通过读取路况设置文件，模拟 大雪覆盖线路，对中传感器不正常时的运行状态，所述对中仿真模块通过读取对应线 路名M及里程脉冲坐标X的路况设置文件，输出检测钢轨廓形至对中显示器。
进一步的，所述对中仿真模块计算的对象模型参数包括：PID控制单元PID参数、对中控制单元放大系数K、电缸一阶惯性延时时间T、手动调节给定值PM、线路偏差 给定值PL及仿真输出对中偏差值ES。在路况设置文件中对应里程脉冲坐标X位置， 对中传感器不能正常工作，自动对中方式下对中偏差值ES按照开环控制模式计算。
进一步的，所述对中仿真模块在自动对中模式下，采用闭环PID控制，给定为线 路偏差给定值PL及手动调节给定值PM，即PL+PM，反馈为探轮调节位置UL。所述对 中仿真模块根据司控信息S，得到对应线路名M的曲线弯道半径R，线路偏差给定值 PL根据以下公式计算：PL＝L≈W2/8R，其中R为线路曲线半径，W为弦长、L为正矢 值。在手动对中方式下，所述对中仿真计算模块采用开环控制，探轮调节位置UL跟随 手动调节给定值PM：UL＝PM，对中偏差值ES＝PL-PM。
进一步的，所述监视仿真系统包括监视仿真系统主机及监视显示器。所述监视仿真系统主机装有监视仿真软件模块，包括以太网通信模块、监视画面更新模块、操作 记录评价模块及监视画面输出模块。所述监视仿真系统通过以太网通信模块读取司控 信息S、电控指令K及对中偏差值ES，根据对中偏差值ES得到探轮与钢轨中心水平 偏差值，根据来自电控仿真系统的电控信息K，得到探轮提升K1、探轮下降K2、耦 合水开关K3及探轮下压量H。所述监视画面更新模块生成探轮相对钢轨位移动画，通 过监视画面模块输出至监视显示器。所述操作记录评价模块以里程脉冲坐标X记录司控信 息S、电控信息K及对中偏差值ES。
进一步的，所述监视仿真系统在探伤任务结束后，根据司控信息S、电控信息K 及对中偏差值ES记录，对操作人员操作流程及调节量偏差进行自动评估。
进一步的，所述检测仿真系统包括检测仿真系统主机、A型显示器及轨伤显示器。所述检测仿真系统主机装有检测仿真软件模块，包括检测系统仿真模块、以大网通信 模块、钢轨伤损设置图及超声回波采样数据模块。所述检测系统仿真模块通过以太网 通信模块接收司控信息S、电控指令K及对中偏差值ES，根据来自对中仿真主机对中 偏差ES，所述检测系统仿真模块读取对应线路名M及里程脉冲坐标X的钢轨伤损设 置图，输出显示至轨伤显示器。所述检测仿真系统根据空间转换参数生成对应超声波 压电晶片角度及延时时间的超声波回波仿真数据，根据对中偏差值ES及耦合水开关 K3状态进行调整，作为伤损检测数据D，通过交换机通信模块发送至分析系统，选取 伤损检测数据D中各探轮的0度晶片超声回波仿真数据，通过超声回波采样数据模块 模拟回波波形，输出至A型显示器，监视钢轨底波。
进一步的，所述检测系统仿真模块根据探轮下压量H计算超声波在探轮中的传播时间，钢轨探伤车运行前，通过A型显示器观测0度晶片超声波发射始脉冲与钢轨表 面回波的延时值TD，调整探轮下压量H到规定值，打开耦合水开关K3，当耦合水开 关K3未打开时，所述A型显示器无钢轨底波显示。
进一步的，所述检测系统仿真模块通过空间转换参数、伤损在钢轨中位置及超声波传播路径计算得到伤损检测数据D。所述空间转换参数XNJ由下式求得：根据机车 的里程脉冲坐标X，探轮N对机车的相对坐标XN，超声波压电晶片J对探轮N的相 对坐标XJ，得到超声波压电晶片J的位置XNJ＝X+XN+XJ。
进一步的，所述检测系统仿真模块根据对中偏差值ES调整超声波回波仿真数据，作为伤损检测数据D：
当对中偏差值ES≥(压电晶片宽度+轨腰宽度)/2时，所述伤损检测数据D无0 度回波仿真数据。
当对中偏差值ES≥(压电晶片宽度+轨面宽度)/2时，所述伤损检测数据D无超 声波回波仿真数据。
当(压电晶片宽度+轨腰宽度)/2≤对中偏差值ES≤(压电晶片宽度+轨面宽度) /2时，所述伤损检测数据D中有70度超声回波，延时值按钢轨下颚处反射计算。
进一步的，所述分析系统包括分析系统主机、B型显示器及键盘指令。所述分析 系统主机装有实际运用的分析系统软件模块，包括以太网通信模块、分析存贮B型图 文件及回放模块。所述分析系统通过以太网通信模块，接收检测仿真系统发送的伤损 检测数据D，分析存贮B型图文件，输入键盘指令，所述回放模块对分析存贮B型图 文件进行回放，将回放数据输出至B型显示器。
通过实施上述本发明提供的钢轨探伤车仿真操作系统的技术方案，具有如下有益效果：
(1)本发明钢轨探伤车仿真操作系统，通过系统硬件模拟、系统功能软件仿真的方式构建一个仿真操作系统，模拟真实的钢轨探伤车使用环境，实现了信号、功能、实物多 个维度的联合仿真，能够进行包括行车系统、电控系统、对中系统、监视系统、检测 系统及分析系统在内多个功能系统的仿真，极大地简化了钢轨探伤车检测分析系统结 构，降低了系统工程造价，同时覆盖范围更广、仿真效果更逼真；
(2)本发明钢轨探伤车仿真操作系统，将整套钢轨探伤设备的人机交互接口及界面 保持和实际设备一致；在信号处理方面，可以用来完成高速信号处理验证，如：在开发探伤检测软件过程中，可以利用行车仿真系统，输出任意想要的车速，以及大量密集 的伤损数据，从而验证探伤检测软件的高速信号处理能力及效果；
(3)本发明钢轨探伤车仿真操作系统，在功能验证方面，采用多台互联的计算机运行相应的仿真软件，来实现各个子系统的功能模拟，如：通过系统中的对中算法模型， 输入实际的各项参数，可以进行对中系统PID控制器的功能效果验证，对检测系统通 信协议进行验证，以及对探轮及探轮架结构进行验证；在操作方面，由于硬件、人机 交互接口、功能均和实际探伤车上的基本相同，所以本钢轨探伤车仿真操作系统可以广 泛用于钢轨探伤车用户操作培训，系统性地学习正确的操作流程，尤其是对于操作新 手，无需上车，线下即可进行操作及学习，有助于实现快速提升钢轨探伤车的整体操 作水平以及对系统原理的快速认知；能够对操作人员操作流程及调节量偏差进行自动评 估，作为培训考核验证手段；
(4)本发明钢轨探伤车仿真操作系统，可以达到和实际系统同样的操作使用效果；利用该系统还可以进行静态、动态全工况模拟，在信号层面可以对相关软件的开发进行信号 处理能力及功能的验证，可作为探伤系统及其子系统软件研发的仿真验证平台。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。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的前提 下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。
图1是现有技术钢轨探伤车系统结构框图；
图2是本发明钢轨探伤车仿真操作系统的硬件组成结构示意图；
图3是本发明钢轨探伤车仿真操作系统一种具体实施例的结构组成框图；
图4是本发明钢轨探伤车仿真操作系统一种具体实施例中行车仿真系统的功能组成框图；
图5是本发明钢轨探伤车仿真操作系统一种具体实施例中电控仿真系统的功能组成框图；
图6是本发明钢轨探伤车仿真操作系统一种具体实施例中对中仿真系统的功能组成框图；
图7是本发明钢轨探伤车仿真操作系统一种具体实施例中监视仿真系统的功能组成框图；
图8是本发明钢轨探伤车仿真操作系统一种具体实施例中检测仿真系统的功能组成框图；
图9是本发明钢轨探伤车仿真操作系统一种具体实施例中分析系统的功能组成框图；
图10是本发明中对中系统的功能结构框图；
图11是本发明中线路正矢值示意图；
图12是本发明中0度晶片A型显示示意图；
图13是一种基于本发明系统的钢轨探伤车仿真操作方法的程序流程图；
图中：1-钢轨探伤检测系统，2-钢轨探伤分析系统，3-探轮架，4-探轮，5-钢轨， 6-司机操控台，7-电气控制机柜，8-检测机柜，9-探伤作业操控台，10-线路地图模块， 11-外部指令实时采集模块，12-(行车仿真系统)以太网通信模块，13-动画输出模块，14- 线路动画文件，20-触控指令采集模块，21-触控指令解析模块，22-触控按钮显示模块，23- (电控仿真系统)以太网通信模块，30-对中仿真模块，31-PID控制单元，32-对中控制单 元，33-电缸，35-对中传感器，36-线路偏差给定，37-路况设置文件，38-(对中仿真系统) 以太网通信模块，40-(监视仿真系统)以太网通信模块，41-监视画面更新模块，42-操作 记录评价模块，43-监视画面输出模块，50-检测系统仿真模块，51-(检测仿真系统)以大 网通信模块，52-钢轨伤损设置图文件，53-超声回波采样数据模块，60-回放模块，61-(分 析系统)以太网通信模块，62-分析存贮B型图文件，100-行车仿真系统，110-行车仿真系 统主机，120-司控指令，130-地图显示器，140-线路显示器，200-电控仿真系统，210-电控 仿真系统主机，220-触控显示器，300-对中仿真系统，310-对中仿真系统主机，320-手动调 节给定，330-对中显示器，400-监视仿真系统，410-监视仿真系统主机，420-监视显示器， 500-检测仿真系统，510-检测仿真系统主机，520-A型显示器，530-轨伤显示器，600- 分析系统，610-分析系统主机，620-B型显示器，630-键盘指令，700-交换机。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：
探轮：一种轮式结构体，轴中心架装有几种不同检测角度的超声波检测晶片，轮胎外膜内充满耦合液，当机车运行时，探轮沿钢轨滚动，检测晶片移动方向与钢轨平 行；
A型显示：以横坐标表示超声波传播时间，纵坐标表示回波幅值的示波显示方式；
B型显示：横坐标代表钢轨长度，纵坐标代表钢轨高度的检测伤损图形显示方式；
PID：Proportional Integral Differential，比例、积分、微分的简称。
为使本发明实施例的目的、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、完整的描述。显然，所描述的实 施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于 本发明保护的范围。
如附图2至附图12所示，给出了本发明钢轨探伤车仿真操作系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如附图2所示，为本发明具体实施例要模拟的钢轨探伤车操作系统的硬件组成结构 示意图。钢轨探伤车仿真操作台包括司机操控台5、电气控制机柜6、检测机柜7及探 伤作业操控台8。操控控台上部分用于安装显示器，下部分用于安装仿真系统主机，共采用 4台台式计算机和2台触控屏的一体机实现钢轨探伤车操作系统六个子系统的功能仿真，具体包括：行车仿真系统100、电控仿真系统200、对中仿真系统300、监视仿真系统400、 检测仿真系统500及分析系统600。
实施例1
如附图3所示，一种钢轨探伤车仿真操作系统的实施例，具体包括：通过交换机700实 现数据互联的行车仿真系统100、电控仿真系统200、对中仿真系统300、监视仿真系统400、检测仿真系统500及分析系统600。其中，行车仿真系统100，用于仿真钢轨探伤车 在钢轨线路上的运行。电控仿真系统200，用于仿真电控系统控制探轮4动作。对中仿 真系统300，用于仿真控制探轮4与钢轨5线路对中。监视仿真系统400，用于仿真探 轮4运行状态监视画面。检测仿真系统500，用于仿真检测系统超声波钢轨探伤检测。 分析系统600，用于接收检测仿真系统500检测数据，分析识别伤损，形成B型图文 件。
行车仿真系统100的功能组成框图如附图4所示，行车仿真系统100包括行车仿真系统 主机110、司控指令120、地图显示器130及线路显示器140。行车仿真系统主机110装有行 车仿真软件模块，包括线路地图模块10、外部指令实时采集模块11、以太网通信模块12、动画输出模块13及线路动画文件14。地图显示器130采用触控显示器，线路地图模块10设定行车计划路径，得到线路名M，司机操控台1操控手柄提供司控指令120，包括调速手柄 设定机车速度、换向手柄设定运行方向。线路地图仿真模块10通过外部指令采集模块模块 11读取司控指令120，得到机车速度V，并根据线路名M及机车速度V得到里程脉冲坐标X， 在达到机车设定速度前，采用加速度A限制，加速时间
里程脉冲坐标
达 到设定速度V后机车采用恒速运行。机车运行时，线路地图模块10通过地图显示器130显 示运行路径，为动画输出模块14提供包括线路名M、机车速度V及里程脉冲坐标X在内的 司控信息S。司控信息S通过以太网通信模块12与交换机700通信，发送至对中仿真系统 300、监视仿真系统400及检测仿真系统500。动画输出模块13读取相应线路名M的线路动 画文件14，按机车速度输出动画至线路显示器140。
电控仿真系统200的功能组成框图如附图5所示，电控仿真系统200，包括电控仿真系统主机210及触控显示器220。电控仿真系统主机210装有电控仿真软件模块，包括触控指令采集模块20、触控指令解析模块21、触控按钮显示模块22及以太网通信模块23。通过触控显示器220按键输入电控指令，经触控指令采集模块20、触控指令解析模块21后，触 控按钮显示模块22输出显示按钮状态至触控显示器220，并通过以太网通信模块23，经交 换机700发送电控指令至监视仿真系统400。电控仿真系统200模拟水路及气路控制，输出 电控信息K，电控信息K包括探轮提升K1、探轮下降K2、耦合水开关K3及探轮下压量H。 探轮下压量H采用恒气压力P控制，使探轮4与钢轨5表面成面接触状态，探轮下压量函数 曲线H＝f(P)由现场试验获得，耦合水开关K3控制在探轮4与钢轨5表面结合处喷洒耦合 水，以利于超声波在探轮4与钢轨5间的传播。
对中仿真系统300的功能组成框图如附图6所示，对中仿真系统500，包括对中仿真系统主机310、手动调节给定320及对中显示器330。对中仿真系统主机310装有对中仿真软件模块，包括对中仿真模块30、路况设置文件37及以太网通信模块38。对中仿真模块30 通过以太网通信模块38接收司控信息S，读取存贮在对中仿真系统主机310中对应线路名M 的曲线数据，计算曲线正矢值L，得到线路偏差给定36值PL＝L≈W2/8R，同时检测手动调 节给定320值PM。对中仿真模块30根据自动对中控制系统数学模型仿真计算，输出对中偏 差值ES，通过以太网通信模块38，经交换机700发送至检测仿真系统500及监视仿真系统 400。对中仿真模块30同时通过读取路况设置文件37，模拟大雪覆盖线路，对中传感器35 不正常时的运行状态，对中仿真模块30通过读取对应线路名M及里程脉冲坐标X的路况设 置文件37，输出检测钢轨5廓形至对中显示器330。
下面是线路偏差给定36产生机理：对中装置安装在机车转向架上，当机车经过线路弯道时，转向架侧梁成为线路曲线的弦，如附图11所示，安装在转向架上的探轮4 不调节时，它与钢轨中心线的偏差即正矢值AD。假定圆曲线半径为R，弦长W、正 矢值L，则有(W/2)2＝L×(2R-L)，由于2R远大于L，可得：L≈W2/8R。
自动中控制系统功能结构框图如附图10所示，控制目标为位置跟随系统，包括手动调节给定320、PID控制单元31、对中控制单元32、电缸33、探轮4及对中传感器 35，对中系统的工作方式分为手动对中方式和自动对中方式。对中传感器35将探轮4 的位置偏差输入至PID控制单元31，通过PID对中控制算法生成控制量给对中控制单 元32来驱动电缸33，带动探轮4移动，减小对中偏差。对中传感器35与探轮4是联 动的，用于测量钢轨5与探轮4之间的偏差值。
对中仿真模块30的对象模型参数包括：PID控制单元31PID参数、对中控制单元32放 大系数K、电缸33一阶惯性延时时间T、手动调节给定320值PM、线路偏差给定36值PL及仿真输出对中偏差值ES。在路况设置文件37中对应里程脉冲X位置对中传感器35 不能正常工作，自动对中方式下对中偏差值ES按照开环控制模式计算。
对中仿真模块30在自动对中方式下，采用闭环PID控制，给定为线路偏差给定36值PL及手动调节320值PM，即PL+PM，反馈为探轮调节位置UL。对中仿真模块30根据司控信 息S，得到对应线路名M的曲线弯道半径R，线路偏差给定36值PL根据以下公式计算： PL＝L≈W2/8R，其中R为线路曲线半径，W为弦长、L为正矢值。在手动对中方式下，对 中仿真模块30采用开环控制，探轮调节位置UL跟随手动调节给定320值PM：UL＝PM， 对中偏差值ES＝PL-PM。
监视仿真系统400的功能组成框图如附图7所示，监视仿真系统400，包括监视仿真系统主机410及监视显示器420。监视仿真系统主机410装有监视仿真软件模块，包括以太网通信模块40、监视画面更新模块41、操作记录评价模块42及监视画面输出模块43。监 视仿真系统400通过以太网通信模块40读取司控信息S、电控信息K及对中偏差值ES，根 据对中偏差值ES得到探轮4与钢轨5轮廓中心水平偏差值，根据来自电控仿真系统200的电 控信息K，得到探轮提升K1、探轮下降K2、耦合水开关K3及探轮下压量H。监视画面更新 模块41生成探轮4相对钢轨5位移动画，通过监视画面输出模块43输出至监视显示器420。 操作记录评价模块42以里程脉冲坐标X记录司控信息S、电控信息K及对中偏差值ES，探 伤任务结束后对操作过程进行评价，通过监视画面输出模块43输出至监视显示器420。
检测仿真系统500的功能组成框图如附图8所示，检测仿真系统500，包括检测仿真系统主机510、A型显示器520及轨伤显示器530。检测仿真系统主机510装有检测 仿真软件，包括检测系统仿真模块50、以大网通信模块51、钢轨伤损设置图文件文件52 及超声回波采样数据模块53。检测系统仿真模块50通过以太网通信模块51接收司控信 息S、电控信息K以及对中偏差值ES，检测系统仿真模块50读取对应线路名M及里程脉 冲坐标X的钢轨伤损设置图文件文件52，输出显示至轨伤显示器530。检测系统仿真模块 50根据空间转换参数生成对应超声波压电晶片角度及延时时间的超声波回波仿真数据，根据 对中偏差值ES及耦合水开关K3状态进行调整，作为伤损检测数据D，通过交换机700通信 发送至分析系统600，选取伤损检测数据D中各个探轮4的0度晶片超声回波仿真数据，通 过超声回波采样数据模块53模拟回波波形，输出至A型显示器520，监视钢轨5底波。
检测系统仿真模块50根据探轮下压量H计算超声波在探轮4中的传播时间，在钢轨探 伤车运行前，通过A型显示器520观测0度晶片超声波发射始脉冲与钢轨5表面回波的延时 值TD，调整探轮下压量H到规定值，如附图12所示，打开耦合水开关K3，当耦合水开关 K3未打开时，A型显示器520无钢轨底波显示。
检测系统仿真模块50通过空间转换参数、伤损在钢轨中位置及超声波传播路径计算得到 伤损检测数据D。空间转换参数XNJ进一步根据下式求得：
根据机车的里程脉冲坐标X，探轮N对机车的相对坐标XN，超声波压电晶片J对探轮N 的相对坐标XJ，得到超声波压电晶片J的位置XNJ＝X+XN+XJ。
检测系统仿真模块50根据对中偏差值ES调整超声波回波仿真数据，作为伤损检测数 据D：
当对中偏差值ES≥(超声波压电晶片宽度+轨腰宽度)/2时，伤损检测数据D无0度回 波仿真数据。
当对中偏差值ES≥(超声波压电晶片宽度+轨面宽度)/2时，伤损检测数据D无超声波 回波仿真数据。
当(超声波压电晶片宽度+轨腰宽度)/2≤对中偏差值ES≤(超声波压电晶片宽度+轨面 宽度)/2时，伤损检测数据D中有70度超声回波，延时值按钢轨下颚处反射计算。
分析系统600的功能组成框图如附图9所示，分析系统600，包括分析系统主机610、B型显示器620及键盘指令630。分析系统主机610装有实际运用的分析系统软件模块， 包括以太网通信模块61、分析存贮B型图文件62及回放模块60。分析系统600通过以太网 通信模块61接收检测仿真系统500发送的伤损检测数据D，分析存贮B型图文件62，输入 键盘指令630，回放模块60对分析存贮B型图文件62进行回放，将回放数据输出至B型 显示器620。
本发明实施例1描述的钢轨探伤车仿真操作系统，通过计算机网络通信仿真钢轨探伤车 各子系统的工作特性及通信协议，为钢轨探伤车研发调试提供验证，对操作人员操作流程及 调节量偏差进行自动评估，用于现场操作人员培训，能解决现有钢轨探伤车工作性能难以 全面现场验证，操作培训困难，受时间、地点及成本等试验条件制约的技术问题。
实施例2
如附图13所示，一种基于本发明系统的钢轨探伤车仿真操作方法实施例，具体包括 以下步骤：
S10)通过电控仿真系统200模拟探轮4下压量调节，在系统模拟行车前，打开耦合水开关K3，打开探轮下降开关K2，调节探轮气压P，得到探轮下压量H＝f(P)，观测 A型显示器520探轮0度晶片超声波发射初始脉冲与界面波延时符合规定值TD时，探轮 下压量H调整完成。
S20)通过行车仿真系统100模拟探伤路径，通过地图显示器130选择由站名序列组成的行车路径，行车仿真系统100模拟机车运行，提供司控信息S。
S30)通过对中仿真系统300模拟探轮对中工作方式，根据路况选择手动对中或自动对中方式。当对中传感器35不正常时，对中显示器330显示检测钢轨廓形与标准钢轨 廓形不匹配。在手动方式下，通过线路显示器140观察线路弯道，施加手动调节给定320 值PM。在自动对中方式下，在小弯道半径线路需施加手动调节给定320值PM干预。
S40)通过检测仿真系统500模拟探伤检测，通过监视显示器420观察探轮4的运行状态，通过观察A型显示器520确认无钢轨底波丢失，当存在底波丢失时，对中系统需 施加手动调节给定320值PM。
S50)通过分析系统600进行回放分析，当检测钢轨B型图正常时，观察B型显示器620钢轨B型图有正常螺栓孔及接缝显示，无底波丢失。
S60)通过监视仿真系统400模拟探轮4监视画面，并对操作人员操作流程及调节量进行评估。
实施例1介绍了本发明具体实施例描述的钢轨探伤车仿真操作系统，包括六个子系统功 能仿真方案的具体实施例，并模拟真实的钢轨探伤车使用环境。实施例2在实施例1基础上， 根据系统硬件、人机交互接口、功能均和实际探伤车上的基本相同，用于钢轨探伤车 用户操作培训，系统性地学习正确的操作流程，尤其是对于操作新手，无需上车，随 时可进行操作及学习，有助于实现快速提升钢轨探伤车的整体操作水平以及对系统原 理的快速认知；能够对操作人员操作流程及调节量偏差进行自动评估，作为培训考核验证 手段。
通过实施本发明具体实施例描述的钢轨探伤车仿真操作系统的技术方案，能够产生如下技术效果：
(1)本发明钢轨探伤车仿真操作系统，通过系统硬件模拟、系统功能软件仿真的方式构建一个仿真操作系统，模拟真实的钢轨探伤车使用环境，实现了信号、功能、实物多 个维度的联合仿真，能够进行包括行车系统、电控系统、对中系统、监视系统、检测 系统及分析系统在内功能系统的仿真，极大地简化了钢轨探伤车检测分析系统结构， 降低了系统工程造价，同时覆盖范围更广、仿真效果更逼真；
(2)本发明钢轨探伤车仿真操作系统，将整套钢轨探伤设备的人机交互接口及界面 保持和实际设备一致；在信号处理方面，可以用来完成高速信号处理验证，如：在开发探伤检测软件过程中，可以利用行车仿真系统，输出任意想要的车速，以及大量的伤 损数据，从而验证探伤检测软件的高速信号处理能力及效果；
(3)本发明钢轨探伤车仿真操作系统，在功能验证方面，采用多台互联的计算机运行相应的仿真软件，来实现各个子系统的功能模拟，如：通过平台中的对中算法模型， 输入实际的各项参数，可以进行对中系统PID控制器的功能效果验证，对检测系统通 信协议进行验证，以及对探轮及探轮架结构进行验证；在操作方面，由于硬件、人机 交互接口、功能均和实际探伤车上的基本相同，所以本系统可以广泛用于钢轨探伤车 用户操作培训，系统性地学习正确的操作流程，尤其是对于操作新手，无需上车，随 时可进行操作及学习，有助于实现快速提升钢轨探伤车的整体操作水平以及对系统原 理的快速认知；能够对操作人员操作流程及调节量偏差进行自动评估，作为培训考核验证 手段；
(4)本发明钢轨探伤车仿真操作系统，可以达到和实际系统同样的操作使用效果；利用本系统还可以进行静态、动态全工况模拟，在信号层面可以对相关软件的开发进行信号 处理能力及功能的验证，可作为探伤系统及其子系统软件研发的仿真验证平台。
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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的 技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方 法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等 效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上 实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案 保护的范围。
Claims (13)
1.一种钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于，包括：通过交换机(700)实现数据互联的行车仿真系统(100)、电控仿真系统(200)、对中仿真系统(300)、监视仿真系统(400)、检测仿真系统(500)及分析系统(600)；
所述行车仿真系统(100)，用于仿真钢轨探伤车在钢轨线路上的运行；
所述电控仿真系统(200)，用于仿真电控系统控制探轮(4)动作；
所述对中仿真系统(300)，用于仿真控制探轮(4)与钢轨(5)线路对中；
所述监视仿真系统(400)，用于仿真探轮(4)运行状态监视画面；
所述检测仿真系统(500)，用于仿真检测系统超声波钢轨探伤检测；
所述分析系统(600)，用于接收检测仿真系统(500)检测数据，分析识别伤损，形成B型图文件。
2.根据权利要求1所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述行车仿真系统(100)包括行车仿真系统主机(110)、司控指令(120)、地图显示器(130)及线路显示器(140)；所述行车仿真系统主机(110)装有行车仿真软件模块，包括线路地图模块(10)、外部指令实时采集模块(11)、以太网通信模块(12)、动画输出模块(13)及线路动画文件(14)；所述地图显示器(130)采用触控显示器，所述线路地图模块(10)设定行车计划路径，得到线路名M，司机操控台(1)操控手柄提供司控指令(120)，包括调速手柄设定机车速度、换向手柄设定运行方向；所述线路地图仿真模块(10)通过外部指令采集模块(11)读取司控指令(120)，得到机车速度V，并根据线路名M及机车速度V得到里程脉冲坐标X；在达到机车设定速度前，采用加速度A限制，加速时间
里程脉冲坐标
达到设定速度V后机车采用恒速运行；机车运行时，所述线路地图模块(10)通过地图显示器(130)显示运行路径，为动画输出模块(14)提供包括线路名M、机车速度V及里程脉冲坐标X在内的司控信息S；司控信息S通过以太网通信模块(12)与交换机(700)通信，发送至对中仿真系统(300)、监视仿真系统(400)及检测仿真系统(500)；所述动画输出模块(13)读取相应线路名M的线路动画文件(14)，按机车速度输出动画至线路显示器(140)。
3.根据权利要求1所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述电控仿真系统(200)包括电控仿真系统主机(210)及触控显示器(220)；所述电控仿真系统主机(210)装有电控仿真软件模块，包括触控指令采集模块(20)、触控指令解析模块(21)、触控按钮显示模块(22)及以太网通信模块(23)；通过触控显示器(220)输入电控指令，经触控指令采集模块(20)、触控指令解析模块(21)后，所述触控按钮显示模块(22)输出显示按钮状态至触控显示器(220)，并通过以太网通信模块(23)，经交换机(700)发送电控指令至监视仿真系统(400)；所述电控仿真系统(200)模拟水路及气路控制，输出电控信息K，所述电控信息K包括探轮提升K1、探轮下降K2、耦合水开关K3及探轮下压量H；所述探轮下压量H采用恒气压力P控制，使探轮(4)与钢轨(5)表面成面接触状态，探轮下压量函数曲线H＝f(P)由现场试验获得，耦合水开关K3控制在探轮(4)与钢轨(5)表面结合处喷洒耦合水，以利于超声波在探轮(4)与钢轨(5)间的传播。
4.根据权利要求1、2或3所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述对中仿真系统(300)包括对中仿真系统主机(310)、手动调节给定(320)及对中显示器(330)；所述对中仿真系统主机(310)装有对中仿真软件模块，包括对中仿真模块(30)、路况设置文件(37)及以太网通信模块(38)；所述对中仿真模块(30)通过以太网通信模块(38)接收司控信息S，读取存贮在对中仿真系统主机(310)中对应线路名M的曲线数据，计算曲线正矢值L，得到线路偏差给定(36)值PL，同时检测手动调节给定(320)值PM；所述对中仿真模块(30)根据自动对中控制系统数学模型仿真计算，输出对中偏差值ES，通过以太网通信模块(38)，经交换机(700)发送至检测仿真系统(500)及监视仿真系统(400)；所述对中仿真模块(30)同时通过读取路况设置文件(37)，模拟大雪覆盖线路，对中传感器(35)不正常时的运行状态，所述对中仿真模块(30)通过读取对应线路名M及里程脉冲坐标X的路况设置文件(37)，输出检测钢轨(5)廓形至对中显示器(330)。
5.根据权利要求4所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述对中仿真模块(30)的对象模型参数包括：PID控制单元(31)PID参数、对中控制单元(32)放大系数K、电缸(33)一阶惯性延时时间T、手动调节给定(320)值PM、线路偏差给定(36)值PL及仿真输出对中偏差值ES；在路况设置文件(37)中对应里程脉冲坐标X位置，对中传感器(35)不能正常工作，自动对中方式下对中偏差值ES按照开环控制模式计算。
6.根据权利要求5所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述对中仿真模块(30)在自动对中方式下，采用闭环PID控制，给定为线路偏差给定(36)值PL及手动调节给定(320)值PM，即PL+PM，反馈为探轮调节位置UL；所述对中仿真模块(30)根据司控信息S，得到对应线路名M的曲线弯道半径R，线路偏差给定(36)值PL根据以下公式计算：PL＝L≈W2/8R，其中R为线路曲线半径，W为弦长、L为正矢值；在手动对中方式下，所述对中仿真计算模块(30)采用开环控制，调节探轮(4)位置UL跟随手动调节给定(320)值PM：UL＝PM，对中偏差值ES＝PL-PM。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述监视仿真系统(400)包括监视仿真系统主机(410)及监视显示器(420)；所述监视仿真系统主机(410)装有监视仿真软件模块，包括以太网通信模块(40)、监视画面更新模块(41)、操作记录评价模块(42)及监视画面输出模块(43)；所述监视仿真系统(400)通过以太网通信模块(40)读取司控信息S、电控信息K及对中偏差值ES，根据对中偏差值ES得到探轮(4)与钢轨(5)中心水平偏差值，根据来自电控仿真系统(200)的电控信息K，得到探轮提升K1、探轮下降K2、耦合水开关K3及探轮下压量H；所述监视画面更新模块(41)生成探轮(4)相对钢轨(5)位移动画，通过监视画面输出模块(43)输出至监视显示器(420)；所述操作记录评价模块(42)以里程脉冲坐标X记录司控信息S、电控信息K及对中偏差值ES。
8.根据权利要求7所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述监视仿真系统(400)在探伤任务结束后，根据司控信息S、电控信息K及对中偏差值ES记录，对操作人员操作流程及调节量偏差进行自动评估。
9.根据权利要求1、2、3、5、6或8所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述检测仿真系统(500)包括检测仿真系统主机(510)、A型显示器(520)及轨伤显示器(530)；所述检测仿真系统主机(510)装有检测仿真软件模块，包括检测系统仿真模块(50)、以大网通信模块(51)、钢轨伤损设置图(52)及超声回波采样数据模块(53)；所述检测系统仿真模块(50)通过以太网通信模块(51)接收司控信息S、电控信息K以及对中偏差值ES，所述检测系统仿真模块(50)读取对应线路名M及里程脉冲坐标X的钢轨伤损设置图(52)，输出显示至轨伤显示器(530)；所述检测系统仿真模块(50)根据空间转换参数生成对应超声波压电晶片角度及延时时间的超声波回波仿真数据，根据对中偏差值ES及耦合水开关K3状态进行调整，作为伤损检测数据D，通过交换机(700)通信发送至分析系统(600)，选取伤损检测数据D中各探轮(4)的0度晶片超声回波仿真数据，通过超声回波采样数据模块(53)模拟回波波形，输出至A型显示器(520)，监视钢轨(5)底波。
10.根据权利要求9所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述检测系统仿真模块(50)根据探轮下压量H计算超声波在探轮(4)中的传播时间，钢轨探伤车运行前，通过A型显示器(520)观测0度晶片超声波发射始脉冲与钢轨表面回波的延时值TD，调整探轮下压量H到规定值，打开耦合水开关K3，当耦合水开关K3未打开时，所述A型显示器(520)无钢轨底波显示。
11.根据权利要求9所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述检测系统仿真模块(50)通过空间转换参数、伤损在钢轨中位置及超声波传播路径计算得到伤损检测数据D；所述空间转换参数XNJ由下式求得：根据机车的里程脉冲坐标X，探轮N对机车的相对坐标XN，超声波压电晶片J对探轮N的相对坐标XJ，得到超声波压电晶片J的位置XNJ＝X+XN+XJ。
12.根据权利要求9所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于，所述检测系统仿真模块(50)根据对中偏差值ES调整超声波回波仿真数据，作为伤损检测数据D：
当对中偏差值ES≥(压电晶片宽度+轨腰宽度)/2时，所述伤损检测数据D无0度回波仿真数据；
当对中偏差值ES≥(压电晶片宽度+轨面宽度)/2时，所述伤损检测数据D无超声波回波仿真数据；
当(压电晶片宽度+轨腰宽度)/2≤对中偏差值ES≤(压电晶片宽度+轨面宽度)/2时，所述伤损检测数据D中有70度超声回波，延时值按钢轨下颚处反射计算。
13.根据权利要求1、2、3、5、6、8、10、11或12所述的钢轨探伤车仿真操作系统，其特征在于：所述分析系统(600)包括分析系统主机(610)、B型显示器(620)及键盘指令(630)；所述分析系统主机(610)装有实际运用的分析系统软件模块，包括以太网通信模块(61)、分析存贮B型图文件(62)及回放模块(60)；所述分析系统(600)通过以太网通信模块(61)接收检测仿真系统(500)发送的伤损检测数据D，分析存贮B型图文件(62)，输入键盘指令(630)，所述回放模块(60)对分析存贮B型图文件(62)进行回放，将回放数据输出至B型显示器(620)。
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