CN114348046A - 一种具有断轨监测功能的计轴系统及执行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有断轨监测功能的计轴系统及执行方法，所述计轴系统包括计轴模块和超声模块；所述计轴模块包括设置在钢轨上的信号采集单元和轨旁的信号处理单元和设置在室外的计轴信息调制设备和室内的计轴信息解调设备；所述超声模块包括安装在钢轨上的发射探头、接收探头和设置在轨旁的上位机，所述上位机对发送的超声波信号和接收的超声波信号进行分析；所述超声模块的超声波信号由室外到室内的相互传输采用单通道传输或双通道传输或与计轴信号共缆传输。本发明的计轴系统可同时实时实现断轨检查及铁路占用和空闲检查，在一定程度上可完全替代现有轨道电路功能。

Description

一种具有断轨监测功能的计轴系统及执行方法

技术领域

本发明属于轨道交通领域，特别涉及一种具有断轨监测功能的计轴系统及执行方法。

背景技术

轨道电路是由钢轨线路和钢轨绝缘构成的电路，主要用于检查轨道线路占用空闲状态、列车信息传递及检查断轨。ZPW-2000A型轨道电路是目前高速铁路系统中广泛使用的一种轨道电路，可有效的实现车地信息传递及检查断轨问题，可靠的保障了列车，特别是高速列车的安全运行，但是其自身存在的由于复杂应用环境下的分路不良也是长期困扰该领域技术人员的问题，该故障一旦发生，则不能有效的提供轨道线路占用空闲信息，从而给我国铁路运行带来了安全隐患。为此，该领域技术人员提出各种方法解决现有轨道电路分路不良故障问题，如改善轮轨接触状态等方法来降低轨道电路分路不良故障率，但往往这些方法缺乏普适性，很难从根本上解决问题。

计轴系统是一种利用传感器检查轮对数目来有效监测钢轨占用、空闲的铁路信号系统。与目前普遍应用的轨道电路不同，其受环境约束较小，安全可靠性高，在铁路信号系统领域具有潜在的应用前景。其缺点是不能有效监测断轨、不能检查断轨及列车信息传递，致使其不能在现有铁道线路上广泛使用，因此有必要提出一种新方法克服计轴系统存在的缺点，使之充分发挥在监测钢轨占用、空闲方面的优势，最终形成一套优良的铁路信号系统。

公告号CN109131437B的中国专利公开了一种计轴轨道电路系统，该专利提出了将轨道电路和计轴系统叠加，通过将计轴信号和轨道电路信号在同一轨道电路信号电缆上传输，大大节约成本和降低施工难度，同时两个系统可以同时独立工作，对同一区段内的列车情况进行检查，信号在同一线路上传输而互不干扰，各自输出区段的空闲或占用信息，能够解决道床电阻过低，轨道电路无法正常调整以及各种类型机车或动车组在区间分路不良和监测断轨的问题。但该方法的适用范围过窄，只能设置在同时设置轨道电路和计轴系统的钢轨上，并且轨道电路自身存在的由于复杂应用环境下的分路不良也是长期困扰该领域技术人员的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种具有断轨监测功能的计轴系统，所述计轴系统包括计轴模块和超声模块；

所述计轴模块包括设置在钢轨上的信号采集单元和轨旁的信号处理单元和设置在室外的计轴信息调制设备和室内的计轴信息解调设备；

所述超声模块包括安装在钢轨上的发射探头、接收探头和设置在轨旁的上位机，所述上位机对发送的超声波信号和接收的超声波信号进行分析；

所述超声模块的超声波信号由室外到室内的相互传输采用单通道传输或双通道传输或与计轴信号共缆传输。

所述计轴系统还包括通信电缆和隔离设备；

所述通信电缆用于计轴信号、超声波信号以及电源信号在室内和室外的相互传输；

所述隔离设备用于将所述计轴信号、超声波信号和电源信号耦合到通信电缆上或将所述计轴信号、超声波信号和电源信号从通信电缆上分离。

进一步地，所述信号采集单元用于采集轨道区段内的计轴信号并将所述计轴信号发送给信号处理单元；

所述信号处理单元用于将所述计轴信号进行放大处理；

所述计轴信息调制设备用于将信号处理单元发送的计轴信号进行数字化通信编码；

所述计轴信息解调设备用于将编码后的计轴信号进行解码。

进一步地，所述隔离设备包括室外隔离设备和室内隔离设备；

所述室外隔离设备设置在通信电缆的室外部分，所述室外隔离设备用于将室内供电单元传输的电源信号从通信电缆上分离，还用于将超声波信号耦合到通信电缆上；

所述室内隔离设备设置在通信电缆的室内部分，所述室内隔离设备用于将室内供电单元传输的电源信号耦合到通信电缆上传输；还用于将计轴信号从通信电缆上分离。

进一步地，所述计轴模块还包括PLC通信设备，所述PLC通信设备室内和室外各设置一组或多组；室外PLC通信设备与室外隔离设备和计轴信息调制设备连接，室内PLC通信设备与室内隔离设备和计轴信息解调设备连接；

所述PLC通信设备用于将计轴信息调制设备编码的计轴信号经室外隔离设备、通信电缆和室内隔离设备发送至计轴信息解调设备。

进一步地所述计轴模块还包括供电单元，所述供电单元包括室外供电单元和室内供电单元；所述室外供电单元实行双通道供电；

所述室内供电单元与室内隔离设备连接，用于将交流电源转换为直流电源并将所述直流电源连接到室内隔离设备；

所述室外供电单元与室外隔离设备连接，用于将室外隔离设备分离后的直流电源进行整流后为计轴信息调制设备、室外PLC通信设备和信号单元供电。

进一步地，所述信号采集单元设置一个或多个；

所述信号采集单元为一个时，采用单通道传输或者双通道传输；

所述信号采集单元为多个时，采用单通道传输或者双通道传输。

进一步地，所述超声模块还包括高压发射电路和频率控制单元；

所述频率控制单元用于对上位机发出的的超声波信号进行调整；

所述高压发射电路用于将调整后的超声波信号发送给发射探头。

进一步地，所述超声模块还包括放大及滤波电路、分析单元和判断单元；

所述接收探头用于接收由发射探头发出的经钢轨传输的超声波信号；还用于将接收的超声波信号传输给放大及滤波电路；

所述放大及滤波电路用于对超声波信号进行滤波放大处理并将处理后的超声波信号发送至分析单元；

所述分析单元用于将接收的超声波信号进行信号特征分析并将分析结果发送至判断单元；

所述判断单元用于根据所述分析结果判断钢轨是否出轨。

进一步地，所述上位机对发射探头和接收探头传递的超声波信号进行分析包括：

所述上位机将发送的超声波信号和接收的超声波信号进行频谱分布和幅值的对比，通过所述频谱分布和幅值的对比结果来确定接收端与发送端之间的钢轨是否完整。

本发明还提出了一种具有断轨监测功能的计轴系统的执行方法，所述方法包括：

计轴模块对所监测轨道区段占用或者空闲状况进行判断；

超声模块对所监测轨道区段是否存在断轨进行监测。

本发明的有益效果：

本发明的计轴系统可同时实时实现断轨检查及铁路占用和空闲检查，在一定程度上可完全替代现有轨道电路功能；

本发明提出的计轴系统除了可以安装在原有轨道电路的钢轨上还可以安装在不铺设轨道电路的钢轨上，适用范围更加广泛，也避免了轨道电路自身存在的由于复杂应用环境下的分路不良的问题；

本发明提出的计轴系统可以通过采用双信号采集单元采集信号，并通过双通道进行信号传输，针对计轴模块的供电也可以采用双通道共缆传输，超声模块信号传输也可采用双通道传输，提高了整套系统的安全可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。

图1示出了本发明实施例中在设有轨道电路的钢轨上的计轴系统示意图；

图2示出了本发明实施例中在未设有轨道电路的钢轨上的计轴系统示意图。

具体实施方式

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、完整地说明，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。

既有的轨道电路包括设置在钢轨上的调谐线圈(PT)和空芯电感(SVA)，以及信号传输所用的通信电缆，还包括通信电缆上设置的轨道电压器、轨道电路接收设备和轨道电路继电器。本申请的计轴系统可以建立在原有的轨道电路上，当轨道电路不能正常工作以后，计轴和超声波同时工作，可实时实现断轨检查及铁路占用和空闲检查，在一定程度上可完全替代现有轨道电路功能。轨道电路和计轴模块包括轨道电路继电器和计轴继电器，轨道电路继电器和轨道电路接收设备连接，计轴继电器和计轴主机连接。在轨道电路正常工作状况下，轨道电路继电器和计轴继电器串接，若轨道电路接收设备和计轴主机接收的信号均为轨道占用或空闲，则轨道电路继电器和计轴继电器动作显示占用或空闲状态；若轨道电路接收设备和计轴主机接收的信息不一致，则轨道电路继电器和计轴继电器动作显示为占用状态。

本发明实施例以所述计轴系统建立在已经铺设有轨道电路的钢轨进行说明，所述计轴系统与原有的轨道电路的通信电缆进行共缆传输。所述计轴系统包括计轴模块、超声模块和轨道电路，轨道电路的通信电缆上设置有隔离设备，此时的轨道电路不发挥作用，只为计轴系统的信号传输提供通信电缆。所述计轴模块和超声模块可通过轨道电路的通信电缆实行共缆传输；隔离设备安装在轨道电路的通信电缆上，包括室外隔离设备和室内隔离设备。所述计轴模块用于对所监测轨道区段的占用情况进行监测，所述超声模块对所监测轨道区段内是否存在断轨情况进行监测。

所述计轴模块包括信号采集单元、信号处理单元、计轴信息调制设备、PLC通信设备、计轴信息解调设备、供电单元和计轴主机。本发明实施例中信号采集单元以传感器为例、信号处理单元以信号处理板为例对所述计轴模块的构成和运行方式进行说明。信号采集单元也可采用其他设备采集计轴信号，并不仅限于所提到的传感器，信号处理单元也不仅限于信号处理板。

如图1所示，传感器设置在钢轨上，具体可设置在绝缘节附近，可在当根钢轨上安装一个，也可在双钢轨上各安装一个，当列车的车轮经过传感器时产生信号，将此信号命名为计轴信号，传感器将计轴信号进行采集并发送给信号处理板。信号处理板设置在轨道旁与传感器信号连接，信号处理板对接收的计轴信号作出处理后(例如信号放大处理)发送给计轴信息调制设备，计轴信息条调制设备安装在室外的轨道旁。计轴信息调制设备将接收的计轴信号进行数字化通信编码并通过室外的PLC通信设备将编码后的计轴信号发送到室外隔离设备上。室外的PLC通信设备连接计轴信息调制设备和室外隔离设备，室外隔离设备将编码后的计轴信号耦合到轨道电路的通信电缆上并通过轨道电路的通信电缆向室内传输。室内隔离设备将编码后的计轴信号从轨道电路的通信电缆上分离，并将分离后的计轴信号通过室内的PLC通信设备发送给计轴信息解调设备，计轴信息解调设备对编码后的计轴信号进行解码还原，并将解码后的计轴信号发送给计轴主机，计轴主机对还原后的计轴信号进行分析，并将分析结果发送出去驱动计轴继电器进行动作。

对于传感器、信号处理板和计轴信息调制设备之间的传输通道可以采用单通道或者双通道进行信号传输；传感器可以设置一个或者多个，信号处理板和计轴信息调制设备的个数可以与传感器的个数同等设置也可以不同等设置，只要能满足信号的可靠传输和处理即可，优选地可采用双通道传输。

室内的供电单元为室内的PLC通信设备、计轴信息解调设备和计轴主机进行供电。室内的供电单元将220V交流电源转化为直流电源，并通过室内隔离设备将转化后的直流电源耦合到轨道电路的通信电缆上进行传输。室外的供电单元与室外隔离设备连接，室外隔离设备将转化后的直流从通信电缆上分离开并整流后，给计轴信息调制设备、室外PLC通信设备等进行供电。室内供电单元和室外供电单元均可以采用双通信通道供电，即双路供电，实行冗余设计。室内供电单元和室外供电单元也也可以实行单独传输，不与计轴信号同用轨道电路的通信电缆进行传输，优选地将供电单元的电信号传输通道和通信电缆实行共缆传输，可以减少施工成本。

本发明实施例中超声模块包括发射探头、高压发射电路、频率控制单元(即图中的ARM控制发射频率)、分析单元(即图中的FPGA)、放大及滤波电路、判断单元(即图中ARM)、接收探头和上位机。

超声模块分为发送端和接收端，所述发送端包括发射探头、高压发射电路和频率控制单元。发射探头和接收探头均安装在钢轨上，发射探头安装在发送端，接收探头安装在接收端，在钢轨内外侧均设置。发射探头与高压发射电路连接，高压发射电路与频率控制单元连接，频率控制单元与上位机连接。所述接收端包括接收探头、分析单元、放大及滤波电路和判断单元，接收探头与放大及滤波电路连接，放大及滤波电路又与分析单元实现连接，分析单元判断单元连接，判断单元与上位机连接。上述连接均为信号连接，且信号传输为双向传输。

具体地，上位机通过发射器向频率控制单元发送超声波信号，频率控制单元对超声波信号进行频率调整，具体可采用ARM(控制器)并根据测试距离来调整超声频率。频率控制单元将调整好的超声波信号经过高压发射电路发送给发射探头，发射探头接收到调整后的超声波信号，同时通过两根钢轨向接收端传输超声波信号。接收端的接收探头对超声波信号进行接收，并将超声波信号发送至放大及滤波电路进行滤波放大等处理，处理后的超声波信号后传输至分析单元。分析单元可通过FPGA对接收的超声波信号进行信号特征分析，包括滤波和频谱分析；并将分析结果发送至判断单元，判断单元可通过ARM对钢轨是否出轨进行判断，并将判断结果发送至上位机，上位机将从接收探头接收的超声波信号和从发射探头接收的的超声波信号进行频谱分布和幅值的对比，通过频谱分布和幅值的对比结果来确定接收端与发送端之间的钢轨是否完整。如果从接收探头接收的超声波信号和从发射探头接收的的超声波信号频谱分布和幅值都相同，则表明该超声区段无断轨；若从接收探头接收的超声波信号和从发射探头接收的的超声波信号频谱分布和幅值不同，则表明该超声区段有断轨。超声波信号由钢轨到室内相互传输可采用单独通道传输，或双通道传输，也可采用与计轴信号共缆传输，优选为与计轴信号共缆传输。

在本发明的另一实施例中，所述计轴系统也可以不建立在既有的轨道电路上，即只包括计轴模块和超声模块，重新架设通信电缆以供计轴模块和超声模块的信号传输。

如图2所示，本实施例中计轴模块和超声模块的设置与上一实施例相同，只是此时没有轨道电路。传感器采集计轴信号后将计轴信号发送给信号处理板，信号处理板对计轴信号进行处理后计轴信息调制设备，计轴信息调制设备对计轴信号进行数字化通信编码并通过室外的PLC通信设备将编码后的计轴信号发送到室外隔离设备上。室外隔离设备将编码后的计轴信号耦合到通信电缆上并向室内传输。室内隔离设备将编码后的计轴信号从通信电缆上分离后通过室内的PLC通信设备发送给计轴信息解调设备，计轴信息解调设备对编码后的计轴信号进行解码还原，并将解码后的计轴信号发送给计轴主机，计轴主机对还原后的计轴信号进行分析，并将分析结果发送出去驱动计轴继电器进行动作。

上位机通过发射器向频率控制单元发送超声波信号，频率控制单元对超声波信号进行频率调整，并将调整好的超声波信号经过高压发射电路发送给发射探头，发射探头接收到调整后的超声波信号，同时通过两根钢轨向接收端传输超声波信号。接收端的接收探头对超声波信号进行接收后发送至放大及滤波电路进行滤波放大等处理，处理后的超声波信号后传输至分析单元。分析单元可通过FPGA对接收的超声波信号进行信号特征分析，包括滤波和频谱分析；并将分析结果发送至判断单元，判断单元可通过ARM对钢轨是否出轨进行判断，并将判断结果发送至上位机，上位机将从接收探头接收的超声波信号和从发射探头接收的的超声波信号进行频谱分布和幅值的对比，通过频谱分布和幅值的对比结果来确定接收端与发送端之间的钢轨是否完整。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，所述计轴系统包括计轴模块和超声模块；

所述计轴模块包括设置在钢轨上的信号采集单元和轨旁的信号处理单元和设置在室外的计轴信息调制设备和室内的计轴信息解调设备；

所述超声模块包括安装在钢轨上的发射探头、接收探头和设置在轨旁的上位机，所述上位机对发送的超声波信号和接收的超声波信号进行分析；

所述超声模块的超声波信号由室外到室内的相互传输采用单通道传输或双通道传输或与计轴信号共缆传输。

2.根据权利要求1所述的一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，

所述计轴系统还包括通信电缆和隔离设备；

所述通信电缆用于计轴信号、超声波信号以及电源信号在室内和室外的相互传输；

所述隔离设备用于将所述计轴信号、超声波信号和电源信号耦合到通信电缆上或将所述计轴信号、超声波信号和电源信号从通信电缆上分离。

3.根据权利要求1所述的一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，

所述信号采集单元用于采集轨道区段内的计轴信号并将所述计轴信号发送给信号处理单元；

所述信号处理单元用于将所述计轴信号进行放大处理；

所述计轴信息调制设备用于将信号处理单元发送的计轴信号进行数字化通信编码；

所述计轴信息解调设备用于将编码后的计轴信号进行解码。

4.根据权利要求2所述的一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，

所述隔离设备包括室外隔离设备和室内隔离设备；

所述室外隔离设备设置在通信电缆的室外部分，所述室外隔离设备用于将室内供电单元传输的电源信号从通信电缆上分离，还用于将超声波信号耦合到通信电缆上；

所述室内隔离设备设置在通信电缆的室内部分，所述室内隔离设备用于将室内供电单元传输的电源信号耦合到通信电缆上传输；还用于将计轴信号从通信电缆上分离。

5.根据权利要求1或3所述的一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，

所述计轴模块还包括PLC通信设备，所述PLC通信设备室内和室外各设置一组或多组；室外PLC通信设备与室外隔离设备和计轴信息调制设备连接，室内PLC通信设备与室内隔离设备和计轴信息解调设备连接；

所述PLC通信设备用于将计轴信息调制设备编码的计轴信号经室外隔离设备、通信电缆和室内隔离设备发送至计轴信息解调设备。

6.根据权利要求1所述的一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，

所述计轴模块还包括供电单元，所述供电单元包括室外供电单元和室内供电单元；所述室外供电单元实行双通道供电；

所述室内供电单元与室内隔离设备连接，用于将交流电源转换为直流电源并将所述直流电源连接到室内隔离设备；

所述室外供电单元与室外隔离设备连接，用于将室外隔离设备分离后的直流电源进行整流后为计轴信息调制设备、室外PLC通信设备和信号单元供电。

7.根据权利要求1所述的一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，

所述信号采集单元设置一个或多个；

所述信号采集单元为一个时，采用单通道传输或者双通道传输；

所述信号采集单元为多个时，采用单通道传输或者双通道传输。

8.根据权利要求1所述的一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，

所述超声模块还包括高压发射电路和频率控制单元；

所述频率控制单元用于对上位机发出的的超声波信号进行调整；

所述高压发射电路用于将调整后的超声波信号发送给发射探头。

9.根据权利要求7所述的一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，

所述超声模块还包括放大及滤波电路、分析单元和判断单元；

所述接收探头用于接收由发射探头发出的经钢轨传输的超声波信号；还用于将接收的超声波信号传输给放大及滤波电路；

所述放大及滤波电路用于对超声波信号进行滤波放大处理并将处理后的超声波信号发送至分析单元；

所述分析单元用于将接收的超声波信号进行信号特征分析并将分析结果发送至判断单元；

所述判断单元用于根据所述分析结果判断钢轨是否出轨。

10.根据权利要求1或8或9所述的一种具有断轨监测功能的计轴系统，其特征在于，

所述上位机对发射探头和接收探头传递的超声波信号进行分析包括：

所述上位机将发送的超声波信号和接收的超声波信号进行频谱分布和幅值的对比，通过所述频谱分布和幅值的对比结果来确定接收端与发送端之间的钢轨是否完整。

11.一种具有断轨监测功能的计轴系统的执行方法，其特征在于，所述执行方法采用权利要求1-4或6-9任一项所述的计轴系统执行；

所述执行方法包括：

计轴模块对所监测轨道区段占用或者空闲状况进行判断；

超声模块对所监测轨道区段是否存在断轨进行监测。

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