CN202491817U - 铁路轨道实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁路轨道实时监测系统，属于铁路轨道安全领域。该系统包括压电式传感器、采集盒、无线传感器和振动器，压电式传感器、振动器均设置在铁路轨道上且连接采集盒且无线传感器设置在高压动力线上。采集盒向振动器发送加密信号，振动器带动铁路轨道产生振动，压电式传感器采集铁路轨道上的振动音频信号并发送给采集盒处理；采集盒通过无线传感器以无线或者有线传输方式传输该振动音频信号。本实用新型以振动音频信号作为分析列车前方故障的数据基础，消除了铁路轨道的监测盲区，实现了故障分析基础数据的完整采集，并且通过该数据处理方法可以准确地预测列车前方故障，大大提高了监测系统的智能化、网络化。

Description

铁路轨道实时监测系统

技术领域

本实用新型涉及铁路轨道安全监测系统，尤其是一种基于振动音频信号的铁路轨道实时监测系统。

背景技术

铁路运输作为现代社会不可或缺的交通运输方式，在我国承担了50%左右的交通运输能力，截止到2006年底中国铁路总里程为76600公里，根据最新铁路规划，中国将在2020年使铁路的总里程达到12万公里以上，并且实现95%以上的复线。铁路运输发展正朝复线化和高速化发展。

铁路的发展将会给国家带来巨大的经济收益，给人民带来极大的便利，并可以带动相关产业的飞速发展。但是，铁路的高速发展也带来很多问题，尤其是运输安全问题最为突出。近两年发生在铁路上的重大交通事故频现，为了尽可能降低事故发生率，保障铁路运输安全，一方面需要提高铁路部门的安全意识，另一方面需要保证铁路工程的建设质量，还有一方面就是要加强铁路轨道的安全监测，能在危险出现时尽早把信息传送到列车、铁路监控中心和铁路调度中心，给处理危险争取到宝贵的时间，防患于未然。

目前国际国内铁路状况安全检测与控制主要有四种方式：

1. 视频监测。此方法受气候条件制约太大，比如大雾天气等；

2. 超声波检测。此方法受地理因素如转弯隧道等因素制约太大；

3. 电信号（指挥灯）指挥。此方法受气候条件（雷击等）和电源系统制约；

4. 人工巡道的安全性检查。此方法灵活性好，但结果因人而异，管理难度很大，人力资源浪费，投入成本较高。而且受地域条件的约束，此外巡逻工人不可能24小时巡检，不可能做到全天候和全路段同时巡检。

上述四种方式不可避免的存在自身的盲区和盲点，存在重大的安全隐患。因此，研发铁轨系统的自动在线式检测报警系统是铁路产业安全发展的必然。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种铁路轨道实时监测系统，以铁路轨道的振动音频信号作为故障分析的基础，消除了铁路轨道的监测盲区，实现了故障分析基础数据的完整采集。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种铁路轨道实时监测系统，其特征在于：包括压电式传感器、采集盒以及无线传感器，其中所述压电式传感器设置在铁路轨道上且连接所述采集盒，所述采集盒连接所述无线传感器，且所述无线传感器设置在高压动力线上；

所述压电式传感器用于采集铁路轨道上的振动音频信号；

所述采集盒用于对所述振动音频信号进行调制处理，并且将调制后的振动音频信号发送给所述无线传感器；

所述无线传感器用于以无线或者有线传输方式传输该经处理后的振动音频信号。

该有线传输方式的传输媒介包括高压动力线、动力线的支撑线、架设专用额外通信线路、架设光纤通信线、利用信号灯现有通信线路中至少一种，并且该无线传输方式包括WIFI、蓝牙、zigbee、射频和GPS卫星、卫星通信中至少一种，其中当以高压动力线为传输媒介传输该振动音频信号时，由高压动力线以电力线载波的形式传输该经处理后的振动音频信号。

该铁路轨道实时监测系统还包括安装在铁路轨道上的振动器，其中所述采集盒用于向所述振动器发送加密信号，所述振动器带动铁路轨道产生振动。

该铁路轨道实时监测系统还包括列车控制室、车站控制室和线路监控室中至少一个，其中所述无线传感器以无线或者有线传输方式将经处理后的振动音频信号传输给所述列车控制室、车站控制室和线路监控室中至少一个。

所述列车控制室采用无线传输方式接收振动音频信号时采集列车前方5~10个无线传感器的振动音频信号。

所述压电式传感器（1）安装在铁路轨道（2）上导轨槽（4）的中间位置。

所述无线传感器由供电单元、处理单元、无线通信单元、磁环和磁环卡组成，其中所述供电单元用于提供电源；

所述磁环用于从所述采集盒接收经处理的振动音频信号并通过排线发送给处理单元；

所述处理单元用于对该振动音频信号进行处理；

所述处理单元还分别连接无线通信单元、有线传输线路，用于分别以无线或者有线方式传输该振动音频信号。

所述列车控制室、车站控制室和线路监控室用于对所述振动音频信号进行二次加密后传输至有线网络，通过所述有线网络传输给上级监控室，并且该上级监控室经过三次加密后传输至专用网络，由所述专用网络传输给监控总站。

所述铁路轨道实时监测系统具有自身运行状态监测功能，当出现故障时可及时做出反应。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、采用压电式传感器采集列车行驶中铁路轨道产生的振动音频信号，该振动音频信号通过采集盒处理后发送给无线传感器，由无线传感器通过有线或者无线方式传输给列车控制室等，以铁路轨道的振动音频信号作为故障分析的基础，消除了铁路轨道的监测盲区，实现了故障分析数据的完整采集；

2、采用高压电力线作为振动音频信号的有线传输媒介，振动音频信号不仅可以进行远距离传输，而且在传输过程中不必考虑高山和隧道对无线信号的阻挡；

3、增设振动器，针对列车不经常通过的铁路轨道也可以实现监测；

4、列车控制室采用无线传输方式接收振动音频信号，不仅可以准确地判断列车的位置，而且可以判断列车的运行方向；此外列车控制器仅采集列车前方5~10个无线传感器的振动音频信号，不仅传输过程简单，而且采集到的振动音频信号足以准确判断出列车前方铁路轨道是否存在路障，以使列车具有充足的时间做出反应；

5、 压电式传感器设置在导轨槽的中间位置，进一步提高了振动音频信号采集的准确性；

6、无线传感器采用磁环替代天线来采集数据，使得采集到的数据量较大且精度较高；并且在磁环的下侧增加了磁环卡，使得磁环以卡接的方式固定在高压线上，即实现了将无线传感器安装在高压线上；

7、列车控制室、车站控制室和线路监控室用于对所述振动音频信号进行二次加密后传输至有线网络，通过该有线网络传输给上级监控室，并且该上级监控室经过三次加密后传输至专用网络，由专用网络传输给监控总站，由此实现了铁路从铁轨轨道到铁道部监测的立体监测网络，并且建立了铁路轨道的专家数据库，从而实现列车对相关数据的自动判断，增强了列车的自动化智能化性能。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型中铁路轨道实时监测系统的电路原理图；

图2是本实用新型的第一实施例中压电式传感器的安装示意图；

图3是本实用新型的第一实施例中采集盒的电路原理图；

图4是本实用新型的第一实施例中无线传感器的电路原理图；

图5是本实用新型的第一实施例中无线传感器的安装示意图；

图6是本实用新型中数据处理方法的流程图。

图中标记：A为上级监控室，B为监控总站，1为压电式传感器，2为铁路轨道，3为枕木，4为导轨槽，5为磁环，6为磁环卡，7为高压动力线，8为列车电刷。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，该铁路轨道实时监测系统由压电式传感器、采集盒、无线传感器、列车控制室、车站控制室、线路监控室、上级监控室A和监控总站B组成，其中压电式传感器设置在铁路轨道上且连接该采集盒，采集盒连接无线传感器且该无线传感器设置在高压动力线上。压电式传感器采集铁路轨道上的振动音频信号并将该振动音频信号发送给采集盒处理，采集盒将经处理的振动音频信号发送给无线传感器，无线传感器用于以无线或者有线传输方式将该经处理后的振动音频信号传输给列车控制室、车站控制室和线路监控室。在采集上述振动音频信号时仅针对列车行驶过程中撞击铁路轨道时的振动，即只有在列车通过该铁路轨道时才能实现监测，针对列车不经常通过的铁路轨道则无法实现监测。为了解决上述问题，本实用新型增加了振动器，该振动器设置在铁路轨道上并通过导线与采集盒连接，采集盒向该振动器发送加密信号（即振荡信号），振动器带动铁路轨道产生微弱的振动。

此外，该有线传输方式的传输媒介包括高压动力线、动力线的支撑线、架设专用额外通信线路、架设光纤通信线、利用信号灯现有通信线路中至少一种，并且该无线传输方式包括WIFI、蓝牙、zigbee、射频和GPS卫星、诸如伽利略卫星系统及中国北斗卫星等卫星通信中至少一种。在本实用新型的第一实施例中，以射频传输作为无线传输方式，高压动力线作为有线传输媒介为例。

如图2所示，铁路轨道2设置在枕木3上，该压电式传感器1安装在铁路轨道2侧面的导轨槽4的中间位置，压电式传感器1的两引线连接掩埋于铁路轨道边上的采集器，将该压电式传感器设置在导轨槽的中间位置，进一步提高了振动音频信号采集的准确性。此外，本实用新型中采用贴片式的压电式传感器，体积小，便于安装在铁路轨道的侧面。

如图3所示，该采集盒由供电单元、控制单元和无线传输模块组成，供电单元用于分别向控制单元和无线传输模块提供电源，控制单元用于接收该振动音频信号并对该振动音频信号进行模数转换、放大和调制处理，经处理后的振动音频信号由无线传输模块发送给无线传感器。此外，采集盒中控制单元还向振动器提供响应信号，使得振动器带动铁路轨道产生微弱的振动。

如图4所示，该无线传感器由供电单元、处理单元、数据采集单元和无线通信单元组成，其中该供电单元用于向处理单元和无线通信单元提供电源，数据采集单元用于从采集盒接收振动音频信号并将该振动音频信号发送给处理单元，该处理单元用于对该振动音频信号进行解调、解密处理，该经解调、解密处理后的振动音频信号可以由该无线通信单元直接发送给列车控制室或者车站控制室；也可以发送给高压动力线后，由高压动力线以电力线载波的形式将振动音频信号发送给列车控制室、车站控制室和线路监控室中的至少一个。

由于传统的无线传感器中数据采集单元大多采用天线的形式且不具备将无线传感器安装在高压线上的结构，因此在本实施例中采用磁环来替代天线来采集数据，且在磁环的下侧设置一个磁环卡，如图5所示，列车电刷8位于高压动力线7的下方，该磁环5以磁环卡6的方式卡装在高压动力线7的上方，磁环5通过排线连接处理单元，该处理单元通过导线分别连接高压动力线7、无线通信单元。本实施例中的无线传感器通常可以接收20个采集盒的振动音频信号。由于采用磁环替代了传统无线传感器中的天线，无线传感器采集到的数据量更大且数据精度更高，并且经处理后的数据不仅可以采用无线传输的方式传输，还可以采用电力线载波的方式传输。

列车控制室可以采用两种方式获取振动音频信号：第一种是无线传感器直接将振动音频信号发送给列车控制室。由于无线传感器的传输距离有限，列车控制室若要获取所有无线传感器的振动音频信号，则必须依赖于相邻无线传感器之间的通信，但是振动音频信号在无线传感器之间的传输过程比较复杂且数据处理量大。本实用新型设计在采用此种方式获取振动音频信号时列车控制室可以接收列车前方3～10个无线传感器的振动音频信号，根据无线传感器通信距离的不同，无线传感器可以直接将振动音频信号传输给列车控制室，也可以通过无线传感器之间的相互传送将振动音频信号传输给列车控制室。此外，列车在刹车时存在一个制动距离，该制动距离与列车的质量、速度和制动装置等因素有关，而一般情况下行驶速度为120km/h以下的列车要求制动距离为800m，行驶速度为160km/h的列车要求制动距离为1400m，行驶速度为200km/h的列车要求制动距离为2000m，行驶速度为350km/h的列车至少要求制动距离为6000m；并且通常无线传感器的有效传输距离为几公里，考虑到具有隧道和高山阻挡的山区铁路轨道，无线传感器的有效传输距离将会缩短，为了准确判断出列车前方铁路轨道是否存在路障，以使列车具有充足的时间做出反应，优选地，列车控制室采集列车前方至少5个无线传感器的振动音频信号。由于列车在行进过程中列车控制室接收到的无线传感器是不断变化的，因此列车控制室不仅可以准确地判断列车的位置，而且可以判断列车的运行方向。

第二种是无线传感器将振动音频信号发送给高压动力线，由该高压动力线以电力线载波的形式将振动音频信号传输给列车控制室。由此，无线传感器之间不必进行复杂的传输以及大量的数据处理，列车控制室即可很简单地获取铁路轨道上所有无线传感器的振动音频信号。

车站控制室和线路监控室在获取振动音频信号时，无线传感器将振动音频信号发送给高压动力线，由该高压动力线以电力线载波的形式将振动音频信号传输给车站控制室和线路监控室，从而对铁路轨道上所有无线传感器的振动音频信号进行监测。采用高压电力线传输的方式，振动音频信号不仅可以进行远距离传输，而且在传输过程中不必考虑高山和隧道对无线信号的阻挡。

列车控制室如果采用上述第一种方式获取振动音频信号，则车站控制室和线路监控室还可以从列车控制室获得对应无线传感器的振动音频信号，从而对列车的位置和运行方向进行监测。应注意的是：列车控制室、车站控制室和线路监控室分别设置有对应的接收盒，且该接收盒中设置有无线传输模块，以便接收振动音频信号。

如图1所示，列车控制室、车站控制室和线路监控室在接收到振动音频信号后，可以对振动音频信号进行二次加密，再传输至有线网络，上级监控室A从有线网络中获得各无线传感器的振动音频信号。该上级监控室A包括大型车站、铁路局和省级铁路监控中心中至少一种。此外，该上级监控室还可以对振动音频信号进行三次加密，再传输至专用网络，监控总站B（即铁道部调度中心或/和铁道部监控中心）从专用网络中获得振动音频信号。由此，实现了铁路轨道的实时安全监控、调度和统计，并且有利于建立铁路轨道的专家数据库，从而实现火车对相关信息的自动判断，增强火车的自动化智能化的性能。此外，该铁路轨道实时监测系统还具有自身运行状态监测功能，诸如在采集盒、无线传感器等出现供电不足时可以及时做出反映。

综上所述，实现了铁路轨道上振动音频信号的采集。然而，由于复线铁路轨道可能存在相邻铁路轨道的干扰，诸如相邻铁路轨道之间的串扰，相邻铁路轨道列车运行干扰等；此外，铁路轨道上还可能存在其他干扰：诸如巡查人员等在铁路轨道上的走动干扰、暴雨冰雹等自然现象对铁路轨道的冲击干扰以及雷电对传输路径的干扰等。因此，仅仅依靠上述采集到的振动音频信号不足以准确地分析铁路轨道上的路障。在列车控制室、车站控制室和线路监控室对接收到的振动音频信号需要进行如下处理，如图6所示：

S1、设定仅对全国铁路轨道上某一段铁路轨道进行处理，判断是否该段铁路轨道上的振动音频信号是否采集完成：如果采集完成则对所有的振动音频信号进行采样滤波、排序；如果未采集完成则继续执行采集步骤。

S2、对排序后的振动音频信号进行数据格式化。

S3、采用自适应方法对经格式化后的振动音频信号进行处理，再分别采用自相关函数和互相关函数进行处理。通过采用自相关函数和互相关函数可以分别对列车前方的静态路障、动态路障进行准确地预测。

S4、针对自相关函数的处理结果判断数据是否存在异常：如果存在异常则表示列车前方可能存在静态故障，将自相关函数的处理结果加密调制后发送给人工神经网络进一步处理。

S5、针对互相关函数的处理结果，再次采用自适应方法进行处理：如果该自适应方法的处理结果显示该铁路轨道与相邻铁路轨道之间存在干扰，则重复执行步骤S2～S5；

如果该自适应方法的处理结果显示该铁路轨道与相邻铁路轨道之间不存在干扰，则进一步根据该自适应方法的处理结果中包括的故障编码判断该铁路轨道的故障类型：如果铁路轨道的故障类型为钢轨设备和自然因素导致的故障则记录处理结果并发送给人工神经网络；如果铁路轨道的故障类型为人为因素导致的故障则记录该处理结果并在调制后发送给人工神经网络。在本实施例中该故障分为三类：钢轨设备、自然因素和人为因素导致的故障，其中钢轨设备导致的故障包括钢轨断裂、钢轨连接松动、道钉松动、螺孔裂纹、轨头伤损、轨腰伤损、焊缝伤损、钢轨老化、轨道变形和其他伤损，分别对应于故障编码：0x80、0xa1、0xa2、0x83、0xc4、0xe5、0xe6、0xc7、0xc0、0xe9；自然因素导致的故障包括山体滑坡、路基塌陷和路基松动，分别对应于故障编码：0xea、0xcb和0x8c；人为因素导致的故障包括铁路轨道上有障碍物，对应于故障编码：0xad。

S6、人工神经网络根据接收到的处理结果，计算获得最优方案；

S7、采用模糊控制算法处理该最优方案，输出控制量，并在显示屏上显示该控制量：如果从近至远无线传感器所对应的控制量曲线是平滑的衰减曲线，则表示该段铁路轨道上不存在路障；如果从近至远无线传感器所对应控制量曲线出现突变，则表示该段铁路轨道上存在路障，其中每一控制量均对应于一个步骤S5中所述的故障编码。

S8、在从近至远无线传感器所对应控制量曲线出现突变时，进一步查看突变处控制量对应的故障编码，根据该故障编码来确定路障类型。在步骤S5中已详细描述了故障编码与故障类型的对应关系，在本步骤不予累述。

应注意的是：上述自适应方法、自相关函数、互相关函数、人工神经网络和模糊控制算法均为成熟的技术，其具体的处理和计算过程在本实用新型中不予累述。

通过采用人工神经网络解决了钢轨长时间磨损、因地理因素不同铁路钢轨信息有所不同的问题，并且模糊控制算法提供模糊匹配，增加了智能性，由模糊控制规则表来判断铁路轨道的状态，使列车有足够的时间在前方铁轨出现状况时采取紧急措施。

综上所述，通过本实用新型实现铁路轨道在线实时监测，实现对轨道的道钉松动、轨道钢轨裂纹、轨道土石障碍、轨道断线、自然灾害造成无法行车等故障监测。本系统利用无线传感网络采集数据，利用向列车供电动力线加载微弱的调制加密信号，实现向列车驾驶室、站点监控室、站点调度室、铁路线控制室等传输数据，数据再通过铁路线控制室的有线网络和无线网络向铁路局监测中心控制室与铁道部控制室发送数据，实现了铁路从铁轨轨道到铁道部监测的立体监测网络；并且只需非常少的人工辅助监测，即可完成复杂庞大的铁轨监测，大大提高了监测系统的智能化、网络化，大幅度降低了铁路巡道工的工作强度。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种铁路轨道实时监测系统，其特征在于：包括压电式传感器、采集盒以及无线传感器，其中所述压电式传感器设置在铁路轨道上且连接所述采集盒，所述采集盒连接所述无线传感器，且所述无线传感器设置在高压动力线上；

所述压电式传感器用于采集铁路轨道上的振动音频信号；

所述采集盒用于对所述振动音频信号进行调制处理，并且将调制后的振动音频信号发送给所述无线传感器； 

所述无线传感器用于以无线或者有线传输方式传输该经处理后的振动音频信号。

2.根据权利要求1所述的铁路轨道实时监测系统，其特征在于：该有线传输方式的传输媒介包括高压动力线、动力线的支撑线、架设专用额外通信线路、架设光纤通信线、利用信号灯现有通信线路中至少一种，并且该无线传输方式包括WIFI、蓝牙、zigbee、射频和GPS卫星、卫星通信中至少一种，其中当以高压动力线为传输媒介传输该振动音频信号时，由高压动力线以电力线载波的形式传输该经处理后的振动音频信号。

3.根据权利要求1所述的铁路轨道实时监测系统，其特征在于：还包括安装在铁路轨道上的振动器，其中所述采集盒用于向所述振动器发送加密信号，所述振动器带动铁路轨道产生振动。

4.根据权利要求1所述的铁路轨道实时监测系统，其特征在于：还包括列车控制室、车站控制室和线路监控室中至少一个，其中所述无线传感器以无线或者有线传输方式将经处理后的振动音频信号传输给所述列车控制室、车站控制室和线路监控室中至少一个。

5.根据权利要求4所述的铁路轨道实时监测系统，其特征在于：所述列车控制室采用无线传输方式接收振动音频信号时采集列车前方5~10个无线传感器的振动音频信号。

6.根据权利要求1所述的铁路轨道实时监测系统，其特征在于：所述压电式传感器（1）安装在铁路轨道（2）上导轨槽（4）的中间位置。

7.根据权利要求2所述的铁路轨道实时监测系统，其特征在于：所述无线传感器由供电单元、处理单元、无线通信单元、磁环和磁环卡组成，其中所述供电单元用于提供电源；

所述磁环用于从所述采集盒接收经处理的振动音频信号并通过排线发送给处理单元；

所述处理单元用于对该振动音频信号进行处理；

所述处理单元还分别连接无线通信单元、有线传输线路，用于分别以无线或者有线方式传输该振动音频信号。

8.根据权利要求3所述的铁路轨道实时监测系统，其特征在于：所述列车控制室、车站控制室和线路监控室用于对所述振动音频信号进行二次加密后传输至有线网络，通过所述有线网络传输给上级监控室，并且该上级监控室经过三次加密后传输至专用网络，由所述专用网络传输给监控总站。

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