CN209783646U - 一种基于多参量融合传感的钢轨受力状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于多参量融合传感的钢轨受力状态监测系统，属于铁路安全监测技术领域。该钢轨受力状态监测系统包括数据采集节点、网关、接入服务器、数据库和客户端；数据采集节点上集成了应变、温度、湿度、供电模块和加速度传感器，以及传感器的数据采集模块、无线传输模块和嵌入式处理模块；网关包括电源管理模块、ZigBee通信模块、嵌入式数据处理模块和4G网络通信模块；接入服务器和数据库位于具有固定网络地址的电脑上；客户端用于对数据采集节点安装位置处轨道的健康状态进行评估和显示。该钢轨受力状态监测系统可实现对钢轨受力状态的全天候监测，极大提高钢轨受力状态的监测效果，并降低工人的劳动强度。

Description

一种基于多参量融合传感的钢轨受力状态监测系统

技术领域

本实用新型属于铁路安全监测技术领域，具体涉及一种基于多参量融合传感的钢轨受力状态监测系统。

背景技术

铁路是国家重要的基础设施，在中国综合交通运输体系中处于重要地位。钢轨作为铁路轨道结构的重要组成部分，起着列车导向和承载的作用，列车能否安全平稳地运行取决于钢轨的受力状态。此外，钢轨受力状态变化也能够反映轨道结构的变化。对钢轨受力状态进行检测，对于保障列车运行安全具有重要意义。

我国地域辽阔，铁路设施具有地理上跨度大、类型多样等特点。影响钢轨状态的因素也多种多样。例如，高速铁路受环境昼夜温度变化的影响较大，由于无缝线路限制了钢轨的自由伸缩，钢轨中有可能产生较大的温度应力，附加上列车轮轨与钢轨之间的相互作用力后，钢轨局部容易发生胀曲或断裂；在重载铁路中，路基在重载荷长期作用下容易发生沉降，钢轨在重载荷作用下容易磨损，这些状况都会影响铁路的运输能力；再如在某些地区的地铁隧道中，由于地质结构原因，隧道中经常有地下水聚集并作用于轨道路基，造成路基抬升，引起钢轨变形，影响列车运行安全。

目前主要采用人工巡检和轨道检测车定期检测的方式对钢轨受力状态进行检查。人工巡检方式主要靠人工观察，检测指标单一，且不能对观测数据进行量化，获得的数据密度小、准确性较低、实时性差，不利于对钢轨结构、轨道结构状态进行监测。轨道检测车定期巡检方式成本较高且检测周期较长。

实用新型内容

为解决以上问题，本实用新型提出了一种基于多参量融合传感的钢轨受力状态监测系统。多参量融合是指监测系统集成了应变、加速度、温度、湿度等传感器，通过融合传感，解算出钢轨应力、应变、锁定轨温等指标综合评价钢轨受力状态。该监测系统可以实时获取有关钢轨受力状态的现场数据，对钢轨的状态进行实时监测。

本实用新型的技术方案：

一种基于多参量融合传感的钢轨受力状态监测系统，该钢轨受力状态监测系统包括数据采集节点、网关、接入服务器、数据库和客户端；

所述的数据采集节点设置在钢轨上，每个数据采集节点集成了应变、温度、湿度、供电模块和加速度传感器，以及各个传感器的数据采集模块、无线传输模块和嵌入式处理模块；

所述的供电模块实现供电电压的转换，为数据采集模块、嵌入式处理模块和无线传输模块提供稳定、纹波小的直流电压。

所述的应变传感器设置在钢轨轨腰处，用于测量无列车通过时钢轨的纵向应变和垂向应变；温度传感器用于测量钢轨的温度；湿度传感器测量环境的湿度；加速度传感器通过夹具固定在钢轨上，测量列车通过时钢轨振动的垂向加速度；各个传感器均通过导线连接到数据采集模块的电路板上。

所述的数据采集模块的电路板上集成了应变采集电路、温度采集电路、湿度采集电路和加速度采集电路；应变采集电路对应变传感器产生的模拟信号进行放大、滤波及A/D转换后传给嵌入式处理模块；温度采集电路和湿度采集电路分别采集温度传感器与湿度传感器产生的数字量数据，并直接将数字量数据传给嵌入式处理模块；加速度采集电路对加速度传感器产生的信号进行放大、滤波、A/D转换、以及暂存后传给嵌入式处理模块。

所述的无线传输模块包括ZigBee通信模块和接口电路，作用是与网关进行实时通信，将传感器采集到的数据发送给网关并接收网关下发的命令。

所述的嵌入式处理模块用于协调数据采集节点中各个模块的工作，并控制无线传输模块对网关的数据进行收发，以及根据网关下发的控制命令控制数据采集模块按照指定模式进行数据的采集。嵌入式处理模块包括STM32处理器、外部Flash电路、时钟电路和看门狗电路。STM32处理器为单片机芯片，通过接口和数据采集模块的各电路相连，控制各电路的动作。外部Flash电路作为STM32处理器内存的补充，存储传感器数据。时钟电路用于产生时间信息，STM32处理器在控制传感器数据传输的同时，将时间信息加在传感器数据中。看门狗电路来监控STM32处理器的运行状态。当控制器工作出现异常时，看门狗电路产生复位信号，对STM32处理器进行复位，使STM32处理器重新正常工作。

所述的网关用于实现与多个数据采集节点同时进行通信，负责将数据采集节点传输过来的数据通过4G网络发送给接入服务器，以及接收和转发客户端发送过来的控制命令；网关包括电源管理模块、ZigBee通信模块、嵌入式数据处理模块和4G网络通信模块；电源管理模块负责为其他模块供电，同时根据嵌入式数据处理模块的命令，控制电源的接通和断开，从而实现远程控制网关的开关。ZigBee通信模块负责与数据采集节点进行通信，PANID(网络标识符)是网关与多个数据采集节点进行组网通信的依据，当数据采集节点和网关的PANID一致时两者才能组网通信；嵌入式数据处理模块负责控制数据的传输以及协调管理网关中各功能模块的运行；4G网络通信模块为网关和互联网提供硬件接口，网关数据通过4G网络通信模块发送给接入服务器。

所述的数据库设置于具有固定网络地址的电脑上，网关根据接入服务器所在的网络地址和接入服务器侦听的端口号，向接入服务器发送数据，接入服务器接收数据并转存在数据库中。

所述的客户端用于对数据采集节点所在位置处轨道的健康状态进行监测和显示。

本实用新型的有益效果：采用多参量融合传感系统对钢轨状态进行监测，能够实时获得钢轨受力状态的数据，通过对数据的可视化处理，能够直观看到地铁轨道的状态变化，当钢轨状态变化时，监测系统能够及时响应。此监测系统具有实时性强、效率高、节省人工等优点，具有较强应用价值。

附图说明

图1是本实用新型的监测系统原理示意图。

图2是数据采集节点2安装方式示意图。

图中：1数据采集节点外部电源接口；2数据采集节点；3应变传感器；4导线；5电路板；6温度传感器和湿度传感器；7无线传输模块的天线；8夹具；9加速度传感器。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本实用新型的技术方案进行进一步的说明。

一种基于多参量融合传感的钢轨受力状态监测系统，该钢轨受力状态监测系统的结构如图1所示，数据采集节点2安装在钢轨上，将采集到的应变、温度、湿度、加速度等数据通过ZigBee无线通信模块发送给网关。网关接收到数据采集节点2的数据后通过3G/4G模块把数据转发到接入互联网的数据库中。客户端通过访问数据库获取数据库的更新状态，在数据库接收到新数据后对新数据进行处理和显示。

数据采集节点2的安装方式如图2所示。数据采集节点2通过夹具8固定在钢轨轨腰处。应变传感器3粘贴在钢轨表面并通过导线4连接到采集电路中，温度传感器和湿度传感器6固定在数据采集节点2表面，通过导线4连接到采集电路中，当数据采集节点2安装在钢轨上时，温度传感器通过导热材料(例如导热硅脂)与钢轨表面接触。加速度传感器9固定在夹具8中，通过数据采集节点2外部接口与采集电路相连。由于夹具8与钢轨之间是刚性连接，安装在夹具8上的加速度传感器9可以准确采集到钢轨的振动加速度信息。数据采集节点2集成了应变、温度、湿度和加速度传感器，以及各个传感器的数据采集模块、供电模块、ZigBee无线传输模块和嵌入式处理模块；供电模块为其他工作模块提供电源，数据采集模块对传感器产生的电信号进行滤波、放大、采样和存储；ZigBee无线传输模块和网关进行实时通信，向网关发送数据并接收网关的命令；嵌入式处理器模块协调各个模块的工作，控制ZigBee无线传输模块进行数据的收发，并根据网关下发的控制命令控制传感器信号采集模块按照指定模式进行数据的采集。

网关安装在钢轨附近，可以同时与多个数据采集节点2进行通信。网关负责将数据采集节点2传输过来的数据通过4G网络发送给数据库，以及接收和转发客户端发送过来的控制命令。网关硬件部分主要包括电源管理模块、ZigBee通信模块、嵌入式数据处理模块和4G网络通信模块。电源管理模块负责给其他模块提供电源，同时还可以根据嵌入式数据处理模块的命令，控制电源的接通和断开，实现远程控制网关开启和关闭的目的。ZigBee通信模块主要负责和数据采集节点2进行通信，网络标识符(PANID)是网关与多个数据采集节点2进行组网通信的依据，当数据采集节点2和网关的PANID一致时两者才能组网通信；嵌入式数据处理模块负责数据传输的控制和各功能模块的协调管理；4G网络通信模块为网关和互联网提供硬件接口，网关数据通过4G网络通信模块发送给接入服务器。

接入服务器位于接入互联网的一台电脑上，网关根据该电脑的IP地址和接入服务器侦听的端口号向接入服务器发送数据，接入服务器实时接收数据。数据库位于接入互联网的一台电脑上。接入服务器实时将收到的网关数据发送给数据库进行数据保存。接入服务器同时向数据库发送数据操作命令，在数据库中保存网关所传数据保存的位置、时间等信息。

数据库中主要保存数据文件的位置信息、数据采集节点2的地理位置、数据采集节点2上所连接传感器的信息、网关的位置、设备是否在线等信息。

接入服务器处理网关数据时，首先判断数据库中是否有数据采集节点2的信息，然后依据数据库中的信息对数据进行完整性验证，通过数据完整性验证后数据库才会对该节点采集的数据予以保存。数据库支持客户端通过FTP的方式进行数据下载。客户端访问数据库时，需要首先验证用户名和密码，然后才能访问数据库中的数据。

客户端功能主要是从数据库中下载数据，对数据进行分析并显示结果。客户端首先访问数据库获得数据库中数据的当前状态，然后以此为基准，判断数据库中是否有新数据产生。当客户端监测到数据库中有新数据产生时，根据数据库中数据文件的位置信息下载数据，结合数据库中数据采集节点2的参数，对数据进行分析计算。客户端监控界面实时显示监测节点处的钢轨温度、锁定轨温、应力、应变等数据，并显示这些数据的历史变化情况。客户端数据分析模块通过数据分析算法对数据采集节点2安装位置处轨道的健康状态进行评估和显示。若评估结果显示轨道健康状态出现问题，则客户端发出报警信息。

Claims (1)

1.一种基于多参量融合传感的钢轨受力状态监测系统，其特征在于，该钢轨受力状态监测系统包括数据采集节点、网关、接入服务器、数据库和客户端；

所述的数据采集节点设置在钢轨上，每个数据采集节点集成了应变、温度、湿度、供电模块和加速度传感器，以及各个传感器的数据采集模块、无线传输模块和嵌入式处理模块；

所述的供电模块实现供电电压的转换，为数据采集模块、嵌入式处理模块和无线传输模块提供稳定、纹波小的直流电压；

应变传感器设置在钢轨轨腰处，用于测量无列车通过时钢轨的纵向应变和垂向应变；温度传感器用于测量钢轨的温度；湿度传感器测量环境的湿度；加速度传感器通过夹具固定在钢轨上，测量列车通过时钢轨振动的垂向加速度；各个传感器均通过导线连接到数据采集模块的电路板上；

所述的数据采集模块的电路板上集成了应变采集电路、温度采集电路、湿度采集电路和加速度采集电路；应变采集电路对应变传感器产生的模拟信号进行放大、滤波及A/D转换后传给嵌入式处理模块；温度采集电路和湿度采集电路分别采集温度传感器与湿度传感器产生的数字量数据，并直接将数字量数据传给嵌入式处理模块；加速度采集电路对加速度传感器产生的信号进行放大、滤波、A/D转换以及暂存后传给嵌入式处理模块；

所述的无线传输模块包括ZigBee通信模块和接口电路，作用是与网关进行实时通信，将传感器采集到的数据发送给网关并接收网关下发的命令；

所述的嵌入式处理模块用于协调数据采集节点中各个模块的工作，并控制无线传输模块对网关的数据进行收发，以及根据网关下发的控制命令控制数据采集模块按照指定模式进行数据的采集；嵌入式处理模块包括STM32处理器、外部Flash电路、时钟电路和看门狗电路；STM32处理器为单片机芯片，通过接口和数据采集模块的各电路相连，控制各电路的动作；外部Flash电路作为STM32处理器内存的补充，存储传感器数据；时钟电路用于产生时间信息，STM32处理器在控制传感器数据传输的同时，将时间信息加在传感器数据中；看门狗电路来监控STM32处理器的运行状态；当STM32处理器工作出现异常时，看门狗电路产生复位信号，对STM32处理器进行复位，使STM32处理器重新正常工作；

所述的网关用于实现与多个数据采集节点同时进行通信，负责将数据采集节点传输过来的数据通过4G网络发送给接入服务器，以及接收和转发客户端发送过来的控制命令；网关包括电源管理模块、ZigBee通信模块、嵌入式数据处理模块和4G网络通信模块；电源管理模块负责为其他模块供电，同时根据嵌入式数据处理模块的命令，控制电源的接通和断开，从而实现远程控制网关的开关；ZigBee通信模块负责与数据采集节点进行通信，网络标识符PANID是网关与多个数据采集节点进行组网通信的依据，当数据采集节点和网关的PANID一致时两者才能组网通信；嵌入式数据处理模块负责控制数据的传输以及协调管理网关中各功能模块的运行；4G网络通信模块为网关和互联网提供硬件接口，网关数据通过4G网络通信模块发送给接入服务器；

所述的数据库设置于具有固定网络地址的电脑上，网关根据接入服务器的网络地址和接入服务器侦听的端口号，向接入服务器发送数据，接入服务器接收数据并转存在数据库中；

所述的客户端用于对数据采集节点所在位置处轨道的健康状态进行监测和显示。