专利名称：基于无线传感器网络的高速铁路道岔振动特性在线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高速铁路基础设施安全监测领域，特别涉及一种基于无线传感器网络的高速铁路道岔振动特性在线监测系统。
背景技术：
“信息化将成中国铁路发展核心，没有信息化就没有铁路的现代化”，铁路的信息化将在设计建设、运行管理到检测维护等各个方面发挥其重要作用。本发明给出一种利用无线传感器网络技术进行高速道岔状态监测的系统，实现高速道岔这一重要基础设施的在线监测，为线路安全运行和道岔优化设计提供有力支持。高速线路基础设施的安全监测技术是当前我国铁路发展规划中的重要研究方向之一，需要研究开发铁路桥梁状态监测、长大隧道状态监测、道岔状态监测、无缝线路钢轨轨温监测等各类基础设施的安全监测技术。高速道岔是高速铁路线路上的必不可少的重要环节，同时也是薄弱环节，有针对性的高速道岔在线监测直接观测道岔在列车通过时的工作状态，逐步成为一个迫切需要解决的重要问题。经过十多年来的创新研究，具有自主知识产权的国产高速道岔在我国铁路建设中逐布普及，已经得到广泛应用，实际应用过程中，某些特殊路段道岔的使用寿命成为大家关注的焦点，而且，随着时间的推移，道岔的运行维护必将成为工作重点。而有针对性的在线监测是解决道岔维护和优化设计的前提条件，同时也是保障道岔设备安全的重要手段，因此具有极为重要的研究意义和应用前景。无线传感器网络是一种新兴的重要监测手段。它综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、 感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域，以及在空间探索和灾难拯救等特殊领域中，微小传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。铁路系统是近年来无线传感器网络的重要研究和应用领域。国外先后采用无线传感器网络设计了货车车辆运输性能监控系统、全路范围的安全监护系统模型、铁路车辆运行状态监测系统、列车运行过程中轮对铁轨冲击形变情况监测系统。国内铁路系统中，各种在线监测系统正在逐步推广中IBM提出的智慧铁路中，采用无线传感器网络持续监控车厢情况并在火车改组时自动检测其编组，同时，无线传感器网络在货运运输系统中为每一节车厢提供准确的信息，成为一项为铁路系统安全性护航的重要技术；霍宏伟等人研究采用传感器网络对铁轨进行监测，使列车在途运行过程中了解特定地段线路状态，对保证列车高速安全运行具有重要意义；李帅、尤著宏等人研究利用无线传感器网络实现对青藏铁路冻土区的无人实时监测和无线数据传输，以对冻土区铁路工程进行长期、全面、系统的观测。
本发明采用无线传感器网络技术实现高速道岔振动特性的在线监测以无线传感器网络作为高速道岔在线监测的有效手段，系统容易部署；采用无线连接方式、易于数据收集，而且能够较长时间地连续在线监测。本发明满足现实中高速道岔在线监测的大量需求， 具有重要的实际意义和应用前景。
发明内容
本发明以无线传感器网络技术为核心，给出一种利用传感器网络进行高速道岔振动特性在线监测的系统，实时获取道岔的工作状态、记录道岔振动历史数据，为道岔优化设计和后续维护提供重要的依据。1.本发明技术方案组成系统包括前端三轴加速度无线传感器数据测量单元，无线传感器网络前端数据汇集单元，具备数据存储、分析、发布和道岔状态监测能力的后端服务器组成，实现道岔数据的采集、汇集、存储、分析和发布，用户通过浏览器方式进行数据的远程网络访问，其组成示意如图1。2.前端三轴加速度传感器节点部署前端无线三轴加速度传感数据测量单元完成数据采集，具体完成高速道岔正线、 侧线特定位置的振动数据在线获取，通过ZigBee无线网络方式实时发送到汇集单元；前端三轴加速度传感器节点部署在室外高速铁路道岔上，采集和监测的数据主要为列车通过时的振动信号。以基本的单开道岔为例，部署传感器的高速道岔俯视图如图2， 在道岔正线(即图2中250km/h)入口、出口和侧线(即图2中80km/h)出口两根铁轨下方的轨枕上各安装一对同型号的传感器，图2中带有圆圈的数字① ⑥即表示传感器位置。 每个位置在轨枕上采用强力磁座方式无损地安装一对三轴加速度无线传感器，分别测量沿着铁轨轴向(列车运行方向X向)、垂向(Z向)和水平方向(Y向)的加速度值。加速度传感器采用振动触发方式测量，亦即火车接近道岔，其振动加速度值超过阈值(垂向加速度5g)时触发并进行数据采集，获取列车通过时振动信号，火车远离道岔，加速度值低于上述阈值之后停止测量。传感器节点将暂存所采集数据，列车离去采集结束之后以ZigBee无线方式集中发送到汇集单元。前端三轴加速度传感器参数为测量范围士50g，响应频率2KHz、采样频率不小于 IKHz，无线传输距离小于100米，符合IEEE802. 15. 4标准。3.无线传感器网络部署每组单开道岔均采用图2所示方式部署传感器节点和前端数据汇集单元。本系统根据道岔分布情况和测试需要，为保证整个系统的可靠性，高速道岔每一个传感器安装点 (即图2中带有圆圈数字① ⑥所对应位置)均安装两个相同型号的传感器节点，其中前端数据汇集单元安装点位于道岔正线、侧线交叉点侧线一侧的路基之外，将车站内及车站附近所有部署于高速道岔上的传感器节点组织成一个网络，以实时接收前端测量单元发送来的测量数据，按照时间和位置信息进行整理、汇集、并通过无线网络的方式进行转发。4.后端数据存储和处理分析方法后端服务器接收汇集单元发送的数据，利用本地数据库进行持久存储，并根据加速度数据，分析道岔在列车通过时的振动特性，计算得到列车速度、载荷情况；以图2所示道岔为例，其基本计算方法如下对于正线通过的列车，使用部署于直基本轨两个传感器的测量得到Z方向的振动数据，对两组数据进行互相关计算，得到振动发生于两个传感器安装点的时间差At，已知两个传感器直接的距离固定并为&米，则列车速度Vz = Δ t ；对于侧线通过的列车，则使用部署于曲基本轨的传感器测量数值，采用相同的方法即可得到列车速度；通过道岔的车厢个数计算方法为由于道岔的特殊结构，每一节车厢经过道岔，传感器获得的垂向振动将特定的波形，且各节车厢经过时的波形相似，利用这一特征，计算此类波形的个数，获得测量过程中通过道岔的车厢个数N。每一节车厢均采用标准质量，则计算出通过道岔车厢的总质量，即道岔的载荷情况，计算方法为车厢个数Nx车厢标准质量。5.在线监测方法，所述后端服务器运行在线监测软件，该软件根据采集得到的道岔振动数据和分析计算得到的列车速度、载荷等结果，结合存储于服务器的历史数据，计算同一型号多组道岔数据的平均值包括三个方向振动加速度峰值的平均值、列车速度的平均值；计算单组道岔数据的历史平均值包括三个方向振动加速度峰值的平均值、列车速度的平均值；以这两组数据作为基准数据，并将当前计算数据与基准数据进行对比，开展在线监测，具体如下如果某一组道岔的某个指标历史平均值达到同型号道岔该指标平均值两倍以上， 则表明该组道岔该项指标有问题，属于偏离基准数据超标，进行报警提示；如果某一次测量或分析得到某个指标的数值达到这组道岔该项指标历史平均值两倍以上，则表明该次测量数据有问题，属于偏离基准数据超标，进行报警提示；通过这样的方式为高速道岔安全运行提供支持；6.远程数据访问用户通过英特网连接服务器，输入特定的用户名和口令，采用浏览器方式远程访问监测数据，这些数据用于道岔优化设计和后期维护的依据。根据本发明的高速道岔振动特性在线监测系统能够对高速道岔进行无线方式、稳定持续的振动特性数据获取和监控，并能对偏离基准数据超过一定范围的数据进行预警， 以确保高速道岔工作在安全可靠的运行状态，为高速道岔安全运行提供支持。该在线监测系统可与常规的测试、力学分析等方法结合，应用于高速铁路道岔在线监测，并利用监测数据进行道岔健康状态评估和型号设计改进。该验证系统具有易于部署、连续监测等优点。
图1示出了本发明高速铁路道岔在线监测系统组成示意图；图2示出了本发明传感器网络部署示意图；(单位mm，分别部署① ⑥六组三轴加速度传感器，测量X、Y、Z三个方向的加速度值)图3示出了根据本发明进行高速道岔在线监测的流程具体实施例方式1.基于无线传感器网络的高速铁路道岔振动特性在线监测系统，其特征在于，系统以无线传感器网络技术为核心，含有前端三轴加速度无限传感器数据测量单元、前端数据汇集单元以及后端服务器，其中前端三轴加速度无线传感器数据测量单元，是一种安装于高速铁路道岔轨枕上的所述三轴加速度无线传感器的集合，组成一个实时获取列车通过时道岔振动信号，并以 ZigBee无线网络方式实时传输数据的无线传感器网络，其中所述前端三轴加速度无线传感器的参数为测量范围士50g，响应频率2KHz、采样频率不小于ΙΚΗζ，无线传输距离小于100米；所述前端三轴加速度无线传感器安装点位于道岔正线入口、道岔正线出口和道岔侧线出口处两根铁轨下方的轨枕上，均采用强力磁座方式安装在轨枕上，分别测量沿着X 方向、Y方向和Z方向的加速度值，其中X方向为列车运行方向，Z方向为垂直于地面的方向，X方向为垂直于列车运行的水平方向，在振动加速度值超过给定阈值时，无线传感器开始采集列车通过时的振动信号，当列车远离道岔，振动加速度值低于所述阈值时停止采集， 当列车离去、采集结束之后，以ZigBee无线方式集中发送数据到前端数据汇集单元，并发送标志安装位置的标识信息和测量时刻信息，所述阈值缺省值为Z方向加速度值5g，根据需要在测量过程中进行重新设置，在每个安装点上均成对安装相同型号的所述三轴加速度无线传感器；所述前端数据汇集单元是一台同时具备ZigBee、Wifi网络数据传输能力的加固小型计算机，安装点位于道岔正线、侧线交叉点侧线一侧的路基之外，与该道岔六个传感器安装点的直线距离相等，且距离均小于100米；车站内及车站附件所有部署于各个高速道岔上的所述传感器和汇集单元共同组成一个基于无线传输协议的无线网络，实时接收各传感器获取的位置信息、时间信息和振动加速度值，并通过Wifi无线方式发送给后端服务器；所述后端服务器，其中的运行数据存储部分对接收到的振动加速度、位置信息、时间信息进行存储，运行数据分析部分完成数据处理功能，按照以下方式计算列车速度以及载荷数据对于正线通过的列车，使用部署于垂直基本轨两个传感器测量得到Z方向的振动数据，对两组数据进行互相关计算(Ξ Σ ‘)，得到振动发生于两个传感器安装点的时间差At，已知两个传感器之间的距离固定并为&米，则列车速度Vz = Sz/Δ t ；对于侧线通过的列车，则使用部署于基本轨传感器的测量数值，采用相同方法即得到列车速度；通过道岔的车厢个数计算方法为由于道岔的特殊结构，每一节车厢经过道岔， 传感器获得的垂向振动将随时间呈现具有多个峰值的特定波形，且各节车厢经过时波形相似，利用这一特征，获得测量过程中通过道岔的车厢个数N ；通过道岔的载荷计算方法为车厢个数Nx车厢标准质量；所述后端服务器运行在线监测软件，该软件根据采集得到的道岔振动数据和分析计算得到的列车速度、载荷等结果，结合存储于服务器的历史数据，计算同一型号多组道岔数据的所有历史平均值包括三个方向振动加速度峰值的平均值、列车速度的平均值等； 计算单组道岔数据的历史平均值包括三个方向振动加速度峰值的平均值、列车速度的平均值等；以这两组数据作为基准数据，开展在线监测，具体如下如果某一组道岔的某个指标历史平均值达到同型号道岔该指标平均值的两倍以上，则表明该组道岔该项指标有问题，属于偏离基准数据超标，进行报警提示；如果某一次测量或分析得到的某个指标数值达到这个道岔该项指标历史平均值两倍以上，则表明该次测量数据有问题，属于偏离基准数据超标，进行报警提示；通过这样的方式为高速道岔安全运行提供支持；所述的后端服务器提供网络浏览支持，授权用户通过英特网连接该服务器，采用浏览器方式远程访问监测数据，该监测数据用于道岔优化设计和后期维护的依据。本发明具有如下优点1.易于部署测量现场需要为每组高速道岔安装一系列组三轴加速度传感器测量单元和一个汇集单元，测量单元采用无损方式部署，需要连接的线路仅限于前端测量单元和汇集单元的电源线，所有测量数据均采用无线方式传输，省去了大量的布线工作量，因此现场施工简单、易于部署；；2.连续监测采用振动触发测量方式，系统稳定持续工作，能够达到连续监测的目的。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。图3示出了根据本发明进行高速道岔在线监测的流程图。如图3所示，首先依据步骤101将一系列三轴加速度传感器测量单元部署于高速道岔相应位置，其部署位置参考图2。对一个车站内的所有道岔重复上述步骤，完成测量单元部署。接着依据步骤102，在一个车站内部署前端数据汇集单元，汇集单元需要稳定的交流供电，汇集单元部署方案一是固定部署于车站中的固定位置(如图2所示)，部署方案二是部署于移动采集车辆中。汇集单元通过ZigBee无线方式和步骤101部署的传感器节点进行通信，实时接收前端测量单元发送的测量数据，按照时间和位置信息进行整理、汇集并以网络的方式进行转发。完成步骤101和102之后，开启所有传感器节点和汇集单元，逐个节点进行测试， 确认每个传感器节点均可正常采集数据并发送，确认汇集单元收到每个传感器节点的数据，确认汇集单元正常发送数据到后端服务器。在步骤103中启动后端数据存储和分析系统，接收汇集单元发送的数据，进行持久存储，计算列车速度、承载重量、通过车辆数等数据，以确定高速道岔的振动特性、载荷情况等重要数据。在步骤104中启动在线监测软件，根据分析得到历史的道岔振动特性、载荷等结果，通过基准数据进行对比，开展在线监测。当测量数据偏离基准数据超过一定范围的参数时，系统将进行报警提醒，需要人为介入处理。至此，整个系统即在此情况下稳定工作，实现基于无线传感器网路的高速道岔在线连续监测。为高速道岔安全运行提供支持。
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权利要求
1.基于无线传感器网络的高速铁路道岔振动特性在线监测系统，其特征在于，系统以无线传感器网络技术为核心，含有前端三轴加速度无线传感器数据测量单元、前端数据汇集单元以及后端服务器，其中前端三轴加速度无线传感器数据测量单元，是一种安装于高速铁路道岔轨枕上的所述前端三轴加速度无线传感器的集合，组成一个实时获取列车通过时道岔振动信号，并以 ZigBee无线网络方式实时传输数据的无线传感器网络，其中所述前端三轴加速度无线传感器的参数为测量范围士50g，响应频率2KHz、采样频率不小于ΙΚΗζ，无线传输距离小于100米；所述前端三轴加速度无线传感器安装点位于道岔正线入口、道岔正线出口和道岔侧线出口处的两根铁轨下方的轨枕上，均采用强力磁座方式安装在所述轨枕上，分别测量沿着X 方向、Y方向和Z方向的加速度值，其中X方向为列车运行方向，Z方向为垂直于地面的方向，Y方向为垂直于列车运行的水平方向，在振动加速度值超过给定阈值时，无线传感器开始采集列车通过时的振动信号，当列车远离道岔，振动加速度值低于所述阈值时停止采集， 当列车离去、采集结束之后，以ZigBee无线方式集中发送数据到前端数据汇集单元，并发送标志安装位置的标识信息和测量时刻信息，所述阈值缺省值为Z方向加速度值5g，根据需要在测量过程中进行重新设置，在每个安装点上均成对安装相同型号的所述三轴加速度无线传感器；所述前端数据汇集单元是一台同时具备ZigBee、Wifi网络数据传输能力的加固小型计算机，安装点位于道岔正线、侧线交叉点侧线一侧的路基之外，与该道岔六个传感器安装点的直线距离相等，且距离均小于100米；车站内及车站附件所有部署于各个高速道岔上的所述传感器和前端数据汇集单元共同组成一个基于无线传输协议的无线网络，实时接收各无线传感器获取的位置信息、时间信息和振动加速度值，并通过Wifi无线方式发送给后端服务器；所述后端服务器，其中的运行数据存储部分对接收到的振动加速度、位置信息、时间信息进行存储，运行数据分析部分完成数据处理功能，按照以下方式计算列车速度以及载荷数据对于正线通过的列车，使用部署于垂直基本轨两个传感器测量得到Z方向的振动数据，对两组数据进行互相关计算，得到振动发生于两个传感器安装点的时间差At，已知两个传感器之间的距离固定并为&米，则列车速度Vz = Sz/At ；对于侧线通过的列车，则使用部署于基本轨传感器的测量数值，采用相同方法即得到列车速度；通过道岔的车厢个数计算方法为由于道岔的特殊结构，每一节车厢经过道岔，传感器获得的垂向振动将随时间呈现具有多个峰值的特定波形，且各节车厢经过时波形相似，利用这一特征，获得测量过程中通过道岔的车厢个数N ；通过道岔的载荷计算方法为车厢个数Nx车厢标准质量；所述后端服务器运行在线监测软件，该软件根据采集得到的道岔振动数据和分析计算得到的列车速度、载荷等结果，结合存储于服务器的历史数据，计算同一型号多组道岔数据的历史平均值包括三个方向振动加速度峰值的平均值、列车速度的平均值等；计算单组道岔数据的历史平均值包括三个方向振动加速度峰值的平均值、列车速度的平均值等； 以这两组数据作为基准数据，开展在线监测，具体如下如果某一组道岔的某个指标历史平均值达到同型号道岔该指标平均值的两倍以上，则表明该组道岔该项指标有问题，属于偏离基准数据超标，进行报警提示；如果某一次测量或分析得到的某个指标数值达到这个道岔该项指标历史平均值两倍以上，则表明该次测量数据有问题，属于偏离基准数据超标，进行报警提示；通过这样的方式为高速道岔安全运行提供支持；所述的后端服务器提供网络浏览支持，授权用户通过英特网连接该服务器，采用浏览器方式远程访问监测数据，该监测数据用于道岔优化设计和后期维护的依据。
全文摘要
一种基于无线传感器网络的高速铁路道岔振动特性在线监测系统，涉及高速铁路基础设施安全监测技术领域，其特有的系统以无线传感器网络为核心，包括前端三轴加速度无线传感器数据测量单元，在线获取列车通过时高速道岔的振动数据以无线方式发送；无线传感器网络前端数据汇集单元，实时接收测量单元发送的数据，汇集并进行转发；服务器端，接收汇集单元的数据，持久存储并根据加速度数据分析计算得到列车速度、载荷情况，并与历史统计数据对比，对偏离历史数据超过一定范围的参数进行报警提示，为高速道岔安全运行提供支持。本发明可与常规的测试、力学分析方法结合应用于高速铁路道岔监测，并为道岔保养维护和设计优化提供数据基础。
文档编号B61L23/04GK102343922SQ201110214639
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者孙金龙, 王生原, 董渊 申请人:清华大学