本发明涉及铁路安全生产技术领域，特别是一种用于监测铁路线路钢轨平直度的系统及方法。
背景技术
近年来，随着铁路大提速和重载运输的不断发展，我国铁路运输的运营条件发生了较大变化。伴随着全路运输生产力布局的调整，安全工作便会面临许多新情况的出现，因此加强铁路安全管理，适应铁路大面积提速的要求，做到运输、施工兼顾，才能够确保铁路行车的安全。
钢轨作为铁路轨道的主要组成部件，主要用于引导机车车辆的车轮前进，承受车轮的巨大压力，并将压力传递到轨枕上。钢轨在铺设过程中要求必须能够为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，如果钢轨不合格，便会引起后果十分严重的行车事故。因此，对于钢轨的检测测量显得相当重要。另外，钢轨在投运一段时间后，需要定期进行检测维护，以保证其平整度。
目前，铁路施工过程中对线路钢轨的检测手段主要还是依靠人力来完成。检测钢轨平整度时，作业人员携带检测设备，上线对需检测区域进行人工检测，记录数据，通常检测队伍配备2-3人不等。这种检测方式存在以下缺陷：1）具有很大的延时性，过于依靠人为组织，难以进行实时的监控；2）只能进行静态检测，无法对运行当中的钢轨状态进行检测；3）无法进行即将到来危险的及时预警，一旦未能及时检测出问题所在就容易造成安全事故；4）人工检测大多采用卡尺等工具完成测量，误差较大，统计繁琐。为了最大限度的防范或消除人为原因造成不必要的安全事故隐患，急需一种新的系统对铁路线路钢轨平直度进行实时定位和预警防护。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题是提供一种铁路线路钢轨平直度监测系统及方法，对线路钢轨平直度进行实时精准定位和及时预警，以便能够及时发现并消除由于铁路钢轨发生形变而造成不必要的安全事故隐患，为铁路安全运行提供可靠保障。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种铁路线路钢轨平直度监测系统，包括用于实时采集钢轨动态数据的监测装置、用于进行钢轨状态数据处理和显示的服务器终端以及用于将监测装置采集的数据传输至服务器终端的网关，监测装置经网关向服务器终端传输数据；所述监测装置包括设置在钢轨腰部的目标板以及设置在铁路两侧与目标板相对应、用于采集目标板变化量的激光模组，激光模组通过rs485与网关进行数据通信，网关通过数据总线与服务器终端连接。
上述一种铁路线路钢轨平直度监测系统，所述激光模组包括第一mcu数据处理模块、第一电源模块、用于测量目标板距离的激光数据模块和用于测量目标板偏移角度的角度感知模块；所述第一电源模块、激光数据模块、角度感知模块分别与第一mcu数据处理模块电连接。
上述一种铁路线路钢轨平直度监测系统，所述网关包括第二mcu数据处理模块、第二电源模块和网络连接模块，所述第二电源模块、网络连接模块分别与第二mcu数据处理模块电连接。
上述一种铁路线路钢轨平直度监测系统，所述服务器终端包括主控制模块、数据接收模块、数据解析模块、数据存储模块、显示模块和电源模块，所述数据接收模块、数据解析模块、数据存储模块、显示模块、电源模块分别与主控制模块电连接。
上述一种铁路线路钢轨平直度监测系统，所述第一mcu数据处理模块、第二mcu数据处理模块的型号均为stm32系列mcu。
上述一种铁路线路钢轨平直度监测系统，所述服务器终端与网关之间设置有保证系统稳定运行的核心交换机。
上述一种铁路线路钢轨平直度监测系统，所述目标板为三棱形状结构，目标板与钢轨的安装面为平面。
一种铁路线路钢轨平直度监测方法，具体包括以下步骤：
a.确定铁路两侧位置，等距离安装激光模组，并在铁路钢轨的腰部与激光模组对应的位置固定目标板；将各激光模组通过rs485通信线缆与网关连接建立数据通信，网关通过数据总线与服务器终端连接；
b.每个激光模组分别发出三个激光束来监测目标板位置的变化，并将监测到的数据信号经网关传输至服务器终端；
c.服务器终端分析检测数据，计算获得钢轨移动的距离以及方位，并根据初始设定值和告警阈值，发出报警信息。
上述一种铁路线路钢轨平直度监测方法，步骤b中所述激光模组对目标板位移进行监测时通过激光测距进行的，具体方法如下：
b1.设定，光以速度c在空气中传播于a、b两点间，往返一次所需时间为t，则a、b两点间距离l可用下列表示
l=ct/2
式中，l——a、b两点间距离；c——光在大气中传播的速度；t——光往返a、b一次所需的时间；
设定，激光模组发射出的激光与目标板之间的夹角为α，则激光的垂直照射距离与ab两点间实测距离的关系为，
cosα=
式中，
b2.控制每个激光模组分别向与之对应的目标板发射三道激光束，此时设定三道激光束投射到目标板（5）上的激光点分别为a1、a2、a3，三道激光束呈三角形状排列，
测量各激光点的实际位置坐标，
当a1、a2、a3同时发生变化，且a1、a2、a3数值变化范围相同，判定该监测点在x轴、y轴或z轴方向上发生均匀偏移；
当a1、a2、a3有一个或者是多个监测数值发生变化，且数值变化范围不相同，则判定该监测点发生非均匀偏移，具体变化方向可根据实际三个激光点的数值增大或减小来判定。
上述一种铁路线路钢轨平直度监测方法，所述激光点的实际位移距离根据下式计算获得，
tanθ=δ
式中，θ为目标板已知角度，δ
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明通过均匀布置在铁路两侧的激光模组对固定在钢轨腰部的目标板进行测距和动态跟踪，可以达到很高的精度、稳定性和稳定性，误差通常在±1mm，能够及时准确地获取钢轨的精确的实时物理形变数据，从而实现对铁路线路钢轨平直度进行精准实时监控；一旦钢轨超范围形变，服务器终端则立即自动发出告警信号发出警报，可使监控人员第一时间得到安全警报、立即采取相应措施，最大限度地消除由于人为监测造成的时延从而导致的不必要的安全事故风险，并对即将有可能发生的安全隐患进行及时预警，减少事故发生隐患，为铁路线路的安全运行提供保障。
附图说明
图1为本发明所述系统构成示意图；
图2为本发明所述激光模组的电气原理框图；
图3为具体实施例中所述激光模组的电路图；
图4为本发明所述网关的电气原理框图；
图5为具体实施例中所述网关的电路图；
图6为本发明所述服务器终端的电气原理框图；
图7为具体实施例中所述服务器终端的电路图；
图8为本发明所述目标板的结构示意图。
其中：1-服务器终端，2-核心交换机，3-网关，4-激光模组，5-目标板。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种铁路线路钢轨平直度监测系统，包括监测装置、核心交换机2、网关3以及服务器终端1，监测装置用于实时采集钢轨的动态数据，网关3用于将监测装置采集的数据传输至服务器终端，服务器终端1用于对监测装置监测到的钢轨状态数据进行处理和显示。本发明中，网关和监测装置配套设置，整个铁路线路钢轨可设置多套网关和监测装置，而服务器终端则仅设置一台，服务器终端可连接多个网关，此种状态下，可通过在网关和服务器终端之间设置核心交换机2来保证系统运行的稳定性。
核心交换机2的选择取决于监测装置的数量及刷新率。核心交换机2的层数由监测装置的个数决定：若监测装置个数为几个或几十个、且分布集中，则不需要考虑将核心路由器和接入/汇聚层路由器分开；若监测装置个数达到上百、几百或几千，则需要将交换机划分为接入层、汇聚层和核心层。所述核心交换机2的转发速率必须大于数据产生的速率；监测装置是数据的产生源，监测装置数量越多，同时产生的数据越多，网络压力越大，核心交换机的性能要求越高。
监测装置沿轨道设置，根据钢轨检测要求设置若干组，监测装置的输出端与网关连接，进行数据的上传。具体地，监测装置包括设置在钢轨腰部的目标板5以及设置在铁路两侧的激光模组4，一个激光模组对应一个目标板，如图1所示。目标板的结构如图8所示，为三棱形结构，目标板与钢轨的固定面为平面。激光模组用于通过激光测距来采集目标板的变化量，进一步获得钢轨的动态数据，激光模组4通过rs485与网关3进行数据通信。
通常情况下，位于铁路同侧且相邻的三个激光模组以及与之对应的三个目标板构成一个监测装置，相邻的两个激光模组4之间的距离应保持一致，该距离可以根据实际要求来设置，可以按照铁路的规范设置120米的范围，也可以在短距离范围监测而不影响其最终数据完整性和有效性；激光模组4和目标板之间的距离设置则不能超过激光的有效监测范围。
激光模组4的结构框图如图2所示，包括第一mcu数据处理模块、第一电源模块、激光数据模块和角度感知模块，第一电源模块、激光数据模块、角度感知模块分别与第一mcu数据处理模块电连接。其中，第一电源模块用于为第一mcu数据处理模块、激光数据模块、角度感知模块进行供电，本发明中第一电源模块采用直流供电；激光数据模块用于测量目标板的距离；角度感知模块用于测量目标板的初始安装角度和偏移角度；第一mcu数据处理模块用于对前端采集的数据进行处理，并计算目标板5的偏移距离，然后传输给网关。本实施例中，激光数据模块的型号为pd-e，角度感知模块的型号为sca100t，第一mcu数据处理模块的型号为stm32系列，所述激光模组的电路如图如图3所示。
当然，本发明中的激光模组还可以设置无线传输模块，与网关通过无线网络实现数据的传输。
网关3的结构框图如图4所示，包括第二mcu数据处理模块、第二电源模块和网络连接模块，所述第二电源模块、网络连接模块分别与第二mcu数据处理模块电连接。其中，第二mcu数据处理模块用于接收处理激光模组4传输过来数据信息，并和服务器终端1进行信息传输；第二电源模块用于为第二mcu数据处理模块、网络连接模块进行供电；网络连接模块用于网关3与核心交换机2的数据通信。本实施例中，第二mcu数据处理模块的型号为stm32系列，网络连接模块的型号为w5100，其电路如图如图5所示。
服务器终端1的结构框图如图6所示，包括主控制模块、数据接收模块、数据解析模块、数据存储模块、显示模块和电源模块，所述数据接收模块、数据解析模块、数据存储模块、显示模块、电源模块分别与主控制模块电连接。其中，数据接收模块用于接收经核心交换机传输来自于网关3的数据信息；数据解析模块用于分析数据接收模块中的数据信息、进而计算解析钢轨的实时状态数据；数据存储模块用于存储记录各种历史数据、便于后台人员随时调取和查看；显示模块能够形象直观地表征钢轨的实时状态，可采用液晶显示屏；电池模块用于向主控制模块、数据接收模块、数据解析模块、数据存储模块、显示模块供电。本实施例中，服务器终端的电路如图7所示。
基于上述系统，本发明还提出了一种铁路线路钢轨平直度监测方法，具体包括以下步骤。
a.确定铁路两侧位置，等距离安装激光模组，并在铁路钢轨的腰部与激光模组对应的位置固定目标板；将各激光模组通过rs485通信线缆与网关连接建立数据通信，网关通过数据总线与服务器终端连接。
b.每个激光模组分别发出三个激光束来监测目标板位置的变化，并将监测到的数据信号经网关传输至服务器终端。
本步骤中，激光模组对目标板位移进行监测时通过激光测距进行的，具体方法如下。
b1.设定，光以速度c在空气中传播于a、b两点间，往返一次所需时间为t，则a、b两点间距离l可用下列表示
l=ct/2
式中，l——a、b两点间距离；c——光在大气中传播的速度；t——光往返a、b一次所需的时间。
设定，激光模组发射出的激光与目标板之间的夹角为α，则激光的垂直照射距离与ab两点间实测距离的关系为，
cosα=
式中，
b2.控制每个激光模组分别向与之对应的目标板发射三道激光束，此时设定三道激光束投射到目标板5上的激光点分别为a1、a2、a3，三道激光束呈三角形状排列。
测量各激光点的实际位置坐标。
由于目标板是非规则三棱形状，激光测量的数值并非实际数值，所述激光点的实际位移距离根据下式计算获得，
tanθ=δ
式中，θ为目标板已知角度，δ
在进行单块目标板的位移变化判断时，当a1、a2、a3同时发生变化，且a1、a2、a3数值变化范围相同，判定该监测点在x轴、y轴或z轴方向上发生均匀偏移；当a1、a2、a3有一个或者是多个监测数值发生变化，且数值变化范围不相同，则判定该监测点发生非均匀偏移，具体变化方向可根据实际三个激光点的数值增大或减小来判定。
c.服务器终端分析检测数据，计算获得钢轨移动的距离以及方位，并根据初始设定值和告警阈值，发出报警信息。
通常，一条铁路线路的钢轨一侧设置三组检测装置，也即包含三组激光模组和目标板，当三组激光模组的数值整体发生变化，并且数值变化范围相同，那么我们判定该监控区域在在x轴,y轴或z轴方向上发生均匀偏移；当三组中的其中某一组或者多组数值发生变化，并且数值变化范围化范围不相同，判定该监测点发生非均匀偏移，哪一组数值变化范围大，则判定该监测区域或附近区域发生异常情况，之后仍然可以根据某一组的数值变化大小来具体判定具体发生位移的方向。
本发明用于对钢轨的状态进行监测时，通过布置在钢轨两侧的激光模组对固定在钢轨腰部的目标板进行实时监测，其监测数据依次经过网关、核心交换机传输至服务器终端进行解析，通过激光测距监测钢轨纵向产生的变化，角度感知测量目标板角度较初始位置产生的变化来确定横向和立体空间的变化，从而确定钢轨的物理状态是否超范围变化，并在显示模块上实时显示。
一旦钢轨的变化超过了设定的预警门限值，服务器终端会发出告警信号，提醒相关人员采取必要措施；当然，也可以根据历史数据生成的趋势图来整体分析某段钢轨的变化趋势，可以提前预知将要发生的安全隐患，提前采取应对措施。
本发明具有良好的稳定性能，因为采用三束激光同时对同一目标进行监测，即使其中一台或者两台同时发生故障，设备也能正常工作，数据有效性不受影响。