一种基于物联网的轨道车辆车轴健康状态智能监测方法与流程

本发明涉及到一种轨道车辆部件的监测方法，尤其是涉及一种轨道车辆车轴健康状态监测方法，该种监测方法可对铁路列车车辆热轴（包括轴承）健康状态和车辆制动状态等（包括制动缸压力，控制阀，闸瓦缓解，车钩冲击力等）进行大数据中央监测和预判，属于轨道列车车辆或机车、轻轨、高铁等监测控制技术领域， 也可以用于工业监测控制技术领域。

背景技术：

目前，我国轨道车辆车轴在工作条件下，由于受到载荷，安装，润滑状态等因素的影响，运转一段时间后将会产生各种类型的故障，一旦轨道车辆车轴发生故障，就会危及列车的行车安全，如果无法及时发现和排除车轴故障，它将严重地危及列车车辆的行车安全，严重的甚至造成切轴的重大事故。所以对在轨道车辆运行过程中，对其故障的状态进行无人化远程系统监测管理，及时发现轨道车辆的故障，采取相应措施，确保车辆安全运行有着重大的意义。但是现在只是通过车辆的检修来发现故障，可以如果只靠厂修段修等定期的检修，无法完成对轴承故障的及时发现和排除，所以需要在轨道车辆运行过程中，对车轴状态结合传感器以及物联网进行无人化远程系统监测，及时发现轨道车辆车轴的故障，采取相应措施，避免事故发生。

通过专利检索没发现有与本发明相同技术的专利文献报道，与本发明有一定关系的专利主要有以下几个：

1、专利号为CN201610850367.1，名称为“一种基于声表面波技术的列车车轴状态监测装置” 的发明专利，该专利公开了一种基于声表面波技术的列车车轴状态监测装置，包括设置于列车车头控制室内的主机监控系统、设置于每节车厢底部的信号读写器及安装在每节车厢底部的车轴上的声表面波传感网络，声表面波传感网络利用射频识别与信号读写器连接，信号读写器通过无线网络与主机监控系统连接。本发明一种基于声表面波技术的列车车轴状态监测装置，能够完成对列车车轴状态的全方位实时监测，并进行故障的提前预警和故障位置的准确定位，并且无需在车厢内铺设线缆或光缆通讯。

2、专利号为CN201621080407.0，名称为“基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置”的实用新型专利，该专利公开了一种基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，包括设置于列车车头控制室内的主机监控系统、设置于每节车厢底部的信号读写器及安装在每节车厢底部的车轴上的声表面波传感网络，声表面波传感网络利用射频识别与信号读写器连接，信号读写器通过无线网络与主机监控系统连接。本实用新型基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，采用专用局域网能够完成对列车车轴状态的全方位实时监测，并进行故障的提前预警和故障位置的准确定位，并且无需在车厢内铺设线缆或光缆通讯，其信号读写器是需要单独外部供电的。

3、专利号为CN201610563239.9，名称为“ 铁路货车轴温监测电路及其监测方法” 的发明专利，该专利公开了一种铁路货车轴温监测电路，包括固定在每个车厢上的温度采集单元，其特征在于：所述温度采集单元包括传感器模块、处理器模块、无线传输模块和工作电源，所述传感器模块的信号输出端与处理器模块的信号输入端相连，所述处理器模块的信号输出端通过无线传输模块与火车头控制器实现无线连接，所述工作电源与处理器模块连接。

上述这些专利虽然有的涉及到了货车轴温监测的方法，但有的仍然是采用有源方式进行检测，所以对于像铁路火车这一类没有电源的车辆将无法实施，而现在所提出的所谓无源的检测方式，如专利号为CN201621080407.0，名称为“基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置”的实用新型专利，虽号称是无源，但是仔细阅读该专利可以发现，该专利尚只是对传感器与控制系统之间的信号传送采取的无线传输方式，通过无线网络实现信号读写器与主机监控系统连接，并且无线网络采用的是无线ZigBee网络，该种网络仅适用于近距离、低复杂度的情况使用，所以最多只是适用于单台列车之间的数据传递，并不适用于车轴的大数据监测；所谓的无源传感器是采用无线无源单端谐振型SAW传感器，所以在实际之中可以发现这种传输方式是行不通的。专利号为CN201610563239.9，名称为“ 铁路货车轴温监测电路及其监测方法”虽提出了一种 铁路货车轴温监测电路及其监测方法，但通过仔细阅读可以发现，也不具备实用性，因此仍有待进一步加以改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有铁路车辆监测所存在的不足，提出一种新的铁路车辆车轴健康状态的检测方法，该种监测方法是利用物联网建立起铁路货车车轴健康状态智能监测系统，实现铁路货车车轴健康状态监测大数据的中央监测控制。

根据本发明目的所提出的技术实施方案是：一种轨道车辆车轴智能健康状态监测管理方法，利用物联网建立轨道车辆车轴健康状态监测系统，通过轨道车辆车轴健康状态监测系统进行轨道车辆车轴健康状态监测，并由物联网进行数据的传输；在每一根车轴旁都安装带有物联网传输模块的车轴健康状况监测装置，通过传输模块将车轴健康状况监测装置上传至监控中心，由监控中心根据上传数据判断车轴健康状况，并适时进行处理，实现轨道车辆车轴健康状态的适时监测。

进一步地，所述的通过轨道车辆车轴健康状态监测系统进行轨道车辆车轴健康状态监测是在每一根车辆车轴（箱）附近或转向架上设置一个物联网智能终端集成模组，物联网智能终端集成模组对车轴的健康状况进行适时监测，并将监测数据通过物联网上传到监控中心，由监控中心对上传的每一个车轴健康数据进行分析，通过分析确定不健康的车轴，并将不健康车轴的状况发送到车轴所在列车的司机控制室，由司机对不健康车轴的车辆进行适当的处置；其中每一智能终端集成模组其编号是唯一的。

进一步地，所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统包括智能终端，智能终端与车轴安装在一起，采集与车轴故障状态相关的物理参数，并将采集数据上传给物联网基站，物联网基站再将数据上传至线路的核心网，由核心网将数据上报云平台服务器，云平台服务器通过获得的大数据进行分布式计算，以及在训练期内进行人工智能机器学习，分析得出自适应阈值和其他相关轴的状况参数，并将运算结果数据发送给司机手机、车内监视器和运营PC。

进一步地，所述的将运算结果数据发送给司机手机、车内监视器和运营PC是智能终端模组自动将数据上传至NB-IOT基站，通过云平台服务器再把相关数据传送到司机室的监控器中或司机的专用的手机或车载电脑上，进行定时本列车车轴参数的显示或预报警和报警。

进一步地，所述的智能终端为模块化的无源模组，内部包含有两组温度传感器和3D加速度传感器、MUC、智能通讯模组、定位芯片、内置天线、内部电源，固定安装在货车车轴两端轴箱上，而无需外部电源和连线；智能终端模组将以即将普及的5G网络为背景，利用NB-IOT物联网技术和通讯协议将数据上报云平台服务器，且本身还具有包括环境温度、车轴温度、3D加速度等数字化传感器，MCU,通讯芯片，锂电池电源的自诊断实时管理。

进一步地，所述的物联网智能终端集成模组对车轴的健康状况进行适时监测是通过人为要求对我们需要监测的每一部分物理数据进行实时人机对话操作，或定时由多功能模组上基站及后台发报监测的数据，并当车辆被测部件处于健康状态时，多功能智能模组处于休眠状态，以节省模组电能消耗。

进一步地，所述的云平台服务器为系统控制中心，通过云平台服务器，铁路局或铁路调度中心等管理者均通过云平台服务器建立车轴健康监测历史记录和大数据分析判断及管理系统，同时通过智能终端实时定位系统对其车辆实施统一调度和维护平台等管理系统。

进一步地，所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统由基于NB-IOT智能终端、以及NB-IOT基站、NB-IOT分组核心网、IOT连接管理平台以及应用服务器等组成的NB-IOT网络侧构成；智能模块包括：温度传感器，振动传感器，角度传感器。

进一步地，所述的大数据为传感器采集的温度和3D加速度数据，并进行车轴状态的物理模型建模，根据仿真算法计算出车轴故障的理论阈值，对物理对象进行实验验证理论阈值的正确性；通过人工智能对这些含有意义的数据进行专业化处理，形成自适应算法提高对数据的“加工能力”，通过“加工”实现数据的“增值”．从而提高系统的判断能力，提高判断车轴状态的效率。

进一步地，所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统包含有管理员查询系统；管理员从应用服务器端查询智能终端的状态，可以获取到终端电量状态、位置等信息，同时管理员可通过监控中心的监控软件、列车司机可通过手机访问，现场维护人员可通过笔记本登录WEB访问上报的监控数据。

进一步地，所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统包含有后台软件系统；后台软件系统包括：

（1）车轴温度，振动值进行传送，诊断及管理；

（2）对车辆定位信息，内部电源信息传送；

（3）车辆调度、维护信息、历史记录信息、故障预诊断信息。

本发明的优点在于：

本发明在利用物联网对铁路车辆（例如：热轴）健康状态和车辆制动状态等监测系统进行监测，主要有以下特点：

1、司机通过司机室监控器或能上网的显示设备以及地面铁路调度（中心）系统均可以实时掌握车辆热轴健康状态和车辆制动状态等安全运行，对故障进行预警或报警。

2、 车辆地面铁路调度（中心）系统或铁路主管部门可以确定车辆实时位置，并实现调度和维护等管理。

3、 可实现建立其健康监测历史记录和大数据分析判断及管理系统。

4 、对模组（包括温度、3D加速度和压力等模拟和数字化传感器，MCU,通讯芯片，锂电池电源，GPS定位等）内部故障及电源不足等进行实时管理。

5、本模组内部有快速充电和与外部通讯的接口。

附图说明

图1是本发明系统构架示意图；

图2是本发明系统终端设计结构示意框图；

图3是本发明系统平台架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本发明。

实施例一

通过附图可以看出，本发明涉及一种轨道车辆车轴智能健康状态监测管理方法，利用物联网建立轨道车辆车轴健康状态监测系统，通过轨道车辆车轴健康状态监测系统进行轨道车辆车轴健康状态监测，并由物联网进行数据的传输；在每一根车轴旁都安装带有物联网传输模块的车轴健康状况监测装置，通过传输模块将车轴健康状况监测装置上传至监控中心，由监控中心根据上传数据判断车轴健康状况，并适时进行处理，实现轨道车辆车轴健康状态的适时监测。

所述的通过轨道车辆车轴健康状态监测系统进行轨道车辆车轴健康状态监测是在每一根车辆车轴（箱）附近或转向架上设置一个物联网智能终端集成模组，物联网智能终端集成模组对车轴的健康状况进行适时监测，并将监测数据通过物联网上传到监控中心，由监控中心对上传的每一个车轴健康数据进行分析，通过分析确定不健康的车轴，并将不健康车轴的状况发送到车轴所在列车的司机控制室，由司机对不健康车轴的车辆进行适当的处置；其中每一智能终端集成模组其编号是唯一的。

所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统包括智能终端，智能终端与车轴安装在一起，采集与车轴故障状态相关的物理参数，并将采集数据上传给物联网基站，物联网基站再将数据上传至线路的核心网，由核心网将数据上报云平台服务器，云平台服务器通过获得的大数据进行分布式计算，以及在训练期内进行人工智能机器学习，分析得出自适应阈值和其他相关轴的状况参数，并将运算结果数据发送给司机手机、车内监视器和运营PC。

所述的将运算结果数据发送给司机手机、车内监视器和运营PC是智能终端模组自动将数据上传至NB-IOT基站，通过云平台服务器再把相关数据传送到司机室的监控器中或司机的专用的手机或车载电脑上，进行定时本列车车轴参数的显示或预报警和报警。

所述的智能终端为模块化的无源模组，内部包含有两组温度传感器和3D加速度传感器、MUC、智能通讯模组、定位芯片、内置天线、内部电源，固定安装在货车车轴两端轴箱上，而无需外部电源和连线；智能终端模组将以即将普及的5G网络为背景，利用NB-IOT物联网技术和通讯协议将数据上报云平台服务器，且本身还具有包括环境温度、车轴温度、3D加速度等数字化传感器，MCU,通讯芯片，锂电池电源的自诊断实时管理。

所述的物联网智能终端集成模组对车轴的健康状况进行适时监测是通过人为要求对我们需要监测的每一部分物理数据进行实时人机对话操作，或定时由多功能模组上基站及后台发报监测的数据，并当车辆被测部件处于健康状态时，多功能智能模组处于休眠状态，以节省模组电能消耗。

所述的云平台服务器为系统控制中心，通过云平台服务器，铁路局或铁路调度中心等管理者均通过云平台服务器建立车轴健康监测历史记录和大数据分析判断及管理系统，同时通过智能终端实时定位系统对其车辆实施统一调度和维护平台等管理系统。

所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统由基于NB-IOT智能终端、以及NB-IOT基站、NB-IOT分组核心网、IOT连接管理平台以及应用服务器等组成的NB-IOT网络侧构成；智能模块包括：温度传感器，振动传感器，角度传感器。

所述的大数据为传感器采集的温度和3D加速度数据，并进行车轴状态的物理模型建模，根据仿真算法计算出车轴故障的理论阈值，对物理对象进行实验验证理论阈值的正确性；通过人工智能对这些含有意义的数据进行专业化处理，形成自适应算法提高对数据的“加工能力”，通过“加工”实现数据的“增值”．从而提高系统的判断能力，提高判断车轴状态的效率。

所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统包含有管理员查询系统；管理员从应用服务器端查询智能终端的状态，可以获取到终端电量状态、位置等信息，同时管理员可通过监控中心的监控软件、列车司机可通过手机访问，现场维护人员可通过笔记本登录WEB访问上报的监控数据。

所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统包含有后台软件系统；后台软件系统包括：

（4）车轴温度，振动值进行传送，诊断及管理；

（5）对车辆定位信息，内部电源信息传送；

（6）车辆调度、维护信息、历史记录信息、故障预诊断信息。

所述的NB-IoT物联网智能终端集成模组包括传感器模块、MCU模块、NB-IoT物联网通信模块、电源管理模块，各种模块集成在一起形成智能终端集成模组；传感器模块将温度、振动等物理信号转化为电信号，通过ADC接口和总线接口将温度以及振动信息保存至MCU；NB-IoT物联网通信模块负责将模块的数据适时上传；无源检测模组组装在一个防护等级在IP62以上、并能满足车辆运行环境标准的坚固盒子内，将其盒子固定在车轴端附近（或转向架）指定的位置，NB-IoT物联网智能终端集成模组对车轴的健康状况进行适时监测。

所述的监控中心包括NB-IoT物联网分组核心网和NB-IoTIOT连接管理平台；NB-IoT物联网智能终端集成模组通过NB-IoT物联网基站与NB-IoT物联网分组核心网、NB-IoTIOT连接管理平台和应用服务器通讯，并将物联网智能终端集成模组监测的车轴健康状况数据上传至管理平台。

整个系统工作流程如下：

基于NB-IOT的低功耗智能终端模组（如测量车轴的温度\3D加速度模组器件）安装在车轴箱上，通过它采样温度、振动传感器信号收集轴承温度以及振动信息数据，经MCU处理，送内部NB-IOT通信模块，NB-IOT通信模块通过内部天线发报各种信息，与外部NB-IOT基站进行通信，NB-IOT基站接收到数据之后经分组核心网以及IOT连接管理的物联网平台，把智能终端发报上来的数据提供给，应用服务器管理员可获取监控数据进行处理后，通过监控中心的监控软件和无线网络发送到货（列）车司机室内监控屏上告诉司机或现场维护人员。终端设计如图2。

整个系统采取低功耗平台设计，利用已有的物联网加低功耗传感器技术，将相关参数和验证结果验证在平台展示数据并且下发消息推送。整个系统主要由基于NB-IOT智能终端、以及NB-IOT基站、NB-IOT分组核心网、IOT连接管理平台以及应用服务器等组成的NB-IOT网络侧构成。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。系统平台架构如图3所示。

所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统实现车辆运输中的实时定位，即：在车体上也安装一个独立的、带有定位功能（如：GPS或北斗系统等）的智能终端集成模组，在转向架和车体新组装或维护后重新装配成一体化车辆时，通过其安装在车体和（转向架）车轴上终端模组之间的通讯，由软件自动实现唯一性识别车辆编码。并把唯一性识别车辆编码传至管理平台

所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统实现车辆运输中的调度管理，即：在车辆的车体上也安装一个带有高精度定位功能（如：GPS或北斗系统等）的智能终端集成模组，铁路局调度中心可以根据车辆的实时位置进行车辆的调度管理和维护管理等。

所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统智能终端模组具有给内部自供电源（快速）充电的接口和与外部进行通讯的有线接口，当智能终端模组通过无线通讯上报内部自供电源电压不足时，专业维护人员可以将它取回进行充电，同时装上一个电源电压充足的智能终端集成模组，保证智能终端集成模组继续正常工作。

所述的轨道车辆车轴健康状态监测系统智能终端模组通过监控中心包括NB-IoT物联网分组核心网和NB-IoT连接管理平台和应用服务器通讯，实现有关联的智能终端集成模组之间的信息通讯。

上述所列实施例，只是结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的优点在于：

本发明在利用NB-IoT物联网对铁路车辆包括轴承）健康状态和车辆制动状态等进行智能监测，主要有以下特点：

1、司机和地面铁路调度系统可以实时掌握车辆车轴（包括轴承）健康状态和车辆制动状态等被监测参数，实现人和模组对话，对故障问题进行预警或报警。

2、 可以确定车辆实时位置和调度管理。

3、 可实现建立其健康监测历史记录和大数据分析判断及管理系统。

4 、对模组（包括温度、3D加速度和压力等模拟及数字化传感器，MCU,通讯芯片，锂电池电源等）内部故障及电源不足等进行实时管理。