本申请涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种车轮脱轨预警方法、装置及系统。
背景技术
列车发生脱轨事故是最严重的事故之一，列车发生脱轨的类型有多种模式，且引起列车的脱轨的原因相当复杂，目前还没有一种可以同时满足在线、实时、准确、无漏报、无误报的有效手段。如果为了满足各项信号值而采集多个信号并通过设定的阈值来判断的话，检测和数据分析非常复杂，当一个信号出错时，就会导致漏报或者误报，并且有时候单凭一个信号值的超标，也无法判断是否具有脱轨风险。如果设定过多信号值需要同时满足条件才触发预警或报警，则可能某个信号不达标而导致出现了风险未及时报警。
因此，设计一种能实现高准确性、减少漏报和误报的车轮脱轨预警方法及系统，是本领域人员目前急需解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明提供了一种车轮脱轨预警方法，用于解决现有的车轮脱轨预警方案中存在的预警结果不够准确，存在漏报和误报的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种车轮脱轨预警方法，包括如下步骤：
获取车轮的振动加速度；
获取车轮的冲击数据；
依据所述振动加速度，获得车轮的振幅数据；
若所述振幅数据大于或等于第一振幅预设值且所述冲击数据大于或等于第一冲击预设值，则输出车轮脱轨预警信息。
优选的，还包括如下步骤：
若所述振幅数据大于或等于第二振幅预设值且所述冲击数据大于或等于第二冲击预设值，则输出车轮脱轨报警信息。
优选的，所述振动加速度为横向振动加速度或垂向振动加速度。
优选的，所述获取车轮的冲击数据具体为：
对所述振动加速度进行共振解调处理，获得所述冲击数据。
优选的，所述依据所述振动加速度，获得车轮的振幅数据具体为：
对所述振动加速度进行二次积分计算，获得所述振幅数据。
优选的，所述输出车轮脱轨预警信息具体为：
若所述振幅数据大于或等于第一振幅预设值且所述冲击数据大于或等于第一冲击预设值，则记录一次内部脱轨预警，并根据所述内部脱轨预警进行概率统计，得到概率统计结果；
若所述概率统计结果大于所述概率统计预设值，则输出车轮脱轨预警信息。
本发明还提供了一种车轮脱轨预警装置，包括：
数据获取模块，用于获取车轮的振动加速度和冲击数据；
数据处理模块，用于依据所述振动加速度，获得车轮的振幅数据；
信息输出模块，用于依据所述振幅数据、所述冲击数据及第一振幅预设值、第一冲击预设值，输出车轮状态信息；
若所述振幅数据大于或等于第一振幅预设值且所述冲击数据大于或等于第一冲击预设值，所述车轮状态信息为车轮脱轨预警信息。。
优选的，所述信息输出模块，还用于依据所述振幅数据、所述冲击数据及第二振幅预设值、第二冲击预设值，输出车轮状态信息；
若所述振幅数据大于或等于第二振幅预设值且所述冲击数据大于或等于第二冲击预设值，所述车轮状态信息为车轮脱轨报警信息。
本发明还提供了一种车轮脱轨预警系统，包括上述任一车轮脱轨预警装置，还包括：
复合传感器，用于获取车轮的所述振动加速度和所述冲击数据，并发送给所述数据获取模块。
本发明所提供的车轮脱轨预警方法，通过获取车轮的振动加速度获得相应的振幅数据，并获取车轮的冲击数据，当振幅数据及冲击数据率均大于各自的第一预设值时，输出车轮脱轨预警信息。本方法只需获取振动加速度和冲击数据，根据振动加速度计算振幅数据，并价格振幅数据和冲击数据与第一预设值比较后即可完成预警判断，减少了列车的车轮脱轨预警需要检测的参数值，能够准确的进行脱轨预警，整个过程稳定可靠，且使用的数据获取设备少，成本低，易于应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的车轮脱轨预警方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所提供的车轮脱轨预警方法的另一种实施方式的流程示意图；
图3为本发明实施例所提供的车轮脱轨预警装置的示意图；
图4为本发明实施例所提供的车轮脱轨预警系统的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种车轮脱轨预警方法，包括如下步骤：
s01.获取车轮的振动加速度；
s02.获取车轮的冲击数据；
s03.依据振动加速度，获得车轮的振幅数据；
s04.若振幅数据大于或等于第一振幅预设值且冲击数据大于或等于第一冲击预设值，则输出车轮脱轨预警信息。
即通过获取车轮的振动加速度，获得振幅数据，同时并获取冲击数据，当振幅数据大于或等于第一振幅预设值且冲击数据大于或等于第一冲击预设值，则输出车轮脱轨预警信息。
例如，正常轮与轨的在横向方向是存在间隙的，一般是固定的，我国铁路关于轨距和轮对的相关标准为：
轨距l＝轮对宽度q+活动量w，其中轨距l＝1435mm，轮对宽度q＝1354mm，轮缘标准厚度w1＝34mm，轮缘最小厚度w2＝23mm。
于是，可计算得到：标准横向间隔m1＝(1435-1354)/2-34＝6.5mm，最大横向间隔m2＝(1435-1354)/2-23＝17.5mm。
若设置振幅预设值为17.5mm，即振幅超过17.5mm时，按理论而言，是可以合理正常的发出脱轨预警，但这种仅依靠横向振幅的判断方式，存在极大的误报和漏报风险。
例如，列车行驶在弯道处时，车轮随列车的运行轨迹运动，此时的横向振幅会有超过振幅预设值的情况，会触发预警条件，输出车轮脱轨预警信息，但实际上，此时列车和车轮均是正常状态，无脱轨风险，即造成了误报。
再如，轮缘的厚度即轮缘值由于磨损因素，在不断变小，对于新轮和旧轮，统一用17.5mm显然是不合适，但准确的轮缘值无法每天进行实时获取，即使将振幅预设值改为最近一次测量的轮缘值，并结合折算所得到的允许横向振幅间隔，也无法进行准确的脱轨预警，易造成漏报。
而仅采用垂向振幅来进行预警判断的话，同理，也存在如上述仅依赖于横向振幅的类似问题，如轨道地基的起伏，会引起正常行驶的车轮出现超过预值的垂向振幅，容易造成误报和漏报。
为了进一步确定车轮是否进入脱轨预警界限，通过获取冲击数据，并判断冲击数据是否超过第一冲击预设值，如果是，则表明车路状态到达脱轨预警界限，输出车轮脱轨预警信息，这是因为车轮发生脱轨前，如果没有垂向振幅，只有较大的横向振幅，且出现了较大的冲击，此时对应的冲击说明车轮轮缘挤压轨道，当然，这种挤压有可能是正常的，即正常蛇行，但如果此时的横向位移超过预设值，说明车轮存在爬轨风险，不再是正常的蛇行，再如，如果出现了较大的垂向位移，若以正常行驶的车轮中心垂向位置为零点，则垂向位移为正数，表示车轮上升至轨道上方，此时还不能发出脱轨预警，但如果垂向位移为负数，表示车轮下降至轨道下方，并且检测至大冲击，则表明车轮已经脱轨，并撞击轨枕、弹簧或地基。
如图2所示，本实施例的一种优选方式中，还包括如下步骤：
s05.若振幅数据大于或等于第二振幅预设值且冲击数据大于或等于第二冲击预设值，则输出车轮脱轨报警信息。
车轮发生脱轨后一般会首先下落撞击轨枕、弹簧或地基，由于车轮为金属，这种撞击的冲击力是巨大的，如果将传感器量程设置较大，如100000sv，当检测到的冲击数据超过一定门限，如60000sv，则可表明车轮发生巨大撞击，这种撞击只能是脱轨，因为车轮其他部件的故障或轨道上的障碍物，均不会达到此撞击强度，因此，可将门限设置为第二冲击预设值，同样，振幅也可以设置第二振幅预设值，若振幅数据大于或等于第二振幅预设值且冲击数据大于或等于第二冲击预设值，则输出车轮脱轨报警信息。
输出车轮脱轨预警信息或车轮脱轨报警信息的显示方式有很多，如开启提示灯、发出提示音等，本领域的技术人员可以根据实际应用状况进行选择，此处不进行具体的限定。
本实施例的一种优选方式中，振动加速度为横向振动加速度或垂向振动加速度，相对应的，振幅数据为横向振幅或垂向振幅，如此前分析，振幅数据可以依据横向振动加速度或垂向振动加速度获得。
所述依据所述振动加速度，获得车轮的垂向振幅数据具体为：依据所述垂向振动加速度，获得车轮的所述垂向振幅数据。
所述获取车轮的冲击数据具体为：依据所述第一横向振动加速度，获得车轮的所述横向振幅数据；
上述方法中提及的通过获取的振动加速度获得振幅数据和冲击数据，可以是先获取冲击数据再获取振幅数据，也可以先获取振幅数据再获取冲击数据，也可以同时，即获取的振动加速度可以是不同时间对应的振动加速度，例如，对于垂向振动加速度，则先有冲击数据大于冲击预设值，再识别到振幅数据大于振幅预设值，而对于横向振动加速度，则可以先有横向振幅大于振幅预设值，再有冲击数据大于冲击预设值，也可同时发生，不同的脱轨模式对应不同的时序，轮缘与轨道挤压轨道产生的冲击信息，应在出现大的横向振幅之后，再如，车轮撞击轨枕、弹簧或地基的冲击信息，也应在出现大的垂向振幅之后，但轮缘与轨道挤压轨道产生的冲击信息必然在出现大的垂向振幅之前，当然，考虑信号传递的时延，也可能会存在同时检测至的情况。
本实施例的一种优选方式中，获取车轮的冲击数据具体为：
对振动加速度进行共振解调处理，获得冲击数据，所述共振解调处理的具体实现方法，可参照本申请人的中国专利：200910056925.7，在此不再累述。
本实施例的一种优选方式中，依据振动加速度，获得车轮的振幅数据具体为：
对振动加速度进行二次积分计算，获得振幅数据。
在实际运用中，采用从横向振动加速度积分至横向振幅的二次积分，加速度a与位移x满足微积分关系：x(t)＝∫∫a(t)dt，常用的处理积分手段有两种，时域积分和频域积分，本实施例中选择采用频域积分来处理上述二次积分，当然，也可以根据其它需要，选择采用时域积分的方式。
本实施例的一种优选方式中，若振幅数据大于或等于第一振幅预设值且冲击数据大于或等于第一冲击预设值，则记录一次内部脱轨预警，并根据内部脱轨预警进行概率统计，得到概率统计结果；
若概率统计结果大于概率统计预设值，则输出车轮脱轨预警信息。
一次脱轨风险还不能立即对外输出，还需要进行概率统计，例如，虽然发生了较大的振幅数据，但如果下一时刻振幅数据恢复到正常状态，则表明没有脱轨风险。
对于因外界因素导致某一时刻振幅数据发生变化超过预设值，而在下一时刻列车又正常运行这种情况，就不需要因偶尔的变化执行预警操作，因此可以将某一时刻的，振幅数据大于或等于第一振幅预设值且冲击数据大于或等于第一冲击预设值，记录为一次内部脱轨预警，根据出现内部脱轨预警的次数进行概率统计，当概率统计结果达到某个临界值时，则说明不是偶然的外界因素导致内部脱轨预警，而是列车客观存在脱轨风险。
可以理解的类似上述的统计方式有很多，可以统计发出内部脱轨报警的概率，判断概率是否超过某个预设值：也可以判断在预设时间内发送内部脱轨报警的次数是否超过某个预设值：也可以判断是否连续收到预设数量个内部脱轨报警等等，此处并不对具体实施方式进行相关限定，只要能够避免单一的预警方式的片面性带来的误报即可。
如图3所示，本实施例还公开了一种车轮脱轨预警装置，包括：
数据获取模块，用于获取车轮的振动加速度和冲击数据；
数据处理模块，用于依据振动加速度，获得车轮的振幅数据；
信息输出模块，用于依据振幅数据、冲击数据及第一振幅预设值、第一冲击预设值，输出车轮状态信息；
若振幅数据大于或等于第一振幅预设值且冲击数据大于或等于第一冲击预设值，车轮状态信息为车轮脱轨预警信息。
数据获取模块1获取车轮的振动加速度和冲击数据，并将获取的振动加速度和冲击数据发送至数据处理模块2，数据处理模块2接收振动加速度和冲击数据后，对振动加速度进行处理或计算，获得车轮的振幅数据，并将振幅数据和冲击数据发送至信息输出模块3，信息输出模块3接收振幅数据和冲击数据后，将两者分别与第一振幅预设值、第一冲击预设值比较。
若振幅数据大于或等于第一振幅预设值且冲击数据大于或等于第一冲击预设值，信息输出模块3输出车轮脱轨预警信息。
本实施例的车轮脱轨预警装置的其中一种实施方式中，信息输出模块，还用于依据振幅数据、冲击数据及第二振幅预设值、第二冲击预设值，输出车轮状态信息；
若振幅数据大于或等于第二振幅预设值且冲击数据大于或等于第二冲击预设值，车轮状态信息为车轮脱轨报警信息。
即若振幅数据大于或等于第二振幅预设值且冲击数据大于或等于第二冲击预设值，信息输出模块3输出车轮脱轨预警信息。
如图4所示，本实施例还公开了一种车轮脱轨预警系统，包括上述的车轮脱轨预警装置，还包括：
复合传感器4，用于获取车轮的振动加速度和冲击数据，并发送给数据获取模块3。
复合传感器4可以安装在构架、齿轮箱等簧下其他位置，当然，为了获得最佳的效果可以将复合传感器4安装在两端轴承座上。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些因素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。