一种道岔尖心轨折断监测系统及方法与流程

1.本发明涉及铁路轨道的断轨监测技术领域，具体为用于一种道岔尖心轨折断监测系统及方法。


背景技术：

2.现有技术中对于断轨监测的技术，主要有以下几种，基于轨道电路技术的监测系统是当监测区段内无列车通过且钢轨完整时，由两根钢轨和轨道继电器构成电流回路，使轨道电路继电器衔铁吸起，前接点闭合，信号开放；当轨道电路区段内有钢轨断裂情况发生时，接收器处的轨道继电器由于信号电流消失而释放，区段内轨道电路显示红光带提示断轨。另外一种是基于非线性及时的道岔断轨监测系统由传感器套件、通信网络、监测分机、监测主机及客户端端等组成，可实现岔区钢轨裂纹断轨、钢轨健康状态等多项监测功能，实时评估道岔的工作状态，并就状态异常提供报警信息，以保障列车行车安全。通过定制传感器实现岔区钢轨实时高频采集，基于超声波在弹性材料中的传输理论实时监测采集信号中断轨信号的有无及频次来研判钢轨断轨情况并报警。
3.但是目前的这些技术方案，都普遍存在着成本高昂，存在窗口期，不能实时连续且的进行监测，监测灵敏度差、精度差等问题。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术存在的不足，发明人设计了一种新的检测系统和方法，实现了以低成本的硬件规格，具有连续对轨道的实时监测，不受外界环境影响且精准度高的功能。
5.具体的，本发明是这样实现的：一种道岔尖心轨折断监测方法，包括以下步骤：步骤s1、在被测的尖轨或心轨上安装好用于发射和采集信号的传感器，所述传感器通过线缆连接信号发射装置和数据采集设备；步骤s2、信号发射装置对钢轨表面发射断轨监测信号，断轨信号通过传感器发射并在钢轨表面上传播；步骤s3、所述数据采集设备采集断轨监测信号；步骤s4、所述数据采集设备将采集到的回流断轨监测信号传输至工控设备进行数据分析，步骤s5、分析完成后的结果数据通过网络推送至服务器和客户端。
6.本发明的另一方面，还公开了一种道岔尖心轨折断监测系统，于包括：至少一组传感器通过夹具工装安装在被测的尖轨或心轨上，用于发射和采集信号；所述传感器通过线缆连接信号发射装置和数据采集设备；信号发射装置能持续对钢轨表面发射波形断轨监测信号，断轨信号通过传感器发射并在钢轨表面上传播；数据采集设备，能接收钢轨上的传感器每次接收到的回流断轨监测信号，并能传输至工控设备进行数据分析；工控设备，用于控制信号发射装置发射监测信号，能接收数据采集设备发送的数据，并对接收的数据进行分析，分析完成后的结果数据通过网络推送至服务器和客户端。
7.本发明的工作原理和有益效果介绍：通过安装在轨尖、轨心等轨道部位上的传感器分别进行发射和接收，获取到经过铁轨本身一段距离后的波形数据，对这些波形数据进
行实时监测，本发明通过主动信号发射的方式，能够解决需要列车激励的缺陷，通过设备自身发射信号，做到24小时进行在线监测；本发明自身可通过调整阈值大小的方式做到精度对轨头贯穿、轨底贯穿和钢轨折断进行监测；本发明设备自身发射的断轨监测信号是表面波的机械振动波信号，与天气等环境无关，与监测对象的本身材质和形状有关；解决了环境因素的影响；由于设备安装的时需要进行标定，解决了监测对象本身材质和形状带来的不确定性问题。本发明实现了尖轨/心轨的轨底贯穿、轨头贯穿、钢轨折断断轨监测；实现了高速道岔尖轨\心轨的在线实时断轨监测，发生断轨后5钟内能够发出报警；通过实时在线断轨监测系统，降低了人力成本和维护成本；针对尖轨\心轨道岔的断轨监测系统，降低了设备的成本，有利于大面积的推广和维护。
附图说明
8.图1为本发明的道岔尖心轨折断监测方法步骤示意图；
9.图2为本发明的道岔尖心轨折断监测系统的信号发射装置原理框图；
10.图3为本发明的道岔尖心轨折断监测系统构成示意图；
11.图4为本发明的道岔尖心轨折断监测系统使用状态示意图；
12.图5为图4中a部分的放大示意图和传感器安装方式示意图；
具体实施方式
13.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
14.实施例1：一种道岔尖心轨折断监测方法，对存盘的数据进行算法分析，检测钢轨是否断轨。算法运用了数据对比、滤波模型(处理信号)，基于标定的基础信号数据判断尖轨、心轨是否断裂。具体包括以下步骤：
15.步骤s1、在被测的尖轨或心轨上安装好用于发射和采集信号的传感器，所述传感器通过线缆连接信号发射装置和数据采集设备；传感器及轨旁设备安装好以后，通过信号发射装置和数据采集设备采集信号进行基础标定，确定当前尖轨、心轨的状态；
16.步骤s2、信号发射装置对钢轨表面发射断轨监测信号，断轨信号通过传感器发射并在钢轨表面上传播；通过连续多次的发射相同的信号，并进行高通滤波，和求均值确定一个准确的基础状态；
17.步骤s3、所述数据采集设备采集断轨监测信号；
18.步骤s4、所述数据采集设备将采集到的回流断轨监测信号传输至工控设备进行数据分析，标定信号确定以后，通过定期(可配置，最低1分钟)发射固定的信号并采集回收信号与基础信号进行对比；
19.步骤s5、分析完成后的结果数据通过网络推送至服务器和客户端。新采集的信号与基础信号的相似性低于阈值(可配置)，则发出信息
20.优选地，发射装置内存储有波形数据，需要输出时能调用所述波形数据，写入波形缓存sram中，fpga通过读取sram中波形数据实时写入到dac中，最终实现波形的输出。
21.优选地，所述步骤s4中，对回流断轨监测信号的数据分析还包括：将尖轨或心轨的回流断轨监测信号的数据进行滤波模型处理，与标定的基础信号数据进行比较，若差异超过断轨阈值，则发送断裂报警消息。
22.优选地，所述基础信号数据的确定包括以下步骤：通过信号发射装置和数据采集设备采集信号进行基础标定，确定当前尖轨、心轨的状态；通过连续多次的发射相同的信号，并进行高通滤波，和求均值确定一个准确的基础状态作为基础信号数据；所述标定信号基础信号数据确定后，通过定期发射固定的信号并采集回收信号与基础信号进行对比；新采集的信号与基础信号的相似性低于阈值，则发出警报信号。基础信号数据的确定包括以下步骤：读入单次的回流断轨监测信号数据，进行理想高通滤波和频散计算，进行内存存储；
23.其中，理想高通滤波为：
[0024][0025]
连续重复多次发送断轨监测信号数据，重复上述步骤后，进行求均值，求均值过程中剔除多余异常的数据，采用均方差的方式：
[0026][0027]
其中：observerd表示多长的平均值，predicted表示单次数据值；当mse大于0.5则进行剔除；
[0028]
连续累计上述过程n次，累计得到基础的状态数据；n＝200
[0029]
基础模板数据smod＝sum(h(u,v)1,
…
h(u,v)200)/200；
[0030]
在监测过程中，采集的数据进行高通滤波，剔除异常的数据，与基础数据进行相关性比较得到r＝h(u,v)/smod；当小于阈时通过mqtt发出报警信息。
[0031]
实施例2：一种道岔尖心轨折断监测系统:包括：至少一组传感器通过夹具工装安装在被测的尖轨或心轨上，用于发射和采集信号；所述传感器通过线缆连接信号发射装置和数据采集设备；信号发射装置能持续对钢轨表面发射波形断轨监测信号，断轨信号通过传感器发射并在钢轨表面上传播；数据采集设备，能接收钢轨上的传感器每次接收到的回流断轨监测信号，并能传输至工控设备进行数据分析；工控设备，用于控制信号发射装置发射监测信号，能接收数据采集设备发送的数据，并对接收的数据进行分析，分析完成后的结果数据通过网络推送至服务器和客户端。
[0032]
信号发射装置主要实现任意波形的输出功能，波形数据可以通过以太网预先发送到板卡上，存储到板卡里面的sd卡中，在需要输出的时候调用sd中的数据，写入波形缓存sram中，fpga通过读取sram中波形数据实时写入到dac中，最终实现波形的输出功能；
[0033]
信号发射装置的硬件原理框图如图2所示：主要由stm32单片机、以太网口、rs232接口、sd卡、fpga、dac、调理电路、模拟开关以及高压驱动电路等部分组成。
[0034]
发射装置内存储有波形数据，包括：stm32单片机、以太网口、rs232接口、sd卡、fpga、dac、调理电路、模拟开关以及高压驱动电路；stm32单片机实现了以太网通信、串口通信、sd读写访问以及通过fsmc总线与fpga之间读写访问等功能；fpga采用xilinx公司
spartan-3系列，主要实现fsmc总线时序、dds控制器、任意波形输出控制以及模拟开关控制等功能；调理电路主要是将dac产生的高速电流信号转换成电压信号，供后级电路进行选择与放大；高压放大电路主要将调理电路产生的10v以内的交流信号放大到-80～+80v范围的高压信号并输出；工控机读取采集到的信号数据文件并将那些分析对比，若采集到的数据与标定的数据差异超过阈值(可设定)将报警消息以json格式封装并以mqtt协议向服务器上报。若采集到的数据与标定的数据差异超过阈值，将报警消息以json格式封装并以mqtt协议向服务器上报。
[0035]
系统中的算法概述
[0036]
对存盘的数据进行算法分析，检测钢轨是否断轨。算法运用了数据对比、滤波模型(处理信号)，基于标定的基础信号数据判断尖轨、心轨是否断裂。
[0037]
系统中的算法模型定义
[0038]
传感器及轨旁设备安装好以后，通过信号发射装置和数据采集设备采集信号进行基础标定，确定当前尖轨、心轨的状态；
[0039]
通过连续多次的发射相同的信号，并进行高通滤波，和求均值确定一个准确的基础状态；
[0040]
标定信号确定以后，通过定期(可配置，最低1分钟)发射固定的信号并采集回收信号与基础信号进行对比；。
[0041]
新采集的信号与基础信号的相似性低于阈值(可配置)，则发财信息；
[0042]
系统中的算法实现过程：
[0043]
读入单次数据，进行理想高通滤波和频散计算，进行内存存储。；理想高通滤波：
[0044][0045]
连续重复多次信号数据，重复第一步，进行求均值，求均值过程中剔除多余异常的数据，采用均方差的方式
[0046][0047]
其中：observerd表示多长的平均值，predicted表示单次数据值；当mse大于0.5则进行剔除
[0048]
连续累计平常操过200次(默认，可配置)，累计得到基础的状态数据。n＝200
[0049]
基础模板数据smod＝sum(h(u,v)1,
…
h(u,v)200)/200；
[0050]
在监测过程中，采集的数据进行高通滤波，剔除异常的数据，与基础数据进行相关性比较得到r＝h(u,v)/smod。
[0051]
当小于阈值(可配置)是发出通过mqtt发出报警信息；通过主动信号发射的方式，能够解决需要列车激励的缺陷，通过设备自身发射信号，做到24小时进行在线监测；可通过调整阈值大小的方式做到精度对轨头贯穿、轨底贯穿和钢轨折断进行监测；设备自身发射的断轨监测信号是表面波的机械振动波信号，与天气等环境无关，与监测对象的本身材质和形状有关；解决了环境因素的影响；由于设备安装的时需要进行标定，解决了监测对象本身材质和形状带来的不确定性问题。
[0052]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。