专利名称：基于超声导波与无线网络的高铁轨道健康监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁路安全监测与防护技术领域的系统，具体是一种基于超声导波与无线网络的高铁轨道健康监测系统。
背景技术：
我国高铁技术迅速发展极大方便了旅客的出行，带动了经济的发展，缓解了我国的客流压力。列车速度及客流量的日渐增加，对高铁轨道的健康状态监测和维护方式提出了新的挑战。高速铁路轨道是高铁工程中大型关键结构之一。轨道的机械性能将对列车运行质量产生直接的影响。由于制造、安装、磨损、疲劳、冲击、破坏等引起的腐蚀和疲劳等损伤将破坏轨道的完整性，甚至会产生灾难性的后果。近年来，国内外高铁事故频发，安全监控成为高速铁路建设的一个重大课题。在高速铁路轨道服役过程中，及时检测出轨道内部或表面损伤(例如疲劳裂纹等)，可以极大地提高和保障轨道和高速列车运行过程中的安全性。因此，研究并应用新的高速铁路轨道损伤检测技术，对高速铁路迅速发展的我国具有重要的社会意义和经济价值。
目前我国对于轨道的探伤主要依靠检测速度较慢的轨道探伤车(低于100公里/ 小时)和一些人工检查。国内外的轨道探伤车都采用超声波探伤技术，对于高铁(250-350公里/小时)轨道的检测，这种探伤车存在着以下两种弊端1)不能稳妥地检测到路轨表面的小尺寸裂纹(小于4_)，尤其是检测不到早期疲劳裂纹；2)低速探伤车对高铁轨道的占用， 严重的影响了列车的运行效率。因此，这种检测方法已经无法满足高铁轨道的检测要求。
基于超声导波的损伤检测技术是一种可以实现实时、在线的无损检测技术。超声导波可以在被检测结构中低衰减、远距离地传播且对结构的微小损伤和初始损伤较为敏感。由于超声波在轨道中传播的特点，对检测轨道疲劳裂纹和其他内部缺陷具有灵敏度高、 检测速度快、定位准确等优点，除此之外，利用基于导波的损伤检测技术可以实时、在线的监测高铁轨道的健康状况，并给与实时的有效反馈，有效的降低轨道的维护成本和提高高铁的可靠性。因此基于导波的损伤检测技术在高铁轨道的结构健康性监测中有很好的应用前景。另一方面，高铁中使用的是无缝轨道，这也为基于导波的损伤检测技术在高铁轨道中的应用提供了可能。发明内容
本发明针对现有检测技术中的不足，提出了一种基于超声导波和无线网络的高铁轨道健康监测系统，该系统能实时将高铁轨道损伤情况进行监测并实时传送给高铁驾驶员，提高汽车行驶的安全性和对高铁轨道微小损伤的检测能力。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括无线网络传输模块、超声导波激励模块、超声导波信号接收和存储模块、车载中心处理与决策模块。其中无线网络传输模块负责向超声导波激励模块发送由车载中心处理与决策模块发出的检测指令，并将来自于超声导波信号接收和存储模块接收的导波信号反馈回车载中心处理与决策模块；超声导波激励模块在接收到检测指令后，在高铁轨道中激励出超声导波，超声导波通过波导介质(高铁轨道)将导波信号传输到超声导波信号接收和存储模块；超声导波信号接收和存储模块接收波导介质中的超声导波，将超声导波模拟信号数字化，并将数字化的超声导波进行存储，然后将超声导波信号通过无线网络传输模块传输给车载中心处理和决策模块；车载中心处理与决策模块一方面通过无线传输模块对超声导波激励模块发送检测指令；另一方面对超声导波信号接收和存储模块反馈的超声导波信号进行滤波和Hilbert变换，提取超声导波到的波包特征，判断波包的属性，并与车载中心处理和决策模块内部数据库中无损伤情况下的波形情况进行比较，判断高铁轨道中是否存在损伤以及损伤的严重程度，并将轨道损伤情况报告显示于列车终端，提示高铁列车驾驶员采取相应的行驶举措。
进一步的，所述超声导波激励模块，包括语音指令接收器、数/模转换器、信号放大器和压电晶片激励器，其中语音指令接收器接收通过无线网络传输模块传输而来的、 由车载中心处理与决策模块发出的语言指令，并将接收到的语音指令传输到数/模转换器中；数/模转换器中预先存储具有固定频率的数字激励波信号，当数/模转换器接收到来自于语音指令接收器的语音指令后，对存储在其内部的数字激励波信号进行数/模转换，并将模拟激励波信号传输给信号放大器；信号放大器负责将数/模转换器传输的模拟激励波信号放大，使之满足激励信号电压幅值的要求，并将放大后的激励波模拟量电压施加在压电晶片激励器；压电晶片激励器粘贴在高铁轨道非工作表面上，负责在高铁轨道中激励出超声导波。
更进一步的，所述数字激励波信号，是根据轨道的结构形式，材料属性以及导波的频散特性等影响因素，优化选择后的窗函数和激励波形，其频率为IOkHf200kHz。
进一步的，所述超声导波信号接收和存储模块，包括压电晶片接收器、单通道数据采集器和数据缓存器，其中压电晶片接收器粘贴在高铁轨道非工作面上，距离压电晶片激励器一定距离，此距离在超声导波信号衰减的范围内，负责接收由高铁轨道传输而来的超声导波，并将超声导波传到单通道数据采集器；单通道数据采集器负责将压电晶片接收器传输的超声导波信号数字化，并将数字化的超声导波传输到数据缓存器；数据缓存器负责存储单通道数据采集器传输的超声导波数字信号，并利用无线网络传输模块将超声导波信号反馈回车载中心处理与决策模块。
进一步的，所述车载中心处理与决策模块，包括检测指令发生模块，数字信号处理模块和高铁轨道损伤程度决策模块，其中检测指令发生模块用于生成相应检测路段的指令信息，指令信息包括与检测路段对应的超声导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块的编号，激励超声导波的波形信息以及数据采集的采样信息等；数字信号处理模块接收来自于数据缓存器的超声导波信号，利用存储在数字信号处理模块的滤波和Hilbert包络算法，对超声导波信号进行滤波和求包络处理，提取超声导波到的波包特征，判断波形信号中波包的属性；通过获取接收到的超声导波信号中首波包的到达时间，利用超声导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块之间的实际距离除以该到达时间，可以得到在高铁轨道中导波的实际传播速度；利用存储于车载中心处理和决策模块内部数据库中无损伤情况下的波形信息进行比较，提取出接收到的波形信号中的损伤特征，通过高铁轨道损伤程度决策模块判断高铁轨道中是否存在损伤以及损伤的严重程度，利用导波模态的实际速度与损伤波包的到达时间相乘，并对损伤的位置进行评估，形成的轨道损伤情况报告显示于列车终端显示器，提示高铁列车驾驶员采取相应的行驶举措，并将报告信息存储于车载中心处理与决策模块中的数据库中，为后续的轨道维修及预警工作提供理论支持。
更进一步的，所述检测指令发生模块，其中超声导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块的编号通过设定的编码方式对路线中的导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块进行编号，存储于车载中心处理与决策模块的数据库中，该信息与线路中的路段信息一一对应，可以定位导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块的具体位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是
I)由于超声导波可以在轨道结构中低衰减、远距离地传播，因此可以对轨道结构的安全性进行快速的检测；超声导波监测模态的传播速度一般为5000m/s，远远高于高铁的行驶速度；
2)由于超声导波对微小损伤比较敏感，可以检测出高铁轨道结构中出现的微小损伤；
3)本发明采用贴片式压电晶片传感器分别作为超声导波的压电晶片激励器和压电晶片接收器，因此，只需要将压电晶片激励器和压电晶片接收器粘贴在高铁轨道相应的非工作面即可实现硬件的安装，勿须对在用的高铁轨道进行结构上的改变；
4)本发明中导向波信号的激励波可以根据需要随时发送，因此可以实时检测前方道路上轨道的损伤情况，从而使高铁列车驾驶员实时了解前方的路况，并将损伤信息进行反馈对损伤路段进行及时维护；
5)本发明基于超声导波与无线网络的高铁轨道损伤监测与识别系统具有高铁轨道损伤实时检测功能，因此可以在高铁轨道出现损伤的初期检测出隐藏在高铁轨道内部的裂纹等损伤，避免高铁轨道由于损伤累积出现突然断裂，从而提高了高铁行驶的安全性；
6)本发明采用技术成熟的无线网络技术，便于组见传感器和信息传输网络。
图I是本发明系统的示意图2是本发明的系统实施流程示意图3是本发明的系统实施流程图4是本发明的超声导波激励模块的结构框图5是本发明的超声导波信号接收和存储模块的结构框图6是本发明的车载中心处理与决策模块的结构框图7是本发明的轨道中有损伤和无损伤时的压电晶片传感器信号对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例以发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2、3所示，本实施例包括无线网络传输模块、超声导波激励模块、超声导波信号接收和存储模块、车载中心处理与决策模块，其中无线网络传输模块负责向超声导波激励模块传输由车载中心处理与决策模块发出的检测指令；超声导波激励模块接收到来自于车载中心处理与决策模块的语音指令后产生激励波，并将激励波发射到高铁轨道，在高铁轨道中产生弹性波并将超声导波传输到超声导波信号接收和存储模块中；超声导波信号接收和存储模块接收到在高铁轨道中产生的超声导波信号，并将超声导波数字化后存储，然后将超声导波信号利用无线网络传输模块反馈给车载中心处理与决策模块；车载中心处理与决策模块对超声导波信号接收和存储模块传输的超声导波信号进行滤波和求包络，提取超声导波到的波包特征，判断波形信号中波包的属性，获得到在高铁轨道中导波的实际传播速度，利用存储于车载中心处理和决策模块数据库中无损伤情况下的波形信息进行比较，提取出接收到的波形信号中的损伤特征，通过高铁轨道损伤程度决策模块，对损伤进行识别、定位与评估，该轨道损伤情况报告显示于列车终端显示器，提示高铁列车驾驶员采取相应的行驶举措，并将报告信息存储于车载中心处理与决策模块中的数据库中，方便后续的轨道维修及预警工作。
如图4所示，所述入超声导波激励模块，包括语音指令接收器、数/模转换器、信号放大器和压电晶片激励器，语音指令接收由车载中心处理与决策模块发出的语言指令， 并将接收到的语音指令传输到数/模转换器中，数/模转换器中预先存储具有固定频率的数字激励波信号，当数/模转换器接收到来自于语音指令接收器的语音指令后，对存储在其内部的数字激励波信号进行数/模转换，并将模拟激励波信号传输给信号放大器；信号放大器负责将数/模转换器传输的模拟激励波信号放大，使之满足激励信号电压幅值的要求，并将放大后的激励波模拟量电压施加在压电晶片激励器；压电晶片激励器粘贴在高铁轨道的非工作面上，利用压电晶片激励器在高铁轨道结构中激励出超声导波。
如图5所示，所述超声导波信号接收和存储模块，包括压电晶片接收器、单通道数据采集器和数据缓存器，压电晶片接收器安装在选好的高铁轨道非工作面上，距离压电晶片激励器一定距离(此距离在超声导波信号衰减的范围内)，负责接收由高铁轨道传输而来的超声导波，并将超声导波传到单通道数据采集器；单通道数据采集器负责将压电晶片接收器传输的超声导波信号数字化，并将数字化的超声导波传输到数据缓存器；数据缓存器负责存储单通道数据采集器传输的超声导波数字信号，并利用无线网络传输模块将超声导波信号反馈回车载中心处理与决策模块。
如图6所示，车载中心处理与决策模块，包括检测指令发生模块，数字信号处理模块和高铁轨道损伤程度决策模块，其中检测指令发生模块用于生成相应检测路段的指令信息，指令信息包括与检测路段对应的超声导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块的编号，激励超声导波的波形信息以及数据采集的采样信息等；数字信号处理模块接收来自于数据缓存器的超声导波信号，利用存储在数字信号处理模块的滤波和Hilbert包络算法，对超声导波信号进行滤波和求包络处理，提取超声导波到的波包特征，判断波形信号中波包的属性。获取超声导波在高铁轨道中导波的实际传播速度。当高铁轨道中存在损伤时，在超声导波信号接收和存储模块获取到的超声导波信号中，损伤特征会以波包的形式出现。因此利用存储于车载中心处理和决策模块内部数据库中无损伤情况下的波形信息进行比较，提取出接收到的波形信号中的损伤特征，通过高铁轨道损伤程度决策模块判断高铁轨道中是否存在损伤以及损伤的严重程度，利用导波模态的实际速度与损伤波包的到达时间相乘，并对损伤的位置进行评估。将轨道损伤情况报告显示于列车终端显示器，提示高铁列车驾驶员采取相应的行驶举措，并将报告信息存储于车载中心处理与决策模块中的数据库中，为后续的轨道维修及预警工作提供理论支持。
本实施例工作时，车载中心处理与决策模块通过无线网络传输模块向超声导波激励模块发出语音指令，要求得到高铁轨道的损伤情况报告，超声导波激励模块中的语音指令接收器接收来自于车载中心处理与决策模块的语音指令后，将该指令传输给数/模转换器，数/模转换器中预先嵌入了 IOOkHz的激励波信号的数字量，当接收到来自于语音指令接收器检测指令后，数/模转换器将预先嵌入起内部的激励波信号数字量模拟化，转换成 IOOkHz的超声导波激励信号，激励信号被输入到信号放大器，经过信号放大器放大后，激励波信号变成可以施加在压电晶片激励器上的激励电压，压电晶片激励器将激励波信号入射到高铁轨道中，如图I所示；由于受到激励波的激励作用，超声导波在高铁轨道中被激发， 并在高铁轨道中传播，当在高铁轨道中的超声导波传播到压电晶片接收器时，压电晶片接收器产生和高铁轨道同步的变形，将超声导波转换成模拟信号，该信号被输入到单通道数据采集器，从而将这些弹性波模拟信号数字化后输送到数据缓存器中，如图5所示；超声导波信号采集完毕后，数字化的超声导波信号由数据缓存器，通过无线网络传输模块反馈回车载中心处理与决策模块，车载中心处理与决策模块接收到来自与数据缓存器的超声导波数字信号，利用小波变换对信号进行降噪和滤波预处理后，处理过的信号经过Hilbert变换，得到信号的包络，进而获得波从激励器到接收器的传播时间，再利用压电晶片激励器与压电晶片接收器之间的距离，计算弹性波在摩擦片当前状况下的实际传播速度(对于高铁轨道结构，超声导波的传播速度为5000m/s左右)。当高铁轨道中存在损伤时，如图I所示， 在超声导波信号接收和存储模块获取到的超声导波信号中，损伤特征会以波包的形式出现，如图7所示。通过对比车载中心处理和决策模块内部数据库中无损伤情况下的波形信息，可以提取出波形信号中的损伤特征，如图7中的1，2，3波包。通过这些损伤特征，可以获得损伤的类型、相对大小以及大致位置。将关于图I中的损伤信息存储于车载中心处理与决策模块，并将这些损伤评估信息显示于列车终端显示器，提示高铁列车驾驶员采取相应的行驶举措。
本实例利用弹性波在高铁轨道中的传播特性以及结构中存在损伤时对超声导波传播特性的影响，及时地将高铁轨道的损伤情况利用无线网络技术反馈给高铁驾驶员，达到实时监测高铁线路路况的目的，提高了高铁行驶的安全性，增加了高铁轨道维护的便利性，提高了检测速度，降低了因检测而占用高铁轨道的时间。除此以外，对高铁轨道中出现的微小损伤能够及时获取并预警，这将大大提高高铁铁轨监测的实时性，以及高铁运行的平顺性与安全性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种基于超声导波与无线网络的高铁轨道健康监测系统，其特征在于包括无线网络传输模块、超声导波激励模块、超声导波信号接收和存储模块、车载中心处理与决策模块，其中 无线网络传输模块负责向超声导波激励模块发送由车载中心处理与决策模块发出的检测指令，并将来自于超声导波信号接收和存储模块接收的导波信号反馈回车载中心处理与决策模块； 超声导波激励模块在接收到检测指令后，在高铁轨道中激励出超声导波，超声导波通过波导介质将导波信号传输到超声导波信号接收和存储模块； 超声导波信号接收和存储模块接收波导介质中 的超声导波，将超声导波模拟信号数字化，并将数字化的超声导波进行存储，然后将超声导波信号通过无线网络传输模块传输给车载中心处理和决策模块； 车载中心处理与决策模块一方面通过无线传输模块对超声导波激励模块发送检测指令；另一方面对超声导波信号接收和存储模块反馈的超声导波信号进行滤波和Hilbert变换，提取超声导波到的波包特征，判断波包的属性，并与车载中心处理和决策模块内部数据库中无损伤情况下的波形情况进行比较，判断高铁轨道中是否存在损伤以及损伤的严重程度，并将轨道损伤情况报告显示于列车终端，提示高铁列车驾驶员采取相应的行驶举措。
2.根据权利要求I所述的基于超声导波与无线网络的高铁轨道损伤监测与识别系统，其特征是，所述车载中心处理与决策模块包括检测指令发生模块，数字信号处理模块和高铁轨道损伤程度决策模块；其中 检测指令发生模块用于生成相应检测路段的指令信息，指令信息包括与检测路段对应的超声导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块的编号，激励超声导波的波形信息以及数据采集的采样信息； 数字信号处理模块接收来自于数据缓存器的超声导波信号，对超声导波信号进行滤波和求包络处理，提取超声导波到的波包特征，判断波形信号中波包的属性，同时获取高铁轨道中超声导波的实际传播速度，利用存储于车载中心处理和决策模块内部数据库中无损伤情况下的波形信息进行比较，提取出接收到的波形信号中的损伤特征； 高铁轨道损伤程度决策模块根据损伤特征判断高铁轨道中是否存在损伤、损伤程度，利用导波模态的实际速度与损伤波包的到达时间相乘对损伤的位置进行评估，形成的轨道损伤情况报告显示于列车终端显示器，提示高铁列车驾驶员采取相应的行驶举措，并将报告信息存储于车载中心处理与决策模块中的数据库中，为后续的轨道维修及预警工作提供便利。
3.根据权利要求2所述的基于超声导波与无线网络的高铁轨道损伤监测与识别系统，其特征是，所述检测指令发生模块，其中超声导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块的编号，通过设定的编码方式对路线中的导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块进行编号，存储于车载中心处理与决策模块的数据库中，该信息与线路中的路段信息一一对应，可以定位导波激励模块和超声导波信号接收和存储模块的具体位置。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于超声导波与无线网络的高铁轨道健康监测系统，其特征是，所述超声导波激励模块包括语音指令接收器、数/模转换器、信号放大器和压电晶片激励器；其中语音指令接收器接收来自于车载中心处理与决策模块的语音指令，并将接收到的语音指令传输到数/模转换器中； 数/模转换器中预先存储具有固定频率的数字激励波波形信息，当数/模转换器接收到来自于语音指令接收器的语音指令后，将存储在其内部的数字激励波形信息转换为模拟超声导波信号，并将模拟超声导波信号传输给信号放大器； 信号放大器负责将数/模转换器传输的模拟超声导波信号放大，并传输给压电晶片激励器； 压电晶片激励器粘贴在高铁轨道非工作表面上，负责在高铁轨道中激励出超声导波。
5.根据权利要求4所述的基于超声导波与无线网络的高铁轨道损伤监测与识别系统，其特征是，其特征是，所述数字激励波信号，其频率为IOkHf200kHz。
6.根据权利要求1-3任一项所述的基于超声导波与无线网络的高铁轨道损伤监测与识别系统，其特征是，所述超声导波信号接收和存储模块，包括压电晶片接收器、单通道数据采集器和数据缓存器，其中 压电晶片接收器粘贴在高铁轨道非工作面上，距离压电晶片激励器一定距离，此距离 在超声导波信号衰减的范围内，负责接收由高铁轨道传输而来的超声导波，并将超声导波传到单通道数据采集器； 单通道数据采集器负责将压电晶片接收器传输的超声导波信号数字化，并将数字化的超声导波传输到数据缓存器； 数据缓存器负责存储单通道数据采集器传输的超声导波数字信号，并利用无线网络传输模块将超声导波信号反馈回车载中心处理与决策模块。
全文摘要
本发明公开一种基于超声导波与无线网络的高铁轨道健康监测系统，其中车载中心处理与决策模块通过无线网络传输模块向超声导波激励模块发送检测指令，超声导波激励模块产生激励波，在轨道中产生超声导波并传输到超声导波信号接收和存储模块，该接收和存储模块将超声导波信号数字化后存储并传输给车载中心处理与决策模块，对超声导波信号进行滤波和求包络处理，提取超声导波到的波包特征，判断波形信号中波包的属性以及实际波速，与数据库中无损情况信息进行对比，提取出波形信号中的损伤特征，判断高铁轨道中是否存在损伤、损伤程度以及对损伤的位置进行评估。本发明提高了检测速度和对轨道微小损伤的检测能力，降低了占用高铁线路的时间。
文档编号G01N29/07GK102923164SQ20121034244
公开日2013年2月13日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者李富才, 孙学伟 申请人:上海交通大学