一种火车动态称重方法及装置与流程

本发明涉及火车动态称重领域，特别是涉及一种火车动态称重方法及装置。

背景技术：

铁路运输是国民经济的大动脉，而运输安全又是铁路运输的重中之重。然而，由于经济利益的驱使，长期以来铁路货运车辆存在严重的超载、偏载等不合理运输的现象，列车长期处在超载与偏载状态下，将严重损坏铁路设施，缩短铁路的使用寿命，同时也会影响火车行车安全；又由于列车的车轮及轴受力不均，车轮踏面会出现不圆度、多边形化、裂纹等故障，这些故障会导致高频冲击振动，使钢轨垂向的冲击力增大，不但会降低列车的舒适性，产生较大的噪声，而且车轮及轴由于长期处于疲劳状态，断轴、切轴、爬轨和火车颠覆等事故常有发生。所以，火车称重及周期性地进行车轮踏面探伤以消除事故隐患，已经成为当今世界各国共同瞩目的重要问题。

目前使用最广泛的对铁路货车称重、超载、偏载情况的检测是基坑断轨式检测系统，该系统可以实现动态双向检测。但由于该系统断轨的特点，列车要限速通过，给铁路列车提速造成了很大的障碍，而且该系统安装复杂且成本较高。近几年来，对称重、超载与偏载的检测技术取得了一定的发展和成绩，尤其是应用了电应变式传感器计量理论研制的无基坑、不断轨式称重、超载与偏载检测系统实现了新的突破，计量速度和计量精度都在很大程度上得到了提高。然而，传统电应变式传感器，需要用不同的电式应变传感器分别对铁轨的不同部位进行检测，而且受到位置、时间等因素限制。同时当火车以大于60千米/小时的速度通过时，振动较大，影响测量的精度，另外传统电应变式传感器存在着灵敏度低和零点漂移大的问题，大应变状态下具有较大的非线性，还存在电磁干扰、耐腐蚀能力差、允许通过速度低等缺陷。

目前国内对火车轮踏面的检测很大程度上依赖于人工，检测技术落后，工作效率低，劳动强度大，并容易产生人为检测误差，无法快速、准确掌握轮对状态，同时不便于信息管理。另外一种对于车轮踏面探伤常用的方法是磁粉探伤法。磁粉探伤是一种探测工件表面缺陷的无损检测方法，其特点是灵敏度高，操作简单。但当用于检查车轮时，只能探测其表面极浅的范围，且判伤要靠人工进行，所以该方法仅适用于车轮的静态手工探伤。在车轮不解体的情况下，由于车轮被其他部件和铁轨底支遮挡，因此对车轮及其踏面进行完全的磁粉检查是不可能的。磁粉探伤法只适用于在车轮生产厂或较大的路内维修厂，对组装前或解体后的车轮的检验，一般用来检查轮辋和辅板的表面缺陷。

综上所述，以目前的技术来说，铁路车辆称重与车轮踏面探伤一般都是分开进行，且无法达到车辆快速动态称重和动态车轮踏面探伤，费时费力，且成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种火车动态称重方法及装置，以实现对火车实时动态快速称重的目的，并且在此称重过程中实现对火车进行实时车轮踏面探伤的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种火车动态称重方法，包括：

开启n个光纤光栅传感器组，所述n为正整数，每个所述光纤光栅传感器组包括四个光纤光栅传感器；所述光纤光栅传感器组以两个光纤光栅传感器为一组安装在铁轨底支的内外两侧；

当火车经过时，获取所述光纤光栅传感器组产生的波长偏移量；

将所述波长偏移量转换成火车载重信息；

判断所述火车载重信息是否符合火车载重限制条件，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述火车载重信息符合火车载重限制条件，则确定所述火车正常行驶；

若所述第一判断结果表示为所述火车载重信息不符合火车载重限制条件，则确定所述火车异常行驶。

可选的，所述若所述第一判断结果表示为所述火车载重信息不符合火车载重限制条件，具体包括：

所述火车载重信息包括轴重信息和车轮载重信息；

根据所述轴重信息计算得到火车载重量；

判断所述火车载重量是否超出预设的火车载重阈值，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示为所述火车载重量超出预设的火车载重阈值，则确定所述火车超载。

可选的，所述根据所述轴重信息计算得到火车载重量，之后还包括：

判断所述车轮载重信息是否超出预设的火车车轮载重阈值，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示为所述车轮载重信息超出预设的火车车轮载重阈值，则确定所述火车偏载。

可选的，所述开启n个光纤光栅传感器组之前，还包括：

开启光纤光栅触发传感组；所述光纤光栅触发传感组具有两个光纤光栅触发传感器，两个所述光纤光栅触发传感器分别安装在两条铁轨底支的内侧；

判断所述光纤光栅触发传感组是否接收到火车所产生的应力信号，得到第四判断结果；

若所述第四判断结果表示为所述光纤光栅触发传感组接收到火车所产生的应力信号，则开启n个光纤光栅传感器组。

可选的，所述将所述波长偏移量转换成火车载重信息之后，还包括：

根据所述波长偏移量生成车轮的振动波形；

判断所述振动波形的频率是否超过预设阈值，得到第五判断结果；

若所述第五判断结果表示为所述振动波形的频率超过预设阈值，

根据不同的振动波形确定车轮损伤的类型。

可选的，所述判断所述车轮载重信息是否符合火车载重限制条件之后，还包括：

获取所述光纤光栅传感器组采集信号的时间间隔；

获取相邻两个车厢的轴距信息；

根据所述时间间隔和所述轴距信息计算所述火车的行车速度。

一种火车动态称重装置，所述称重装置采用权利要求1的称重方法：包括：

开启n个光纤光栅传感器组，所述n为正整数，每个所述光纤光栅传感器组包括四个光纤光栅传感器；所述光纤光栅传感器组安装在两条铁轨底支的内外两侧；

当火车经过时，获取所述光纤光栅传感器组产生的波长偏移量；

将所述波长偏移量转换成火车载重信息；

根据所述火车载重信息计算得到火车载重量；

判断所述火车载重量是否超出预设的火车载重阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述火车载重量超出预设的火车载重阈值，则确定所述火车超载；

该称重装置，具体包括：宽带光源、光纤、耦合器、光探测器、分光器、解调装置、通信系统、数据处理中心、光纤光栅传感阵列；

所述宽带光源的输入端与所述数据处理中心相连，所述数据处理中心用来配置光源的参数；

所述宽带光源的输出端与所述耦合器的输入端通过光纤相连；

所述耦合器的耦合端与所述光纤光栅传感阵列通过所述光纤连接在一起；所述光纤光栅传感阵列由n个所述光纤光栅触发传感器、n个所述光纤光栅应变传感器、n个所述光纤光栅振动传感器组成；

所述耦合器的输出端与所述光探测器的输入端相连；

所述光探测器的输出端与所述分光器相连；

所述分光器的十八个输出通道分别连接在所述解调装置的输入通道，所述解调装置的输出通道通过所述通信系统与所述数据处理中心进行双向通信，实现传输数据和控制设备同时进行。

可选的，所述光纤光栅传感阵列具体包括：2个光纤光栅触发传感器、8个光纤光栅应变传感器、8个光纤光栅振动传感器；

所述光纤光栅触发传感器、所述光纤光栅应变传感器和所述光纤光栅振动传感器之间通过光纤进行连接。(每相邻的两个光纤光栅传感器)

可选的，所述光纤光栅传感阵列具体包括：

2个所述光纤光栅触发传感器分别安装在两条铁轨底支的内侧，构成启动装置；

每2个所述光纤光栅应变传感器为一组，一个所述光纤光栅应变传感器安装在一条铁轨底支外侧，另一个所述光纤光栅应变传感器安装在另一条铁轨底支的外侧，两个所述光纤光栅应变传感器的连线垂直于其中一条铁轨；

每2个所述光纤光栅振动传感器为一组，一个所述光纤光栅振动传感器安装在一条铁轨底支内侧，另一个所述光纤光栅振动传感器安装在另一条铁轨底支的内侧，两个所述光纤光栅振动传感器的连线垂直于其中一条铁轨。

可选的，所述光纤光栅传感阵列具体包括：

所述光纤光栅应变传感器和所述光纤光栅振动传感器之间的连线垂直于其中一条铁轨。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明利用光纤光栅触发传感器判断是否有火车经过，利用光纤光栅应变传感器对火车进行高速动态称重，判断火车是否出现超载或偏载的现象，利用光纤光栅振动传感器实现对火车车轮踏面检测和损伤踏面定位，还能根据多个光纤光栅振动传感器所返回的信息对火车的行驶速度进行实时测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例称重方法流程图；

图2为本发明实施例称重装置结构图；

图3为本发明实施例单个光纤光栅传感器安装剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种火车动态称重方法及装置，能够实现对火车实时动态快速称重的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例称重方法流程图，如图1所示，一种火车动态称重方法，包括：

步骤101：开启n个光纤光栅传感器组，所述n为正整数，每个所述光纤光栅传感器组包括四个光纤光栅传感器；所述光纤光栅传感器组以两个光纤光栅传感器为一组安装在铁轨底支的内外两侧，所述光纤光栅传感器具体包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅振动传感器；

步骤102：当火车经过时，获取所述光纤光栅传感器组产生的波长偏移量；

步骤103：将所述波长偏移量转换成火车载重信息；

步骤104：判断所述火车载重信息是否符合火车载重限制条件，若是，执行步骤105，若否执行步骤106；

步骤105：确定所述火车正常行驶；

步骤106：确定所述火车异常行驶。

其中，步骤104具体利用如下方法进行判断火车载重信息是否符合火车载重限制条件：所述火车载重信息包括轴重信息和车轮载重信息；根据所述轴重信息计算得到火车载重量；判断所述火车载重量是否超出预设的火车载重阈值，若是，则确定所述火车超载；判断所述车轮载重信息是否超出预设的火车车轮载重阈值，若是，确定所述火车偏载。

本发明是通过解调出光纤光栅应变传感器产生的波长偏移量，并通过集成了算法的软件分析系统将上述波长偏移量转换成轴重信息和每个车轮载重信息，四个轴重信息叠加可以测量出火车载重，从而判断火车是否超载或偏载。

采用本发明上述称重方法，能够实现高速动态称重，要求火车速度不高于150km/h即可，使得本发明装置对铁路交通影响很小，提升运输效率，不受位置、时间等因素限制，能够动态测量出火车是否存在超载、偏载的问题。

在实际应用中，在所述开启n个光纤光栅传感器组之前，首先开启光纤光栅触发传感组；所述光纤光栅触发传感组具有两个光纤光栅触发传感器，两个所述光纤光栅触发传感器分别安装在两条铁轨底支的内侧；当光纤光栅触发传感组接收到火车经过所产生的应力信号时，表示火车将要驶入测试区域，则开启n个光纤光栅传感器组，当光纤光栅触发传感组没有感受到信号时，整个光纤光栅传感装置不工作，能够增加本发明中各个光纤光栅传感器以及装置的使用寿命。

在实际应用中，在所述将所述波长偏移量转换成火车载重信息之后，还包括：根据所述波长偏移量生成车轮的振动波形；根据不同的振动波形确定车轮损伤的类型。

本发明是根据光纤光栅振动传感器产生的波长偏移量，通过集成了算法的软件分析系统将上述波长偏移量转换成振动波形，利用振动的频率是否超出判定阈值来进行车轮探伤，根据不同的振动波形确定车轮损伤的类型。

在实际应用中，在所述判断所述车轮载重信息是否超出火车车轮载重标准之后，还包括：获取所述光纤光栅传感器组采集信号的时间间隔；获取相邻两个车厢的轴距信息；根据所述时间间隔和所述轴距信息计算所述火车的行车速度。

具体的，当车轮经过光纤光栅振动传感器时，光纤光栅传感器采集信号，当车轮不经过光纤光栅振动传感器时，光纤光栅传感器不采集信号，所以可以根据采集到的信号的时间间隔，再结合轴距信息计算出火车的行车速度。

图2为本发明实施例称重装置结构图，如图2所示，一种火车动态称重装置，具体包括：宽带光源1、光纤2、光纤光栅传感阵列3、耦合器4、光探测器5、分光器6、解调装置7、通信系统8、数据处理中心9；

所述宽带光源1的输入端与所述数据处理中心9相连，所述数据处理中心9用来配置光源的参数；所述宽带光源1的输出端与所述耦合器4的输入端通过光纤2相连；所述耦合器4的耦合端与所述光纤光栅传感阵列3通过所述光纤2连接在一起；所述光纤光栅传感阵列3由n个所述光纤光栅触发传感器、n个所述光纤光栅应变传感器、n个所述光纤光栅振动传感器组成；所述耦合器4的输出端与所述光探测器5的输入端相连；所述光探测器5的输出端与所述分光器6相连；所述分光器6的十八个输出通道分别连接在所述解调装置7的一端，所述解调装置7的另一端通过所述通信系统8与所述数据处理中心9进行双向通信，实现传输数据和控制设备的同时进行。

本发明中的称重装置为便携式设备，不受场地限制，对铁轨无任何影响，方便维护和管理；能够实现高速动态称重，对铁路交通影响甚小；同时本发明装置不仅可以动态称重，还可以实现动态车轮踏面探伤，更加保障铁路行车安全；本发明装置的解调仪属于高速解调仪，可以同时测量和解调多个物理参数，包括火车重量、偏载情况，车轮踏面裂纹、不圆度、多边形化等损伤，火车轴距、运行速度等参数，实用性强，性价比高，并且解调仪中嵌有通讯模块，可以实时传输测量信息；该装置安装和拆除非常快速方便，只需要一个工作人员即可，大大节约了人力；该装置的软件分析系统能够实时分析测量到的各种物理量，并将分析结果实时地传送给列车控制中心，以便列车控制中心及时地进行火车管理和控制；装置能够有效降低甚至消除因温度和车辆运行速度为测量其余参数所带来的影响。

在实际应用中，所述光纤光栅传感阵列具体包括：2个光纤光栅触发传感器、8个光纤光栅应变传感器、8个光纤光栅振动传感器；所述光纤光栅触发传感器、所述光纤光栅应变传感器和所述光纤光栅振动传感器之间通过光纤进行连接，每相邻的两个光纤光栅传感器可以串接复用在一根光纤上；2个所述光纤光栅触发传感器分别安装在两条铁轨底支的内侧，构成启动装置；每2个所述光纤光栅应变传感器为一组，一个所述光纤光栅应变传感器安装在一条铁轨底支外侧，另一个所述光纤光栅应变传感器安装在另一条铁轨底支的外侧，两个所述光纤光栅应变传感器的连线垂直于其中一条铁轨；每2个所述光纤光栅振动传感器为一组，一个所述光纤光栅振动传感器安装在一条铁轨底支内侧，另一个所述光纤光栅振动传感器安装在另一条铁轨底支的内侧，两个所述光纤光栅振动传感器的连线垂直于其中一条铁轨；所述光纤光栅应变传感器和所述光纤光栅振动传感器之间的连线垂直于其中一条铁轨；每2个对称的所述光纤光栅应变传感器和每2个对称的所述光纤光栅振动传感器形成一个光纤光栅传感器组；每相邻的两个光纤光栅传感器组之间的距离等于所述火车车厢相邻两个轮轴之间的间距。

其中，光纤光栅传感器3-1、3-2、……、3-17和3-18构成光纤光栅传感阵列；光纤光栅传感器3-1、3-2是两个光纤光栅触发传感器，用来作为启动装置安装在检测区域的开端；光纤光栅传感器3-3、……、3-10是光纤光栅应变传感器，用来对火车进行高速动态称重；光纤光栅传感器3-11、……、3-18是光纤光栅振动传感器，用来实现车轮踏面检测和损伤踏面定位，还可以实现对火车行驶速度的测量。这十八个光纤光栅传感器构成本发明的检测区域，其特征在于它们具有不同的反射波长，优选的，检测区域可以等于火车全部车厢的长度。

光纤光栅触发传感器3-1和3-2以对称的形式夹在左右铁轨11底支部分的内侧，构成启动装置，光纤光栅应变传感器3-3和3-7以对称形式夹在左右铁轨底支部分的外侧，光纤光栅振动传感器3-11和3-15以对称形式夹在与3-3和3-7对应位置的左右铁轨底支部分的内侧，它们构成第一个光纤光栅传感器组，同理，3-4，3-8，3-12，3-16构成第二个光纤光栅传感器组，3-5，3-9，3-13，3-17构成第三个光纤光栅传感器组，3-6，3-10，3-14，3-18构成第四个光纤光栅传感器组，每相邻两个光纤光栅传感器组之间的距离为整个车厢每相邻两个轮轴10之间的间距。

具体操作步骤：

1)按照要求安装好光纤光栅传感器阵列，数据处理中心9控制高速解调仪的光源按特定采样频率发出光波；

2)当火车经过时，光纤光栅传感器阵列采集数据，每个光纤光栅传感器将采集到的信息(波长偏移量)经过光纤2反射回高速解调仪的解调转置7中；

3)解调装置7可以实时解调出光纤光栅传感阵列中每个光纤光栅应变传感器反射回来的波长偏移量，并通过集成了算法的软件分析系统将波长偏移量转换成轴重信息和每个车轮载重信息。四个轴重信息叠加可以测量出火车载重，对比火车车载重标准来判断火车是否超载，每个车轮载重信息可以用来判断火车是否偏载。

4)解调装置7可以实时解调出光纤光栅传感阵列中每个光纤光栅振动传感器反射回来的波长偏移量，并通过集成了算法的软件分析系统将波长偏移量转换成每个车轮的振动波形，根据振动的频率是否超过判定阈值来进行车轮探伤，不同的振动波形可以代表不同的车轮损伤，以此来判断车轮损伤的类型；当车轮经过光纤光栅振动传感器时，光纤光栅传感器采集信号，当车轮不经过光纤光栅振动传感器时，光纤光栅传感器不采集信号，所以可以根据采集到的信号的时间间隔，再结合轴距信息计算出火车的行车速度。

5)解调后的信息可以通过通信系统8实时地传送至列车控制中心的数据处理中心9，实现远程控制和管理；

6)数据处理中心9中有我们自主开发的软件系统，能够对高速解调仪采集到的信息实时分析处理，此软件系统操作简单，工作人员能够快速掌握其用法，从而准确检测和称重被测量是否在正常范围内，方便指导现场作业人员采取相应措施。

图3为本发明实施例单个光纤光栅传感器安装剖面图，如图3所示，铁轨11、支撑底座12、可旋转螺丝13；

所述支撑底座12具有大小两个凹槽；大凹槽与所述铁轨底支相匹配，小凹槽用于固定光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅触发传感器、光纤光栅应变传感器以及光纤光栅振动传感器；所述支撑底座上部具有圆孔，用于所述可旋转螺丝13固定所述铁轨11的底支。

以单铁轨底支内外侧都安装光纤光栅传感器的情况(比如3-3和3-11)为例，如图3所示，此处的铁轨底支是图2中铁轨11的剖面图。此图将光纤光栅传感器3-3，……，3-18统称为光纤光栅传感器3，12是光纤光栅传感器3的支撑底座，用来保护和固定光纤光栅传感器3，13是一个可旋转螺丝，它用来将装有光纤光栅传感器3的底座12固定在铁轨11的底支部分，支撑底座12与可旋转螺丝13构成一个类似于夹具的工具，用来将光纤光栅传感器3与铁轨11的底支紧密贴合在一起，同时方便拆装，内外侧安装光纤光栅传感器的方法一致。对于光纤光栅触发传感器3-1或3-2的安装方法可以参照图3中的方法，但只选择在铁轨底支内侧安装即可。

此安装方式能够更便捷的安装或拆卸光纤光栅传感器，相比于现有技术中成本高，功能单一的探伤方法或装置来说，更方便携带，节约人力，实时解调和传输测量到的信息至列车控制中心，极大程度上保障列车行车安全。

在实际应用中，所述光纤光栅传感阵列安装在火车铁轨底支上，所述宽带光源、所述耦合器、所述光探测器、所述分光器、所述解调装置、所述通信系统以及所述数据处理中心不在现场安装。

在实际生活中，普通车厢有两个转向架，四个轮对，所以一节车厢共有八个轮子。每个轮子底部的铁轨底支上都安装有一对光纤光栅传感器，分别是光纤光栅应变传感器和光纤光栅振动传感器，因此可实现八个轮重和车轮状况的同时测量。当车辆从左至右行驶时，即将到达检测区域时，通过最前面的一对光纤光栅触发传感器3-1和3-2感受到应力信号，使系统得知车辆将要经过检测区域，然后其它四个光纤光栅传感器组中的光纤光栅传感器开始工作，对车辆经过时的铁轨底支应变和振动进行实时检测，每一对光纤光栅振动传感器会连续采集所经车轮的踏面振动信息，四对光纤光栅振动传感器的检测区域可以覆盖整节车厢所有车轮的踏面，将所有的振动信息融合后可以实现车轮踏面探伤；当最后两对光纤光栅应变传感器感受到应变信号时，说明整节车厢恰好与检测区域重合，此刻四对光纤光栅应变传感器同时测量应变信息，实现八个轮重同一时间测得。当光纤光栅触发传感器没有感受到信号时，整个光纤光栅传感系统不工作，这样可以增加我们装置的使用寿命。

高采样频率解调装置，是实现动态称重和振动测量的根本。车轮探伤可以根据客户需求定期检测，无需每次都进行探伤检测，以此来增加光纤光栅振动传感器的使用寿命。

本发明能够实现高速动态称重，同时集车轮探伤等多种功能于一体；便携式设备，方便拆装，节约人力；实时解调和传输测量到的信息至列车控制中心，极大程度上保障列车行车安全。

本申请针对现有技术中的问题能够实现如下技术效果：

1)针对现有技术中成本高的问题

本发明的核心部件包含数个光纤光栅传感器和一个高速多通道解调仪，成本低，使用寿命长，基本无需后期维护。安装快速方便，节约人力成本。

2)针对现有技术中功能单一的问题

本发明集多种功能于一体，包括能够同时动态测量火车称重，超载，偏载，车轮探伤，火车速度测量等信息。

3)针对现有技术中非便携式问题

本发明是便携式设备，方便拆装，便于维护和管理，应用场合不局限。

4)针对无法实现高速动态称重问题

本发明中的解调仪是高速多通道解调仪，采样频率可以根据实际需求进行调整，高采样频率结合可以达到实时性的解调算法可以很好地实现高速动态称重问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。