本发明属于地铁隧道工程技术领域，具体涉及一种用于地铁刚性接触网支架松动在线监测的智能监测装置、在线监测系统及其方法。
背景技术：
承载高压接触网的支架，在列车长期往复运行带来的振动和列车活塞风的双重作用下，其安装紧固状况具有很大的松动故障风险。现阶段，常规的接触网支架布置密集、距离长，其安装支架的松动没有有效的在线监测手段，一般依靠人工定期的巡查，根据标记相对位置判断是否存在位移，巡检效率低、易遗漏。公开号为cn106017541的发明专利申请提出一种地铁接触网支架松动的在线监测装置及方法，其包括光纤传感动态分析仪、传输光纤和设置于每一个接触网与隧道顶部之间的接触网支架，所述接触网支架顶部一端设有连接片，连接片一端与接触网支架端部固定连接、另一端与隧道顶部固定连接，所述连接片上固定有光纤应变传感器，多个光纤应变传感器通过传输光纤串联后与光纤动态分析仪连接形成回路。该方法的安装方式较为复杂、且安装位置具有唯一性，特别是对于正在使用的接触网支架安装存在较大的施工难度。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供一种低成本、安装方便、高可靠性、实时在线的一种应用于刚性接触网支架松动的在线监测智能监测装置、在线监测系统及其方法，可实现对刚性接触网支架松动情况的准确判断，并降低施工难度和施工成本。具体技术方案如下：
本发明公开一种接触网支架松动智能监测装置，包括数据采集单元、数据处理单元、存储单元和信号输入输出单元；
数据采集单元，采集待测接触网支架在x、y、z三轴方向的加速度值，包含接触网支架自身重力加速度在三轴方向的水平的分量以及接触网支架在三轴方向的振动量；
存贮单元，记录初始三轴角度、初始振动量特征值，以及预先设定的角度差阈值和振动量特征值差阈值；
数据处理单元，对采集到的三轴加速度值进行分析处理得到实时三轴角度和实时振动量特征值，将实时三轴角度和初始三轴角度之间的三轴角度差以及实时振动量特征值与初始振动量特征值之间的振动量特征值差分别与预先设定的角度差阈值和振动量特征值差阈值进行比较，并得到反应其所监测的接触网支架松动情况的输出信号；
信号输入输出单元，提供与上位机通信的信号传输接口。
本发明还公开一种接触网支架松动在线监测系统，包括具有上述技术特征的多个智能监测装置、传输电缆和上位机，智能监测装置布置于接触网支架上，并通过传输电缆并联后与上位机连接通信，上位机根据各智能监测装置的输出信号形成反应各接触网支架松动情况的报警提示。
作为一种优选方案，上位机配置有处理器及用于报警提示的报警装置和/或人机界面。
作为一种优选方案，各智能监测装置通过传输电缆并联后通过rs485总线与上位机连接通信。
本发明还公开一种接触网支架松动在线监测方法，包括多个具有上述技术特征的智能监测装置、传输电缆和上位机，智能监测装置布置于接触网支架上，并通过传输电缆并联后与上位机连接通信，具体包括以下阶段：
采集分析阶段：各智能监测装置通过感知其所监测的接触网支架的三轴角度和振动量特征值的变化来分析判断接触网支架的松动情况，并得到反应该接触网支架松动情况的输出信号；
上位机轮询阶段：上位机采用轮询方式从各智能监测装置获取反应各接触网支架松动情况的输出信号，并根据各智能监测装置的输出信号形成相应的报警提示。
作为一种优选方案，采集分析阶段具体包括：
采集其所监测的接触网支架在x、y、z三轴方向的加速度值；
对采集到的加速度值进行分析处理得到实时三轴角度和实时振动量特征值；
分别计算实时三轴角度和初始三轴角度之间的角度差及实时振动量特征值与初始振动量特征值之间的振动量特征值差；
将角度差和振动量特征值差分别与预先设定的角度差阈值和振动量特征值差阈值进行比较和分析，从而得到反应接触网支架松动情况的输出信号。
作为一种优选方案，在角度差达到预先设定的角度差阈值且振动量特征值差达到预先设定的振动量特征值差阈值时，智能监测装置输出的反应接触网支架松动情况的输出信号为用于提示用户关注的接触网支架松动报警信号。
作为一种优选方案，通过fft处理将采集到的三轴方向的加速度值解析得到三轴方向的频谱，所述频谱包括直流分量和非直流分量，通过直流分量计算接触网支架的实时三轴角度，通过非直流分量计算接触网支架在三轴方向的振动量特征值。
作为一种优选方案，振动量特征值可以是对频谱中非直流部分取和，也可以是频谱中频率和振动大小的乘积和。
作为一种优选方案，在初始化过程中，将被测接触网支架在列车经过后的最大三轴角度和最大振动量特征值作为初始三轴角度和初始振动量特征值。
本发明所具有的有益效果如下：
(1)本发明所公开的地铁接触网支架松动在线监测系统可采用多个布置在接触网支架上的智能监测装置通过传输电缆并联后与上位机通信，实现智能检测每个接触网支架的紧固情况，节约大量人工检测所耗费的时间和人力，并为接触网紧固件的检修加固提供丰富的数据支撑。
(2)通过智能监测装置获取接触网的三轴角度变化来判断接触网支架的松动情况，在安装简便的条件下，正确且高灵敏度的反映出接触网支架的松动情况；同时还能实时分析接触网支架的振动频谱，通过对频谱的分析，辅助角度差来判断接触网支架的松动情况，以减少误判率。
(3)该系统通过上位机询问每个安装在接触网支架上的智能监测装置来获取各接触网支架的松动情况，并可进行实时显示，还能在异常状况发生时进行报警，以实现承载高压接触网的接触网支架即时维护和修理，保证高压接触网运行的安全性。
(4)智能监测装置可固定在接触网支架的任意位置，安装方向也不受限制，安装方式也非常简单，相对现有的监测装置大大降低了工人的施工难度，不再需要专业的技术人员来安装，并大大降低了总体施工成本。
附图说明
图1为地铁接触网支架松动在线监测系统的系统组成架构示意图；
图2为地铁接触网支架松动在线监测系统的智能监测装置的电路组成示意图；
图3为地铁接触网支架松动在线监测系统的工作流程示意图；
图4(a)为地铁接触网支架在线检测系统安装示意图，(b)为智能传感器的尺寸示意图；
图5(a)表示在智能传感器1初始化时记录被测物体接触网支架3在没有松动情况下的初始三轴角度变化示意图；图5(b)～图5(d)分别表示接触网支架固定螺丝5.6、固定螺丝5.5、固定螺丝5.4发生松动时的实时三轴角度变化示意图；
图6(a)表示检测到的接触网支架3在无松动情况下有列车经过时水平三轴方向上的加速度时域特征截取示意图；图6(b)表示检测到的接触网支架3在有松动情况下有列车经过时水平三轴方向上的加速度时域特征截取示意图；
图7为松动报警仪器画面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，实施例中公开一种地铁接触网支架松动在线监测系统，主要包括多个安装在地铁接触网支架上的智能监测装置、传输电缆、上位机，智能监测装置安装在地铁接触网支架上，通过传输电缆以并联方式连接至传输电缆总线上，并通过传输电缆总线与上位机连接通信。
结合图2所示，智能监测装置包括数据采集单元、数据处理单元、存储单元和信号输入输出单元，相当于一种新型的智能传感器。
数据采集单元主要采集x、y、z三轴方向(简称三轴方向)的加速度值，包含接触网支架自身重力加速度在三轴方向的水平的分量以及物体在三轴方向的振动量，其中，自身重力加速度在x、y、z三个方向的水平的分量只随物体的倾斜角度改变而发生更改。具体可采用加速度传感器芯片来实现，例如adxl354芯片、adxl313芯片。
存贮单元用于存贮初始化时接触网支架的角度(即初始三轴角度)和三轴方向的振动量特征值(即初始振动量特征值)以及预先设定的阈值。其中，初始三轴角度为初始化时根据物体中心点定义的三轴(x’,y’,z’)与基准轴(x0,y0,z0)之间的角度，基准轴(x0,y0,z0)可理解为通常意义上三维空间内的x、y、z轴；预先设定的阈值包括物体倾斜的三轴角度阈值和振动量特征值的阈值(即角度差阈值和振动量特征值差阈值)。
数据处理单元将采集来的三轴方向的加速度值进行fft(傅立叶)处理，解析出三轴方向的频谱，根据解析结果计算实时三轴角度和振动量特征值，然后将计算得到的实时三轴角度和振动量特征值与初始三轴角度和初始振动特征值之间的差值分别与预先设定的角度差阈值和振动量特征值差阈值进行比较分析，从而得到各接触网支架的松动情况。其中的频谱解析结果包括直流分量和非直流分量。频谱中的直流分量表示自身重力加速度在三轴方向的水平的分量，根据直流分量来计算接触网支架的实时角度，即实时状态下根据物体中心点定义的三轴(x”,y”,z”)与基准轴(x0,y0,z0)之间的角度(也就是通俗意义上的物体相对初始位置的偏移角度)。频谱中的非直流分量表示物体在三轴方向的振动量，根据这些振动量的频谱可以计算出振动量特征值，不同振动频谱对应不同振动量特征值，通过振动量特征值可间接反应接触网支架的松动情况。振动量特征值的计算可以是对于频谱中非直流部分取和，也可以是频谱中频率和振动大小的乘积和，具体可根据实际需求自行定义，只要选择的特征值能反应振动量即可。
信号输入输出单元为智能监测装置提供对外通信的信号传输接口，用于访问数据处理单元和存贮单元。上位机通过连接该单元获得各个接触网支架的松动情况，并进行相应的报警提示。
上位机用于实现地铁接触网支架松动的在线监测及管理，它每隔一端时间通过传输电缆和每个安装在接触网支架上的智能监测装置通信，询问每个智能监测装置的状态以及检测到的每个接触网的松动情况，并对用户发出相应的报警提示。上位机可根据用户对监测系统的具体要求进行选择和设计，可以根据上位机与智能监测装置的通信成功与否来判断智能监测装置是否发生断线，通过上位机和智能检测装置通信来询问接触网支架的松动情况。具体可通过包括处理器和报警显示界面的松动报警仪实现，或者采用包括处理器和触摸显示屏的计算机实现。
上位机在其具有的显示界面上显示各智能监测装置的工作状态、报警类型及列车经过次数等参数，其工作状态主要包括“初始化中”、“断线”、“报警1”、“报警2”。结合图7所示的作为上位机的松动报警仪的报警显示界面实施例，“初始化中”表示该智能监测装置正在初始化中；“断线”表示智能监测装置工作不正常，可能传输电缆和智能监测装置处于断开状态，提醒用户去检查线路；“报警1”表示接触网支架处于松动状态，提醒用户关注；“报警2”表示接触网支架长时间处于松动状态，提醒用户要去紧固螺丝。需要说明的是，这里的报警类型和列车经过次数一般不对用户开放，只作为内部人员调试用，其界面显示可以根据用户定制，根据用户需求进行相应的定制设计。
传输电缆可采用专用通信电缆，用于智能监测装置的供电和通信，具体可采用rs485通信，各智能监测装置通过传输电缆并联后与上位机进行连接通信。
实施例中还公开一种地铁接触网支架松动的在线监测方法，用于实时监测设置于每一个接触网与隧道顶部之间的接触网支架，在每一个接触网支架上的任意位置安装智能监测装置，各智能监测装置通过传输电缆并联后与上位机连接形成在线监测系统，可设定上位机定时循环向并联的智能监测装置询问松动情况。智能监测装置通过感知接触网支架在三轴方向的振动，解析出接触网支架与初始时的角度差和振动特征值差，并根据预先设定的阈值判断出与其对应的接触网支架是否松动以及松动情况，实现对地铁接触网支架松动的在线监测。
结合图3所示，展示了接触网支架松动的在线监测系统的工作流程，主要包括以下几个工作阶段：
(1)安装阶段：在接触网安装完成的状态下，通过m4螺钉将智能监测装置安装在接触网支架上，在确认完所有硬件安装完成且所有接触网支架处于紧固状态后，再把所有安装好的智能监测装置通过传输电缆和上位机并联在同一个回路中，智能监测装置进入初始化状态。
本发明是根据检测到的接触网支架角度和振动特征值的变化值来判断其松动情况，安装位置和安装方式的不同对应的初始角度和初始振动特征值可能会有所差别，但没有发生松动时，实时角度与初始化角度差不会超过角度报警阈值，实时振动特征值与初始化化时记录的振动特征值差也不会超过特征值报警阈值，并不影响监测效果，因此，在具体安装时，智能监测装置可固定在接触网支架上的任意位置，安装方向也随意，多个智能监测装置通过传输电缆并联后与上位机通信，智能检测每个接触网支架的紧固情况，节约大量人工检测所耗费的时间和人力，并为接触网紧固件的检修加固提供丰富的数据支持，真正做到按需、定位检修，具有较强的实用性。
(2)系统初始化阶段：安装完成后，用户通过与智能监测装置的信号输入输出单元连接的上位机发出初始化指令，智能监测装置进入初始化状态，在最小采样周期内自动采集并解析初始化的数据，初始化的数据包括当前三轴角度和列车经过时的振动特征值，将被测接触网支架在列车经过后的最大三轴角度和最大三轴振动量特征值分别作为初始三轴角度和初始振动量特征值。同时，用户还通过上位机告知智能监测装置将接触网支架的初始三轴角度和初始振动量特征值记录在存贮单元，以保证在断电后不会消失，但重新安装后必须要重新初始化。
在列车没有经过接触网支架时，接触网支架不会发生振动；当接触网的固定螺丝有松动且列车经过时，接触网支架由于惯性作用会产生振动，此时的振动量必然会比接触网支架螺丝在紧固状态时的大。智能监测装置检测到接触网支架的振动量偏大时，即超过设定的振动量阈值时，智能监测装置就会形成一个报警量。需要说明的是，每次初始化的最小采样周期为在初始化开始后至少有列车经过一次接触网支架。经过一个最小采样周期后，用户通过上位机告知每一个智能监测装置初始化完毕，智能监测装自动进入采样分析状态。
(3)实时监测阶段：初始化结束后，智能监测装置进入采样分析状态。数据处理单元将数据采集单元采集来的三轴方向的加速度值进行fft处理，解析出实时三轴角度和实时三轴振动特征值；然后将实时三轴角度和实时三轴振动特征值与初始三轴角度和初始振动量特征值作比较和分析，得到接触网支架的松动情况。具体如下：
1)采集分析：智能监测装置实时分析出接触网支架的实时三轴角度与初始化时记录的初始三轴角度之间的差，通过这三轴角度差是否超过预先设定的三轴角度阈值来判断接触网支架的松动情况；智能监测装置还同时分析接触网支架的振动情况，通过接触网支架的实时振动特征值与初始化时记录的初始振动量特征值进行比较来判断接触网支架的松动情况。需要说明的是，接触网松动情况和三轴角度并不成线性关系，但是接触网支架上的固定螺丝松的圈数越多，接触网倾斜的角度会增大，对应的列车经过时的振动量也会加大，从而反映接触网支架的松动情况。为防止误判，提高判断的准确性，通过以上两种状态的结合准确地判断出接触网支架的松动情况，具体可设置成在角度差和特征振动量差均达到预先设定的阈值时形成相应的数字报警信号，并待上位机轮询时输出。
2)上位机轮询：上位机间隔一段时间，向每个智能监测装置询问其监测的接触网支架的松动情况，并在有松动情况发生时向用户发出报警提示，通知用户关注或检查所报警的接触网支架。需要说明的是，上位机询问每个智能监测装置的间隔时间很短，一般在几秒内就可以询问上千个点，而接触网支架发生松动报警离接触网掉落还有很长的时间，在几秒内，接触网支架不会立马掉落，松动报警只是提示用户接触网支架有松动，因此，这种轮询方式并不会影响接触支架网的正常使用，只是提醒相关人员关注或尽快进行维护。在上位机轮询时，上位机在接收到相应报警信号时只需要显示报警。
上位机对各智能监测装置进行轮询的过程中，当询问到该接触网支架所对应的智能监测装置输出有报警量时，就能在显示界面上对应显示该接触网支架发生松动，提醒用户进行关注并在近期内去检查该接触网支架的固定螺丝。若在轮询过程中，智能监测装置没有回应，则上位机显示该智能监测装置断线，提醒用户去检查该线路是否良好。
需要说明的是，这里的智能监测装置用于检测接触网支架实时角度与接触网初始化角度之间的差，因此，对其安装位置和安装方向并不限制，任意安装位置和安装方向检测到的角度差基本稳定。而公开号为cn106017541的发明专利申请中，光纤应变传感器是与光纤动态分析串联在一起，对于每一个接触网支架，其安装的光纤应变传感器至少为两个，且各光纤应变传感器安装发生必须是要在接触网上的固定螺丝上。但本发明中，每个接触网支架安置的智能传感器可以是一个或多个，并且只需要将智能传感器固定在接触网支架上即可，对安装位置和安装方向都没有特殊要求，这大大降低了安装的难度，尤其适用于后装工程。
结合图4至图6，公开了一种接触网支架在线监测系统的具体实施例，图4(a)所示的是接触网支架在线监测系统的具体实施方案，其中，1代表智能传感器(相当于智能监测装置)，2代表传输电缆，3代表接触网支架，4代表松动报警仪(相当于上位机)，5.1～5.6代表一种接触网支架的固定螺丝。图4(b)示出了智能传感器1的大致尺寸示意图，其长和宽约为32.4mm，厚约20mm。
智能传感器1主要采集x、y、z三个方向的加速度值，并通过分析来判断角度的偏差和振动量特征值偏差。智能传感器1通过3个m4的螺钉固定于接触网支架3上即可，对其安装位置和安装方向没有具体要求。智能传感器1感知其所固定的接触网支架3的三轴角度和振动量，通过传输电缆2并联到松动报警仪4上。
实施例中，松动报警仪4具有带rs485通信功能的人机界面，可用于统计和显示每个接触网支架的松动情况。松动报警仪4具备rs485通信功能，通过传输电缆2和智能传感器1的通信，来判断每个支架接触网3的松动情况。松动报警仪4还具备报警显示功能，将询问到的每个支架接触网3的松动情况显示在其具有的人机界面上，并在产生报警信号时进行报警提示。
图5是基于图4所示的接触网支架在线监测系统在接触网支架3未松动情况和松动情况下发生的角度差值变化的对比示例。图5(a)表示在智能传感器1初始化时记录的被测物体接触网支架3在没有松动情况下的初始三轴角度，即x’,y’,z’分别与x0,y0,z0之间的角度。随着智能传感器1进入采集报警状态，当被测物体接触网支架3的螺丝松动使接触网支架3发生倾斜，如图5(b)中接触网支架固定螺丝5.6发生松动、图5(c)中接触网支架固定螺丝5.5发生松动、图5(d)中接触网支架固定螺丝5.4发生松动，接触网支架必然会因为重力发生倾斜，此时，智能监测装置1测到的实时角度为x”,y”,z”与x0,y0,z0之间的角度。智能监测装置1所测得的实时三轴角度会与初始三轴角度之间形成角度差(α，β，γ)。智能监测装置1可根据角度差的三个值来反映接触网支架3的松动情况，如果超过设定的差值范围(即角度差阈值)则显示有松动，也就是当α，β，γ三个角度差中任意一个值达到了智能监测装置需报警的值时，即超过设定的角度差阈值时，智能传感器就会形成一个报警量，用户也可以根据自己的经验来调整差值范围，以达到用户报警的要求。
图6是基于图4所示的接触网支架在线监测系统在接触网支架3在未松动和松动情况下有列车经过时三轴振动值时域上的变化的特征截取。图6(a)中的三张图片表示智能传感器1检测到的接触网支架3在没有发生松动情况下有列车经过时水平三轴方向上的加速度时域特征截取图，即初始化时的振动量分布；图6(b)中的三张图片表示智能传感器1检测到的接触网支架3在发生松动情况下有列车经过时水平三轴方向上的加速度时域特征截取图，即实时的振动量分布。通过对比可以很明显发现，右侧的x轴和y轴的加速度震荡幅度明显比左侧的加速度的震荡幅度大。可见，智能传感器1通过分析三轴方向的频谱数据能够有效的获取该接触网支架3对应的智能传感器1的加速度振动量特征值，通过加速度振动量特征值的变化反映出接触网支架3的松动情况。具体的，智能传感器1实时采集被测接触网支架3的三轴加速度振动值，在接触网支架3的螺丝发生松动时，列车经过所引起的接触网支架3的振动量特征值与初始振动量特征值形成差异，并将上述差值与振动量特征值差阈值进行比较，智能判断出接触网支架3的松动情况。
综上，智能监测装置实时采集接触网支架在x、y、z三个方向的加速度值，通过fft分离出三轴的直流分量和交流频谱，通过直流分量计算出三轴的角度，通过交流频谱计算振动的特征值；将计算得到的实时三轴角度值和实时振动特征值与初始三轴角度和初始振动量特征值进行比较，得到角度差值和振动量特征值差值；将三轴角度差值和振动量特征值差值与预先设定的角度差阈值和振动量特征值差阈值进行比较，得到接触网支架的松动情况，并形成相应的信号输出值，如接触网支架松动数字报警信号；在上位机轮询时，将信号反应所监测的接触网支架松动情况的信号输出值上传至上位机，进行在线监测或报警提示。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。