一种真空磁浮管道监测系统的制作方法

本发明涉及交通设施检测技术领域，尤其涉及一种真空磁浮管道监测系统。

背景技术：

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，希望旅行更加快速和高效。目前，人类采用的高速远程客运工具以飞机为主，民航客机的运营速度约为每小时1000公里。对于5000公里以上的远程旅行来说，乘飞机旅行耗费的时间、经济成本惊人，飞机飞行时燃料燃烧后排出的废气造成了严重的环境污染。如何解决旅行耗费的时间、经济成本惊人、环境污染等问题，值得我们不断研究和探索。真空管道磁悬浮列车是一种最低时速4000公里、能耗不到民航客机1/10、噪音和废气污染及事故率接近于零的新型交通工具，就是建造一条与外部空气隔绝的管道，将管内抽为真空后，磁悬浮列车真空管道内运行，由于没有空气摩擦的阻碍，列车运行速度加快，可大大缩短地球表面任意地点间的时空阻隔，由于管道是密封的，因此可以在气候恶劣地区运行而不受任何影响。

磁悬浮列车是一种现代轨道交通工具，它通过磁铁的吸力或者斥力使列车与轨道之间无接触，极大地减少了列车前进过程中的摩擦阻力，使列车运行速度得到了极大的提升。同时磁悬浮列车的能耗较低、噪音较低，具有节能环保的优点，有着十分广泛的发展前景。在磁悬浮列车的基础上，加上了真空管道，不仅有效解决了列车与轨道之间的摩擦问题，同时解决了空气阻力对列车行驶的影响问题，使磁悬浮列车的速度达到质的飞跃。与此同时，真空管道磁悬浮列车能耗低，噪音污染小，便捷舒适，已成为很多国家重要研究方向。在轨道交通中，信号系统具有十分重要的作用，它直接关系到整个轨道交通是否能安全正常的运行，而在真空磁悬浮列车推广以后，磁悬浮列车信号系统的建立也十分必要，它与轨道交通信号系统不尽相同，真空的环境、无接触的列车与轨道、超高的速度，对其信号系统提出了更高的要求。

现有的真空磁浮管道监测系统仅通过对列车的运行速度等列车运行过程中的参数信息以判断真空磁浮管道是否发生故障，此类真空磁浮管道监测系统不仅检测精度不高，且容易发送误判，以至于工作人员不能及时、准确的对真空磁浮管道进行维修和救援，亟待真空磁浮管道研发人员开发一种高精度的真空磁浮管道监测系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种能够准确地检测真空磁浮管道状态的智能监测系统，从而减少误判和漏判的次数，有效地保证列车的正常营运，而且，能够及时地提醒维修人员对存在故障的管道进行维修，避免列车在运营持续时对管道造成进一步损伤的情况。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种真空磁浮管道监测系统，其包括中央处理器、信号处理电路、图像处理模块、振动传感器和图像采集模块；其中，所述振动传感器设置于真空磁浮管道内，用于检测真空磁浮管道产生的振动信号；所述图像采集模块设置于真空磁浮管道内，用于采集真空磁浮管道的图像信息；

而且，所述振动传感器将其检测到的振动信号传输给所述信号处理电路，所述信号处理电路用于对振动信号进行放大和滤波处理；所述信号处理电路将其处理后的振动信号输出给所述中央处理器，所述中央处理器通过对振动信号进行ad转换后得到振动数据；

所述图像采集模块将其采集的图像信息传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块用于对图像信息进行图像处理，且所述图像处理至少包括降噪、增强、锐化和平滑之中的一项；所述图像处理模块将其处理后的图像信息传输给所述中央处理器；

所述中央处理器通过判断振动数据是否超过设定阈值，而判断真空磁浮管道的状态是否异常，而且，所述中央处理器能够将其得到的振动数据和图像信息通过其数据端口传输给与其连接的设备

根据一种具体的实施方式，本发明的真空磁浮管道监测系统中，所述信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元。信号放大单元对振动信号进行放大处理，信号滤波单元对经放大处理后的振动信号进行滤波处理。

根据一种具体的实施方式，本发明的真空磁浮管道监测系统中，所述图像处理模块包括图像降噪单元、图像增强单元、图像锐化单元和图像平滑单元；其中，所述图像降噪单元用于对所述图像采集模块采集的图像信息进行降噪处理；所述图像增强单元用于对经所述降噪处理后的图像信息进行清晰度增强处理；所述图像锐化单元用于对经所述清晰度增强处理后的图像信息进行锐化处理；所述图像平滑单元用于对经所述锐化处理的图像信息进行平滑处理。

根据一种具体的实施方式，本发明的真空磁浮管道监测系统还包括测速传感器；所述测速传感器设置在真空磁浮管道内，用于检测真空磁浮管道内行驶的列车的速度，并将其检测到的速度信号传输给所述中央处理器；而且，所述中央处理器通过对速度信号进行ad转换后得到速度数据；所述中央处理器将其得到的速度数据经相应的端口传输给连接至该端口的设备。

根据一种具体的实施方式，本发明的真空磁浮管道监测系统还包括连接至所述中央处理器的无线传输单元；而且，所述中央处理器连接通过所述无线传输单元将其得到的数据发送给与所述无线传输单元通信连接的无线接收设备。

根据一种具体的实施方式，本发明的真空磁浮管道监测系统还包括连接至所述中央处理器的显示单元；而且，所述显示单元用于显示所述中央处理器所传输的数据。

根据一种具体的实施方式，本发明的真空磁浮管道监测系统还包括太阳能电池板、整流稳压电路和蓄电池；其中，所述蓄电池用于为所述中央处理器供电；所述太阳能电池板通过所述整流稳压电路与所述蓄电池连接，以为所述蓄电池提供充电电源。

基于同一发明构思，本发明还提供一种真空磁浮管道监测方法，其包括以下步骤：

利用本申请的真空磁浮管道监测系统，获取真空磁浮管道的振动数据和图像信息；

根据获取到的振动数据，生成真空磁浮管道的实时振动频谱图，并比较所述实时振动频谱图与真空磁浮管道的正常振动频谱图之间各频段幅值的大小关系，若有一个或多个频段的幅值超出其对应正常幅值一定程度，则进一步根据获取到的图像信息，确定真空磁浮管道是否已出现故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的真空磁浮管道监测系统包括中央处理器、信号处理电路、图像处理模块、振动传感器和图像采集模块。通过振动传感器检测真空磁浮管道产生的振动信号，以及通过图像采集模块采集真空磁浮管道的图像信息，而且，利用信号处理电路对振动信号进行放大和滤波处理，提高振动信号的准确度，进而使中央处理器对真空磁浮管道状态的判断结果更加准确；此外，还利用图像处理模块对图像信息进行图像处理，提高对真空磁浮管道的图像的辨识精度，进而辅助判断对真空磁浮管道的状态，有效地减少误判情况的发生。

附图说明：

图1为本发明真空磁浮管道监测系统的结构示意图；

图2为本发明真空磁浮管道监测系统的一种实施例的结构示意图；

图3为本发明信号处理电路的结构示意图；

图4为本发明图像处理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1所示，本发明真空磁浮管道监测系统包括：中央处理器、信号处理电路、图像处理模块、振动传感器和图像采集模块。

其中，振动传感器设置于真空磁浮管道内，用于检测真空磁浮管道产生的振动信号；图像采集模块设置于真空磁浮管道内，用于采集真空磁浮管道的图像信息。具体的，振动传感器采用三轴加速度传感器，图像采集模块采用ccd图像传感器，而且，针对真空磁浮管道的同一监测点的振动传感器和图像采集模块安装位置的距离不超过100m，避免出现振动数据与图像信息无法对应。

在工作时，振动传感器将其检测到的振动信号传输给信号处理电路，信号处理电路对振动信号进行放大和滤波处理，然后信号处理电路将其处理后的振动信号输出给中央处理器，中央处理器通过对振动信号进行ad转换后得到振动数据。图像采集模块将其采集的图像信息传输给图像处理模块，图像处理模块对图像信息进行至少包括降噪、增强、锐化和平滑之中的一项的图像处理，图像处理模块将其处理后的图像信息传输给中央处理器。

中央处理器能够将其得到的振动数据和图像信息通过其数据端口传输给与其连接的设备。具体的，中央处理器选用低功耗8位微处理器atmega128，该芯片硬件资源丰富，具有低功耗、功能多、价格便宜和性能强大等优点，而且atmega128自身带有128k字节flash存储器，同时带有4k字节的eeprom存储器，可将振动数据直接存放在eeprom存储器中，atmega128内部的adc端口具有8个通道，每通道的分辨率为10bit，输入电压范围为0～5v，能够满足监测数据巡回采集的需要，无需另加ad转换器件，既简化了外围电路设计，又降低了成本。因此，信号处理电路的输出端直接与中央处理器的adc端口连接。此外，atmega128还具有丰富的外设数据通道和通信接口，能够满足与多种设备之间的数据交互。

如图2所示的实施例中，本发明真空磁浮管道监测系统还包括连接至中央处理器的预警模块；预警模块用于根据中央处理器所传输的振动数据，生成真空磁浮管道的实时振动频谱图，以及通过比较实时振动频谱图与真空磁浮管道的正常振动频谱图之间各频段幅值的大小关系，而判断出真空磁浮管道是否已出现或者将要出现故障。

本发明真空磁浮管道监测系统还包括测速传感器，且测速传感器设置在真空磁浮管道内，用于检测真空磁浮管道内行驶的列车的速度。测速传感器连接至中央处理器，并将其检测到的速度信号传输给中央处理器。中央处理器通过对速度信号进行ad转换后得到速度数据，并能够将其得到的速度数据通过其数据端口传输给与其连接的设备。具体的，测速传感器采用激光测速传感器，且直接与中央处理器的adc端口连接。

本发明真空磁浮管道监测系统还包括无线传输单元，且该无线传输单元连接至中央处理器，中央处理器通过无线传输单元将其得到的数据(如振动数据、图像信息以及速度数据等)发送给与该无线传输单元通信连接的无线接收设备(如无线中继器、网络服务器、移动终端等)。具体的，无线传输单元采用wifi模块，wifi模块为vt6656模块，而且vt6656模块内嵌tcp/ip协议线，降低了设计的难度，同时，vt6656与atmega128的连接非常简单，二者可以通过标准的usb接口直接相连。由于wifi作为一种无线联网技术，最主要的优势在于不需要布线，不受布线条件的限制，因此特别适合移动办公用户的需要，用户可以通过移动终端连接至wifi网络而直接获取相应的数据(如振动数据、图像信息以及速度数据等)，再配合移动终端上的app应用可实现远程监管，以及对系统中各模块工作状态的远程配置。

另外，本发明真空磁浮管道监测系统还包括显示单元，且该显示单元连接至中央处理器，并显示中央处理器所传输的数据。具体的，显示单元采用3.3v电压供电的lcd显示单元20pinlcd1286hz，以便于与微处理器atmega128的i/o口电平匹配，同时，lcd显示单元与微处理器atmega128的接口采用串行接口进行通信，实现将振动数据和速度数据传输给lcd显示单元显示。

在具体实施时，还需要考虑到真空磁浮管道监测系统的供电问题，因此，本发明真空磁浮管道监测系统采用太阳能供电，具体还包括太阳能电池板、整流稳压电路和蓄电池。其中，蓄电池用于为系统中各个模块部件进行供电，而太阳能电池板通过整流稳压电路与蓄电池连接，从而为蓄电池提供充电电源。

如图3所示，本发明的信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元。

其中，信号放大单元包括集成运放a1-a2、电阻r1-r14、电容c1-c5以及三极管t1-t4；其中，三极管t1的基极作为信号放大单元的输入端，其集电极与第一直流电源连接，其发射极分别与三极管t3的基极和三极管t2的集电极连接；三极管t2的基极分别与电容c1、电阻r2和r3的一端连接，其发射极与电阻r4的一端连接；电容c1的另一端接地，电阻r2的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r3、r4的另一端与第二直流电源连接；三极管t3的集电极分别与电阻r9的一端和三极管t4的基极连接，其发射极分别可调电阻r6和电阻r7的一端连接，电阻r9的另一端与第一直流电源连接，电阻r7的另一端与第二直流电源连接，可调电阻r6的另一端通过电阻r5接地；三极管t4的发射极分别与电阻r10和电容c2的一端连接，其集电极分别与电阻r8的一端和集成运放a2的反向输入端连接，电阻r10和电容c2的另一端均与第一直流电源连接，电阻r8的另一端与第二直流电源连接；集成运放a1的反相输入端分别与电容c5和电阻r14的一端连接，其正相输入端分别与电阻r13和电容c3的一端连接，电容c5的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r14的另一端分别与电容c4和电阻r1的一端连接，电容c4的另一端接地，电阻r1另一端与三极管t1的基极连接，电阻r13的另一端与集成运放a2的输出端连接，电容c3的另一端接地；集成运放a2的正相输入端通过电阻r11接地，其输出端通过电阻r12与三极管t3的发射极连接；而且，集成运放a2的输出端作为信号放大单元的输出端。

信号滤波单元包括电阻r15-r21、电容c6-c7以及集成运放a3-a5；其中，集成运放a3的反相输入端通过电阻r15与信号放大单元的输出端连接，其正相输入端通过电阻r16接地，其输出端通过电阻r18与集成运放a4的反相输入端连接；集成运放a4的正相输入端接地，其输出端通过电阻r19与集成运放a5的反相输入端连接；集成运放a5的正相输入端接地，其输出端作为信号滤波单元的输出端与中央处理器连接；而且，集成运放a3的反相输入端通过电阻r17与其输出端连接，以及通过电阻r20与集成运放a5的输出端连接，集成运放a3的正相输入端通过电阻r21与集成运放a4的输出端连接；集成运放a4的反相输入端通过电容c6与其输出端连接，集成运放a5的方向输入端通过电容c7与其输出端连接。

具体的，三极管t1～t3为npn型三极管，三极管t4为pnp型三极管。因此，本发明通过信号处理电路对振动信号进行放大和滤波处理，提高振动信号的准确度，进而使中央处理器对真空磁浮管道状态的判断结果更加准确。

如图4，本发明的图像处理模块包括图像降噪单元、图像增强单元、图像锐化单元和图像平滑单元。其中，图像降噪单元用于对图像采集模块采集的图像信息进行降噪处理；图像增强单元用于对经降噪处理后的图像信息进行清晰度增强处理；图像锐化单元用于对经清晰度增强处理后的图像信息进行锐化处理；图像平滑单元用于对经锐化处理的图像信息进行平滑处理。

具体的，降噪处理的运算函数为：

g(x，y)＝2f(x，y+1)+2f(x-1，y)-f(x+1，y)+2f(x，y)+f(x-1，y-1)

其中，f(x,y)为图像信息的二维函数，x，y表示像素的横，纵坐标，g(x,y)为经降噪处理后的图像二维函数；

清晰度增强处理的运算函数为：

其中，h(x,y)为经清晰度增强处理后的图像二维函数；

锐化处理的运算函数为：

其中，d(x,y)为经锐化处理后的图像二维函数；

平滑处理的运算函数为：

s(x，y)=q(x，y)*d(x,y)；

其中，q(x,y)为平滑函数，s(x,y)为经平滑处理后的图像二维函数，*表示卷积运算，σ为可调常数。

具体的，本发明中的图像处理模块中的各个单元可通过一个或多个计算机程序来实现相应功能，这些计算机程序存储在计算机可读介质上，当这些计算机程序被一个或多个处理器执行时，能够实现其相应的功能。当然也可以采用图像处理专用器件，如数字信号处理器dsp或现场可编程逻辑门阵列fpga等。

本发明通过图像处理模块对图像信息进行图像处理，提高对真空磁浮管道的图像的辨识精度，进而辅助判断对真空磁浮管道的状态，有效地减少误判情况的发生。

本发明的真空磁浮管道监测方法，主要是利用本发明的真空磁浮管道监测系统，来获取真空磁浮管道的振动数据和图像信息；然后根据获取到的振动数据，生成真空磁浮管道的实时振动频谱图，并比较实时振动频谱图与真空磁浮管道的正常振动频谱图之间各频段幅值的大小关系，若有一个或多个频段的幅值超出其对应正常幅值一定程度，则进一步根据获取到的图像信息，确定真空磁浮管道是否已出现故障。否则直接判定真空磁浮管道处于正常状态。

因此，本发明的真空磁浮管道监测方法不仅利用信号处理电路对振动信号进行放大和滤波处理，提高振动信号的准确度，进而使中央处理器对真空磁浮管道状态的判断结果更加准确；还利用图像处理模块对图像信息进行图像处理，提高对真空磁浮管道的图像的辨识精度，进而辅助判断对真空磁浮管道的状态，有效地减少误判情况的发生。