一种轨道板上拱分布式监控方法及系统与流程

本发明轨道板上拱检测领域，尤其涉及一种轨道板上拱分布式监控方法及系统。

背景技术：

crtsⅱ型板式无砟轨道结构是我国高速铁路(客运专线)采用的主要轨道结构型式之一，已应用于京津、京沪、京石武、沪杭、杭甬、合蚌、津秦、杭长等高速铁路(客运专线)中，应用总里程突破了双线5000公里。目前适合我国路情的crtsⅱ型板式无砟轨道结构，主要由60kg/m钢轨、弹性扣件、预制轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层(简称砂浆充填层)和混凝土底座板或支承层等部件组成。随着服役时间的增加，该型无砟轨道逐渐暴露出一些病害，轨道板上拱离缝是一种常见病害，如果不能及时检测发现并采取适当的整治措施，必将严重影响轨道结构的耐久性，危及行车安全。

板式无砟轨道离缝伤损的现场检测维修目前主要采用目测、钢尺插入量测、现场揭板和轨检车的方法。目测及钢尺插入量测无法检测中间局部离缝及离缝的准确分布情况，而揭板方法仅适用于在建铁路，且费用高昂，效率低下，仅能反应该板离缝情况。而轨检车造价昂贵，且只能在火车空窗期进行检测轨道板上拱情况，不能实时进行状态监测。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出了一种轨道板上拱分布式监控方法及系统，利用无线传感网络实现对轨道板上拱的分布式远程监测，使用倾角传感器间接的推算出轨道板上拱高度，通过无线传输达到轨道无线缆化的目的。

根据本发明的一个实施例，本发明提出了一种轨道板上拱分布式监控系统，所述系统包括：arm微控制器、倾角传感器、以及汇聚节点，

所述arm微控制器通过i/o控制倾角传感器和zigbee模块开始工作；所述倾角传感器采集一组完整的倾角数据，

所述数据汇聚节点包括zigbee模块、数据处理模块以及无线路由器，

所述zigbee模块接收倾角传感器采集的数据；

所述数据处理模块对接收到的倾角数据进行处理，具体为，建立倾角数据矩阵，在倾角数据矩阵中提取此时的数据频率特征后，与轨道谱提供的车辆纵向加速度阈值进行对比，当频率特征超过所设置的阈值后就滤除干扰数据，基于得到的倾角数据，经过模型转换后得到轨道板上拱高度；

所述无线路由器将所述上拱高度数据上传至云端服务器，所述云端服务器将接收到的上拱高度数据与所设置的门限值进行比对，判断轨道板是否上拱。

优选的，所述arm微控制器用于与倾角传感器同步通信，将原始倾角数据存入arm内存中；以及，与zigbee模块同步通信，将接收到的数据发送至zigbee模块，以及，用于提供时钟支持，控制系统休眠功能。

优选的，所述倾角传感器将采集到的数据原始数据格式为：

数据域部分为12byte，分为三组，分别为x轴角度、y轴角度和温度，每组4字节为压缩bcd码，首位为符号位，“0”为正，“1”为负，三位整数值，四位小数位。

优选的，所述倾角传感器采用水平安装方式。

优选的，所述倾角传感器为bwm426型倾角传感器。

优选的，所述zigbee模块为sz05-std型zigbee无线串口通信模块。

优选的，所述无线路由器采用mr-900w高速wcdma3g路由器发送数据。

优选的，所述数据汇聚节点还包括电源模块，用于给系统供电，其中，电源模块包括电池-usb供电切换电路和电平转换电路，电平转换电路包括3.7转9v电路和9v转3.3v电路；电池-usb供电切换电路利用三极管和mos的开关特性来实现双电源无缝自动切换。

优选的，arm微控制器控制系统休眠，在工作模式下外设正常运行，内核cpu及sram供电，未使用外设的时钟默认关闭；休眠时处于待机模式。

根据本发明的实施例，本发明还提出了一种轨道板上拱分布式监控方法，所述方法包括：

步骤s1、采集原始倾角数据；

步骤s2、完整采集一组倾角值后建立倾角数据矩阵；

步骤s3、在倾角数据矩阵中提取此时的数据频率特征后，与轨道谱提供的车辆纵向加速度阈值进行对比，当频率特征超过所设置的阈值后就滤除干扰数据；

步骤s4、基于得到的倾角数据，经过模型转换后得到轨道板上拱高度，并与所设置的门限值进行比对，判断轨道板是否上拱。

本发明能够实时检测轨道板上拱角度，并通过对上拱角度进行数据处理，将火车经过时检测的角度值滤除，从而保留轨道板静态时测量的角度值，并将轨道板上拱角度值转化为上拱高度进行输出，输出的上拱高度可以与轨道板允许最高上拱高度进行比较是否超过限度，再进一步进行判断是否需要报警。本发明的控制过程采用实时监控的方式，检测轨道板上拱角度变化，提高检测效率。

附图说明

图1为本发明提出的轨道板上拱分布式监控系统框图；

图2为本发明提出的arm倾角节点系统流程图；

图3为本发明提出数据汇聚节点结构图；

图4为本发明提出的倾角传感器示意图；

图5本发明提出的轨道板上拱分布式监控方法滤除数据流程图；

图6为本发明提出的轨道板上拱分布式监控方法一实施例图；

图7为本发明提出的轨道板上拱分布式监控安装示意图；

图8为本发明提出的轨道板上拱分布式监控方法实验数据倾角变化示意图；

图9为本发明提出的轨道板上拱分布式监控方法实验数据高度变化示意图；

图10为本发明提出的轨道板上拱分布式监控无线串口通界面-数据显示界面图；

图11为本发明提出的轨道板上拱分布式监控无线串口通界面-数据处理显示界面图；

图12为本发明提出的轨道板上拱分布式监控系统实物图。

具体实施方式

以下，基于附图来说明本发明的一实施方式。需要说明的是，在各附图中标注有相同的附图标记的结构表示相同的结构，并适当省略其说明。在本说明书中，在统称的情况下由省略尾标的附图标记表示，在表示单独的结构的情况下由带有尾标的附图标记表示。

本发明提出一种轨道板上拱分布式监控系统，如图1所示，所述系统包括：arm微控制器、倾角传感器、以及汇聚节点，所述arm微控制器通过i/o控制倾角传感器和zigbee模块开始工作；所述倾角传感器采集一组完整的倾角数据，

所述数据汇聚节点包括zigbee模块、数据处理模块以及无线路由器，

所述zigbee模块接收倾角传感器采集的数据；

所述数据处理模块对接收到的倾角数据进行处理，具体为，建立倾角数据矩阵，在倾角数据矩阵中提取此时的数据频率特征后，与轨道谱提供的车辆纵向加速度阈值进行对比，当频率特征超过所设置的阈值后就滤除干扰数据，基于得到的倾角数据，经过模型转换后得到轨道板上拱高度；

所述无线路由器将所述上拱高度数据上传至云端服务器，所述云端服务器将接收到的上拱高度数据与所设置的门限值进行比对，判断轨道板是否上拱。

在本实施例中，系统的工作流程如下：

系统处于周期性休眠当中，当系统苏醒后，arm通过i/o控制倾角传感器和zigbee苏醒，并通过倾角传感器采集原始倾角数据，经arm串口传入内存中，将收集的一组倾角数据进行处理后，保留正常数据，滤除干扰数据，并将数据传至zigbee中，发送给汇聚节点。之后系统继续休眠，等待下一周期工作。系统中使用5v转12v升压模块进行电源变换，5v电源提供zigbee和单片机的供电，12v电源提供倾角传感器的供电。为了降低整个系统的耗能，本系统使用单片机控制继电器，以此来控制倾角传感器和zigbee的供电，使得倾角传感器和zigbee能够周期性的工作，降低大部分的无消耗能。电路功耗分为三部分，包括倾角传感器数据采集模块，zigbee无线通信模块以及电源供电模块。其中主要的耗能模块为倾角传感器和无线通信模块，倾角传感器工作/休眠的功率为0.192w/0.36*10-3w，线通信模块工作/休眠的功率为0.2w/0.12*10-3w，升压变换器等其他电路的工作功率大约为0.01w。经计算若一个周期为工作时间4s+休眠时间600s时，单周期消耗功率为0.315j，6000mah理论使用时长为70天；8500mah理论时长为97天，采用锂电池供电，工作时间长达3个月，可满足长时间长时间续航工作的需求。

节点采用串口接收数据，通过zigbee协议将接收数据分类。采用stm32f407的串口，在初始化完成之后，当zigbee给单片机发送数据的时候，在单片机接收到一个字节的时候并产生串口中断，后台把数据搬运到指定的缓冲区后，继续连续接收下一次数据，当达到设定接收个数后，划为完整一组数据，从而进行数据处理。

在倾角节点完整采集一组倾角值后，进行建立倾角数据矩阵。在倾角数据矩阵提取此时的数据频率特征后，与轨道谱提供的车辆纵向加速度参考值进行对比，当频率特征超过所设置的门限值后就滤除干扰数据。利用得到的倾角数据，经过模型转换后得到轨道板上拱高度，并与所设置的门限值进行比对报警。当进行一次判断成功并上传数据后节点会进入休眠，程序设计中利用倾角节点自主定时休眠达到系统低功耗的目的。当cpu不需要继续运行时，可以利用多种低功耗模式来节省功耗，在系统或者电源复位后，微控制器出于运行状态之下，hclk为cpu提供时钟，内核执行代码。

数据汇聚节点负责接收多个倾角检测装置的数据，经缓存后，将数据由无线路由器上传至云端服务器，能自动处理数据冲突，保证数据传输的正确性。

如图3所示，具体流程包括：

1)终端节点的zigbee模块将轨道板上的倾角传感器检测到的角度数据发送至中心节点的zigbee模块。

2)中心节点的zigbee模块与单片机的串口相连，将接收到的数据直接传给单片机。

3)单片机将受到的数据包中的角度信息提取出来，通过rs232串口传输给无线路由器。

4)无线路由器通过3g/4g网络将数据发送至云端。

如图4所示，倾角检测装置安装在轨道板的侧边，要求具有抗震性、密封性等功能，为此采用了下面的结构设计，外形尺寸为150mm*43mm*105mm。倾角传感器是用一个倾角传感器灵敏器件测量数据，然后通过数据变换，最后转化成角度数据。对于角度误差方面除了传感器本身的固有属性之外，对安装方式也有要求，需要水平安装。设计的双层镂空隔热层能很好的达到隔热，防水的功能。设备采用扁平式设计，易于轨道旁安装和使用。

本发明的硬件平台由倾角传感器、zigbee模块、电源模块、电平转换模块、下载电路、复位电路、去耦隔离电路、路由器等组成。软件系统包括fpga及arm软件平台，arm在系统的主要作用有三个：①与倾角传感器同步通信，将原始倾角数据存入arm内存中。②与zigbee同步通信，将结果数据发送给zigbee。③为系统提供时钟支持，控制系统休眠功能。arm微处理器系统实现倾角信号的采集及处理、倾角传感器、zigbee等外设的驱动及控制，抗干扰算法的实现等功能。

倾角传感器选用的是北微传感公司生产的bwm426型倾角传感器。bwm426一款小体积低功耗数字型双轴倾角传感器，输出方式ttl电平。产品采用最新技术微机电生产工艺倾角单元，体积小、功耗低、一致性和稳定性很高，由于是数字型倾角传感器，线性度更容易得到修正。工作温度达到工业级别-40℃～+85℃。

zigbee选用的是顺舟科技sz05-std型zigbee无线串口通信模块，sz05-std采用了加强型的zigbee无线技术，集成了符合zigbee协议的射频收发器和微处理器，符合工业标准应用的无线数据通信设备，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；通过无线zigbee进行组网通信，可实现一点对多点或多点对多点之间的数据透明传输及中继转发作用。

无线路由器选用的是北科驿唐公司的mr-900w高速wcdma3g路由器发送数据。mr-900w工作温度范围-30℃～+70℃，满足野外工作环境要求，64m缓存，传输速率高，可满足方案要求。无线路由器的作用是将数据传到驿云服务器。

复位电路包括休眠唤醒电路和系统复位电路。系统休眠控制电路包括控制传感器电路和zigbee电路。倾角传感器具有一个控制管脚slp，高电平工作，低电平休眠。zigbee采用arm管脚控制休眠，高电平工作，低电平休眠。

下载电路采用是ch340gch340是一个usb总线的转接芯片，实现usb转串口功能。ch340芯片正常工作时需要外部提供12mhz的时钟信号。一般情况下，时钟信号由ch340内置的反相器通过晶体稳频振荡产生。外围电路只需要在xi和xo引脚之间连接一个12mhz的晶体，并且分别为xi和xo引脚对地连接振荡电容。ch340芯片支持5v电源电压或者3.3v电源电压。当使用5v工作电压时，ch340芯片的vcc引脚输入外部5v电源，并且v3引脚应该外接容量为4700pf或者0.01uf的电源退耦电容。当使用3.3v工作电压时，ch340芯片的v3引脚应该与vcc引脚相连接，同时输入外部的3.3v电源，并且与ch340芯片相连接的其它电路的工作电压不能超过3.3v。

电源电路包括电池-usb供电切换电路和电平转换电路，电平转换电路包括3.7转9v电路和9v转3.3v电路。电池-usb供电切换电路利用三极管和mos的开关特性来实现双电源无缝自动切换，由于mos管通电阻非常小，所在导通时几乎没有压降，电池电压和输出到设备的供电电压完全一致，克服了上一个电路上会产生压降的缺点，并且外部输入的电源电压可以小于电池电压，这对于多节镍氢电池供电，且电池电压变化范围较大的电路非常适用。当外部电池没有输入的时候，三极管基极的电压为0，三极管不导通，电池电压vbat通过电阻分压后在三极管的基极产生一个大于0.7v的压降，三极管导通，mos管的g极电压为0v，mos管导通，vbat通过mos管的ds极输出vout供电，由于mos管通的时候几乎不产生压降，所以实测输出等于电池电压。当有外部电源输入，且外部电源输入大于1v左右，在三极管的基极上产生0.7v的压降，三极管导通，基极的压降为0，三极管截止，mos管上的g极为高电平，vgs>0，mos管的ds截止，电池电压输出关断，外部电源通过二极管输出电压，用于给设备供电，此时电池不供电。

3.7转9v电路选用mt3608电源模块，mt3608是一款高效率，高频同步升压型dc-dc稳压器，具有高达4a的开关输入电流。该电源模块支持输入5v和输出12v/1a或24v/0.5a输出，效率超过90％。

9v转3.3v电路选用lm1117-3.3，lm1117-3.3是ns的产品，lm1117是一款正电压输出的低压降三端线性稳压电路，在1a输出电流下的压降为12v。lm1117分为两个版本，固定电压输出版本和可调电压输出版本。可调版本的电压精度为1％，固定电压的产品输出电压精度为2％。lm1117内部集成过热保护和限流电路，适用于各类电子产品。稳压到3.3v选用1117系列产品中后缀为-3.3的信号，只要输入电压在工作电压允许范围内，输出电压都是3.3v。

arm微处理器选用stm32f407ze型号arm芯片，其主要负责数据的存储及处理、系统休眠和多方通讯等功能。

arm微控制器控制系统休眠，在工作模式下外设正常运行，内核cpu及sram供电，未使用外设的时钟默认关闭。休眠时处于待机模式，1.8v供电区域被时钟停止，内部his，pll，外部时钟hse均关闭，sram和不属于待机电路的寄存器也被断电关闭，此时即使是外部中断(exti)也不能将其唤醒，只能通过复位(外部复位，看门狗复位)、唤醒引脚、rtc时钟来唤醒。系统设置有休眠复位和外部复位按钮。arm控制倾角传感器slp管脚的高低电平，来调节传感器的工作休眠。程序设定控制倾角传感器工作时间设定在4s以上，因为实验表明前3s传感器采集的数据不稳定，所以直接滤除，从第4s开始采集倾角数据。由于zigbee模块定时休眠设定周期不准确，所以采用arm控制zigbee的slp管脚的高低电平，来调节zigbee的工作休眠。

倾角传感器采集的原始数据格式为：

数据域部分为12byte，分为三组，分别为x轴角度、y轴角度和温度。每组4字节为压缩bcd码，首位为符号位(0正，1负)，三位整数值，四位小数位。如：发送：7704000408

返回：77100084100086801005200000267770ec

77为字头标示符，10为从第二位到最后一位的字节长度(十进制为16),00为地址(出厂默认00)，84为命令字代表读角度，最后一位ec为从第二位(10)到倒数第二位(70)的十六进制之和(舍去进位)。

由于火车经过时轨道板会产生剧烈振动，安装在轨道板一侧的倾角节点也会采集到错误的干扰数据，所以本发明所设计了一种干扰信号滤除算法。算法主要分为区分干扰信号以及门限阈值的选取设定两部分。

根据轨道谱中的轨道不平顺可以看出，轨道不平顺的均方值是平均值和方差两部分组成的，与激扰能量相关。轨道不平顺的标准差是方差的正平方根，能确切地表示该段轨道不平顺在幅值方面的严重程度。所以门限阈值可以从轨道谱中得出，示例中设置门限阈值为1。

选定好门限阈值后，利用一组倾角数据值(示例中20个倾角值为一组)计算出当前的加速度特征，若高于门限则这组数据滤除，等待下一组接收数据。

为了探究倾角值与上拱高度之间的关系，申请人在某公司混凝土产品试验基地进行了一系列实验，找到了两者之间的对应关系。

一组实验数据如图8所示：

由实验数据可得出轨道板倾角值与上拱高度之间的关系是

hight＝tan(angle*3.1416/180.0)*width(1)

其中，hight为计算的轨道板上拱高度，单位为mm，angle为处理后的轨道板倾角值，width为轨道板横向脱空的长度，经实际实验得width设定为2500。

轨道板上拱高度计算值与测量值如图9所示。

实验结果可得倾角传感节点的精度为0.01°，系统检测的轨道板上拱精度为0.5mm。

汇聚节点主要有zigbee和无线路由器组成。zigbee主要用于收集终端节点数据，无线路由器通过联通3g网络连接到internet，并和公网中的驿云服务器建立连接，在中心端的电脑上运行无线串口通软件，也连接到驿云服务器上。打开串口通软件，根据imei号找到正在调试的设备，点击“添加映射”，将该设备映射到虚拟串口，这样“3g路由器—驿云—无线串口通”相当于一根无限长的串口线，把中心端电脑和用户设备连接起来，中心端电脑和用户设备相当于在一个虚拟的串口连接内，可以实现自由的通信。

云端：配套所选无线路由器mr900-w使用，作为数据中转的服务器，通过配套提供的串口通软件接收数据，进行数据透传。

系统输出的格式为id号，测量倾角值/°，计算上拱值/mm。

示例中设置处理5组数据为一周期，之后系统休眠，等待下一周期工作。

发明系统使用步骤：

1)终端节点安装轨道板两侧，保持与地面水平，使倾角传感器初始检测到的角度为0°。

2)终端节点将数据发送至中心节点，并由无线路由器通过3g/4g网络将数据发送至云端。

3)在上位端打开驿云平台，将串口映射至上位端。

4)打开串口助手搜索相应串口号即可获得数据值。

根据本发明的实施例，本发明还提出了一种轨道板上拱分布式监控方法，所述方法包括：

步骤s1、采集原始倾角数据；

步骤s2、完整采集一组倾角值后建立倾角数据矩阵；

步骤s3、在倾角数据矩阵中提取此时的数据频率特征后，与轨道谱提供的车辆纵向加速度阈值进行对比，当频率特征超过所设置的阈值后就滤除干扰数据；

步骤s4、基于得到的倾角数据，经过模型转换后得到轨道板上拱高度，并与所设置的门限值进行比对，判断轨道板是否上拱。

本发明的技术关键点在于：

1、现有的轨道板上拱检测方式多为人工检测或者大型轨检车检测，目前市场上也没有针对轨道板上拱在线实时检测的小型检测装置。本发明设计针对轨道板上拱检测，研制了一款轻型化的倾角检测系统，能够实现低功耗，无线缆化，实时在线检测的目的。

2、由于轨道上经常有火车经过，会产生额外的干扰数据，本发明设计了干扰信号滤除算法，可设定阈值后将不需要的信号滤除，提高了倾角节点的效率。

3、由于安装在轨道旁后节点不易移动，本发明设计了低功耗系统可保障节点长时间工作的需求。

4、由于轨道板旁的环境恶劣，其中环境温差大就要求节点外盒设计需要考虑隔热的功能。本发明设计节点外盒拥有双层蜂窝型隔热层，夹层内保证空气可以流通，可以达到隔热效果；全封闭式设计可达到防水的效果。

应当注意，本方案中使用的语言主要是为了可读性和教导目的选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的，本发明所提及的算法可以是以数字信号的形式在数字芯片中实现，也可以以其他方式，比如硬件电路，来实现运算过程。因此，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。