一種便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置及方法。該裝置包括振動傳感器、測速傳感器、模擬預處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、ZigBee電路、獨立電池、上位機主控制芯片、網(wǎng)卡接口；所述振動傳感器設置在列車走行部一系簧上方的構架上，測速傳感器設置于列車的車軸端蓋內(nèi)，振動傳感器和測速傳感器分別采集車載振動信號和測速信號，采集到的信號先經(jīng)模擬預處理電路進行低通濾波處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號一方面通過單片機傳輸至無線通訊端，另一方面通過ZigBee電路傳輸至上位機進行故障診斷分析處理；上位機主控芯片對接收到的數(shù)字信號進行信號分析處理及故障診斷。本發(fā)明具有操作方便、精度高、成本低等優(yōu)點。
【專利說明】一種便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及軌道長波不平順在線監(jiān)測的【技術領域】，特別是一種便攜式軌道不平順 在線監(jiān)測裝置及方法。

【背景技術】
[0002] 軌道不平順由輪軌反復作用及軌道枕木等惡化造成，是引起車輛和軌道振動的重 要激勵源之一。當軌道不平順達到一定程度時會影響車輛平穩(wěn)性、乘客舒適度、車輛和軌道 的使用壽命甚至危害車輛運行安全，因此對軌道不平順進行實時在線的有效檢測與管理對 鐵路運營具有重要意義。
[0003] Tsunashima H 等(Tsunashima H, Kojima T, Matsummoto A, et al. Condition monitoring of railway track using in-service vehicle[J]. Japanese Railway Engineering, 2008, 161:333-356.)采用在車體上安裝一陀螺儀采集車體的角速度來推導 軌道狀態(tài)，并使用GPS系統(tǒng)和地圖匹配算法精確定位故障位置，但是在車體安裝陀螺儀系 統(tǒng)，就限制了該系統(tǒng)的測量場所和增加了測量成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、工程實施性好的便攜式軌道不平順在線監(jiān)測 裝置及方法，基于軸箱振動加速度和列車車速對垂向軌道長波不平順進行在線監(jiān)測。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案是：一種便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置，包括 振動傳感器、測速傳感器、模擬預處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、ZigBee電路、獨立電池、上 位機主控制芯片、網(wǎng)卡接口；所述振動傳感器設置在列車走行部一系簧上方的構架上，測速 傳感器設置于列車的車軸端蓋內(nèi)，所述振動傳感器和測速傳感器的輸出信號接入模擬預處 理電路，模擬預處理電路的輸出信號接入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號接入單片機， 單片機的輸出信號接入ZigBee電路，ZigBee電路的輸出信號接入上位機主控制芯片，上位 機主控制芯片的輸出信號接入網(wǎng)卡接口；獨立電池為單片機進行供電；
[0006] 所述振動傳感器和測速傳感器分別采集車載振動信號和測速信號，采集到的信號 先經(jīng)模擬預處理電路進行低通濾波處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該 數(shù)字信號一方面通過單片機傳輸至無線通訊端，另一方面通過ZigBee電路傳輸至上位機 進行故障診斷分析處理；所述ZigBee電路發(fā)射端將接收的數(shù)字信號傳輸至上位機主控芯 片，上位機主控芯片對接收到的數(shù)字信號進行信號分析處理及故障診斷，通過上位機主控 芯片進行軌道不平順診斷結果顯示、存儲。
[0007] -種便攜式軌道不平順在線監(jiān)測方法，步驟如下：
[0008] 步驟1，在列車走行部一系彈簧上方的構架上安裝振動傳感器，并在列車的車軸端 蓋內(nèi)設置測速傳感器，所述振動傳感器和測速傳感器的輸出端均接入模擬預處理電路；
[0009] 步驟2,振動傳感器采集列車的軸箱振動加速度信號、測速傳感器采集列車的運行 速度信號，所采集到的兩路信號輸入模擬預處理電路進行低通濾波處理，低通濾波器采用 巴斯沃特濾波器，后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號通過單片機傳 輸至ZigBee電路，ZigBee電路提供了無線傳輸功能，將該數(shù)字信號傳輸至上位機主控制芯 片；
[0010] 步驟3,提取信號特征值：上位機主控制芯片通過對數(shù)字信號進行故障診斷，確定 振動加速度信號的特征值即短時能量、幅值、方差、峭度，并確定各個特征值對應的閾值；
[0011] 步驟4,故障等級劃分：將驟3中獲取的振動加速度信號各個特征值與相應特征值 的閾值進行比較，并根據(jù)比較結果劃分故障等級，進而確定故障點；
[0012] 步驟5,不平順位置判定：確定步驟4所得故障點對應的時間，結合采集到的速度 信號，根據(jù)位移定義推算出確定軌道存在不平順的位置。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是：（1)成本低，避免了使用機器視覺法帶來 的高成本，以及軌檢車的運行、維護和調(diào)度成本；（2)工程實施性好，振動傳感器和車速傳 感器能承受現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，且安裝方便；（3)在線監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)的和長期累積的 軌道不平順狀態(tài)變化，從而提供及時的維護預警，避免了在日后更廣泛的維護并對故障進 行跟蹤記錄，為以后的鐵路維護進行更有效的規(guī)劃。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置的硬件結構示意圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置中傳感器的安裝示意圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明便攜式軌道不平順在線監(jiān)測方法的處理流程圖。
[0017] 圖4為本發(fā)明實施例1中振動傳感器采集的振動加速度信號。
[0018] 圖5為本發(fā)明實施例1中振動加速度信號的短時能量值。
[0019] 圖6為本發(fā)明實施例1中振動加速度信號的振幅值。
[0020] 圖7為本發(fā)明實施例1中振動加速度信號的方差值。
[0021] 圖8為本發(fā)明實施例1中振動加速度信號的峭度值。

【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0023] 結合圖1?2,本發(fā)明便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置，包括振動傳感器1、測速傳 感器2、模擬預處理電路3、A/D轉(zhuǎn)換器4、單片機5、ZigBee電路6、獨立電池7、上位機主控 制芯片8、網(wǎng)卡接口 9 ;所述振動傳感器1設置在列車走行部一系簧上方的構架上，測速傳感 器2設置于列車的車軸端蓋內(nèi)，所述振動傳感器1和測速傳感器2的輸出信號接入模擬預 處理電路3,模擬預處理電路3的輸出信號接入A/D轉(zhuǎn)換器4, A/D轉(zhuǎn)換器4的輸出信號接 入單片機5,單片機5的輸出信號接入ZigBee電路6, ZigBee電路6的輸出信號接入上位 機主控制芯片8,上位機主控制芯片8的輸出信號接入網(wǎng)卡接口 9 ;獨立電池7為單片機5 進行供電；所述振動傳感器1和測速傳感器2分別采集車載振動信號和測速信號，采集到的 信號先經(jīng)模擬預處理電路3進行低通濾波處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器4將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號，該數(shù)字信號一方面通過單片機5傳輸至無線通訊端，另一方面通過ZigBee電路6傳 輸至上位機進行故障診斷分析處理；所述ZigBee電路6發(fā)射端將接收的數(shù)字信號傳輸至上 位機主控芯片8,上位機主控芯片8對接收到的數(shù)字信號進行信號分析處理及故障診斷，通 過上位機主控芯片8進行軌道不平順診斷結果顯示、存儲。獨立電池7對單片機進行供電， 保證單片機的正常工作。
[0024] 所述振動傳感器1采用PCB公司的PCB356A26,主要性能指標為量程為±100g pk， 靈敏度為50mV/g，頻率范圍為0. 7?6500Hz。
[0025] 所述單片機5采用PIC18F2525中高端單片機，包括復位按鍵和外部20MHz石英晶 振；PIC18單片機是Microchip公司推出的中高端8位單片機，PIC18F2525為屬PIC18系列 的一款28引腳QFDN封裝，納瓦技術和多種功耗管理模式以滿足低功耗要求。該單片機的 性能指標為：2. 0-5. 5V電源，40MHZ的主頻，內(nèi)部RTC32KHZ的時鐘，支持在線ICE仿真，I⑶ 調(diào)試，外設包括4路定時器、同時支持I 2C和SPI總線的MSSP模塊，支持LIN總線的USART、 10位AD、最大分辨率52ns捕獲和最大分辨率833ns的捕獲捕捉比較模塊PWMCCP模塊。
[0026] 所述ZigBee電路6采用無線通訊接口 JN5139, JN5139為單一芯片一體化低 功耗低成本無線收發(fā)器和單片機。芯片集成了一個32bit RISC處理器，兼容214GHz IEEE802. 15. 4收發(fā)器，包括192kB的ROM 96kB的RAM提供4輸入12bit AD轉(zhuǎn)換器、2路 libit DA比較器、2個應用計時器、3個系統(tǒng)計時器、2路UART串口、5個片選位的SPI端口、 1個I2C接口。豐富的接口為外接各種傳感器和控制電路提供了很大的便利。
[0027] 所述上位機主控制芯片8采用三星公司的基于ARMll內(nèi)核的S3C6410微處理器， 主頻最高達667MHz，該處理器的控制板上擴展了 256MB DDR內(nèi)存，2GB NAND FLASH，運行嵌 入式Linux操作系統(tǒng)，提供IIC、SPI、UART接口以及液晶顯示控制器。主控模塊硬件設計 中DDR，F(xiàn)LASH，電源，時鐘等外圍硬件是運行嵌入式系統(tǒng)必不可少的部分，這些部分為外圍 功能拓展電路；LCD屏顯示采集的信息；觸摸屏進行人機交互；振動傳感器和旋轉(zhuǎn)脈沖速度 傳感器采集相應信息；DMA9000為網(wǎng)卡模塊。
[0028] 結合圖2?3,本發(fā)明便攜式軌道不平順在線監(jiān)測方法，步驟如下：
[0029] 步驟1，在列車走行部一系彈簧上方的構架上安裝振動傳感器1，并在列車的車軸 端蓋內(nèi)設置測速傳感器2,所述振動傳感器1和測速傳感器2的輸出端均接入模擬預處理電 路3 ;
[0030] 步驟2,振動傳感器1采集列車的軸箱振動加速度信號、測速傳感器2采集列車的 運行速度信號，所采集到的兩路信號輸入模擬預處理電路3進行低通濾波處理，低通濾波 器采用巴斯沃特濾波器，后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器4將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號通過單 片機5傳輸至ZigBee電路6, ZigBee電路6提供了無線傳輸功能，將該數(shù)字信號傳輸至上 位機主控制芯片8 ;
[0031] 步驟3,提取信號特征值：上位機主控制芯片8通過對數(shù)字信號進行故障診斷，確 定振動加速度信號的特征值即短時能量、幅值、方差、峭度，并確定各個特征值對應的閾值， 該閾值需在實驗中進行大量數(shù)據(jù)分析，以達到給定的各閾值能夠盡量合理的適應眾多的情 況；振動加速度信號的特征值即短時能量、幅值、方差、峭度，公式如下：
[0032] 短時能量E定義：

【權利要求】
1. 一種便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置，其特征在于，包括振動傳感器（I)、測速傳感 器（2)、模擬預處理電路（3)、A/D轉(zhuǎn)換器（4)、單片機（5)、ZigBee電路（6)、獨立電池（7)、 上位機主控制芯片（8)、網(wǎng)卡接口（9);所述振動傳感器（1)設置在列車走行部一系簧上方 的構架上，測速傳感器（2)設置于列車的車軸端蓋內(nèi)，所述振動傳感器（1)和測速傳感器 (2)的輸出信號接入模擬預處理電路（3)，模擬預處理電路（3)的輸出信號接入A/D轉(zhuǎn)換器 (4)，A/D轉(zhuǎn)換器（4)的輸出信號接入單片機（5)，單片機（5)的輸出信號接入ZigBee電路 (6)，ZigBee電路（6)的輸出信號接入上位機主控制芯片（8)，上位機主控制芯片（8)的輸 出信號接入網(wǎng)卡接口（9);獨立電池（7)為單片機（5)進行供電； 所述振動傳感器（1)和測速傳感器（2)分別采集車載振動信號和測速信號，采集到的 信號先經(jīng)模擬預處理電路（3)進行低通濾波處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器（4)將模擬信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號，該數(shù)字信號一方面通過單片機（5)傳輸至無線通訊端，另一方面通過ZigBee電 路（6)傳輸至上位機進行故障診斷分析處理；所述ZigBee電路（6)發(fā)射端將接收的數(shù)字信 號傳輸至上位機主控芯片（8)，上位機主控芯片（8)對接收到的數(shù)字信號進行信號分析處 理及故障診斷，通過上位機主控芯片（8)進行軌道不平順診斷結果顯示、存儲。
2. 根據(jù)權利要求1所述便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述振動傳感 器（1)采用PCB公司的PCB356A26,主要性能指標為量程為± IOOg pk，靈敏度為50mV/g，頻 率范圍為〇· 7?6500Hz。
3. 根據(jù)權利要求1所述便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述單片機（5) 采用PIC18F2525單片機，包括復位按鍵和外部20MHz石英晶振；該單片機的性能指標為： 2. 0-5. 5V電源，40MHZ的主頻，內(nèi)部RTC32KHZ的時鐘，支持在線ICE仿真，ICD調(diào)試，外設包 括4路定時器、同時支持I 2C和SPI總線的MSSP模塊，支持LIN總線的USARTU0位AD、最 大分辨率52ns捕獲和最大分辨率833ns的捕獲捕捉比較模塊PWMCCP模塊。
4. 根據(jù)權利要求1所述便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述ZigBee 電路（6)采用無線通訊接口 JN5139,芯片集成了一個32bit RISC處理器，兼容214GHz IEEE802. 15. 4收發(fā)器，包括192kB的ROM 96kB的RAM提供4輸入12bit AD轉(zhuǎn)換器、2路 libit DA比較器、2個應用計時器、3個系統(tǒng)計時器、2路UART串口、5個片選位的SPI端口、 1個I2C接口。
5. 根據(jù)權利要求1所述便攜式軌道不平順在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述上位機主 控制芯片（8)采用三星公司的基于ARMll內(nèi)核的S3C6410微處理器，主頻最高達667MHz，該 處理器的控制板上擴展了 256MB DDR內(nèi)存，2GB NAND FLASH，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)， 提供IIC、SPI、UART接口以及液晶顯示控制器。
6. -種便攜式軌道不平順在線監(jiān)測方法，其特征在于，步驟如下： 步驟1，在列車走行部一系彈簧上方的構架上安裝振動傳感器（1)，并在列車的車軸端 蓋內(nèi)設置測速傳感器（2)，所述振動傳感器（1)和測速傳感器（2)的輸出端均接入模擬預處 理電路⑶； 步驟2,振動傳感器（1)采集列車的軸箱振動加速度信號、測速傳感器（2)采集列車的 運行速度信號，所采集到的兩路信號輸入模擬預處理電路（3)進行低通濾波處理，低通濾 波器采用巴斯沃特濾波器，后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器（4)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號通 過單片機（5)傳輸至ZigBee電路（6)，ZigBee電路（6)提供了無線傳輸功能，將該數(shù)字信 號傳輸至上位機主控制芯片（8); 步驟3,提取信號特征值：上位機主控制芯片（8)通過對數(shù)字信號進行故障診斷，確定 振動加速度信號的特征值即短時能量、幅值、方差、峭度，并確定各個特征值對應的閾值； 步驟4,故障等級劃分：將驟3中獲取的振動加速度信號各個特征值與相應特征值的閾 值進行比較，并根據(jù)比較結果劃分故障等級，進而確定故障點； 步驟5,不平順位置判定：確定步驟4所得故障點對應的時間，結合采集到的速度信號， 根據(jù)位移定義推算出確定軌道存在不平順的位置。
7.根據(jù)權利要求6所述的便攜式軌道不平順在線監(jiān)測方法，其特征在于，步驟3所述上 位機主控制芯片（8)通過對數(shù)字信號進行故障診斷，確定振動加速度信號的特征值即短時 能量、幅值、方差、峭度，公式如下： 短時能量E定義：
其中，En為滑動窗函數(shù)，η為巾貞長即窗口長度，m為窗口初始時刻、x(m)為m時刻振動 信號幅值、N為采樣點數(shù)；由于要保留振動加速度信號的原始振動能量，采用矩形窗作為窗 函數(shù)：
因此，振動加速度信號在時刻η的短時能量En表示為：
幅值Peak為振動加速度信號偏離零線的最大值： Peak = I max (Xi) I max 其中，Xi為振動信號的幅值，i = l，2，…，N ; 方差Variance為振動加速度信號的波動大?。?br> 其中，?為振動信號的平均值； 峭度Kurtosis對于均值為零的振動信號定義為：
式中，P(X)為信號X (t)的概率密度分布函數(shù)，X為采集的振動加速度值。
【文檔編號】B61K9/08GK104228872SQ201410510047
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權日:2014年9月28日
【發(fā)明者】周玉勤, 朱海勇, 邢宗義, 王曉浩, 王夫歌, 陳岳劍, 左成, 郭翔 申請人:江蘇潤儀儀表有限公司, 南京理工大學