專利名稱：鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵路軌道安全監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是一種基于振動音頻信號的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理方法。
背景技術(shù)：
鐵路運(yùn)輸作為現(xiàn)代社會不可或缺的交通運(yùn)輸方式，在我國承擔(dān)了 50%左右的交通運(yùn)輸能力，截止到2006年底中國鐵路總里程為76600公里，根據(jù)最新鐵路規(guī)劃，中國將在 2020年使鐵路的總里程達(dá)到12萬公里以上，并且實(shí)現(xiàn)95%以上的復(fù)線。鐵路運(yùn)輸發(fā)展正朝復(fù)線化和高速化發(fā)展。鐵路的發(fā)展將會給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)收益，給人民帶來極大的便利，并可以帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。但是，鐵路的高速發(fā)展也帶來很多問題，尤其是運(yùn)輸安全問題最為突出。近兩年發(fā)生在鐵路上的重大交通事故頻現(xiàn)，為了盡可能降低事故發(fā)生率，保障鐵路運(yùn)輸安全，一方面需要提高鐵路部門的安全意識，另一方面需要保證鐵路工程的建設(shè)質(zhì)量，還有一方面就是要加強(qiáng)鐵路軌道的安全監(jiān)測，能在危險出現(xiàn)時盡早把信息傳送到列車、鐵路監(jiān)控中心和鐵路調(diào)度中心，給處理危險爭取到寶貴的時間，防患于未然。目前國際國內(nèi)鐵路狀況安全檢測與控制主要有四種方式
1.視頻監(jiān)測。此方法受氣候條件制約太大，比如大霧天氣等；
2.超聲波檢測。此方法受地理因素如轉(zhuǎn)彎隧道等因素制約太大；
3.電信號(指揮燈)指揮。此方法受氣候條件(雷擊等)和電源系統(tǒng)制約；
4.人工巡道的安全性檢查。此方法靈活性好，但結(jié)果因人而異，管理難度很大，人力資源浪費(fèi)，投入成本較高。而且受地域條件的約束，此外巡邏工人不可能M小時巡檢，不可能做到全天候和全路段同時巡檢。上述四種方式不可避免的存在自身的盲區(qū)和盲點(diǎn)，存在重大的安全隱患。因此，研發(fā)鐵軌系統(tǒng)的自動在線式檢測報警系統(tǒng)是鐵路產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展的必然。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，以鐵路軌道的振動音頻信號作為故障分析的基礎(chǔ)，消除了鐵路軌道的監(jiān)測盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了故障分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整采集。本發(fā)明的另一目的是提供一種鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，只需非常少的人工輔助監(jiān)測，即可完成復(fù)雜龐大的鐵軌監(jiān)測，準(zhǔn)確地預(yù)測列車前方故障，大大提高了監(jiān)測系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化且大幅度降低了鐵路巡道工的工作強(qiáng)度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括壓電式傳感器、采集盒以及無線傳感器，其中所述壓電式傳感器設(shè)置在鐵路軌道上且連接所述采集盒，所述采集盒連接所述無線傳感器，且所述無線傳感器設(shè)置在高壓動力線上；
所述壓電式傳感器用于采集鐵路軌道上的振動音頻信號；所述采集盒用于對所述振動音頻信號進(jìn)行調(diào)制處理，并且將調(diào)制后的振動音頻信號發(fā)送給所述無線傳感器；
所述無線傳感器用于以無線或者有線傳輸方式傳輸該經(jīng)處理后的振動音頻信號。該有線傳輸方式的傳輸媒介包括高壓動力線、動力線的支撐線、架設(shè)專用額外通信線路、架設(shè)光纖通信線、利用信號燈現(xiàn)有通信線路中至少一種，并且該無線傳輸方式包括 WIFI、藍(lán)牙、zigbee、射頻和GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星通信中至少一種，其中當(dāng)以高壓動力線為傳輸媒介傳輸該振動音頻信號時，由高壓動力線以電力線載波的形式傳輸該經(jīng)處理后的振動音頻信號。該鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)還包括安裝在鐵路軌道上的振動器，其中所述采集盒用于向所述振動器發(fā)送加密信號，所述振動器帶動鐵路軌道產(chǎn)生振動。該鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)還包括列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室中至少一個，其中所述無線傳感器以無線或者有線傳輸方式將經(jīng)處理后的振動音頻信號傳輸給所述列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室中至少一個。所述列車控制室采用無線傳輸方式接收振動音頻信號時采集列車前方5 10個無線傳感器的振動音頻信號。所述壓電式傳感器(1)安裝在鐵路軌道(2)上導(dǎo)軌槽(4)的中間位置。所述無線傳感器由供電單元、處理單元、無線通信單元、磁環(huán)和磁環(huán)卡組成，其中所述供電單元用于提供電源；
所述磁環(huán)用于從所述采集盒接收經(jīng)處理的振動音頻信號并通過排線發(fā)送給處理單
元；
所述處理單元用于對該振動音頻信號進(jìn)行處理；
所述處理單元還分別連接無線通信單元、有線傳輸線路，用于分別以無線或者有線方式傳輸該振動音頻信號。所述列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室用于對所述振動音頻信號進(jìn)行二次加密后傳輸至有線網(wǎng)絡(luò)，通過所述有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給上級監(jiān)控室，并且該上級監(jiān)控室經(jīng)過三次加密后傳輸至專用網(wǎng)絡(luò)，由所述專用網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控總站。所述鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)具有自身運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時可及時做出反應(yīng)。本發(fā)明還提供了一種上述鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于包括以下步驟
51、設(shè)定對一段鐵路軌道上無線傳感器的振動音頻信號進(jìn)行處理，判斷是否該段鐵路軌道上的振動音頻信號是否采集完成如果采集完成則對所有的振動音頻信號進(jìn)行采樣濾波、排序；如果未采集完成則繼續(xù)執(zhí)行采集步驟；
52、對排序后的振動音頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)格式化；
53、采用自適應(yīng)方法對經(jīng)格式化后的振動音頻信號進(jìn)行處理，再分別采用自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行處理；
54、針對自相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果判斷數(shù)據(jù)是否存在異常如果存在異常則表示列車前方可能存在靜態(tài)故障，將自相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果加密調(diào)制后發(fā)送給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
55、針對互相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果，再次采用自適應(yīng)方法進(jìn)行處理如果該自適應(yīng)方法的處理結(jié)果顯示該鐵路軌道與相鄰鐵路軌道之間存在干擾，則重復(fù)執(zhí)行步驟S2 S5 ；
如果該自適應(yīng)方法的處理結(jié)果顯示該鐵路軌道與相鄰鐵路軌道之間不存在干擾，則進(jìn)一步根據(jù)該自適應(yīng)方法的處理結(jié)果中包括的故障編碼判斷該鐵路軌道的故障類型如果鐵路軌道的故障類型為鋼軌設(shè)備和自然因素導(dǎo)致的故障則記錄處理結(jié)果并發(fā)送給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；如果鐵路軌道的故障類型為人為因素導(dǎo)致的故障則記錄該處理結(jié)果并在調(diào)制后發(fā)送給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
56、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)接收到的處理結(jié)果，計(jì)算獲得最優(yōu)方案；
57、采用模糊控制算法處理該最優(yōu)方案，輸出控制量，并在顯示屏上顯示該控制量如果從近至遠(yuǎn)無線傳感器所對應(yīng)的控制量曲線是平滑的衰減曲線，則表示該段鐵路軌道上不存在路障；如果從近至遠(yuǎn)無線傳感器所對應(yīng)控制量曲線出現(xiàn)突變，則表示該段鐵路軌道上存在路障，其中每一控制量均對應(yīng)于一個故障編碼。該鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法還包括確定鐵路軌道上路障類型的步驟
在從近至遠(yuǎn)無線傳感器所對應(yīng)控制量曲線出現(xiàn)突變時，進(jìn)一步查看突變處控制量對應(yīng)的故障編碼，根據(jù)該故障編碼來確定路障類型。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是
1、采用壓電式傳感器采集列車行駛中鐵路軌道產(chǎn)生的振動音頻信號，該振動音頻信號通過采集盒處理后發(fā)送給無線傳感器，由無線傳感器通過有線或者無線方式傳輸給列車控制室等，以鐵路軌道的振動音頻信號作為故障分析的基礎(chǔ)，消除了鐵路軌道的監(jiān)測盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了故障分析數(shù)據(jù)的完整采集；
2、采用高壓電力線作為振動音頻信號的有線傳輸媒介，振動音頻信號不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，而且在傳輸過程中不必考慮高山和隧道對無線信號的阻擋；
3、增設(shè)振動器，針對列車不經(jīng)常通過的鐵路軌道也可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測；
4、列車控制室采用無線傳輸方式接收振動音頻信號，不僅可以準(zhǔn)確地判斷列車的位置，而且可以判斷列車的運(yùn)行方向；此外列車控制器僅采集列車前方5 10個無線傳感器的振動音頻信號，不僅傳輸過程簡單，而且采集到的振動音頻信號足以準(zhǔn)確判斷出列車前方鐵路軌道是否存在路障，以使列車具有充足的時間做出反應(yīng)；
5、壓電式傳感器設(shè)置在導(dǎo)軌槽的中間位置，進(jìn)一步提高了振動音頻信號采集的準(zhǔn)確
性；
6、無線傳感器采用磁環(huán)替代天線來采集數(shù)據(jù)，使得采集到的數(shù)據(jù)量較大且精度較高； 并且在磁環(huán)的下側(cè)增加了磁環(huán)卡，使得磁環(huán)以卡接的方式固定在高壓線上，即實(shí)現(xiàn)了將無線傳感器安裝在高壓線上；
7、列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室用于對所述振動音頻信號進(jìn)行二次加密后傳輸至有線網(wǎng)絡(luò)，通過該有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給上級監(jiān)控室，并且該上級監(jiān)控室經(jīng)過三次加密后傳輸至專用網(wǎng)絡(luò)，由專用網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控總站，由此實(shí)現(xiàn)了鐵路從鐵軌軌道到鐵道部監(jiān)測的立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并且建立了鐵路軌道的專家數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)列車對相關(guān)數(shù)據(jù)的自動判斷， 增強(qiáng)了列車的自動化智能化性能；
8、鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)具有自身運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時可及時做出反
應(yīng)；9、采用自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)可以分別對列車前方的靜態(tài)路障、動態(tài)路障進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測；采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決了鋼軌長時間磨損、因地理因素不同鐵路鋼軌信息有所不同的問題，并且模糊控制算法提供模糊匹配，增加了智能性，由模糊控制規(guī)則表來判斷鐵路軌道的狀態(tài)，使列車有足夠的時間在前方鐵軌出現(xiàn)狀況時采取緊急措施。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中 圖1是本發(fā)明中鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的電路原理圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施例中壓電式傳感器的安裝示意圖； 圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施例中采集盒的電路原理圖； 圖4是本發(fā)明的第一實(shí)施例中無線傳感器的電路原理圖； 圖5是本發(fā)明的第一實(shí)施例中無線傳感器的安裝示意圖； 圖6是本發(fā)明中數(shù)據(jù)處理方法的流程圖。圖中標(biāo)記A為上級監(jiān)控室，B為監(jiān)控總站，1為壓電式傳感器，2為鐵路軌道，3為枕木，4為導(dǎo)軌槽，5為磁環(huán)，6為磁環(huán)卡，7為高壓動力線，8為列車電刷。
具體實(shí)施例方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。如圖1所示，該鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)由壓電式傳感器、采集盒、無線傳感器、列車控制室、車站控制室、線路監(jiān)控室、上級監(jiān)控室A和監(jiān)控總站B組成，其中壓電式傳感器設(shè)置在鐵路軌道上且連接該采集盒，采集盒連接無線傳感器且該無線傳感器設(shè)置在高壓動力線上。壓電式傳感器采集鐵路軌道上的振動音頻信號并將該振動音頻信號發(fā)送給采集盒處理，采集盒將經(jīng)處理的振動音頻信號發(fā)送給無線傳感器，無線傳感器用于以無線或者有線傳輸方式將該經(jīng)處理后的振動音頻信號傳輸給列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室。在采集上述振動音頻信號時僅針對列車行駛過程中撞擊鐵路軌道時的振動，即只有在列車通過該鐵路軌道時才能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，針對列車不經(jīng)常通過的鐵路軌道則無法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。為了解決上述問題，本發(fā)明增加了振動器，該振動器設(shè)置在鐵路軌道上并通過導(dǎo)線與采集盒連接， 采集盒向該振動器發(fā)送加密信號(即振蕩信號)，振動器帶動鐵路軌道產(chǎn)生微弱的振動。此外，上述該有線傳輸方式的傳輸媒介包括高壓動力線、動力線的支撐線、架設(shè)專用額外通信線路、架設(shè)光纖通信線、利用信號燈現(xiàn)有通信線路中至少一種，并且該無線傳輸方式包括WIFI、藍(lán)牙、zigbee、射頻和GPS衛(wèi)星、伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)及中國北斗衛(wèi)星等衛(wèi)星通信中至少一種。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，以射頻傳輸作為無線傳輸方式，高壓動力線作為有線傳輸媒介為例。如圖2所示，鐵路軌道2設(shè)置在枕木3上，該壓電式傳感器1安裝在鐵路軌道2側(cè)面的導(dǎo)軌槽4的中間位置，壓電式傳感器1的兩引線連接掩埋于鐵路軌道邊上的采集器，將該壓電式傳感器設(shè)置在導(dǎo)軌槽的中間位置，進(jìn)一步提高了振動音頻信號采集的準(zhǔn)確性。此外，本發(fā)明中采用貼片式的壓電式傳感器，體積小，便于安裝在鐵路軌道的側(cè)面。如圖3所示，該采集盒由供電單元、控制單元和無線傳輸模塊組成，供電單元用于分別向控制單元和無線傳輸模塊提供電源，控制單元用于接收該振動音頻信號并對該振動音頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大和調(diào)制處理，經(jīng)處理后的振動音頻信號由無線傳輸模塊發(fā)送給無線傳感器。此外，采集盒中控制單元還向振動器提供響應(yīng)信號，使得振動器帶動鐵路軌道產(chǎn)生微弱的振動。如圖4所示，該無線傳感器由供電單元、處理單元、數(shù)據(jù)采集單元和無線通信單元組成，其中該供電單元用于向處理單元和無線通信單元提供電源，數(shù)據(jù)采集單元用于從采集盒接收振動音頻信號并將該振動音頻信號發(fā)送給處理單元，該處理單元用于對該振動音頻信號進(jìn)行解調(diào)、解密處理，該經(jīng)解調(diào)、解密處理后的振動音頻信號可以由該無線通信單元直接發(fā)送給列車控制室或者車站控制室；也可以發(fā)送給高壓動力線后，由高壓動力線以電力線載波的形式將振動音頻信號發(fā)送給列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室中的至少一個。由于傳統(tǒng)的無線傳感器中數(shù)據(jù)采集單元大多采用天線的形式且不具備將無線傳感器安裝在高壓線上的結(jié)構(gòu)，因此在本實(shí)施例中采用磁環(huán)來替代天線來采集數(shù)據(jù)，且在磁環(huán)的下側(cè)設(shè)置一個磁環(huán)卡，如圖5所示，列車電刷8位于高壓動力線7的下方，該磁環(huán)5以磁環(huán)卡6的方式卡裝在高壓動力線7的上方，磁環(huán)5通過排線連接處理單元，該處理單元通過導(dǎo)線分別連接高壓動力線7、無線通信單元。本實(shí)施例中的無線傳感器通?？梢越邮?0 個采集盒的振動音頻信號。由于采用磁環(huán)替代了傳統(tǒng)無線傳感器中的天線，無線傳感器采集到的數(shù)據(jù)量更大且數(shù)據(jù)精度更高，并且經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)不僅可以采用無線傳輸?shù)姆绞絺鬏?，還可以采用電力線載波的方式傳輸。列車控制室可以采用兩種方式獲取振動音頻信號第一種是無線傳感器直接將振動音頻信號發(fā)送給列車控制室。由于無線傳感器的傳輸距離有限，列車控制室若要獲取所有無線傳感器的振動音頻信號，則必須依賴于相鄰無線傳感器之間的通信，但是振動音頻信號在無線傳感器之間的傳輸過程比較復(fù)雜且數(shù)據(jù)處理量大。本發(fā)明設(shè)計(jì)在采用此種方式獲取振動音頻信號時列車控制室可以接收列車前方3 10個無線傳感器的振動音頻信號，根據(jù)無線傳感器通信距離的不同，無線傳感器可以直接將振動音頻信號傳輸給列車控制室，也可以通過無線傳感器之間的相互傳送將振動音頻信號傳輸給列車控制室。此外，列車在剎車時存在一個制動距離，該制動距離與列車的質(zhì)量、速度和制動裝置等因素有關(guān)，而一般情況下行駛速度為120km/h以下的列車要求制動距離為800m，行駛速度為160km/h的列車要求制動距離為1400m，行駛速度為200km/h的列車要求制動距離為2000m，行駛速度為350km/h的列車至少要求制動距離為6000m ；并且通常無線傳感器的有效傳輸距離為幾公里，考慮到具有隧道和高山阻擋的山區(qū)鐵路軌道，無線傳感器的有效傳輸距離將會縮短， 為了準(zhǔn)確判斷出列車前方鐵路軌道是否存在路障，以使列車具有充足的時間做出反應(yīng)，優(yōu)選地，列車控制室采集列車前方至少5個無線傳感器的振動音頻信號。由于列車在行進(jìn)過程中列車控制室接收到的無線傳感器是不斷變化的，因此列車控制室不僅可以準(zhǔn)確地判斷列車的位置，而且可以判斷列車的運(yùn)行方向。第二種是無線傳感器將振動音頻信號發(fā)送給高壓動力線，由該高壓動力線以電力
8線載波的形式將振動音頻信號傳輸給列車控制室。由此，無線傳感器之間不必進(jìn)行復(fù)雜的傳輸以及大量的數(shù)據(jù)處理，列車控制室即可很簡單地獲取鐵路軌道上所有無線傳感器的振動音頻信號。車站控制室和線路監(jiān)控室在獲取振動音頻信號時，無線傳感器將振動音頻信號發(fā)送給高壓動力線，由該高壓動力線以電力線載波的形式將振動音頻信號傳輸給車站控制室和線路監(jiān)控室，從而對鐵路軌道上所有無線傳感器的振動音頻信號進(jìn)行監(jiān)測。采用高壓電力線傳輸?shù)姆绞?，振動音頻信號不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，而且在傳輸過程中不必考慮高山和隧道對無線信號的阻擋。列車控制室如果采用上述第一種方式獲取振動音頻信號，則車站控制室和線路監(jiān)控室還可以從列車控制室獲得對應(yīng)無線傳感器的振動音頻信號，從而對列車的位置和運(yùn)行方向進(jìn)行監(jiān)測。應(yīng)注意的是列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室分別設(shè)置有對應(yīng)的接收盒，且該接收盒中設(shè)置有無線傳輸模塊，以便接收振動音頻信號。如圖1所示，列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室在接收到振動音頻信號后，可以對振動音頻信號進(jìn)行二次加密，再傳輸至有線網(wǎng)絡(luò)，上級監(jiān)控室A從有線網(wǎng)絡(luò)中獲得各無線傳感器的振動音頻信號。該上級監(jiān)控室A包括大型車站、鐵路局和省級鐵路監(jiān)控中心中至少一種。此外，該上級監(jiān)控室還可以對振動音頻信號進(jìn)行三次加密，再傳輸至專用網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控總站B (即鐵道部調(diào)度中心或/和鐵道部監(jiān)控中心)從專用網(wǎng)絡(luò)中獲得振動音頻信號。由此，實(shí)現(xiàn)了鐵路軌道的實(shí)時安全監(jiān)控、調(diào)度和統(tǒng)計(jì)，并且有利于建立鐵路軌道的專家數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)火車對相關(guān)信息的自動判斷，增強(qiáng)火車的自動化智能化的性能。此外，該鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)還具有自身運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測功能，諸如在采集盒、無線傳感器等出現(xiàn)供電不足時可以及時做出反映。綜上所述，實(shí)現(xiàn)了鐵路軌道上振動音頻信號的采集。然而，由于復(fù)線鐵路軌道可能存在相鄰鐵路軌道的干擾，諸如相鄰鐵路軌道之間的串?dāng)_，相鄰鐵路軌道列車運(yùn)行干擾等； 此外，鐵路軌道上還可能存在其他干擾諸如巡查人員等在鐵路軌道上的走動干擾、暴雨冰雹等自然現(xiàn)象對鐵路軌道的沖擊干擾以及雷電對傳輸路徑的干擾等。因此，僅僅依靠上述采集到的振動音頻信號不足以準(zhǔn)確地分析鐵路軌道上的路障。在列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室對接收到的振動音頻信號需要進(jìn)行如下處理，如圖6所示
Si、設(shè)定僅對全國鐵路軌道上某一段鐵路軌道進(jìn)行處理，判斷是否該段鐵路軌道上的振動音頻信號是否采集完成如果采集完成則對所有的振動音頻信號進(jìn)行采樣濾波、排序； 如果未采集完成則繼續(xù)執(zhí)行采集步驟。S2、對排序后的振動音頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)格式化。S3、采用自適應(yīng)方法對經(jīng)格式化后的振動音頻信號進(jìn)行處理，再分別采用自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行處理。通過采用自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)可以分別對列車前方的靜態(tài)路障、動態(tài)路障進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測。S4、針對自相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果判斷數(shù)據(jù)是否存在異常如果存在異常則表示列車前方可能存在靜態(tài)故障，將自相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果加密調(diào)制后發(fā)送給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步處理。S5、針對互相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果，再次采用自適應(yīng)方法進(jìn)行處理如果該自適應(yīng)方法的處理結(jié)果顯示該鐵路軌道與相鄰鐵路軌道之間存在干擾，則重復(fù)執(zhí)行步驟S2 S5 ；如果該自適應(yīng)方法的處理結(jié)果顯示該鐵路軌道與相鄰鐵路軌道之間不存在干擾，則進(jìn)一步根據(jù)該自適應(yīng)方法的處理結(jié)果中包括的故障編碼判斷該鐵路軌道的故障類型如果鐵路軌道的故障類型為鋼軌設(shè)備和自然因素導(dǎo)致的故障則記錄處理結(jié)果并發(fā)送給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；如果鐵路軌道的故障類型為人為因素導(dǎo)致的故障則記錄該處理結(jié)果并在調(diào)制后發(fā)送給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在本實(shí)施例中該故障分為三類鋼軌設(shè)備、自然因素和人為因素導(dǎo)致的故障，其中鋼軌設(shè)備導(dǎo)致的故障包括鋼軌斷裂、鋼軌連接松動、道釘松動、螺孔裂紋、軌頭傷損、軌腰傷損、焊縫傷損、鋼軌老化、軌道變形和其他傷損，分別對應(yīng)于故障編碼0x80、 Oxal、0xa2、0x83、0xc4、0xe5、0xe6、0xc7、OxcO、0xe9 ；自然因素導(dǎo)致的故障包括山體滑坡、 路基塌陷和路基松動，分別對應(yīng)于故障編碼0xea、0xcb和0x8c ；人為因素導(dǎo)致的故障包括鐵路軌道上有障礙物，對應(yīng)于故障編碼0xad。S6、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)接收到的處理結(jié)果，計(jì)算獲得最優(yōu)方案；
S7、采用模糊控制算法處理該最優(yōu)方案，輸出控制量，并在顯示屏上顯示該控制量如果從近至遠(yuǎn)無線傳感器所對應(yīng)的控制量曲線是平滑的衰減曲線，則表示該段鐵路軌道上不存在路障；如果從近至遠(yuǎn)無線傳感器所對應(yīng)控制量曲線出現(xiàn)突變，則表示該段鐵路軌道上存在路障，其中每一控制量均對應(yīng)于一個步驟S5中所述的故障編碼。S8、在從近至遠(yuǎn)無線傳感器所對應(yīng)控制量曲線出現(xiàn)突變時，進(jìn)一步查看突變處控制量對應(yīng)的故障編碼，根據(jù)該故障編碼來確定路障類型。在步驟S5中已詳細(xì)描述了故障編碼與故障類型的對應(yīng)關(guān)系，在本步驟不予累述。應(yīng)注意的是上述自適應(yīng)方法、自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制算法均為成熟的技術(shù)，其具體的處理和計(jì)算過程在本發(fā)明中不予累述。通過采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決了鋼軌長時間磨損、因地理因素不同鐵路鋼軌信息有所不同的問題，并且模糊控制算法提供模糊匹配，增加了智能性，由模糊控制規(guī)則表來判斷鐵路軌道的狀態(tài)，使列車有足夠的時間在前方鐵軌出現(xiàn)狀況時采取緊急措施。綜上所述，通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)鐵路軌道在線實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對軌道的道釘松動、軌道鋼軌裂紋、軌道土石障礙、軌道斷線、自然災(zāi)害造成無法行車等故障監(jiān)測。本系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)，利用向列車供電動力線加載微弱的調(diào)制加密信號，實(shí)現(xiàn)向列車駕駛室、 站點(diǎn)監(jiān)控室、站點(diǎn)調(diào)度室、鐵路線控制室等傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)再通過鐵路線控制室的有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)向鐵路局監(jiān)測中心控制室與鐵道部控制室發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了鐵路從鐵軌軌道到鐵道部監(jiān)測的立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；并且只需非常少的人工輔助監(jiān)測，即可完成復(fù)雜龐大的鐵軌監(jiān)測，大大提高了監(jiān)測系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，大幅度降低了鐵路巡道工的工作強(qiáng)度。本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權(quán)利要求
1.一種鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括壓電式傳感器、采集盒以及無線傳感器，其中所述壓電式傳感器設(shè)置在鐵路軌道上且連接所述采集盒，所述采集盒連接所述無線傳感器，且所述無線傳感器設(shè)置在高壓動力線上；所述壓電式傳感器用于采集鐵路軌道上的振動音頻信號；所述采集盒用于對所述振動音頻信號進(jìn)行調(diào)制處理，并且將調(diào)制后的振動音頻信號發(fā)送給所述無線傳感器；所述無線傳感器用于以無線或者有線傳輸方式傳輸該經(jīng)處理后的振動音頻信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于該有線傳輸方式的傳輸媒介包括高壓動力線、動力線的支撐線、架設(shè)專用額外通信線路、架設(shè)光纖通信線、利用信號燈現(xiàn)有通信線路中至少一種，并且該無線傳輸方式包括WIFI、藍(lán)牙、zigbee、射頻和 GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星通信中至少一種，其中當(dāng)以高壓動力線為傳輸媒介傳輸該振動音頻信號時， 由高壓動力線以電力線載波的形式傳輸該經(jīng)處理后的振動音頻信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于還包括安裝在鐵路軌道上的振動器，其中所述采集盒用于向所述振動器發(fā)送加密信號，所述振動器帶動鐵路軌道產(chǎn)生振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于還包括列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室中至少一個，其中所述無線傳感器以無線或者有線傳輸方式將經(jīng)處理后的振動音頻信號傳輸給所述列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室中至少一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述列車控制室采用無線傳輸方式接收振動音頻信號時采集列車前方5 10個無線傳感器的振動音頻信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述壓電式傳感器(1) 安裝在鐵路軌道(2)上導(dǎo)軌槽(4)的中間位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述無線傳感器由供電單元、處理單元、無線通信單元、磁環(huán)和磁環(huán)卡組成，其中所述供電單元用于提供電源；所述磁環(huán)用于從所述采集盒接收經(jīng)處理的振動音頻信號并通過排線發(fā)送給處理單元；所述處理單元用于對該振動音頻信號進(jìn)行處理；所述處理單元還分別連接無線通信單元、有線傳輸線路，用于分別以無線或者有線方式傳輸該振動音頻信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述列車控制室、車站控制室和線路監(jiān)控室用于對所述振動音頻信號進(jìn)行二次加密后傳輸至有線網(wǎng)絡(luò)，通過所述有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給上級監(jiān)控室，并且該上級監(jiān)控室經(jīng)過三次加密后傳輸至專用網(wǎng)絡(luò)，由所述專用網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控總站。
9.一種權(quán)利要求1所述的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于包括以下步驟s1、設(shè)定對一段鐵路軌道上無線傳感器的振動音頻信號進(jìn)行處理，判斷是否該段鐵路軌道上的振動音頻信號是否采集完成如果采集完成則對所有的振動音頻信號進(jìn)行采樣濾波、排序；如果未采集完成則繼續(xù)執(zhí)行采集步驟；s2、對排序后的振動音頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)格式化；s3、采用自適應(yīng)方法對經(jīng)格式化后的振動音頻信號進(jìn)行處理，再分別采用自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行處理；s4、針對自相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果判斷數(shù)據(jù)是否存在異常如果存在異常則表示列車前方可能存在靜態(tài)故障，將自相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果加密調(diào)制后發(fā)送給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；s5、針對互相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果，再次采用自適應(yīng)方法進(jìn)行處理如果該自適應(yīng)方法的處理結(jié)果顯示該鐵路軌道與相鄰鐵路軌道之間存在干擾，則重復(fù)執(zhí)行步驟S2 S5 ；如果該自適應(yīng)方法的處理結(jié)果顯示該鐵路軌道與相鄰鐵路軌道之間不存在干擾，則進(jìn)一步根據(jù)該自適應(yīng)方法的處理結(jié)果中包括的故障編碼判斷該鐵路軌道的故障類型如果鐵路軌道的故障類型為鋼軌設(shè)備和自然因素導(dǎo)致的故障則記錄處理結(jié)果并發(fā)送給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；如果鐵路軌道的故障類型為人為因素導(dǎo)致的故障則記錄該處理結(jié)果并在調(diào)制后發(fā)送給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；s6、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)接收到的處理結(jié)果，計(jì)算獲得最優(yōu)方案；s7、采用模糊控制算法處理該最優(yōu)方案，輸出控制量，并在顯示屏上顯示該控制量如果從近至遠(yuǎn)無線傳感器所對應(yīng)的控制量曲線是平滑的衰減曲線，則表示該段鐵路軌道上不存在路障；如果從近至遠(yuǎn)無線傳感器所對應(yīng)控制量曲線出現(xiàn)突變，則表示該段鐵路軌道上存在路障，其中每一控制量均對應(yīng)于一個故障編碼。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于還包括確定鐵路軌道上路障類型的步驟在從近至遠(yuǎn)無線傳感器所對應(yīng)控制量曲線出現(xiàn)突變時，進(jìn)一步查看突變處控制量對應(yīng)的故障編碼，根據(jù)該故障編碼來確定路障類型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵路軌道實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理方法，屬于鐵路軌道安全領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括壓電式傳感器、采集盒、無線傳感器和振動器，壓電式傳感器、振動器均設(shè)置在鐵路軌道上且連接采集盒且無線傳感器設(shè)置在高壓動力線上。采集盒向振動器發(fā)送加密信號，振動器帶動鐵路軌道產(chǎn)生振動，壓電式傳感器采集鐵路軌道上的振動音頻信號并發(fā)送給采集盒處理；采集盒通過無線傳感器以無線或者有線傳輸方式傳輸該振動音頻信號。本發(fā)明以振動音頻信號作為分析列車前方故障的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，消除了鐵路軌道的監(jiān)測盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了故障分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整采集，并且通過該數(shù)據(jù)處理方法可以準(zhǔn)確地預(yù)測列車前方故障，大大提高了監(jiān)測系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。
文檔編號B61L23/00GK102530028SQ201210017240
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者唐林, 季超, 楊文剛, 楊正中, 王輝, 謝鋒, 鄭武強(qiáng), 郭鋒, 陳柄燁 申請人:重慶安諧新能源技術(shù)有限公司