專利名稱：基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵路安全監(jiān)測(cè)與防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體是一種基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國高鐵技術(shù)迅速發(fā)展極大方便了旅客的出行，帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，緩解了我國的客流壓力。列車速度及客流量的日漸增加，對(duì)高鐵軌道的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)方式提出了新的挑戰(zhàn)。高速鐵路軌道是高鐵工程中大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。軌道的機(jī)械性能將對(duì)列車運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。由于制造、安裝、磨損、疲勞、沖擊、破壞等引起的腐蝕和疲勞等損傷將破壞軌道的完整性，甚至?xí)a(chǎn)生災(zāi)難性的后果。近年來，國內(nèi)外高鐵事故頻發(fā)，安全監(jiān)控成為高速鐵路建設(shè)的一個(gè)重大課題。在高速鐵路軌道服役過程中，及時(shí)檢測(cè)出軌道內(nèi)部或表面損傷(例如疲勞裂紋等)，可以極大地提高和保障軌道和高速列車運(yùn)行過程中的安全性。因此，研究并應(yīng)用新的高速鐵路軌道損傷檢測(cè)技術(shù)，對(duì)高速鐵路迅速發(fā)展的我國具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
目前我國對(duì)于軌道的探傷主要依靠檢測(cè)速度較慢的軌道探傷車(低于100公里/ 小時(shí))和一些人工檢查。國內(nèi)外的軌道探傷車都采用超聲波探傷技術(shù)，對(duì)于高鐵(250-350公里/小時(shí))軌道的檢測(cè)，這種探傷車存在著以下兩種弊端1)不能穩(wěn)妥地檢測(cè)到路軌表面的小尺寸裂紋(小于4_)，尤其是檢測(cè)不到早期疲勞裂紋；2)低速探傷車對(duì)高鐵軌道的占用， 嚴(yán)重的影響了列車的運(yùn)行效率。因此，這種檢測(cè)方法已經(jīng)無法滿足高鐵軌道的檢測(cè)要求。
基于超聲導(dǎo)波的損傷檢測(cè)技術(shù)是一種可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線的無損檢測(cè)技術(shù)。超聲導(dǎo)波可以在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)中低衰減、遠(yuǎn)距離地傳播且對(duì)結(jié)構(gòu)的微小損傷和初始損傷較為敏感。由于超聲波在軌道中傳播的特點(diǎn)，對(duì)檢測(cè)軌道疲勞裂紋和其他內(nèi)部缺陷具有靈敏度高、 檢測(cè)速度快、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，利用基于導(dǎo)波的損傷檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)、在線的監(jiān)測(cè)高鐵軌道的健康狀況，并給與實(shí)時(shí)的有效反饋，有效的降低軌道的維護(hù)成本和提高高鐵的可靠性。因此基于導(dǎo)波的損傷檢測(cè)技術(shù)在高鐵軌道的結(jié)構(gòu)健康性監(jiān)測(cè)中有很好的應(yīng)用前景。另一方面，高鐵中使用的是無縫軌道，這也為基于導(dǎo)波的損傷檢測(cè)技術(shù)在高鐵軌道中的應(yīng)用提供了可能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)中的不足，提出了一種基于超聲導(dǎo)波和無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)將高鐵軌道損傷情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)傳送給高鐵駕駛員，提高汽車行駛的安全性和對(duì)高鐵軌道微小損傷的檢測(cè)能力。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊、超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊、車載中心處理與決策模塊。其中無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊負(fù)責(zé)向超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊發(fā)送由車載中心處理與決策模塊發(fā)出的檢測(cè)指令，并將來自于超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊接收的導(dǎo)波信號(hào)反饋回車載中心處理與決策模塊；超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊在接收到檢測(cè)指令后，在高鐵軌道中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波，超聲導(dǎo)波通過波導(dǎo)介質(zhì)(高鐵軌道)將導(dǎo)波信號(hào)傳輸?shù)匠晫?dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊；超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊接收波導(dǎo)介質(zhì)中的超聲導(dǎo)波，將超聲導(dǎo)波模擬信號(hào)數(shù)字化，并將數(shù)字化的超聲導(dǎo)波進(jìn)行存儲(chǔ)，然后將超聲導(dǎo)波信號(hào)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳輸給車載中心處理和決策模塊；車載中心處理與決策模塊一方面通過無線傳輸模塊對(duì)超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊發(fā)送檢測(cè)指令；另一方面對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊反饋的超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行濾波和Hilbert變換，提取超聲導(dǎo)波到的波包特征，判斷波包的屬性，并與車載中心處理和決策模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中無損傷情況下的波形情況進(jìn)行比較，判斷高鐵軌道中是否存在損傷以及損傷的嚴(yán)重程度，并將軌道損傷情況報(bào)告顯示于列車終端，提示高鐵列車駕駛員采取相應(yīng)的行駛舉措。
進(jìn)一步的，所述超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊，包括語音指令接收器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器和壓電晶片激勵(lì)器，其中語音指令接收器接收通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳輸而來的、 由車載中心處理與決策模塊發(fā)出的語言指令，并將接收到的語音指令傳輸?shù)綌?shù)/模轉(zhuǎn)換器中；數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中預(yù)先存儲(chǔ)具有固定頻率的數(shù)字激勵(lì)波信號(hào)，當(dāng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器接收到來自于語音指令接收器的語音指令后，對(duì)存儲(chǔ)在其內(nèi)部的數(shù)字激勵(lì)波信號(hào)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，并將模擬激勵(lì)波信號(hào)傳輸給信號(hào)放大器；信號(hào)放大器負(fù)責(zé)將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)哪M激勵(lì)波信號(hào)放大，使之滿足激勵(lì)信號(hào)電壓幅值的要求，并將放大后的激勵(lì)波模擬量電壓施加在壓電晶片激勵(lì)器；壓電晶片激勵(lì)器粘貼在高鐵軌道非工作表面上，負(fù)責(zé)在高鐵軌道中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波。
更進(jìn)一步的，所述數(shù)字激勵(lì)波信號(hào)，是根據(jù)軌道的結(jié)構(gòu)形式，材料屬性以及導(dǎo)波的頻散特性等影響因素，優(yōu)化選擇后的窗函數(shù)和激勵(lì)波形，其頻率為IOkHf200kHz。
進(jìn)一步的，所述超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊，包括壓電晶片接收器、單通道數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)緩存器，其中壓電晶片接收器粘貼在高鐵軌道非工作面上，距離壓電晶片激勵(lì)器一定距離，此距離在超聲導(dǎo)波信號(hào)衰減的范圍內(nèi)，負(fù)責(zé)接收由高鐵軌道傳輸而來的超聲導(dǎo)波，并將超聲導(dǎo)波傳到單通道數(shù)據(jù)采集器；單通道數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)將壓電晶片接收器傳輸?shù)某晫?dǎo)波信號(hào)數(shù)字化，并將數(shù)字化的超聲導(dǎo)波傳輸?shù)綌?shù)據(jù)緩存器；數(shù)據(jù)緩存器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)單通道數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)某晫?dǎo)波數(shù)字信號(hào)，并利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將超聲導(dǎo)波信號(hào)反饋回車載中心處理與決策模塊。
進(jìn)一步的，所述車載中心處理與決策模塊，包括檢測(cè)指令發(fā)生模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊和高鐵軌道損傷程度決策模塊，其中檢測(cè)指令發(fā)生模塊用于生成相應(yīng)檢測(cè)路段的指令信息，指令信息包括與檢測(cè)路段對(duì)應(yīng)的超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊的編號(hào)，激勵(lì)超聲導(dǎo)波的波形信息以及數(shù)據(jù)采集的采樣信息等；數(shù)字信號(hào)處理模塊接收來自于數(shù)據(jù)緩存器的超聲導(dǎo)波信號(hào)，利用存儲(chǔ)在數(shù)字信號(hào)處理模塊的濾波和Hilbert包絡(luò)算法，對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行濾波和求包絡(luò)處理，提取超聲導(dǎo)波到的波包特征，判斷波形信號(hào)中波包的屬性；通過獲取接收到的超聲導(dǎo)波信號(hào)中首波包的到達(dá)時(shí)間，利用超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊之間的實(shí)際距離除以該到達(dá)時(shí)間，可以得到在高鐵軌道中導(dǎo)波的實(shí)際傳播速度；利用存儲(chǔ)于車載中心處理和決策模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中無損傷情況下的波形信息進(jìn)行比較，提取出接收到的波形信號(hào)中的損傷特征，通過高鐵軌道損傷程度決策模塊判斷高鐵軌道中是否存在損傷以及損傷的嚴(yán)重程度，利用導(dǎo)波模態(tài)的實(shí)際速度與損傷波包的到達(dá)時(shí)間相乘，并對(duì)損傷的位置進(jìn)行評(píng)估，形成的軌道損傷情況報(bào)告顯示于列車終端顯示器，提示高鐵列車駕駛員采取相應(yīng)的行駛舉措，并將報(bào)告信息存儲(chǔ)于車載中心處理與決策模塊中的數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的軌道維修及預(yù)警工作提供理論支持。
更進(jìn)一步的，所述檢測(cè)指令發(fā)生模塊，其中超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊的編號(hào)通過設(shè)定的編碼方式對(duì)路線中的導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊進(jìn)行編號(hào)，存儲(chǔ)于車載中心處理與決策模塊的數(shù)據(jù)庫中，該信息與線路中的路段信息一一對(duì)應(yīng)，可以定位導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊的具體位置。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
I)由于超聲導(dǎo)波可以在軌道結(jié)構(gòu)中低衰減、遠(yuǎn)距離地傳播，因此可以對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行快速的檢測(cè)；超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)模態(tài)的傳播速度一般為5000m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高鐵的行駛速度；
2)由于超聲導(dǎo)波對(duì)微小損傷比較敏感，可以檢測(cè)出高鐵軌道結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的微小損傷；
3)本發(fā)明采用貼片式壓電晶片傳感器分別作為超聲導(dǎo)波的壓電晶片激勵(lì)器和壓電晶片接收器，因此，只需要將壓電晶片激勵(lì)器和壓電晶片接收器粘貼在高鐵軌道相應(yīng)的非工作面即可實(shí)現(xiàn)硬件的安裝，勿須對(duì)在用的高鐵軌道進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改變；
4)本發(fā)明中導(dǎo)向波信號(hào)的激勵(lì)波可以根據(jù)需要隨時(shí)發(fā)送，因此可以實(shí)時(shí)檢測(cè)前方道路上軌道的損傷情況，從而使高鐵列車駕駛員實(shí)時(shí)了解前方的路況，并將損傷信息進(jìn)行反饋對(duì)損傷路段進(jìn)行及時(shí)維護(hù)；
5)本發(fā)明基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)具有高鐵軌道損傷實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，因此可以在高鐵軌道出現(xiàn)損傷的初期檢測(cè)出隱藏在高鐵軌道內(nèi)部的裂紋等損傷，避免高鐵軌道由于損傷累積出現(xiàn)突然斷裂，從而提高了高鐵行駛的安全性；
6)本發(fā)明采用技術(shù)成熟的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，便于組見傳感器和信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。


圖I是本發(fā)明系統(tǒng)的示意圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施流程示意圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施流程圖4是本發(fā)明的超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊的結(jié)構(gòu)框圖5是本發(fā)明的超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)框圖6是本發(fā)明的車載中心處理與決策模塊的結(jié)構(gòu)框圖7是本發(fā)明的軌道中有損傷和無損傷時(shí)的壓電晶片傳感器信號(hào)對(duì)比。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例以發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1、2、3所示，本實(shí)施例包括無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊、超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊、車載中心處理與決策模塊，其中無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊負(fù)責(zé)向超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊傳輸由車載中心處理與決策模塊發(fā)出的檢測(cè)指令；超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊接收到來自于車載中心處理與決策模塊的語音指令后產(chǎn)生激勵(lì)波，并將激勵(lì)波發(fā)射到高鐵軌道，在高鐵軌道中產(chǎn)生彈性波并將超聲導(dǎo)波傳輸?shù)匠晫?dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊中；超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊接收到在高鐵軌道中產(chǎn)生的超聲導(dǎo)波信號(hào)，并將超聲導(dǎo)波數(shù)字化后存儲(chǔ)，然后將超聲導(dǎo)波信號(hào)利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊反饋給車載中心處理與決策模塊；車載中心處理與決策模塊對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊傳輸?shù)某晫?dǎo)波信號(hào)進(jìn)行濾波和求包絡(luò)，提取超聲導(dǎo)波到的波包特征，判斷波形信號(hào)中波包的屬性，獲得到在高鐵軌道中導(dǎo)波的實(shí)際傳播速度，利用存儲(chǔ)于車載中心處理和決策模塊數(shù)據(jù)庫中無損傷情況下的波形信息進(jìn)行比較，提取出接收到的波形信號(hào)中的損傷特征，通過高鐵軌道損傷程度決策模塊，對(duì)損傷進(jìn)行識(shí)別、定位與評(píng)估，該軌道損傷情況報(bào)告顯示于列車終端顯示器，提示高鐵列車駕駛員采取相應(yīng)的行駛舉措，并將報(bào)告信息存儲(chǔ)于車載中心處理與決策模塊中的數(shù)據(jù)庫中，方便后續(xù)的軌道維修及預(yù)警工作。
如圖4所示，所述入超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊，包括語音指令接收器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器和壓電晶片激勵(lì)器，語音指令接收由車載中心處理與決策模塊發(fā)出的語言指令， 并將接收到的語音指令傳輸?shù)綌?shù)/模轉(zhuǎn)換器中，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中預(yù)先存儲(chǔ)具有固定頻率的數(shù)字激勵(lì)波信號(hào)，當(dāng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器接收到來自于語音指令接收器的語音指令后，對(duì)存儲(chǔ)在其內(nèi)部的數(shù)字激勵(lì)波信號(hào)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，并將模擬激勵(lì)波信號(hào)傳輸給信號(hào)放大器；信號(hào)放大器負(fù)責(zé)將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)哪M激勵(lì)波信號(hào)放大，使之滿足激勵(lì)信號(hào)電壓幅值的要求，并將放大后的激勵(lì)波模擬量電壓施加在壓電晶片激勵(lì)器；壓電晶片激勵(lì)器粘貼在高鐵軌道的非工作面上，利用壓電晶片激勵(lì)器在高鐵軌道結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波。
如圖5所示，所述超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊，包括壓電晶片接收器、單通道數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)緩存器，壓電晶片接收器安裝在選好的高鐵軌道非工作面上，距離壓電晶片激勵(lì)器一定距離(此距離在超聲導(dǎo)波信號(hào)衰減的范圍內(nèi))，負(fù)責(zé)接收由高鐵軌道傳輸而來的超聲導(dǎo)波，并將超聲導(dǎo)波傳到單通道數(shù)據(jù)采集器；單通道數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)將壓電晶片接收器傳輸?shù)某晫?dǎo)波信號(hào)數(shù)字化，并將數(shù)字化的超聲導(dǎo)波傳輸?shù)綌?shù)據(jù)緩存器；數(shù)據(jù)緩存器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)單通道數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)某晫?dǎo)波數(shù)字信號(hào)，并利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將超聲導(dǎo)波信號(hào)反饋回車載中心處理與決策模塊。
如圖6所示，車載中心處理與決策模塊，包括檢測(cè)指令發(fā)生模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊和高鐵軌道損傷程度決策模塊，其中檢測(cè)指令發(fā)生模塊用于生成相應(yīng)檢測(cè)路段的指令信息，指令信息包括與檢測(cè)路段對(duì)應(yīng)的超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊的編號(hào)，激勵(lì)超聲導(dǎo)波的波形信息以及數(shù)據(jù)采集的采樣信息等；數(shù)字信號(hào)處理模塊接收來自于數(shù)據(jù)緩存器的超聲導(dǎo)波信號(hào)，利用存儲(chǔ)在數(shù)字信號(hào)處理模塊的濾波和Hilbert包絡(luò)算法，對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行濾波和求包絡(luò)處理，提取超聲導(dǎo)波到的波包特征，判斷波形信號(hào)中波包的屬性。獲取超聲導(dǎo)波在高鐵軌道中導(dǎo)波的實(shí)際傳播速度。當(dāng)高鐵軌道中存在損傷時(shí)，在超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊獲取到的超聲導(dǎo)波信號(hào)中，損傷特征會(huì)以波包的形式出現(xiàn)。因此利用存儲(chǔ)于車載中心處理和決策模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中無損傷情況下的波形信息進(jìn)行比較，提取出接收到的波形信號(hào)中的損傷特征，通過高鐵軌道損傷程度決策模塊判斷高鐵軌道中是否存在損傷以及損傷的嚴(yán)重程度，利用導(dǎo)波模態(tài)的實(shí)際速度與損傷波包的到達(dá)時(shí)間相乘，并對(duì)損傷的位置進(jìn)行評(píng)估。將軌道損傷情況報(bào)告顯示于列車終端顯示器，提示高鐵列車駕駛員采取相應(yīng)的行駛舉措，并將報(bào)告信息存儲(chǔ)于車載中心處理與決策模塊中的數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的軌道維修及預(yù)警工作提供理論支持。
本實(shí)施例工作時(shí)，車載中心處理與決策模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊向超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊發(fā)出語音指令，要求得到高鐵軌道的損傷情況報(bào)告，超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊中的語音指令接收器接收來自于車載中心處理與決策模塊的語音指令后，將該指令傳輸給數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中預(yù)先嵌入了 IOOkHz的激勵(lì)波信號(hào)的數(shù)字量，當(dāng)接收到來自于語音指令接收器檢測(cè)指令后，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將預(yù)先嵌入起內(nèi)部的激勵(lì)波信號(hào)數(shù)字量模擬化，轉(zhuǎn)換成 IOOkHz的超聲導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)被輸入到信號(hào)放大器，經(jīng)過信號(hào)放大器放大后，激勵(lì)波信號(hào)變成可以施加在壓電晶片激勵(lì)器上的激勵(lì)電壓，壓電晶片激勵(lì)器將激勵(lì)波信號(hào)入射到高鐵軌道中，如圖I所示；由于受到激勵(lì)波的激勵(lì)作用，超聲導(dǎo)波在高鐵軌道中被激發(fā)， 并在高鐵軌道中傳播，當(dāng)在高鐵軌道中的超聲導(dǎo)波傳播到壓電晶片接收器時(shí)，壓電晶片接收器產(chǎn)生和高鐵軌道同步的變形，將超聲導(dǎo)波轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，該信號(hào)被輸入到單通道數(shù)據(jù)采集器，從而將這些彈性波模擬信號(hào)數(shù)字化后輸送到數(shù)據(jù)緩存器中，如圖5所示；超聲導(dǎo)波信號(hào)采集完畢后，數(shù)字化的超聲導(dǎo)波信號(hào)由數(shù)據(jù)緩存器，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊反饋回車載中心處理與決策模塊，車載中心處理與決策模塊接收到來自與數(shù)據(jù)緩存器的超聲導(dǎo)波數(shù)字信號(hào)，利用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪和濾波預(yù)處理后，處理過的信號(hào)經(jīng)過Hilbert變換，得到信號(hào)的包絡(luò)，進(jìn)而獲得波從激勵(lì)器到接收器的傳播時(shí)間，再利用壓電晶片激勵(lì)器與壓電晶片接收器之間的距離，計(jì)算彈性波在摩擦片當(dāng)前狀況下的實(shí)際傳播速度(對(duì)于高鐵軌道結(jié)構(gòu)，超聲導(dǎo)波的傳播速度為5000m/s左右)。當(dāng)高鐵軌道中存在損傷時(shí)，如圖I所示， 在超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊獲取到的超聲導(dǎo)波信號(hào)中，損傷特征會(huì)以波包的形式出現(xiàn)，如圖7所示。通過對(duì)比車載中心處理和決策模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中無損傷情況下的波形信息，可以提取出波形信號(hào)中的損傷特征，如圖7中的1，2，3波包。通過這些損傷特征，可以獲得損傷的類型、相對(duì)大小以及大致位置。將關(guān)于圖I中的損傷信息存儲(chǔ)于車載中心處理與決策模塊，并將這些損傷評(píng)估信息顯示于列車終端顯示器，提示高鐵列車駕駛員采取相應(yīng)的行駛舉措。
本實(shí)例利用彈性波在高鐵軌道中的傳播特性以及結(jié)構(gòu)中存在損傷時(shí)對(duì)超聲導(dǎo)波傳播特性的影響，及時(shí)地將高鐵軌道的損傷情況利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)反饋給高鐵駕駛員，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高鐵線路路況的目的，提高了高鐵行駛的安全性，增加了高鐵軌道維護(hù)的便利性，提高了檢測(cè)速度，降低了因檢測(cè)而占用高鐵軌道的時(shí)間。除此以外，對(duì)高鐵軌道中出現(xiàn)的微小損傷能夠及時(shí)獲取并預(yù)警，這將大大提高高鐵鐵軌監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，以及高鐵運(yùn)行的平順性與安全性。
盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊、超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊、車載中心處理與決策模塊，其中 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊負(fù)責(zé)向超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊發(fā)送由車載中心處理與決策模塊發(fā)出的檢測(cè)指令，并將來自于超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊接收的導(dǎo)波信號(hào)反饋回車載中心處理與決策模塊； 超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊在接收到檢測(cè)指令后，在高鐵軌道中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波，超聲導(dǎo)波通過波導(dǎo)介質(zhì)將導(dǎo)波信號(hào)傳輸?shù)匠晫?dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊； 超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊接收波導(dǎo)介質(zhì)中 的超聲導(dǎo)波，將超聲導(dǎo)波模擬信號(hào)數(shù)字化，并將數(shù)字化的超聲導(dǎo)波進(jìn)行存儲(chǔ)，然后將超聲導(dǎo)波信號(hào)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳輸給車載中心處理和決策模塊； 車載中心處理與決策模塊一方面通過無線傳輸模塊對(duì)超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊發(fā)送檢測(cè)指令；另一方面對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊反饋的超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行濾波和Hilbert變換，提取超聲導(dǎo)波到的波包特征，判斷波包的屬性，并與車載中心處理和決策模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中無損傷情況下的波形情況進(jìn)行比較，判斷高鐵軌道中是否存在損傷以及損傷的嚴(yán)重程度，并將軌道損傷情況報(bào)告顯示于列車終端，提示高鐵列車駕駛員采取相應(yīng)的行駛舉措。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)，其特征是，所述車載中心處理與決策模塊包括檢測(cè)指令發(fā)生模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊和高鐵軌道損傷程度決策模塊；其中 檢測(cè)指令發(fā)生模塊用于生成相應(yīng)檢測(cè)路段的指令信息，指令信息包括與檢測(cè)路段對(duì)應(yīng)的超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊的編號(hào)，激勵(lì)超聲導(dǎo)波的波形信息以及數(shù)據(jù)采集的采樣信息； 數(shù)字信號(hào)處理模塊接收來自于數(shù)據(jù)緩存器的超聲導(dǎo)波信號(hào)，對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行濾波和求包絡(luò)處理，提取超聲導(dǎo)波到的波包特征，判斷波形信號(hào)中波包的屬性，同時(shí)獲取高鐵軌道中超聲導(dǎo)波的實(shí)際傳播速度，利用存儲(chǔ)于車載中心處理和決策模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中無損傷情況下的波形信息進(jìn)行比較，提取出接收到的波形信號(hào)中的損傷特征； 高鐵軌道損傷程度決策模塊根據(jù)損傷特征判斷高鐵軌道中是否存在損傷、損傷程度，利用導(dǎo)波模態(tài)的實(shí)際速度與損傷波包的到達(dá)時(shí)間相乘對(duì)損傷的位置進(jìn)行評(píng)估，形成的軌道損傷情況報(bào)告顯示于列車終端顯示器，提示高鐵列車駕駛員采取相應(yīng)的行駛舉措，并將報(bào)告信息存儲(chǔ)于車載中心處理與決策模塊中的數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的軌道維修及預(yù)警工作提供便利。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)，其特征是，所述檢測(cè)指令發(fā)生模塊，其中超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊的編號(hào)，通過設(shè)定的編碼方式對(duì)路線中的導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊進(jìn)行編號(hào)，存儲(chǔ)于車載中心處理與決策模塊的數(shù)據(jù)庫中，該信息與線路中的路段信息一一對(duì)應(yīng)，可以定位導(dǎo)波激勵(lì)模塊和超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊的具體位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是，所述超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊包括語音指令接收器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器和壓電晶片激勵(lì)器；其中語音指令接收器接收來自于車載中心處理與決策模塊的語音指令，并將接收到的語音指令傳輸?shù)綌?shù)/模轉(zhuǎn)換器中； 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中預(yù)先存儲(chǔ)具有固定頻率的數(shù)字激勵(lì)波波形信息，當(dāng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器接收到來自于語音指令接收器的語音指令后，將存儲(chǔ)在其內(nèi)部的數(shù)字激勵(lì)波形信息轉(zhuǎn)換為模擬超聲導(dǎo)波信號(hào)，并將模擬超聲導(dǎo)波信號(hào)傳輸給信號(hào)放大器； 信號(hào)放大器負(fù)責(zé)將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)哪M超聲導(dǎo)波信號(hào)放大，并傳輸給壓電晶片激勵(lì)器； 壓電晶片激勵(lì)器粘貼在高鐵軌道非工作表面上，負(fù)責(zé)在高鐵軌道中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)，其特征是，其特征是，所述數(shù)字激勵(lì)波信號(hào)，其頻率為IOkHf200kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)，其特征是，所述超聲導(dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊，包括壓電晶片接收器、單通道數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)緩存器，其中 壓電晶片接收器粘貼在高鐵軌道非工作面上，距離壓電晶片激勵(lì)器一定距離，此距離 在超聲導(dǎo)波信號(hào)衰減的范圍內(nèi)，負(fù)責(zé)接收由高鐵軌道傳輸而來的超聲導(dǎo)波，并將超聲導(dǎo)波傳到單通道數(shù)據(jù)采集器； 單通道數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)將壓電晶片接收器傳輸?shù)某晫?dǎo)波信號(hào)數(shù)字化，并將數(shù)字化的超聲導(dǎo)波傳輸?shù)綌?shù)據(jù)緩存器； 數(shù)據(jù)緩存器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)單通道數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)某晫?dǎo)波數(shù)字信號(hào)，并利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將超聲導(dǎo)波信號(hào)反饋回車載中心處理與決策模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于超聲導(dǎo)波與無線網(wǎng)絡(luò)的高鐵軌道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中車載中心處理與決策模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊向超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊發(fā)送檢測(cè)指令，超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊產(chǎn)生激勵(lì)波，在軌道中產(chǎn)生超聲導(dǎo)波并傳輸?shù)匠晫?dǎo)波信號(hào)接收和存儲(chǔ)模塊，該接收和存儲(chǔ)模塊將超聲導(dǎo)波信號(hào)數(shù)字化后存儲(chǔ)并傳輸給車載中心處理與決策模塊，對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行濾波和求包絡(luò)處理，提取超聲導(dǎo)波到的波包特征，判斷波形信號(hào)中波包的屬性以及實(shí)際波速，與數(shù)據(jù)庫中無損情況信息進(jìn)行對(duì)比，提取出波形信號(hào)中的損傷特征，判斷高鐵軌道中是否存在損傷、損傷程度以及對(duì)損傷的位置進(jìn)行評(píng)估。本發(fā)明提高了檢測(cè)速度和對(duì)軌道微小損傷的檢測(cè)能力，降低了占用高鐵線路的時(shí)間。
文檔編號(hào)G01N29/07GK102923164SQ20121034244
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者李富才, 孫學(xué)偉 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)