[技術領域]

本發(fā)明申請涉及列車數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，具體涉及一種列車結構強度及疲勞分析設備及列車運行狀況監(jiān)控以及數(shù)字信號處理系統(tǒng)。

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背景技術：
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世界各國經(jīng)濟的發(fā)展，都離不開交通運輸業(yè)的發(fā)展。由于受氣候和自然條件影響較小且運輸能力及單車裝載量大，鐵路運輸在運輸?shù)慕?jīng)常性和低成本性中占據(jù)一定優(yōu)勢；再加上車輛類型較多，使之承載量大且不受重量和容積的限制，這些都是公路和航空運輸方式所不能比擬的，因此鐵路運輸在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中具有重要地位。鐵路運輸經(jīng)過1997年至2007年的六次大規(guī)模提速，客運服務質量得到了很大的改進，鐵路運輸在客運市場的競爭能力大大增強，但同時也產(chǎn)生了一系列問題，尤其突出的是疲勞破壞的問題，如提速客車209hs型轉向架的聯(lián)系梁、吊桿、牽引座的疲勞斷裂；提速客車sw-160型轉向架的吊桿、構架和橫向控制桿的疲勞斷裂；提速機車ss8型轉向架的端梁斷裂以及提速貨車轉8ag型轉向架的交叉桿系統(tǒng)的疲勞破壞等，這些問題造一旦發(fā)生可能使國民經(jīng)濟遭受巨大損失，嚴重威脅人們的出行安全。

針對列車疲勞破壞問題，國內(nèi)專家在此領域內(nèi)進行了廣泛深入的研究。從上世紀末開始，國內(nèi)陸續(xù)有研究人員開始著手研究貨車載荷譜的工作，隨著近幾年來高速列車的飛速發(fā)展，我國又著手進行高速列車關鍵部位疲勞損傷問題的研究，建立了適合我國鐵路線路狀態(tài)的車鉤、轉向架、車體等列車關鍵部位的載荷譜的編制方法。

目前對機車車輛關鍵部位進行疲勞強度研究及壽命預測時，所采用的主要研究方法有以下三種：(1)實測數(shù)據(jù)法：通過實際線路試驗測試得到構件的動應力或應變，結合標定試驗和載荷線路識別，處理分析得到所需要的載荷譜；或者將部分構件設計為測力傳感器，可以直接測試得到結構上的載荷。(2)估算數(shù)據(jù)法：根據(jù)研究目標分析工況，結合車輛設計經(jīng)驗和線路狀況對載荷譜進行估算，該方法需要一定的經(jīng)驗積累。(3)動力學仿真法：通過動力學(如simpack、adams等軟件)仿真，結合相關試驗所得的實測數(shù)據(jù)，獲得不同線路工況下的應力-時間歷程，再依據(jù)載荷-應力傳遞關系，獲得載荷譜。

上述三種方法中，實測數(shù)據(jù)法的準確度最高。對于結構應力時間歷程的采集，目前仍然通過應變測量系統(tǒng)獲得。經(jīng)過近十幾年的逐步探索與研究，針對列車動應力測試數(shù)據(jù)采集的方法上，已經(jīng)成形了一套完整的體系。圖1為傳統(tǒng)的動應力數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，它由應變片、應變片電路、數(shù)據(jù)采集設備和數(shù)據(jù)分析軟件組成。但是由于目前列車運行對實時性與安全需求的提升，越來越多的設備狀態(tài)及其所處環(huán)境條件需要進行采集記錄并進行監(jiān)控，對數(shù)據(jù)異常的監(jiān)控和及時報警顯得至關重要。目前測試方法并不能實現(xiàn)此功能，主要表現(xiàn)在：

(1)自動采集設備本身可以存儲大量數(shù)據(jù)，由于交路或者列車調度的原因，測試人員可能數(shù)日甚至數(shù)周都無法對已采集數(shù)據(jù)進行下載，在這期間傳感器發(fā)生的故障將無法及時得到反饋，這將直接影響測試的質量。若測試的信號質量不符合要求，會對后期研究造成巨大影響；若重新進行測試，時間、金錢成本將會劇增。

(2)目前動應力數(shù)據(jù)測試不具備實時監(jiān)測的功能，這就導致列車某些關鍵部位由于線路、運行條件的改變以及損耗等因素，其服役性能發(fā)生改變，加重其疲勞損傷情況。

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技術實現(xiàn)要素：
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針對上述問題，急需要在列車動應力測試中，用一種方法來對采集信號的質量以及列車動應力情況進行實時監(jiān)測。本發(fā)明申請基于gprs數(shù)據(jù)傳輸方式，設計了實時數(shù)據(jù)記錄與處理、數(shù)據(jù)異常監(jiān)控和警報于一體的列車動應力測試試驗實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于在列車測試過程中，對列車數(shù)據(jù)采集設備及列車運行狀態(tài)進行監(jiān)測，確定采集的數(shù)據(jù)質量并實時監(jiān)控列車關鍵部位動應力情況，保證列車安全運行。

本發(fā)明申請的技術方案如下：

本發(fā)明申請的列車動應力測試試驗實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設備、車載計算機、gprs數(shù)據(jù)傳輸單元及終端設備四部分組成。其中車載計算機內(nèi)搭載數(shù)據(jù)預處理軟件，用于對信號進行預處理得到待傳送參數(shù)；終端設備搭載監(jiān)控及預警軟件，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄與異常預警功能。數(shù)據(jù)傳輸部分采用了中國移動通信公司的商用gprs傳輸網(wǎng)。該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡信息覆蓋廣、通信成本低、抗干擾能力強及容易編程實現(xiàn)等優(yōu)點。

(1)數(shù)據(jù)采集設備

根據(jù)動應力數(shù)據(jù)采集特點，常用的數(shù)據(jù)采集設備有imc、agilent、edaq等設備。

(2)車載計算機

數(shù)據(jù)采集設備在采集數(shù)據(jù)的過程中，分時間段向車載計算機中傳輸樣本數(shù)據(jù)。車載計算機中配套數(shù)據(jù)處理及分析軟件，根據(jù)終端設備設置的相應參數(shù)，自動完成數(shù)據(jù)的預處理，得到相應的待傳送的監(jiān)測參數(shù)及樣本數(shù)據(jù)。

(3)gprs數(shù)據(jù)傳輸單元(dtu)

zh7000型gprs數(shù)據(jù)傳輸單元(dtu)是一款利用gsm手機網(wǎng)絡向遠端設備發(fā)送數(shù)據(jù)的獨立模塊，該dtu可以完全獨立工作，由dtu自身完成連接鏈路的維持和檢測，通過rs232/rs485/ttl電平接口即可實現(xiàn)與internet及遠端設備交換數(shù)據(jù)。dtu與車載計算機通過rs232串口連接，并在gsm網(wǎng)絡中保持在線。通過此傳輸單元，將車載計算機中的參數(shù)與數(shù)據(jù)傳送至終端設備，同時可也將終端設備的指令傳送給車載計算機。

(4)終端設備

終端設備搭載監(jiān)控及預警軟件，軟件采取模塊化設計思想，大致可分為以下6個模塊，如圖3所示。

設備調試模塊：用于測試所選用gprs模塊的各項功能，從而確保程序能夠正確可靠地與模塊通信。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：用于將發(fā)送消息隊列中的消息通過串口發(fā)送給gprs模塊，同時，將接收到的信息寫入至監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中。

預警模塊：該模塊是系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控的核心，人機界面提供自定義監(jiān)控列表的設置(包括監(jiān)控觸發(fā)條件、警報信息等)，同時提供監(jiān)控的檢測周期、壞點檢測次數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)的設置。在開啟監(jiān)控功能后，按照監(jiān)控列表中設定的條件定時對監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中的對應數(shù)據(jù)記錄表進行查詢，一旦數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件，便高亮顯示當前警報并記錄。

數(shù)據(jù)回放模塊：針對報警信息，可將預警時間內(nèi)的數(shù)據(jù)樣本傳輸至地面監(jiān)測中心，并利用可視化技術，將數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，模塊中具有對波形的相關操作以及頻域分析等功能，便于用戶從多方面判斷設備及列車運行情況；

數(shù)據(jù)處理模塊：數(shù)據(jù)預處理只是根據(jù)用戶設定參數(shù)自動進行處理，發(fā)生預警后用戶需要對數(shù)據(jù)進行再次觀察與處理從而判斷設備及列車運行情況。

監(jiān)控數(shù)據(jù)庫管理模塊：記錄實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)，將車載計算機傳送的監(jiān)控數(shù)據(jù)由監(jiān)控對象控制軟件寫入或第三方數(shù)據(jù)采集程序錄入。用戶可以快速進行儲存、查詢以及數(shù)據(jù)分析對比操作。警報模塊只需要根據(jù)設定條件不斷查詢監(jiān)控數(shù)據(jù)庫對應記錄表中的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常并進行相應的處理。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)實時監(jiān)控設備運行狀況

數(shù)據(jù)采集設備通常安裝在車下設備艙，而動車組車下設備艙內(nèi)的電磁環(huán)境十分復雜，由于設備自身和連接電纜的原因，設備常常會受到電磁等環(huán)境干擾而造成某些通道采集的數(shù)據(jù)發(fā)生異?，F(xiàn)象。本發(fā)明申請通過對數(shù)據(jù)樣本進行實時處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本特征信息，從而判斷設備運行狀態(tài)，然后做出相應措施。此功能可以保證設備采集數(shù)據(jù)的質量，從而得到正確的疲勞分析結果；提高試驗成功率，減少試驗重復次數(shù)，降低試驗成本。

(2)實時監(jiān)控列車關鍵部位動應力情況

目前動應力測試試驗大多持續(xù)周期較短，更多的是根據(jù)一定里程的動應力試驗結果推算高速列車運行120萬公里的應力水平。對于長期跟蹤測試，雖然測試的時間較長，但是在測試過程中無法實時獲取采集的數(shù)據(jù)，需要隔一段時間人工上車采集。這兩種方法已經(jīng)得到理論及實踐的驗證，廣泛運用于目前的列車疲勞分析中。但是不排除列車某些關鍵部位由于線路、運行條件的改變以及損耗等因素，其服役性能發(fā)生改變加重其疲勞損傷情況。所以，此系統(tǒng)能夠更加安全可靠地對列車關鍵部位的動應力情況進行實時監(jiān)測，并結合目前動應力測試及分析方法，充分確定列車的應力狀態(tài)，保證列車安全運行。

[附圖說明]

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

附圖1是傳統(tǒng)動應力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的框圖；

附圖2是本發(fā)明申請的基于gprs數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧熊噭討y試實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的模塊框圖；

附圖3是附圖2中示出的基于gprs數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧熊噭討y試實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中的終端設備所搭載的監(jiān)控及預警軟件模塊框圖；

附圖4是附圖2所示的本發(fā)明申請的基于gprs數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧熊噭討y試實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的運行流程圖。

[具體實施方式]

本發(fā)明申請的列車動應力測試試驗實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設備、車載計算機、gprs數(shù)據(jù)傳輸單元及終端設備四部分組成，如圖2所示。其中車載計算機內(nèi)搭配數(shù)據(jù)預處理軟件，用于對信號進行預處理得到待傳送參數(shù)；終端設備搭載監(jiān)控及預警軟件，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄與異常預警功能。數(shù)據(jù)傳輸部分采用了中國移動通信公司的商用gprs傳輸網(wǎng)。該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡信息覆蓋廣、通信成本低、抗干擾能力強及容易編程實現(xiàn)等優(yōu)點。

(1)數(shù)據(jù)采集設備

根據(jù)動應力數(shù)據(jù)采集特點，常用的數(shù)據(jù)采集設備有imc、agilent、edaq等設備。

(2)車載計算機

數(shù)據(jù)采集設備在采集數(shù)據(jù)的過程中，分時間段向車載計算機中傳輸樣本數(shù)據(jù)。車載計算機中配套數(shù)據(jù)處理及分析軟件，根據(jù)終端設備設置的相應參數(shù)，自動完成數(shù)據(jù)的預處理，得到相應的待傳送的監(jiān)測參數(shù)及樣本數(shù)據(jù)。

(3)gprs數(shù)據(jù)傳輸單元(dtu)

zh7000型gprs數(shù)據(jù)傳輸單元(dtu)是一款利用gsm手機網(wǎng)絡向遠端設備發(fā)送數(shù)據(jù)的獨立模塊，該dtu可以完全獨立工作，由dtu自身完成連接鏈路的維持和檢測，通過rs232/rs485/ttl電平接口即可實現(xiàn)與internet及遠端設備交換數(shù)據(jù)。dtu與車載計算機通過rs232串口連接，并在gsm網(wǎng)絡中保持在線。通過此傳輸單元，將車載計算機中的參數(shù)與數(shù)據(jù)傳送至終端設備，同時可也將終端設備的指令傳送給車載計算機。

(4)終端設備

終端設備搭載監(jiān)控及預警軟件，軟件采取模塊化設計思想，大致可分為以下6個模塊，如圖3所示。

設備調試模塊：用于測試所選用gprs模塊的各項功能，從而確保程序能夠正確可靠地與模塊通信。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：用于將發(fā)送消息隊列中的消息通過串口發(fā)送給gprs模塊，同時，將接收到的信息寫入至監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中。

預警模塊：該模塊是系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控的核心，人機界面提供自定義監(jiān)控列表的設置(包括監(jiān)控觸發(fā)條件、警報信息等)，同時提供監(jiān)控的檢測周期、壞點檢測次數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)的設置。在開啟監(jiān)控功能后，按照監(jiān)控列表中設定的條件定時對監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中的對應數(shù)據(jù)記錄表進行查詢，一旦數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件，便高亮顯示當前警報并記錄。

數(shù)據(jù)回放模塊：針對報警信息，可將預警時間內(nèi)的數(shù)據(jù)樣本傳輸至地面監(jiān)測中心，并利用可視化技術，將數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，模塊中具有對波形的相關操作以及頻域分析等功能，便于用戶從多方面判斷設備及列車運行情況；

數(shù)據(jù)處理模塊：數(shù)據(jù)預處理只是根據(jù)用戶設定參數(shù)自動進行處理，發(fā)生預警后用戶需要對數(shù)據(jù)進行再次觀察與處理從而判斷設備及列車運行情況。

監(jiān)控數(shù)據(jù)庫管理模塊：記錄實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)，將車載計算機傳送的監(jiān)控數(shù)據(jù)由監(jiān)控對象控制軟件寫入或第三方數(shù)據(jù)采集程序錄入。用戶可以快速進行儲存、查詢以及數(shù)據(jù)分析對比操作。警報模塊只需要根據(jù)設定條件不斷查詢監(jiān)控數(shù)據(jù)庫對應記錄表中的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常并進行相應的處理。

附圖4是附圖2所示的本發(fā)明申請的列車動應力測試試驗實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的運行流程圖。首先在終端設備上對系統(tǒng)通信模塊進行調試并完成數(shù)據(jù)預處理參數(shù)設置。

(1)系統(tǒng)在通電后，數(shù)據(jù)采集設備開始采集數(shù)據(jù)存儲在自身安裝的存儲介質中，同時以一定的時間間隔向車載計算機發(fā)送樣本數(shù)據(jù)。

(2)車載計算機上運行的配套軟件將對計算機存儲的數(shù)據(jù)樣本進行解碼并進行數(shù)據(jù)預處理，得到疲勞分析中需要的關鍵監(jiān)控數(shù)據(jù)。

(3)通過gprs通信模塊將預處理得到的數(shù)據(jù)傳至終端設備，保存在監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中。

(4)預警系統(tǒng)根據(jù)設定條件在監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中進行查詢，當滿足觸發(fā)條件時進行報警。用戶可對報警信息與實時數(shù)據(jù)進行處理分析，確定設備及列車運行情況并采取相應措施。