基于无线传感器网络的高速铁路道岔振动特性在线监测系统

摘要

一种基于无线传感器网络的高速铁路道岔振动特性在线监测系统，涉及高速铁路基础设施安全监测技术领域，其特有的系统以无线传感器网络为核心，包括：前端三轴加速度无线传感器数据测量单元，在线获取列车通过时高速道岔的振动数据以无线方式发送；无线传感器网络前端数据汇集单元，实时接收测量单元发送的数据，汇集并进行转发；服务器端，接收汇集单元的数据，持久存储并根据加速度数据分析计算得到列车速度、载荷情况，并与历史统计数据对比，对偏离历史数据超过一定范围的参数进行报警提示，为高速道岔安全运行提供支持。本发明可与常规的测试、力学分析方法结合应用于高速铁路道岔监测，并为道岔保养维护和设计优化提供数据基础。

主权项

基于无线传感器网络的高速铁路道岔振动特性在线监测系统，其特征在于，系统以无线传感器网络技术为核心，含有：前端三轴加速度无线传感器数据测量单元、前端数据汇集单元以及后端服务器，其中：前端三轴加速度无线传感器数据测量单元，是一种安装于高速铁路道岔轨枕上的所述前端三轴加速度无线传感器的集合，组成一个实时获取列车通过时道岔振动信号，并以ZigBee无线网络方式实时传输数据的无线传感器网络，其中：所述前端三轴加速度无线传感器的参数为：测量范围±50g，响应频率2KHz、采样频率不小于1KHz，无线传输距离小于100米；所述前端三轴加速度无线传感器安装点位于道岔正线入口、道岔正线出口和道岔侧线出口处的两根铁轨下方的轨枕上，均采用强力磁座方式安装在所述轨枕上，分别测量沿着X方向、Y方向和Z方向的加速度值，其中X方向为列车运行方向，Z方向为垂直于地面的方向，Y方向为垂直于列车运行的水平方向，在振动加速度值超过给定阈值时，无线传感器开始采集列车通过时的振动信号，当列车远离道岔，振动加速度值低于所述阈值时停止采集，当列车离去、采集结束之后，以ZigBee无线方式集中发送数据到前端数据汇集单元，并发送标志安装位置的标识信息和测量时刻信息，阈值缺省值为Z方向加速度值5g，根据需要在测量过程中进行重新设置，在每个安装点上均成对安装相同型号的所述三轴加速度无线传感器；所述前端数据汇集单元是一台同时具备ZigBee、Wifi网络数据传输能力的加固小型计算机，安装点位于道岔正线、侧线交叉点侧线一侧的路基之外，与该道岔六个传感器安装点的直线距离相等，且距离均小于100米；车站内及车站附件所有部署于各个高速道岔上的所述传感器和前端数据汇集单元共同组成一个基于无线传输协议的无线网络，实时接收各无线传感器获取的位置信息、时间信息和振动加速度值，并通过Wifi无线方式发送给后端服务器；所述后端服务器，其中的运行数据存储部分对接收到的振动加速度、位置信息、时间信息进行存储，运行数据分析部分完成数据处理功能，按照以下方式计算列车速度以及载荷数据：对于正线通过的列车，使用部署于垂直基本轨两个传感器测量得到Z方向的振动数据，对两组数据进行互相关计算，得到振动发生于两个传感器安装点的时间差Δt，已知两个传感器之间的距离固定并为Sz米，则列车速度Vz=Sz/Δt；对于侧线通过的列车，则使用部署于基本轨传感器的测量数值，采用相同方法即得到列车速度；通过道岔的车厢个数计算方法为：由于道岔的特殊结构，每一节车厢经过道岔，传感器获得的垂向振动将随时间呈现具有多个峰值的特定波形，且各节车厢经过时波形相似，利用这一特征，获得测量过程中通过道岔的车厢个数N；通过道岔的载荷计算方法为：车厢个数N x车厢标准质量；所述后端服务器运行在线监测软件，该软件根据采集得到的道岔振动数据和分析计算得到的列车速度、载荷等结果，结合存储于服务器的历史数据，计算同一型号多组道岔数据的历史平均值：包括三个方向振动加速度峰值的平均值、列车速度的平均值等；计算单组道岔数据的历史平均值：包括三个方向振动加速度峰值的平均值、列车速度的平均值等；以这两组数据作为基准数据，开展在线监测，具体如下：如果某一组道岔的某个指标历史平均值达到同型号道岔该指标平均值的两倍以上，则表明该组道岔该项指标有问题，属于偏离基准数据超标，进行报警提示；如果某一次测量或分析得到的某个指标数值达到这个道岔该项指标历史平均值两倍以上，则表明该次测量数据有问题，属于偏离基准数据超标，进行报警提示；通过这样的方式为高速道岔安全运行提供支持；所述的后端服务器提供网络浏览支持，授权用户通过英特网连接该服务器，采用浏览器方式远程访问监测数据，该监测数据用于道岔优化设计和后期维护的依据。