自供电式列车运行状态监测系统 |
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| 申请号 | CN201710602025.2 | 申请日 | 2017-07-21 | 公开(公告)号 | CN107458418A | 公开(公告)日 | 2017-12-12 |
| 申请人 | 深圳市亚泰光电技术有限公司; | 发明人 | 张静秋; 刘先名; 王桃兰; 邹海娟; 马天悦; 郑翔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种自供电式列车运行状态监测系统，其包括微型振动供电模 块 、传感模块、运行控 制模 块、 无线通信模块 以及上位机，微型振动供电模块用于将列车 轴承 附近振 动能 转换为 电能 ，且为所述系统供电；传感模块用于测量所述轴承的振动状态及 温度 ；运行 控制模块 用于对传感 信号 进行 采样 ，对采样后的传感信号进行处理，并将处理结果通过无线通信模块发送给上位机，且根据来自上位机的指令将采样后的传感信号发送给上位机；上位机用于接收处理结果，若处理结果的数值大于预设值，则向列车发出预警指令，并发送指令给运行控制模块以获取采样后的传感信号，且对所述传感信号进行综合分析以获得轴承的运行状态参数以向列车发出相应的运行控制指令。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种自供电式列车运行状态监测系统，其特征在于，所述自供电式列车运行状态监测系统包括：微型振动供电模块、传感模块、运行控制模块、无线通信模块以及上位机，所述微型振动供电模块包括有微型振动发电机和充电电池，其中，所述微型振动发电机，用于将列车轴承附近振动能转换为电能，并为所述充电电池充电；所述充电电池，用于为所述列车运行状态监测系统供电； |
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| 说明书全文 | 自供电式列车运行状态监测系统技术领域[0001] 本发明涉及轨道交通监测及发电技术领域，更具体地涉及一种自供电式列车运行状态监测系统。 背景技术[0002] 铁路列车及地铁等轨道交通运输系统承载着国民经济命脉，而轨道车辆的轮轴及轴承是确保轨道车辆安全运行的关键。以往，轨道车辆轮轴及轴承等关键运转部件的健康状态是以定期维护、检修加以保障的；但以定期维护、检修为主的现行维修模式越来越不经济，车辆维修模式已经在逐步向基于安全监控和寿命管理的智能化“状态修”模式发展，各种轴承监测诊断的方法和技术被不断提出。 [0003] 现有的轨道列车轴承在线监测系统大都采用的是随车轴温监控报警系统，该随车轴温监控报警系统利用温度的热传递性，当轴承的温度超出阈值，即发出故障报警，该系统在一定程度上提高了故障检测效率，增加了行车可靠性。然而，温升是轴承故障的晚期症状，当轴承出现早期点蚀、剥落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监测基本上没有反映，只有当故障达到一定的严重程度时，用这种方法才能监测到。而且现有轨道列车轴承在线监测系统的按照传感信号传递方式可分为有线传感系统和无线传感系统。有线传感式系统应用安装施工时，每辆列车至少百余个测点，传感器信号与采集卡之间为有线传输方式，线缆长度需要几十甚至上百米，线路布设复杂，可维护性差、系统调整灵活性差。而无线传感系统安装、布置灵活，便于组网和网络拓展，但无线传感网络技术还不成熟，如无线传感网络节点供电技术，现有无线传感网络节点通常使用电池供电，电池寿命有限，如果电池电量耗尽，就需要定期更换大量的电池。 发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题提供一种自供电式列车运行状态监测系统。 [0006] 为解决上述技术问题，提供一种自供电式列车运行状态监测系统，该系统包括：微型振动供电模块、传感模块、运行控制模块、无线通信模块以及上位机。所述微型振动供电模块包括有微型振动发电机和充电电池，其中，所述微型振动发电机，用于将列车轴承附近振动能转换为电能，并为所述充电电池充电；所述充电电池，用于为所述列车运行状态监测系统供电。所述传感模块，用于测量所述列车轴承的振动状态及温度以获得振动传感信号及温度传感信号，并发送给所述运行控制模块。所述运行控制模块，用于根据来自上位机的采样频率和周期对来自所述传感模块的振动传感信号及温度传感信号进行采样，对采样后的传感信号进行处理，并将处理结果通过所述无线通信模块发送给所述上位机，且根据来自所述上位机的指令将采样后的振动传感信号及温度传感信号发送给上位机。所述上位机，用于通过无线通信模块向所述运行控制模块发送预设的采样频率和周期，且接收来自所述运行控制模块的处理结果，若所接收的处理结果的数值大于预设值，则向列车发出相应的预警指令，并发送指令给该运行控制模块以获取采样后的传感信号，且对所述传感信号进行综合分析以获得列车轴承的运行状态参数及故障发展趋势，根据运行状态参数及故障发展趋势向列车发出相应的运行控制指令。 [0007] 其进一步技术方案为：所述运行控制模块包括信号采集控制单元、信号处理单元以及无线收发控制单元。其中，所述信号采集控制单元，用于根据预设的采样频率和周期对来自所述传感模块的振动传感信号及温度传感信号进行采样，并将采样后的传感信号发送给所述信号处理单元。所述信号处理单元，用于对所接收的采样后的振动传感信号及温度传感信号进行处理以获得冲击脉冲值。所述无线收发控制单元，用于监控所述信号处理单元的数据处理过程，并在该信号处理单元的信号处理完毕后触发所述无线通信模块，以将所述冲击脉冲值发送给上位机，且根据来自所述上位机的指令将采样后的振动传感信号及温度传感信号发送给上位机。 [0008] 其进一步技术方案为：所述传感模块包括：振动传感器，用于测量所述列车轴承的振动状态以获得振动传感信号。温度传感器，用于测量所述列车轴承的温度以获得温度传感信号。以及调理电路单元，与所述振动传感器及温度传感器连接，对所述振动传感信号及温度传感信号进行处理，并将处理后的振动传感信号及温度传感信号发送给所述运行控制模块。 [0009] 其进一步技术方案为：所述振动传感器包括三轴加速度传感器及单轴加速度传感器。 [0010] 其进一步技术方案为：所述微型振动发电机包括主振子、第一整流电路、储能器、辅助振子、第二整流电路、滤波器、稳压电路、滞回比较器以及开关控制电路。其中，所述主振子包括有压电晶体，其通过所述第一整流电路对所述储能器进行充电。所述储能器与所述滞回比较器、开关控制电路连接，所述滞回比较器检测到储能器的电压大于预设阈值时发送触发信号至所述开关控制电路，所述开关控制电路根据所述触发信号控制所述储能器向所述充电电池充电。所述辅助振子包括有压电晶体，其依次流经所述第二整流电路、滤波器以及稳压电路，为所述滞回比较器及开关控制电路供电。 [0011] 与现有技术相比，本发明的自供电式列车运行状态监测系统无需更换电池且无需外界供电，通过微型振动发电机即可将轨道列车轴承附近的振动能等进行回收以为该监测系统供电，且本发明的系统通过传感模块可测得轴承的振动和温度传感信号，并对所述传感信号进行处理，若处理结果的数值大于预设值，则向列车发出相应的预警指令，且上位机可进行进一步的数据分析及故障发展趋势预测，本发明可快速搭建轨道列车轴承无线监测网络，实现对列车轴承运行状态的实时监测，并可在出现问题时及时预警，使指挥室能实时掌握列车轴承运行状态，及时处理故障隐患，提升列车的运行正常率。附图说明 [0013] 图2是图1运行控制模块的具体结构框图。 具体实施方式[0014] 为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。 [0015] 参照图1，图1为本发明自供电式列车运行状态监测系统10一具体实施例的结构框图。在附图所示的实施例中，所述自供电式列车运行状态监测系统10包括：微型振动供电模块11、传感模块12、运行控制模块13、无线通信模块14以及上位机15。 [0016] 本实施例中，所述微型振动供电模块11包括有微型振动发电机111和充电电池112，其中，所述微型振动发电机111，用于将列车轴承附近振动能转换为电能，并为所述充电电池112充电；所述充电电池112，用于为所述列车运行状态监测系统供电。所述传感模块 12，用于测量所述列车轴承的振动状态及温度以获得振动传感信号及温度传感信号，并发送给所述运行控制模块13。所述运行控制模块13，用于根据来自上位机15的采样频率和周期对来自所述传感模块12的振动传感信号及温度传感信号进行采样，对采样后的传感信号进行处理，并将处理结果通过所述无线通信模块14发送给所述上位机15，且根据来自所述上位机15的指令将采样后的振动传感信号及温度传感信号发送给上位机15；所述对采样后的传感信号进行处理是指包括采样后的冲击信号绝对值处理、包络检波以及计算冲击脉冲值。所述上位机15，用于通过无线通信模块14向所述运行控制模块13发送预设的采样频率和周期，且接收来自所述运行控制模块13的处理结果，若所接收的处理结果的数值大于预设值，则向列车发出相应的预警指令，并发送指令给该运行控制模块13以获取采样后的传感信号，且对所述传感信号进行综合分析以获得列车轴承的运行状态参数及故障发展趋势，根据运行状态参数及故障发展趋势向列车发出相应的运行控制指令；所述运行控制指令包括减速、停机检查等指令。所述运行状态参数包括振动状态、温度状态、故障部位、故障原因以及控制建议等。其中，所述振动状态可用颜色指示灯表示，不同颜色的指示灯表示不同状态等级，即可用绿灯、黄灯、橙灯以及红灯分别表示列车运行的良好、正常、预警以及危险这些等级，所述温度状态也可用与振动状态同样的方式表示。本实施例中，所述通信模块包括单芯片、低功耗的无线收发器。基于上述设计，本发明不仅可快速搭建轨道列车轴承无线监测网络，实现对列车轴承运行状态的实时监测，并可在出现问题时及时预警，使指挥室能实时掌握列车轴承运行状态，及时处理故障隐患，提升列车的运行正常率，而且通过微型振动发电机111即可将轨道列车轴承附近的振动能等进行回收以为该监测系统10供电。 [0017] 在某些实施例，例如本实施例中，所述微型振动发电机111包括主振子、第一整流电路、储能器、辅助振子、第二整流电路、滤波器、稳压电路、滞回比较器以及开关控制电路。其中，所述主振子包括有压电晶体，其通过所述第一整流电路对所述储能器进行充电，所述压电晶体可将振动能等转换为电能。所述储能器与所述滞回比较器、开关控制电路连接，所述滞回比较器检测到储能器的电压大于预设阈值时发送触发信号至所述开关控制电路，所述开关控制电路根据所述触发信号控制所述储能器向所述充电电池112充电；所述触发信号可以设置为高电平信号，也可以设置为低电平信号。所述辅助振子包括有压电晶体，其依次流经所述第二整流电路、滤波器以及稳压电路，为所述滞回比较器及开关控制电路供电。 本实施例通过监测储能器电压来控制储能器对充电电池112进行充电，电池112直接为整个系统供电。 [0018] 参照图2，图2为本发明中运行控制模块13的具体结构框图。在附图所示的实施例中，所述运行控制模块13包括信号采集控制单元131、信号处理单元132以及无线收发控制单元133。其中，所述信号采集控制单元131，用于根据预设的采样频率和周期对来自所述传感模块12的振动传感信号及温度传感信号进行采样，并将采样后的传感信号发送给所述信号处理单元132；所述信号处理单元132，用于对所接收的采样后的振动传感信号及温度传感信号进行处理以获得冲击脉冲值；所述无线收发控制单元133，用于监控所述信号处理单元132的数据处理过程，并在该信号处理单元132的信号处理完毕后触发所述无线通信模块14，以将所述冲击脉冲值发送给上位机15，且根据来自所述上位机15的指令将采样后的振动传感信号及温度传感信号发送给上位机15；该无线收发控制单元133通过程序控制，程序循环运行对数据处理过程进行监控，信号处理完毕，唤醒无线通信模块14以发送数据，数据发送完毕，所述无线通信模块14进入休眠状态。本实施例中，所述运行控制模块13以低功耗的硬件资源为基础，辅以简单高效的核心软件算法，即可实现轴承振动传感信号及温度传感信号的实时采样和处理以及与上位机15的通讯。硬件控制器可选用低功耗的单片机芯片，利用其片上集成的丰富资源(例如片上集成的数模转换器)，则可以直接通过数据总线共享数据，以降低功耗。由于控制器的运行时间对系统的功耗影响极大，因此从低功耗的软件设计出发，采用了简单高效的核心软件算法，且采用两个系统时钟进行交替工作，因轴承振动信号采样频率高、能耗高；所以选用高速时钟来负责数据采集及处理，数据处理完毕后数据的发送选用低速时钟即可，可降低能耗，本系统中数据采集和发送程序定时触发，可保证系统采样的等间隔性，即可确保系统实时准确地采集并发送数据，以使控制器处于周期工作状态，并大部时间处于休眠方式，以降低能耗。 [0019] 在某些实施例，例如本实施例中，所述传感模块12包括：振动传感器，用于测量所述列车轴承的振动状态以获得振动传感信号，其包括安装于列车各轴承位置的三轴加速度传感器和单轴加速度传感器。温度传感器，用于测量所述列车轴承的温度以获得温度传感信号。以及调理电路单元，与所述振动传感器及温度传感器连接，对所述振动传感信号及温度传感信号进行处理，并将处理后的振动传感信号及温度传感信号发送给所述运行控制模块13；本实施例中，所述对所述振动传感信号及温度传感信号进行处理是指对所述振动传感信号和温度传感信号进行放大、滤波和运算等处理。 [0020] 可理解地，本发明的自供电式列车运行状态监测系统10工作过程如下所述： [0021] 上位机15发送指令唤醒运行控制模块13进行采样，并设定采样参数，运行控制模块13按照设定的采样参数进行初始化，所述进行初始化是指硬件控制器运行初始化程序；运行控制模块13中的信号采集控制单元131根据采样参数开始采集轴承振动传感信号及温度传感信号，因轴承振动冲击脉冲信号的分析计算需要一定的数据量，例如采集一次时，采集的一个数据块中包含1024个数值，而完成满足一定精度的计算需要5个数据块，若当前内存中存储的所采集的数据块不够5块则不对这些所采集的数据进行处理，进入采样休眠周期，等到一定的时间，上位机15重新唤醒运行控制模块13，继续进行采样直到采样点数满足计算需求；若采样点数满足计算需求，则所述信号处理单元132对振动传感信号及温度传感信号进行数值计算等处理，以获得轴承冲击脉冲值，数据处理完毕后无线收发控制单元133唤醒所述无线通信模块14，使得该脉冲值通过无线通信模块14发送到上位机15，上位机15对所接收的轴承冲击脉冲值进行判断，若所接收的冲击脉冲值大于预设值，则向列车发出相应的预警指令，并发送指令给该运行控制模块13以获取采样后的传感信号，且对所述传感信号进行综合分析以获得列车轴承的运行状态参数及故障发展趋势，根据运行状态参数及故障发展趋势向列车发出相应的运行控制指令，若是严重故障，则所述上位机15将会对列车发出减速或停机的指令。本实施例中当对传感器信号进行调理、采集、计算、发送时，微型振动供电模块11为该系统10各个模块供电。 [0022] 综上所述，本发明的自供电式列车运行状态监测系统无需更换电池且无需外界供电，通过微型振动发电机即可将轨道列车轴承附近的振动能等进行回收以为该监测系统供电，且本发明的系统通过传感模块可测得轴承的振动和温度传感信号，并对所述传感信号进行处理，若处理结果的数值大于预设值，则向列车发出相应的预警指令，且上位机可进行进一步的数据分析及故障发展趋势预测，本发明可快速搭建轨道列车轴承无线监测网络，实现对列车轴承运行状态的实时监测，并可在出现问题时及时预警，使指挥室能实时掌握列车轴承运行状态，及时处理故障隐患，提升列车的运行正常率。 [0023] 以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。 |
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