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基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统及方法

阅读：851发布：2020-05-15

专利汇可以提供基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统及方法，所述的系统包括传感器网络、分布式数据采集子站和车载服务器站；所述的传感器网络设于列车车厢内外各处，一个所述的分布式数据采集子站设于一节车厢中，所述的传感器网络通过电缆连接该节车厢内的分布式数据采集子站，所述的分布式数据采集子站通过以太网连接车载服务器站。与现有技术相比，本发明具有扩展性强、适应恶劣环境能力等优点。，下面是基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，其特征在于，所述的系统包括传感器网络、分布式数据采集子站和车载服务器站；
所述的传感器网络设于列车车厢内外各处，一个所述的分布式数据采集子站设于一节车厢中，所述的传感器网络通过电缆连接该节车厢内的分布式数据采集子站，所述的分布式数据采集子站通过以太网连接车载服务器站。
2.根据权利要求1所述的一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，其特征在于，所述的传感器网络包括用于提取列车振动信号的加速度传感器和用于提取列车噪声信号的音频传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，其特征在于，所述的加速度传感器包括三向加速度传感器和单向加速度传感器，所述的单向加速度传感器设于激励源位置，所述的三向加速度传感器设于车厢内部获取激励响应。
4.根据权利要求1所述的一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，其特征在于，所述的分布式数据采集子站包括信号调理电路、供电模块、控制器和数据采集板卡，所述的传感器网络通过信号调理电路与数据采集板卡连接，所述的数据采集板卡与控制器连接，所述的控制器通过以太网连接车载服务器站；
所述的传感器网络所采集的模拟信号经信号调理电路进入数据采集板卡前端，经AD转换为数字信号被控制器获取，经过计算和转换后通过以太网发布。
5.根据权利要求1所述的一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，其特征在于，所述的供电模块包括交流供电及不间断电源，所述的控制器为一台NI Compact-RIO控制器。
6.根据权利要求1所述的一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，其特征在于，所述的车载服务器站包括供电装置、远程供电使能模块、时钟服务器、服务器及KVM，所述的供电装置与列车主供电系统连接，所述的供电装置通过远程供电使能模块与服务器连接，所述的服务器分别与时钟服务器和KVM连接；
所述的供电装置就近从列车主供电系统获取电能，所述的远程供电使能模块接通或切断服务器的供电，所述的时钟服务器为服务器站的服务器提供精确时间，所述的服务器将本机时间同步至各数据采集子站，所述的服务器通过KVM与管理员交互。
7.根据权利要求6所述的一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，其特征在于，所述的车载服务器站还包括服务器交换机，所述的分布式数据采集子站还包括支持POE供电的子站交换机，所述的子站交换机一端连接服务器交换机，另一端连接分布式数据采集子站的控制器。
8.根据权利要求7所述的一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，其特征在于，所述的服务器交换机为多路多模交换机，所述的服务器交换机支持百兆及千兆以太网、20路以上接入和光电接口。
9.根据权利要求6所述的一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，其特征在于，所述的服务器为工作站级别主机，所述的KVM包括键盘、鼠标和显示器，所述的KVM与服务器连接并能访问服务器的资源。
10.一种采用权利要求1所述的基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、系统上电，所述的监测系统自检并初始化，转入步骤2；
步骤2、等待管理员输入账号及密码，登录列车不平顺度监测系统，开始工作，转入步骤
3；
步骤3、下位机使能供电，进行系统自检、初始化及对时等工作后转入步骤4；
步骤4、等待管理员配置采集任务，下发采集指令后转入步骤5；
步骤5、下位机开始工作；传感器网络采集的模拟信号经信号调理电路及数据采集卡前端处理后，被转化为数字信号被下位机获取，原始数据经过计算生成特征数据；下位机将原始数据及特征数据打上子站标签及时间戳后通过以太网发布，转入步骤6；
步骤6、上位机从以太网获取数据，按不同子站存储至相应数据库，转入步骤7；
步骤7、上位机不平顺度计算单元从步骤6所述数据库中获取数据，并据此换算得到不平顺度。

说明书全文

基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铁路安全运行控制领域，尤其是涉及一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统及方法。

背景技术

[0002] 随着我国高速铁路的迅猛发展，列车运行的安全性越来越受到重视。其中一个重要指标——列车运行的不平顺度——描述了列车在运行状态下，受轨道不平顺度、风压等因数影响下运行的平稳性。

[0003] 经过检索，中国专利公开号为CN102706568A的专利公布了一种便携式列车振动测试仪，用以对列车车体、车下关键设备的振动进行测量，能够在线计算平稳性指标，并显示、存储和无线传输数据。它是由FPGA、加速度模块、频率模块、GPS模块、显示模块、键盘模块、时钟模块、RAM模块、数据存储模块、无线网络模块以及程序存储模块等组成。利用FPGA内构建独立的浮点运算单元来保证计算平稳性指标的实时性。FPGA作为该测试仪的计算控制中心，通过加速度模块、GPS模块、频率模块、时钟模块的同步，可以确定振动的大小，振动发生时列车的位置和速度、当前时刻；通过小时模块、数据存储模块和无线网络模块，可以实时显示、存储和无线传输所测数据和计算结果。但该发明仅采集加速度信号，不能多维度衡量列车运行不平顺度；仅是便携式手持设备，不能大规模高采样率地获取原始信号。

发明内容

[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统及方法。

[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0006] 一种基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统，所述的系统包括传感器网络、分布式数据采集子站和车载服务器站；

[0007] 所述的传感器网络设于列车车厢内外各处，一个所述的分布式数据采集子站设于一节车厢中，所述的传感器网络通过电缆连接该节车厢内的分布式数据采集子站，所述的分布式数据采集子站通过以太网连接车载服务器站。

[0008] 优选地，所述的传感器网络包括用于提取列车振动信号的加速度传感器和用于提取列车噪声信号的音频传感器。

[0009] 优选地，所述的加速度传感器包括三向加速度传感器和单向加速度传感器，所述的单向加速度传感器设于激励源位置，所述的三向加速度传感器设于车厢内部获取激励响应。

[0010] 优选地，所述的分布式数据采集子站包括信号调理电路、供电模块、控制器和数据采集板卡，所述的传感器网络通过信号调理电路与数据采集板卡连接，所述的数据采集板卡与控制器连接，所述的控制器通过以太网连接车载服务器站；

[0011] 所述的传感器网络所采集的模拟信号经信号调理电路进入数据采集板卡前端，经AD转换为数字信号被控制器获取，经过计算和转换后通过以太网发布。

[0012] 优选地，所述的供电模块包括交流供电及不间断电源，所述的控制器为一台NI Compact-RIO控制器。

[0013] 优选地，所述的车载服务器站包括供电装置、远程供电使能模块、时钟服务器、服务器及KVM(Keyboard Video Mouse)，所述的供电装置与列车主供电系统连接，所述的供电装置通过远程供电使能模块与服务器连接，所述的服务器分别与时钟服务器和KVM连接；

[0014] 所述的供电装置就近从列车主供电系统获取电能，所述的远程供电使能模块接通或切断服务器的供电，所述的时钟服务器为服务器站的服务器提供精确时间，所述的服务器将本机时间同步至各数据采集子站，所述的服务器通过KVM与管理员交互。

[0015] 优选地，所述的车载服务器站还包括服务器交换机，所述的分布式数据采集子站还包括支持POE供电的子站交换机，所述的子站交换机一端连接服务器交换机，另一端连接分布式数据采集子站的控制器。

[0016] 优选地，所述的服务器交换机为多路多模交换机，所述的服务器交换机支持百兆及千兆以太网、20路以上接入和光电接口。

[0017] 优选地，所述的服务器为工作站级别主机，所述的KVM包括键盘、鼠标和显示器，所述的KVM与服务器连接并能访问服务器的资源。

[0018] 一种采用所述的基于声振粗糙度的列车运行不平顺度监测系统的方法，包括以下步骤：

[0019] 步骤1、系统上电，所述的监测系统自检并初始化，转入步骤2；

[0020] 步骤2、等待管理员输入账号及密码，登录列车不平顺度监测系统，开始工作，转入步骤3；

[0021] 步骤3、下位机使能供电，进行系统自检、初始化及对时等工作后转入步骤4；

[0022] 步骤4、等待管理员配置采集任务，下发采集指令后转入步骤5；

[0023] 步骤5、下位机开始工作；传感器网络采集的模拟信号经信号调理电路及数据采集卡前端处理后，被转化为数字信号被下位机获取，原始数据经过计算生成特征数据；下位机将原始数据及特征数据打上子站标签及时间戳后通过以太网发布，转入步骤6；

[0024] 步骤6、上位机从以太网获取数据，按不同子站存储至相应数据库，转入步骤7；

[0025] 步骤7、上位机不平顺度计算单元从步骤6所述数据库中获取数据，并据此换算得到不平顺度。

[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0027] 1、本发明的传感器网络通过加速度传感器采集这类信号用以提取振动的特征，还通过音频传感器采集这类信号用以提取噪音的特征，从多维度衡量列车运行不平顺度。

[0028] 2、本发明的供电模块能就近从列车主供电系统获取电能；为减少列车上不稳定供电对数据采集系统的影响，配备有不间断电源。

[0029] 3、本发明的时钟服务器支持GPS、北斗或IRIG授时，其为服务器站的服务器提供精确时间，服务器站将本机时间同步至各数据采集子站，从而达到各分布式采集子站时间同步的效果。

[0030] 4、本发明的传感器网络遍布车厢内外各处，能大规模高采样率地获取原始信号。附图说明

[0031] 图1为本发明的监测系统结构示意图；

[0032] 图2为本发明的监测系统布置示意图；

[0033] 图3为本发明的单节车厢简化示意图；

[0034] 图4为本发明的下位机数据采集程序流程图；

[0035] 图5为本发明的上位机程序流程图；

[0036] 图6为本发明的监测系统各元件的连接示意图。

具体实施方式

[0037] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

[0038] 为更加科学有效地评估列车运行不平顺度，本发明首先建立一个通用模型。列车的车厢模型如图3所示，每节列车车厢均是由车厢、转向架和轮对以及弹簧—阻尼系统组成的多自由度振动系统。以具有二系悬挂装置的客车车厢为例，假定车厢、转向架和轮对为刚体，即不考虑振动过程中的弹性形变，车厢和转向架之间通过二系悬挂装置进行连接，转向架与轮对之间通过一系悬挂装置进行连接。

[0039] 如图6所示，列车以A型车挂8节编组为例，所述的传感器网络包括#1加速度传感器阵列及#2音频传感器阵列；单节车厢内传感器网络所采集的模拟信号经#3信号调理电路进入#4数据采集板卡前端，经AD转换为数字信号被#5高性能坚固控制器获取，并经过计算、转换并通过以太网发布；同样的，#6其他车厢内也将采集到的加速度、音频模拟信号经滤波、AD转换、计算并通过以太网发布。各分布式数据采集子站均挂接在#8多通道交换机上，服务器主机也挂接在#8多通道交换机上，这样服务器主机可访问所有数据子站发布的内容，也可通过交换机为每一台子站下发控制指令。主机上运行有上位机程序，上位机程序主要有三类后台程序：1、监听以太网接口，将数据按子站分别存入相应的数据库中，并提供数据库访问接口；2、不平顺度计算模块能访问1所述数据库，通过计算得到不平顺度级别；3、提供完整的UI界面供管理员与主机进行交互，观察频谱图，查看不平顺度指标，管理采集任务。

[0040] 针对项目实例，该系统需配置至少1台工作站级别主机、1台时钟服务器、1台高性能交换机、8台分布式数据采集子站(针对A型车挂8节编组)，铺设光纤或超五类双绞屏蔽网线搭建以太网络通路，若干加速度传感器及音频传感器。

[0041] 本发明的原理如图1和图2所示，包括传感器网络、分布式数据采集子站和车载服务器站。

[0042] 所述的传感器网络包括布置在激励源的单向加速度传感器及布置于车厢内部获取激励响应的三向加速度传感器。所述的传感器网络还包括音频传感器阵列。

[0043] 所述的分布式数据子站设有接插件转接的前面板：前面板一端面对各类传感器，提供不同类型的母插座，一端面对信号调理电路或直接连接数据采集板卡。所述的分布式数据子站还包括数据采集板卡，支持多通道同步采集，内置抗混叠滤波器，支持IEPE开短路检测和IEPE信号调理。所述的分布式数据子站还包括带有可重配置FPGA的嵌入式实时控制器，作为下位机数据采集、处理及传输的核心部件。

[0044] 所述的服务器站包括供电模块(包括交流供电及不间断电源)，远程供电使能模块，时钟服务器，交换机，服务器及KVM。上位机程序运行在工作站级别主机中，管理员通过KVM与主机交互，可配置采集任务，观察各测量点加速度及音频的频谱图，观察基于声振粗糙度计算得到的列车运行不平顺度指标。

[0045] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

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