技术领域
[0001] 本
发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨道老化故障检测系统及方法。
背景技术
[0002] 城市轨道交通，轨道安全维护工作是重中之重。但由于轨道检测设备的成本以及安装供电等多方因素的限制，还不能很好的进行及时地进行检查和维护。因此，随着时间的和环境的因素，
铁轨老化已经成为威胁列车安全的不稳定因素。
[0003]
现有技术中，针对轨道老化的检测手段比较原始，还没有一种完全可行的设备型的系统可以实时检测轨道老化问题，基本依靠人工巡检。
[0004] 但是，采用人工巡检的人工成本巨大，且不能有效监控，检测效率低。
发明内容
[0005] 本发明
实施例提供一种轨道老化故障检测系统及方法，用于解决现有技术中的上述技术问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种轨道老化故障检测系统，包括：多个轨旁设备，车载设备和上位机；
[0007] 多个轨旁设备依次沿轨道安装；每一轨旁设备均周期性地广播
定位信息；
[0008] 所述车载设备安装在列车底部，包括无线通信模
块、三轴振动
传感器、
存储器和MCU，所述
无线通信模块、所述三轴振动传感器和所述存储器分别与所述MCU连接；
[0009] 所述无线通信模块用于接收轨旁设备广播的定位信息，并将定位信息的
信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识发送到所述MCU；
[0010] 所述三轴振动传感器用于采集列车的振动信号，并将所述振动信号发送到所述MCU；
[0011] 所述MCU用于将接收到的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识存储到所述存储器中，并将在接收到定位信息的信号强度时，从所述三轴振动传感器接收到的列车的振动信号存储到所述存储器中；
[0012] 所述上位机用于根据所述存储器中存储的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识对列车进行定位，还用于根据列车的振动信号判断轨道是否出现老化故障，以及确定出现老化故障的铁轨的
位置。
[0013] 进一步地，所述无线通信模块为蓝牙模块。
[0014] 进一步地，所述定位信息至少包含蓝牙名称和轨旁设备的标识。
[0015] 进一步地，所述定位信息还包含轨旁设备中
电池的剩余电量。
[0016] 进一步地，多个轨旁设备以预设间距依次沿轨道安装；
[0017] 所述预设间距大于轨旁设备的信号
覆盖范围的直径。
[0018] 进一步地，所述振动信号为振动强度。
[0019] 进一步地，所述三轴振动传感器的型号为LIS331。
[0020] 另一方面，本发明实施例提供一种基于上述轨道老化故障检测系统的轨道老化故障检测方法，包括：
[0021] 当列车行驶到轨旁设备的信号覆盖范围内时，无线通信模块周期性地接收轨旁设备广播的定位信息，并将定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识发送到MCU；
[0022] MCU接收到定位信息的信号强度时，触发将三轴振动传感器采集的列车的振动信号存储到存储器中，同时将接收到的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识也存储到存储器中；
[0023] 当列车完成出行任务之后，上位机从存储器中获取定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识对列车进行定位，并根据列车的振动信号判断轨道是否出现老化故障，以及确定出现老化故障的铁轨的位置。
[0024] 进一步地，根据列车的振动信号判断轨道是否出现老化故障，具体包括：
[0025] 根据所述振动信号的振动强度计算振动
频率；
[0026] 根据所述振动频率计算出振动频率的变化率；
[0027] 若振动频率的变化率大于预设
阈值，则确定轨道出现老化故障。
[0028] 进一步地，轨旁设备广播的定位信息还包含轨旁设备中电池的剩余电量；
[0029] 相应地，MCU将接收到的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识存储到存储器的同时，也将定位信息中的轨旁设备中电池的剩余电量存储到存储器；
[0030] 当列车完成出行任务之后，上位机还根据每一轨旁设备中电池的剩余电量进行低电量提醒。
[0031] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统及方法，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
附图说明
[0032] 图1为本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统示意图；
[0033] 图2为本发明实施例提供的轨道老化故障检测方法示意图。
具体实施方式
[0034] 为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
物联网时代的到来很好的为轨道交通智能运维提供了可行化的方案，物联网设备兼具了低成本，小体积，低功耗的特点，在不影响列车安全的情况下，可使用电池供电，从而全线铺设，通过传感器对轨道进行实时监测，完成整个运维网络的搭建。
[0036] 蓝牙技术创制于上世纪90年代，后来由蓝牙特别兴趣组订定技术标准。其最初是意在通过一种短距离的无线连接，实现无线电话和个人PC、
耳机以及台式设备之间的连接，进而形成一个小范围的个人局域网。随着无线技术的发展，蓝牙的传输速率和负载能
力不断加强，适用场景也越来越多元化，尤其是蓝牙4.0以后，蓝牙技术的功耗和传输距离显著提升，不断应用于各种物联网方向，同时蓝牙定位技术也成为各大无线应用方案商争相研究的课题。
[0037] 本发明实施例提供一种轨道老化故障检测系统，能够基于无线定位和组网技术，实现轨道铁轨振动情况的采集以及轨旁环境和轨旁设备电池电量的监测。
[0038] 图1为本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种轨道老化故障检测系统，包括：多个轨旁设备(图1作为示例，仅画出了一个轨旁设备)，车载设备和上位机；
[0039] 多个轨旁设备依次沿轨道安装；每一轨旁设备均周期性地广播定位信息；
[0040] 所述车载设备安装在列车底部，包括无线通信模块、三轴振动传感器、存储器和MCU，所述无线通信模块、所述三轴振动传感器和所述存储器分别与所述MCU连接；
[0041] 所述无线通信模块用于接收轨旁设备广播的定位信息，并将定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识发送到所述MCU；
[0042] 所述三轴振动传感器用于采集列车的振动信号，并将所述振动信号发送到所述MCU；
[0043] 所述MCU用于将接收到的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识存储到所述存储器中，并将在接收到定位信息的信号强度时，从所述三轴振动传感器接收到的列车的振动信号存储到所述存储器中；
[0044] 所述上位机用于根据所述存储器中存储的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识对列车进行定位，还用于根据列车的振动信号判断轨道是否出现老化故障，以及确定出现老化故障的铁轨的位置。
[0045] 具体来说，多个轨旁设备依次沿轨道安装；每一轨旁设备均周期性地广播定位信息。
[0046] 轨旁设备的部署比较灵活，可以进行轨道沿线方向的全线部署，轨旁设备可以按照固定间隔分布在整个轨道铁路沿线，也可以不按固定间隔部署。因为体积小，轨旁设备可以用绑带直接固定在轨旁地面贴近轨道的各种结构上，对于弯道来说，因为轨旁设备的安装位置贴近地面，所以轨旁设备的信号覆盖范围有限，因此可以看作是直线来进行使用。
[0047] 轨旁设备中包含有无线通信模块，用于周期性地广播定位信息。轨旁设备广播定位信息的周期可以根据实际情况进行设置，例如，设置为20毫秒。
[0048] 当轨旁设备按照固定间隔安装时，间隔距离大于2倍的极限定位距离，保证不会同时有两个轨旁设备的广播信息同时触发车载设备采集振动信号，影响计算结果。其中，轨旁设备的极限定位距离为其信号覆盖范围的半径。
[0049] 车载设备安装在列车底部，例如，可以安装在列车裙板下面的梁式结构上，采用胶
水加绑带的方式固定，每一列车只需安装一个即可，这样便完成整体物联网部署流程。
[0050] 车载设备包括无线通信模块、三轴振动传感器、存储器和MCU，无线通信模块、三轴振动传感器和存储器分别与MCU连接。
[0051] 无线通信模块用于扫描和接收轨旁设备广播的定位信息，根据定位信息计算出信号强度，并将定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识发送到MCU。
[0052] 三轴振动传感器用于采集列车的振动信号，并将振动信号发送到MCU。
[0053] 当MCU收到轨旁设备广播的定位信息后，开始读取三轴振动传感器采集到的列车的振动信号。并把振动信号存储到存储器中，同时也把接收到的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识存储到存储器中。
[0054] 上位机用于根据存储器中存储的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识对列车进行定位，还用于根据列车的振动信号判断轨道是否出现老化故障，以及确定出现老化故障的铁轨的位置。
[0055] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
[0056] 基于上述任一实施例，进一步地，所述无线通信模块为蓝牙模块。
[0057] 具体来说，本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统，基于蓝牙5.0技术，利用其大吞吐量，低功耗，传输距离远，低成本等特点，采用点对点的方式，实现行进过程中车载设备与轨旁设备动态连接，并不断进行数据交互的过程。
[0058] 轨旁设备中的无线通信模块和车载设备中的无线通信模块均采用蓝牙模块，降低了功耗，从而降低了成本。
[0059] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
[0060] 基于上述任一实施例，进一步地，所述定位信息至少包含蓝牙名称和轨旁设备的标识。
[0061] 具体来说，轨旁设备广播定位信息时采用统一的蓝牙名称，便于车载设备扫描。轨旁设备广播的定位信息至少包含蓝牙名称和轨旁设备的标识。轨旁设备的部署过程中，沿线部署的轨旁设备的标识ID可以按照ID编号递增的顺序进行部署。
[0062] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
[0063] 基于上述任一实施例，进一步地，所述定位信息还包含轨旁设备中电池的剩余电量。
[0064] 具体来说，轨旁设备同时作为定位标签和简单的
数据采集，轨旁设备由电池供电，轨旁设备还包括
电压比较器，通过电压比较器确定电池的剩余电量。
[0065] 为了避免轨旁设备中的电池电量耗尽，影响检测效果。本发明实施例中，轨旁设备广播的定位信息还包含轨旁设备中电池的剩余电量。
[0066] 轨旁设备通过电压比较器读取电池电压衰减状态来判断电量，并最终封装在定位信息中持续广播出去。
[0067] 上位机获取每一轨旁设备中电池的剩余电量之后，可以对电量低于预设阈值的轨旁设备进行低电量提醒，使工作人员可以及时的更换电池。
[0068] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
[0069] 基于上述任一实施例，进一步地，多个轨旁设备以预设间距依次沿轨道安装；
[0070] 所述预设间距大于轨旁设备的信号覆盖范围的直径。
[0071] 具体来说，轨旁设备可以进行轨道沿线方向的全线部署，轨旁设备可以按照固定间隔分布在整个轨道铁路沿线，部署比较灵活，也可以不按固定间隔部署。
[0072] 本发明实施例，当固定间隔安装时，间隔距离大于2倍的极限定位距离，保证不会同时有两个轨旁设备的广播信息同时触发车载设备采集振动信号，影响计算结果。其中，轨旁设备的极限定位距离为其信号覆盖范围的半径。
[0073] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
[0074] 基于上述任一实施例，进一步地，所述三轴振动传感器的型号为LIS331。
[0075] 基于上述任一实施例，进一步地，所述振动信号为振动强度。
[0076] 具体来说，本发明实施例采用的三轴振动传感器的型号为LIS331，通过读取传感器芯片LIS331的
加速度数据，可以表示在空间三个方向的振动情况。
[0077] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测系统，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
[0078] 图2为本发明实施例提供的轨道老化故障检测方法示意图，如图2所示，本发明实施例提供一种基于上述任一实施例中的轨道老化故障检测系统的轨道老化故障检测方法，该方法包括：
[0079] 步骤S201、当列车行驶到轨旁设备的信号覆盖范围内时，无线通信模块周期性地接收轨旁设备广播的定位信息，并将定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识发送到MCU。
[0080] 具体来说，在轨道旁部署多个低功耗的轨旁设备，每个轨旁设备周期性地广播定位信息，例如，以20ms间隔不停的进行数据广播，沿线部署的轨旁设备的标识ID可以按照ID编号递增的顺序进行部署。
[0081] 如果采用蓝牙技术，广播的定位信息中的蓝牙名称全部设定为固定名称，以便车载设备扫描和识别。同时轨旁设备需要通过电压比较器定时采集电池电量状态，将电池的剩余电量数据封装在广播的定位信息数据包中。
[0082] 列车行进过程中，车载设备会持续扫描该固定的蓝牙名称，当列车行驶到轨旁设备的信号覆盖范围内时，车载设备扫描到轨旁设备广播的定位信息，车载设备通过蓝牙模块周期性地接收轨旁设备广播的定位信息，并提取封装在广播的定位信息数据包中的电池电量状态数据以及轨旁设备ID等数据，同时通过读取蓝牙模块内部计算结果提取出定位信息的信号强度RSSI，数据整合后传送给车载端MCU。
[0083] 步骤S202、MCU接收到定位信息的信号强度时，触发将三轴振动传感器采集的列车的振动信号存储到存储器中，同时将接收到的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识也存储到存储器中。
[0084] 具体来说，MCU接收到蓝牙模块传过来的数据包后，会把电池电量，信号强度值RSSI，以及轨旁设备ID提取，并把此数据包作为触
发条件进行三轴振动数据的采集，通过读取三轴振动传感器采集的列车的振动信号，可以表示在空间三个方向的振动情况，继续进行封包保存到外置flash存储器中以备后续分析。三轴振动传感器可以采用LIS331型传感器。
[0085] 步骤S203、当列车完成出行任务之后，上位机从存储器中获取定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识对列车进行定位，并根据列车的振动信号判断轨道是否出现老化故障，以及确定出现老化故障的铁轨的位置。
[0086] 具体来说，最后当列车完成出行任务之后，将所有数据从存储器中导出到上位机
软件，软件会解析数据，绘制出三轴振动数据曲线以及定位信息的信号强度曲线。蓝牙定位技术是基于信号强度，在一定的距离范围内，车载设备可以扫描到轨旁设备通过蓝牙广播的定位信息的信号强度值稳定在一条水平线上下
波动，通过滤波计算，可以把这一信号强度值作为距离确定的依据，那么，在轨旁设备的信号覆盖范围内，每一个距离都会反映出来如此一个强度值，便可以完成列车的定位，因此，利用定位信息的信号强度便可以用来进行定位分析。
[0087] 由于列车行驶在铁轨上一定会产生振动，但是因为铁轨随着时间和环境变化，会产生一定的老化现象，那么列车行驶过程中产生的振动频率以及振动强度均会发生变化，通过振动曲线可以表现出轨道振动频率和振动强度等指标，便可以完成对轨道老化问题的监测和预判，降低安全
风险。
[0088] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测方法，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
[0089] 基于上述任一实施例，进一步地，根据列车的振动信号判断轨道是否出现老化故障，具体包括：
[0090] 根据所述振动信号的振动强度计算振动频率；
[0091] 根据所述振动频率计算出振动频率的变化率；
[0092] 若振动频率的变化率大于预设阈值，则确定轨道出现老化故障。
[0093] 具体来说，上位机获取列车的振动信号之后，将列车的振动信号的振动强度与预设阈值进行比较，当振动强度大于预设阈值时，确定为一次有效振动，小于预设阈值的振动被确定为噪声。
[0094] 然后，根据有效振动信号之间的时间间隔，计算出振动频率，再根据振动频率计算出振动频率的变化率。
[0095] 如果振动频率的变化率大于预设阈值，则确定轨道出现老化故障。
[0096] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测方法，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
[0097] 基于上述任一实施例，进一步地，轨旁设备广播的定位信息还包含轨旁设备中电池的剩余电量；
[0098] 相应地，MCU将接收到的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识存储到存储器的同时，也将定位信息中的轨旁设备中电池的剩余电量存储到存储器；
[0099] 当列车完成出行任务之后，上位机还根据每一轨旁设备中电池的剩余电量进行低电量提醒。
[0100] 具体来说，本发明实施例还可以对轨旁设备中的电池剩余电量进行监控。
[0101] 轨旁设备广播的定位信息还包含轨旁设备中电池的剩余电量。
[0102] MCU将接收到的定位信息的信号强度以及上报定位信息的轨旁设备的标识存储到存储器的同时，也将定位信息中的轨旁设备中电池的剩余电量存储到存储器。
[0103] 当列车完成出行任务之后，上位机从存储器中获取每一轨旁设备中电池的剩余电量，将每一轨旁设备中电池的剩余电量与预设阈值进行比较，剩余电量低于预设阈值的电池被认为需要及时跟换电池，发出低电量提醒，提醒工作人员及时更换电池。
[0104] 本发明实施例提供的轨道老化故障检测方法，通过轨旁设备和车载三轴振动传感器，替代人工巡检，可以实现轨道老化故障的高效检测，降低了检测成本，提高了列车的安全性和可靠性。
[0105] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
