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一种无线的道岔尖轨断裂监测预报警系统
申请号	CN202410014553.6	申请日	2024-01-04	公开(公告)号	CN117864207A	公开(公告)日	2024-04-12
申请人	西安铁路信号有限责任公司; 通号(西安)轨道交通工业集团有限公司;			发明人	刘明; 王志明; 陈相吉; 南长江; 王大志; 张文荣; 李楚;
摘要	本发明涉及一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：包括：待测尖轨（1）、断裂传感单元（2）、采集器（4）和数据网关（10）、监测软件（11）、防护夹板（12）；断裂传感单元（2）安装在尖轨（1）上，用于检测尖轨（1）的结构健康状态信息；在监测区（13）域附近安装采集器（4）和数据网关（10），通过近距离无线通信技术将断裂传感单元（2）构成的传感节点（16）的检测数据发送给附近数据网关（10）；这种道岔尖轨断裂预报警监测系统，以便能有效的监测道岔尖轨在长期疲劳载荷作用下的原始伤损、核伤或接触疲劳裂纹的扩展甚至断轨现象。
权利要求	1.一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：包括：待测尖轨（1）、断裂传感单元（2）、采集器（4）和数据网关（10）、监测软件（11）、防护夹板（12）；断裂传感单元（2）安装在尖轨（1）上，用于检测尖轨（1）的结构健康状态信息；在监测区（13）域附近安装采集器（4）和数据网关（10），通过近距离无线通信技术将断裂传感单元（2）构成的传感节点（16）的检测数据发送给附近数据网关（10）；数据网关（10）通过附近的基站（15）将处理后的数据经Internet上传至云服务器（14）；云服务器（14）用于将下发的指令发送给对应的传感节点（16）；用户终端（17）用于随时通过的Web网页访问数据库，通过数据可视化实现尖轨状态的直观监测；用于当系统判断可能出现危险情况时，云服务器（14）自动发出报警或预警信号，从而实现真正的尖轨断裂无线传感监测。 2.根据权利要求1所述的一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：所述的采集器（4）是将断裂传感单元（2）的电阻信号转换成电压信号，实时数据处理断裂传感单元（2）信号，通过4G网络数据网关（10）将处理断裂传感单元（2）的数据发送到云服务器（14）进行解析；采集器（4）同时接收用户终端（17）或云服务器（14）相关参数设置和采集指令信息。 3.根据权利要求1所述的一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：所述的数据网关（10）一方面接收采集器（4）发送来的传感数据，对传感数据进行协议转换并发送到远端服务器，另一方面接收和转发来自云服务器（14）的命令，从而实现采集器（4）与服务器间的通信和受控。 4.根据权利要求1所述的一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：所述的监测软件（11）在网页上实现对数据网关（10）的调试和运行状态监测，并动态通过调整时间轴查看云服务器（14）尖轨的健康状态，查看传感器的应变力。 5.根据权利要求1所述的一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：所述的防护夹板（12）采用铝型材加工而成，对断裂传感单元（2）提供防水、防油和防机械冲击的保护。 6.根据权利要求1所述的一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：尖轨（1）变截面处经过打磨抛光处理后，将尖轨（1）、断裂传感单元（2）紧密、平整的用高强度粘合胶粘贴与尖轨（1）内侧表面，用安装夹具（9）固定防护夹板（12），防护夹板（12）外围接触部分涂防水密封胶固定；数据网关（10）通过附近的基站（15）将处理后的数据经Internet上传至云服务器（14），此外还在必要时将云服务器（14）下发的指令发送给对应的传感节点（16）。 7.根据权利要求1所述的一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：采集器壳体（6）包括：总直流电源（601）和两路采集电路单元，每采集电路单元包括：支路电源（602）、传感器接入接口（603）、信号调理电路（604）、AD采样电路（605）、数据处理电路（606）、通信电路（607）；采集器壳体（6）的电源是由电源电路将220V电源转换为总直流电源（601），总直流电源（601）是DC12V输出；再由总直流电源（601）的LDO分别转化为支路电源(602)，支路电源(602)包括：DC3.3V，DC2.5V,DC1.25V输出供内部各个模块使用；传感器接入接口(603)包括：三级放电管、压敏电阻、TVS管三级雷电防护，选择共模干扰抑制电路，在保证高信噪比的情况下，防止信号失真；信号调理电路(604)与传感器接入接口(603)接口电连接，信号调理电路(604)采用差分放大器进行信号放大，有效进行共模干扰抑制，采用无源低通滤波器进行信号滤波； AD采样电路（605）采用16位AD芯片进行数据采样，选择外部输入1.25V作为参考基准源；数据处理电路（606）采用低功耗单片机进行数据处理；数据处理电路（606）外置看门狗和RTC芯片； AD采样电路（605）集成在数据处理电路（606）内，电路设计上是一个集成IC；通信电路（607）采用标准4G模组进行4G通信，数据处理电路（606）与标准4G模组进行接口电连接，数据处理电路（606）通过通信电路（607）进行4G通信，将数据发送到云服务器（14），同时接收云服务器（14）的参数设置和采集指令等信息。 8.根据权利要求1所述的一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：采集器（4）内置两路采集电路盒可以同时采集两路传感器信号，这两路采集电路在物理上隔离。 9.根据权利要求1所述的一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：采集器（4）上电启动后，先进行网络参数的初始化；然后进一步建立Zigbee和4G/5G连接；当满足循环条件后，采集器（4）软件分别建立TCP/IP数据接收和处理线程；同时进行串口数据接收和处理线程，不满足循环条件后结束。 10.根据权利要求1所述的一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：断裂传感单元（2）密贴于尖轨变截面上，通过连接线（3）将数据传输到采集器（4）上，采集器（4）在断裂传感单元（2）一侧的尖轨（1）变截面上，将尖轨（1）、断裂传感单元（2）紧密、平整的用高强度粘合胶粘贴与尖轨（1）内侧表面，安装夹具（9）底部固定在钢轨或尖轨（8）上，安装夹具（9）上端垂直固定端通过固定件与装夹板（7）固定，柔性垫板（5）外紧密贴合断裂传感单元（2），柔性垫板（5）内与钢轨变截面密贴，断裂传感单元（2）通过装夹板（7）上下夹持，断裂传感单元（2）外围接触部分涂防水密封胶固定。
说明书全文	一种无线的道岔尖轨断裂监测预报警系统技术领域 [0001] 本发明属于一种无线道岔尖轨断裂预报警监测系统，适用于监测及预报警道岔尖轨在长期疲劳载荷作用下的原始伤损、核伤或接触疲劳裂纹的扩展甚至断轨现象。背景技术 [0002] 道岔尖轨是引导列车准确进入预定开行方向的关键部件，而道岔区轨道存在固有的不平顺、竖向和横向刚度变化的问题，尖轨仅受到根端固定和有限数量的牵引点锁闭约束,结构稳定性较差。 [0003] 当尖轨承载时，由于轮轨接触条件恶劣、整体运行平稳性差等因素而承受较大的冲击力。 [0004] 尖轨在长期疲劳载荷作用下可能诱发原始伤损、核伤或接触疲劳裂纹的扩展甚至断轨，如未被及时发现将严重危及列车运行安全。 [0005] 因此尖轨断裂监测技术对保障道岔区运行安全意义重大，且目前国内市场还没有类似的技术实现尖轨断裂监测。发明内容 [0006] 本发明的目的是提供一种无线道岔尖轨断裂预报警监测系统，以便能有效的监测道岔尖轨在长期疲劳载荷作用下的原始伤损、核伤或接触疲劳裂纹的扩展甚至断轨现象。 [0007] 本发明的目的是这样实现的，涉及一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：包括：待测尖轨、断裂传感单元、采集器和数据网关、监测软件、防护夹板；断裂传感单元安装在尖轨上，用于检测尖轨的结构健康状态信息；在监测区域附近安装采集器和数据网关，通过近距离无线通信技术将断裂传感单元构成的传感节点的检测数据发送给附近数据网关；数据网关通过附近的基站将处理后的数据经Internet上传至云服务器；云服务器用于将下发的指令发送给对应的传感节点；用户终端用于随时通过的Web网页访问数据库，通过数据可视化实现尖轨状态的直观监测；用于当系统判断可能出现危险情况时，云服务器自动发出报警或预警信号，从而实现真正的尖轨断裂无线传感监测。 [0008] 所述的采集器是将断裂传感单元的电阻信号转换成电压信号，实时数据处理断裂传感单元信号，通过4G网络数据网关将处理断裂传感单元的数据发送到云服务器进行解析；采集器同时接收用户终端或云服务器相关参数设置和采集指令信息。 [0009] 所述的数据网关一方面接收采集器发送来的传感数据，对传感数据进行协议转换并发送到远端服务器，另一方面接收和转发来自云服务器的命令，从而实现采集器与服务器间的通信和受控。 [0010] 所述的监测软件在网页上实现对数据网关的调试和运行状态监测，并动态通过调整时间轴查看云服务器尖轨的健康状态，查看传感器的应变力。 [0011] 所述的防护夹板采用铝型材加工而成，对断裂传感单元提供防水、防油和防机械冲击的保护。 [0012] 尖轨变截面处经过打磨抛光处理后，将尖轨、断裂传感单元紧密、平整的用高强度粘合胶粘贴与尖轨内侧表面，用安装夹具固定防护夹板，防护夹板外围接触部分涂防水密封胶固定。 [0013] 数据网关通过附近的基站将处理后的数据经Internet上传至云服务器，此外还在必要时将云服务器下发的指令发送给对应的传感节点。 [0014] 采集器壳体包括：总直流电源和两路采集电路单元，每采集电路单元包括：支路电源、传感器接入接口、信号调理电路、AD采样电路、数据处理电路、通信电路；采集器壳体的电源是由电源电路将220V电源转换为总直流电源，总直流电源是 DC12V输出；再由总直流电源的LDO分别转化为支路电源，支路电源包括：DC3.3V，DC2.5V,DC1.25V输出供内部各个模块使用；传感器接入接口包括：三级放电管、压敏电阻、TVS管三级雷电防护，选择共模干扰抑制电路，在保证高信噪比的情况下，防止信号失真；信号调理电路与传感器接入接口接口电连接，信号调理电路采用差分放大器进行信号放大，有效进行共模干扰抑制，采用无源低通滤波器进行信号滤波； AD采样电路采用16位AD芯片进行数据采样，选择外部输入1.25V作为参考基准源；数据处理电路采用低功耗单片机进行数据处理；数据处理电路外置看门狗和RTC 芯片； AD采样电路集成在数据处理电路内，电路设计上是一个集成IC；通信电路采用标准4G模组进行4G通信，数据处理电路与标准4G模组进行接口电连接，数据处理电路通过通信电路进行4G通信，将数据发送到云服务器，同时接收云服务器的参数设置和采集指令等信息。采集器内置两路采集电路盒可以同时采集两路传感器信号，这两路采集电路在物理上隔离。 [0015] 采集器上电启动后，先进行网络参数的初始化；然后进一步建立Zigbee和4G/5G连接；当满足循环条件后，采集器软件分别建立TCP/IP数据接收和处理线程；同时进行串口数据接收和处理线程，不满足循环条件后结束。 [0016] 断裂传感单元密贴于尖轨变截面上，通过连接线将数据传输到采集器上，采集器在断裂传感单元一侧的尖轨变截面上，将尖轨、断裂传感单元紧密、平整的用高强度粘合胶粘贴与尖轨内侧表面，安装夹具底部固定在钢轨或尖轨上，安装夹具上端垂直固定端通过固定件与装夹板固定，柔性垫板外紧密贴合断裂传感单元，柔性垫板内与钢轨变截面密贴，断裂传感单元通过装夹板上下夹持，断裂传感单元外围接触部分涂防水密封胶固定。 [0017] 本发明的优点是：本系统通过采集器采集断裂传感单元电阻的信号，将电阻信号转换成电压信号，通过数据网关进行协议转换并发送到远端服务器，通过网页软件调取服务器数据和实时查看尖轨健康状态，从而达到对尖轨断裂状态的监测，区别于其他系统监测铁路钢轨完全断开的现象，本系统监测了道岔尖轨断开和裂纹现象。附图说明 [0018] 图1是本发明实例系统结构图；图2是本发明实例采集器的系统框图；图3是本发明实例采集器程序框图；图4A是本发明实例防护夹板安装断裂传感单元的结构示意图整体主视图；图4B是是本发明实例防护夹板安装断裂传感单元的结构示意图局部主视图；图4C是图4B的侧视图；图5是本发明实例网页软件的界面图。 [0019] 图中：1、尖轨；2、断裂传感单元；3、连接线；4、采集器；5、柔性垫板；6、采集器壳体；601、总直流电源；602、支路电源传感器；603、接口；604、信号调理电路；605、 AD采样电路； 606、数据处理电路；607、通信电路；7、装夹板；8、钢轨；9、安装夹具；10、数据网关；11、监测软件；12、防护夹板；13、监测区；14、云服务器；15、基站；16、传感节点；17、用户终端。具体实施方式 [0020] 为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。 [0021] 如图1、图4所示，本发明涉及一种无线道岔尖轨断裂监测预报警系统，其特征是：包括：待测尖轨1、断裂传感单元2、采集器4和数据网关10、监测软件11、防护夹板12；断裂传感单元2安装在尖轨1上，用于检测尖轨1的结构健康状态信息；在监测区13域附近安装采集器4和数据网关10，通过近距离无线通信技术将断裂传感单元2构成的传感节点16的检测数据发送给附近数据网关10；数据网关10通过附近的基站15将处理后的数据经Internet上传至云服务器14；云服务器14用于将下发的指令发送给对应的传感节点16；用户终端17（电脑、平板和手机等终端）；用于随时通过的Web网页访问数据库，通过数据可视化实现尖轨状态的直观监测；用于当系统判断可能出现危险情况时，云服务器14自动发出报警或预警信号，从而实现真正的尖轨断裂无线传感监测。 [0022] 所述的采集器4是将断裂传感单元2的电阻信号转换成电压信号，实时数据处理断裂传感单元2信号，通过（4G网络）数据网关10将处理断裂传感单元2的数据发送到云服务器14进行解析；采集器4同时接收用户终端或云服务器14相关参数设置和采集指令信息。 [0023] 所述的数据网关10一方面接收采集器4发送来的传感数据，对传感数据进行协议转换并发送到远端服务器，另一方面接收和转发来自云服务器4的命令，从而实现采集器4与服务器间的通信和受控。 [0024] 所述的监测软件11在网页上实现对数据网关10的调试和运行状态监测，并动态通过调整时间轴查看云服务器14尖轨1的健康状态，查看传感器的应变力。 [0025] 所述的防护夹板12采用铝型材加工而成，对采集器壳体6提供防水、防油和防机械冲击的保护。 [0026] 尖轨1变截面处经过打磨抛光处理后，将尖轨1、断裂传感单元2紧密、平整的用高强度粘合胶粘贴与尖轨1内侧表面，用安装夹具9固定防护夹板12，防护夹板12外围接触部分涂防水密封胶固定。 [0027] 本发明通过在尖轨1上安装断裂传感单元2，通过连接线3将断裂信号数据传输到采集器4，采集器4装有无线传感节点16采集其结构健康状态信息，在监测区域附近安装网关设备，传感节点16通过近距离无线通信技术将本地的传感数据发送给附近网关。 [0028] 网关通过附近的基站将处理后的数据经Internet上传至云服务器，此外还在必要时将云服务器下发的指令发送给对应的传感节点。 [0029] 如图2所示，采集器4固定在采集器壳体6内，采集器壳体6内总装有：总直流电源601和两路采集电路单元，每采集电路单元包括：支路电源602、传感器接入接口603、信号调理电路604、AD采样电路605、数据处理电路606、通信电路607；采集器4的电源是由电源电路将220V电源转换为总直流电源601，总直流电源601 是DC12V输出；再由总直流电源601的LDO分别转化为支路电源602，支路电源602包括： DC3.3V，DC2.5V,DC1.25V输出供内部各个模块使用。 [0030] 传感器接入接口603包括：三级放电管、压敏电阻、TVS管三级雷电防护，选择共模干扰抑制电路，在保证高信噪比的情况下，防止信号失真。 [0031] 信号调理电路604与传感器接入接口603接口电连接，信号调理电路604采用差分放大器进行信号放大，有效进行共模干扰抑制，采用无源低通滤波器进行信号滤波。 [0032] AD采样电路605采用16位AD芯片进行数据采样，选择外部输入1.25V作为参考基准源。 [0033] 数据处理电路606采用低功耗单片机进行数据处理；数据处理电路606外置看门狗和RTC芯片。 [0034] AD采样电路605集成在数据处理电路606内，电路设计上是一个集成IC，通信电路607采用标准4G模组进行4G通信，数据处理电路606与标准4G模组进行接口电连接，数据处理电路606通过通信电路607进行4G通信，将数据发送到云服务器14，同时接收云服务器14的参数设置和采集指令等信息。 [0035] 采集器4内置两路采集电路盒可以同时采集两路传感器信号，这两路采集电路在物理上隔离，可以同时连接两根钢轨8上的断裂传感单元2，而且不会影响轨道电路，外壳采用标准信号电缆箱盒为载体，内部进行改制，安装采集器4电路板，通过箱盒下部的电缆孔进行电缆接入，同时整体箱盒采用不锈钢安装架进行安装固定，满足现场轨旁设备的相关要求。 [0036] 如图3所示，采集器4上电启动后，先进行网络参数的初始化；然后进一步建立Zigbee和4G/5G连接；通过连接建立传输的数据，针对不同的传感器节点16设置不同的机号标识，当机号对应一致，且数据通过CRC验证，满足循环条件后，采集器4软件分别建立TCP/IP数据接收和处理线程；同时进行串口数据接收和处理线程，不满足循环条件后结束。 [0037] 如图4A所示，尖轨1置于轨道上，断裂传感单元2密贴于尖轨1变截面上，通过连接线3将数据传输到采集器4上，采集器4在断裂传感单元2一侧的尖轨1变截面上。 [0038] 如图4B和图4C所示，将尖轨1、断裂传感单元2紧密、平整的用高强度粘合胶粘贴与尖轨1内侧表面，安装夹具9底部固定在钢轨或尖轨1上，安装夹具9上端垂直固定端通过固定件与装夹板7固定，柔性垫板5外紧密贴合采集器4的采集器壳体6，柔性垫板5内与钢轨变截面密贴，采集器壳体6通过装夹板7上下夹持，采集器壳体6外围接触部分涂防水密封胶固定。 [0039] 如图5所示，用户可随时通过电脑、平板和手机等终端的Web网页访问数据库，通过数据可视化实现尖轨1状态的直观监测；当系统判断可能出现危险情况时，云服务器14自动发出报警或预警信号，从而实现真正的尖轨断裂无线传感监测。 [0040] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

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