地铁车辆运行品质监测系统及其监测方法与流程

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1.本发明具体涉及一种地铁车辆运行品质监测系统tpds及其监测方法，属于轨道交通安全领域。

背景技术：

2.轨道交通运输是我国国民经济的大动脉，中国铁路的发展已经实现了铁路的腾飞，中国的轨道交通路网已经遍布全国各地，如雨后春笋般地快速发展。然而，安全是铁路运输永恒的主题。轨道交通车辆的运载状态、车轮损伤、车辆自身运行状态对车辆运行安全至关重要，直接关系铁路现代化管理以及运输安全。随着铁路的提速，车辆脱轨事故的频繁发生，超载运行现象严重，传统方式的人工和车辆的静检难以判断动态中的状况，动态测量车辆的车轮不圆度和轮轨接触位置产生的踏面损伤、载荷分布不均衡，实现快速诊断和预警，对车辆安全运行具有重要意义。
3.随着铁路快速发展以及城市化进程，铁路大量开行重载货物列车和长距离旅客列车，在确保行车安全的前提下，提高机车经济性，科学合理减少机车的检修成本成为一项重要任务。轮对是承载机车车辆的大部件，是确保列车运行安全，降低检修费的重要关键部件。由于机车车辆轴重轮重不均衡性，造成轮对空转和偏磨，加速了机车走行部轮对的磨损，缩小更换周期，增加人力和检修成本消耗，严重时可能造成车轮崩裂或爬轨的列车脱线事故，因此快速检测机车轴重轮重不均衡性也成为一项重要课题。

技术实现要素：

4.为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种地铁车辆运行品质监测系统，利用光纤传感器测量技术，动态测量地铁车辆的车轮不圆度和轮轨接触位置产生的踏面损伤引起的轮轨作用力，超偏载，及运行状态的监控，有效保障列车的运行安全。
5.本发明的目的还在于提供一种地铁车辆运行品质监测方法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.地铁车辆运行品质监测系统，所述系统包括轨旁检测设备、现场控制中心和远程控制中心，现场控制中心与轨旁检测设备和远程控制中心分别通信连接；轨旁检测设备包括采集单元阵列，所述采集单元阵列：多个光纤传感器连续均匀分布在轨道中，即为光纤传感器阵列；光纤传感器阵列平行设置在两侧轨道。
8.进一步地，所述光纤传感器阵列按照与现场控制中心的直线距离分为近端光纤传感器阵列和远端光纤传感器阵列，近端光纤传感器阵列和远端光纤传感器阵列相对设置。
9.进一步地，所述光纤传感器等间距分布在轨枕之间；所述光纤传感器阵列包括至少六个安装在连续枕间的光纤传感器。
10.进一步地，所述光纤传感器采用可拆卸的方式安装在轨道中。
11.进一步地，所述光纤传感器通过光纤电缆、光纤连接盒连接到所述现场控制中心
的轨旁机柜中，光纤解码器设置在现场控制中心的轨旁机柜中。
12.进一步地，所述轨旁检测设备还包括地面aei天线、车轮传感器，地面aei 天线、车轮传感器均固定在地面轨道中，分别用于读取车号信息以及车轮定位、计轴和测速。
13.进一步地，所述现场控制中心设为轨旁机柜，轨旁机柜内置控制箱、通信电源箱、交换机和服务器，现场控制中心还设有所述地面aei天线和车轮传感器的处理装置；所述远程控制中心包括各个远程客户端。
14.地铁车辆运行品质监测方法，包括如下：
15.将多个光纤传感器连续安装到轨道中形成光纤传感器阵列，且光纤传感器阵列平行设置在两侧轨道中；
16.得到经过所述光纤传感器所处的轨道的列车车轮的测试信号；
17.对所述测试信号处理，提取受力波形曲线，以便监测车辆异常。
18.进一步地，列车经过所述光纤传感器阵列所处的轨道，车轮对轨道作用产生冲击并造成轨道的形变，致使光纤传感器收集的波长产生振幅变化，得到受力波形曲线，从而获取列车的数据信息，所述数据信息包括车轮缺陷、车辆载荷分布。
19.本发明的地铁车辆运行品质监测系统利用光纤传感器测量技术，动态测量地铁车辆的车轮不圆度和轮轨接触位置产生的踏面损伤引起的轮轨作用力，超偏载，及运行状态的监控，有效保障列车的运行安全。
20.本发明相对于采用应力和剪力传感器系统具有非常大的优势，能够快速解决在线列车运行状态的品质监控，安装维护简单方便，不需停车不需解体车轮，检测速度快效率高，不需人工参与，系统自动标定，安全性好。本发明的应用能产生良好的社会和经济效益，对保障铁路的安全运行、信息并网、以及构建和谐铁路都起到积极的推动作用。
附图说明
21.图1是车轮通过轨道时轨道受力变化；
22.图2是传感器信号波形曲线；
23.图3是信号采集分析：(a)车轮通过传感器上方；(b)车轮在传感器正上方时的信号波形为最大弯曲；
24.图4是动态称重；
25.图5是本发明监测系统布置示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
27.如图5所示，本实施例的地铁车辆运行品质监测系统包括轨旁检测设备、现场控制中心以及远程控制中心；现场控制中心与轨旁检测设备以及远程控制中心分别通信连接。
28.关于轨旁检测设备：其包括采集单元阵列、地面aei天线、车轮传感器等。
29.采集单元阵列设为光纤传感器阵列，光纤传感器阵列均匀分布并统一固定安装在轨底，维护方便，不影响线路维护，结构安装简单快速，具有抗震、防水和灰尘功能，适应轨边环境。
30.光纤传感器阵列是连续多个光纤传感器均匀分布在轨道中，多个光纤传感器具有
已知的间距，这样的话列车上的单个车轮在该段光纤传感器阵列上行驶，即可绕该单个车轮一周，则针对该单个车轮利用光纤技术完成动态监测，如发现其各种车轮缺陷问题，如车轮变形、不圆度、对轨道压力不一致等问题。
31.多个光纤传感器等间距分布在轨枕之间。所述多个光纤传感器能够覆盖单个车轮的周长；优选的是，光纤传感器阵列为至少六个安装在连续枕间的光纤传感器。
32.光纤传感器阵列按照与现场控制中心的直线距离分为近端光纤传感器阵列和远端传感器阵列，近端光纤传感器阵列和远端传感器阵列相对设置，分别设置在两侧轨道中。近端光纤传感器阵列和远端传感器阵列是满足轨道两侧同步数据采集，列车左右轮需要同时监测。
33.光纤传感器通过光纤电缆、光纤连接盒连接到现场控制中心的轨旁机柜中，光纤解码器设置在现场控制中心的轨旁机柜中。
34.本系统利用光纤技术感知轨道形变：一般传统检测方式是采用应力片组合方式进行测量，精度低，工程施工难度大，成本高，周期长，劳动强度大，安装复杂，有时对轨道产生永久的伤害。而采用光纤技术，完美解决了上述缺陷，安装固定后一劳永逸，维护简单。光纤传感器不受雷击影响。
35.本系统方便易拆卸的快速装配技术：采用最佳力学结构设计，能够快速响应拆卸安装。对轨道不产生任何伤害，不需要钻孔、焊接、粘结等。
36.本系统的光纤传输技术满足轨边到设备间信号长距离无损传输，光纤抗干扰能力强，绝缘性好，耐高温性，无电磁干扰，也不受电磁干扰影响。
37.本系统利用光纤解码技术，利用光纤高灵敏度的感知特性，对轨道产生微小的形变量进行测量解析，精度高。
38.地面aei天线：安装在地面轨道中，地面aei天线发射微波信号，同时接收车底电子标签反射回来的已调制信号，读取车次、车号信息，同时可以与其他设备共享，最大限度的减少成本。
39.车轮传感器：用卡具固定在钢轨上，当列车接近时，自动启动，用于车轮定位、计轴和测速等，也可以与其他设备共享，减少成本。
40.关于现场控制中心：现场控制中心设为轨旁机柜，轨旁机柜内置控制箱、通信电源箱、交换机和服务器，此外，在现场控制中心设有对应上文所述地面aei 天线以及车轮传感器的处理装置。
41.远程控制中心包括控制机以及各远程客户端，在远程控制中心可以设置系统参数，监控设备的运行状态和检测过程，查看、统计、分析以及打印检测数据。
42.如图1所示，为列车的车轮通过轨道时的受力情况：列车通过时，由于轮轨相互作用，车轮重量对轨道表面产生作用力，轨道发生弯曲变形。当车轮运行在两轨枕之间时，轨枕起杠杆的作用，两个枕木之间的钢轨向下弯曲，则两个枕木之间的上下间隙向上弯曲。钢轨的弯曲是测量的基础，本系统的光纤传感器捕捉钢轨弯曲，光纤传感器并记录数据，通过数据算法匹配在终端显示运行数据。
43.具体的，本系统使用光纤技术，利用光测量车轮的载重和品质。将光发送给传感器，运行的车轮会对进入传感器的光产生干扰，系统可以将光强度的变化与载重和车轮缺陷信息关联，传感器信号波形曲线示意图，如图2所示。
44.如图3所示，车轮通过光纤传感器时，光纤传感器进行数据采集，通过对采集的信号进行放大处理，得到轮轨的受力波形曲线(采集数据是光纤传感器，车轮对轨道作用产生冲击，造成轨道的形变，致使光纤传感器收集的波长产生振幅变化，得到波形数据变化，从而获取数据信息；本系统的光纤传感器具体是通过光栅波长振幅变化来最终获取波形曲线数据)。如图4所示，系统通过数据算法，关联车轮车辆载荷分布，得到车辆载荷。
45.上述数据算法主要是通过已知重量标定，得到光纤传感器波长振幅变化曲线，通过数据曲线耦合匹配软件算法，本系统功能之一就是能够监测车辆的超偏载，车辆载荷分布情况。
46.本实施例的地铁车辆运行品质监测方法，包括如下步骤：
47.将多个光纤传感器连续安装到轨道中形成光纤传感器阵列，且光纤传感器阵列平行设置在两侧轨道中；
48.得到经过所述光纤传感器所处的轨道的列车车轮的测试信号；
49.对所述测试信号处理，提取受力波形曲线，以便监测车辆异常。
50.具体的，列车经过所述光纤传感器阵列所处的轨道，车轮对轨道作用产生冲击并造成轨道的形变，致使光纤传感器收集的波长产生振幅变化，得到受力波形曲线，从而获取列车的数据信息，所述数据信息包括车轮缺陷、车辆载荷分布。
51.通过本实施例的地铁车辆运行品质监测系统，可实现以下的功能指标：
52.(1)在线状态下自动检测轮轨接触位置产生的踏面损伤和不圆度(失圆、动不平衡造成的异常轮轨作用力)。
53.(2)能够自动监测车辆总重、前后转向架重、轴重、轮重和车辆超偏载。
54.(3)能够统计轨道负荷当量通过总重。
55.(4)具有车号和端位自动识别功能。
56.(5)系统自动标定，无需人工参与。
57.(6)具有检测数据存储、分析、查询、统计及输出功能；具有检测数据近限预警及超限报警提示功能，并将各种超限数据报告监视部门，检测数据可进行网络传输和共享。
58.依据本实施例的监测系统的检测数据可以调整机车各个弹性支承处的实际变形量(即加垫片，通称调簧)，使机车各个轮对中承载量对平均承载量的最大偏差值处于最小，对改善轮重分配不均匀有着重要意义：
59.在系统检测轴重轮重值时，取各个轮对中承载量对平均承载量的最大偏差的最小值；给出在这种最小值状态时的轮对承载量分配方案；给出了调整弹簧处的垫片厚度达到这个状态的方法；在现有机车检修标准条件下，通过调簧使其达到理想状态，将大大降低检修和人力费用，提高运用机车质量和行车安全的可靠性。综上所述，该系统对机车车辆轮对的安全性和经济性有着迫切的需求外，在铁路及城轨各机车车辆安全运行监测有着广泛的市场前景。
60.本实施例的监测系统的技术指标如下：
61.(1)适应车速：20～160km/h，正线检测；
62.(2)适应最大车轴数量：1000条；
63.(3)列车长度：5～2000m；
64.(4)测量精度：车辆重量的3％；
65.(5)车辆缺陷检测覆盖范围：3倍的轮周长；
66.(6)轴距：1～30m；
67.(7)车轮直径：20～1600mm；
68.(8)称重范围：1-10t/车轮。
69.以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：

1.地铁车辆运行品质监测系统，其特征在于，所述系统包括轨旁检测设备、现场控制中心和远程控制中心，现场控制中心与轨旁检测设备和远程控制中心分别通信连接；轨旁检测设备包括采集单元阵列，所述采集单元阵列：多个光纤传感器连续均匀分布在轨道中，即为光纤传感器阵列；光纤传感器阵列平行设置在两侧轨道。2.如权利要求1所述的地铁车辆运行品质监测系统，其特征在于，所述光纤传感器阵列按照与现场控制中心的直线距离分为近端光纤传感器阵列和远端光纤传感器阵列，近端光纤传感器阵列和远端光纤传感器阵列相对设置。3.如权利要求2所述的地铁车辆运行品质监测系统，其特征在于，所述光纤传感器等间距分布在轨枕之间；所述光纤传感器阵列包括至少六个安装在连续枕间的光纤传感器。4.如权利要求1-3任意之一所述的地铁车辆运行品质监测系统，其特征在于，所述光纤传感器采用可拆卸的方式安装在轨道中。5.如权利要求1-3任意之一所述的地铁车辆运行品质监测系统，其特征在于，所述光纤传感器通过光纤电缆、光纤连接盒连接到所述现场控制中心的轨旁机柜中，光纤解码器设置在现场控制中心的轨旁机柜中。6.如权利要求1-3任意之一所述的地铁车辆运行品质监测系统，其特征在于，所述轨旁检测设备还包括地面aei天线、车轮传感器，地面aei天线、车轮传感器均固定在地面轨道中，分别用于读取车号信息以及车轮定位、计轴和测速。7.如权利要求6所述的地铁车辆运行品质监测系统，其特征在于，所述现场控制中心设为轨旁机柜，轨旁机柜内置控制箱、通信电源箱、交换机和服务器，现场控制中心还设有所述地面aei天线和车轮传感器的处理装置；所述远程控制中心包括各个远程客户端。8.地铁车辆运行品质监测方法，其特征在于，所述方法包括如下：将多个光纤传感器连续安装到轨道中形成光纤传感器阵列，且光纤传感器阵列平行设置在两侧轨道中；得到经过所述光纤传感器所处的轨道的列车车轮的测试信号；对所述测试信号处理，提取受力波形曲线，以便监测车辆异常。9.如权利要求8所述的地铁车辆运行品质监测方法，其特征在于，列车经过所述光纤传感器阵列所处的轨道，车轮对轨道作用产生冲击并造成轨道的形变，致使光纤传感器收集的波长产生振幅变化，得到受力波形曲线，从而获取列车的数据信息，所述数据信息包括车轮缺陷、车辆载荷分布。

技术总结

本发明公开了一种地铁车辆运行品质监测系统及其监测方法，所述监测系统包括轨旁检测设备、现场控制中心和远程控制中心；现场控制中心与轨旁检测设备和远程控制中心分别通信连接。轨旁检测设备包括采集单元阵列、地面AEI天线、车轮传感器，采集单元阵列为光纤传感器阵列，光纤传感器阵列设为多个光纤传感器连续均匀分布在轨道中，多个光纤传感器具有已知的间距，列车上的单个车轮在该段光纤传感器阵列上行驶，即可绕该单个车轮一周，则针对该单个车轮利用光纤技术完成动态监测。本发明利用光纤传感器测量技术，动态测量地铁车辆的车轮不圆度和轮轨接触位置产生的踏面损伤引起的轮轨作用力，超偏载，及运行状态的监控，有效保障列车的运行安全。列车的运行安全。列车的运行安全。