本發(fā)明屬于鐵軌安全實時監(jiān)測，具體涉及基于鐵軌激勵與大數(shù)據(jù)分析的鐵軌安全實時監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
1、鐵路在大范圍的應用，據(jù)有關部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由鐵軌安全導致的事故占全部鐵道交通事故的35％；為確保鐵路運營系統(tǒng)的安全運作，提升鐵路交通的安全系數(shù)，目前鐵路工務段在鐵路現(xiàn)場對鋼軌進行損傷檢測時，通常采用大型軌道探傷車與手推式軌道探傷小車，這兩種儀器采用的技術都是以壓電超聲波為基礎，但都有其自身不可避免的缺點。大型軌道探傷車價格昂貴，單輛購價超過360萬元、依賴進口，檢測時需占用線路，無法對鋼軌進行高頻率的在線檢測。手推式軌道探傷小車目前被應用于各個鐵路局，在不影響列車運行的情況下，其檢測速度為2km/h，檢測效率低，且不發(fā)保障實時性。
2、現(xiàn)有的鋼軌損傷檢測方式存在以下問題：
3、檢測成本高：目前使用的大型軌道探傷車價格昂貴且依賴進口，需要開發(fā)一種低成本的鐵軌監(jiān)測系統(tǒng)，以減少設備采購和維護成本。
4、檢測效率低：現(xiàn)有的手推式軌道探傷小車檢測速度為2km/h，檢測速度慢，無法滿足高頻率在線檢測的需求。需要設計一種能夠快速、高效檢測鋼軌損傷的系統(tǒng)。
5、無法實現(xiàn)實時監(jiān)測：現(xiàn)有的檢測方式無法實時響應鐵軌損傷情況，需要開發(fā)一種能夠?qū)崟r監(jiān)測鐵軌狀態(tài)的系統(tǒng)，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患。
6、檢測過程中占用過多線路：大型軌道探傷車檢測時需要占用線路，影響鐵路正常運營。需要設計一種不依賴線路占用的監(jiān)測系統(tǒng)，以提高鐵路運營效率。
7、系統(tǒng)維護性差：新設計的監(jiān)測系統(tǒng)需要易于維護，降低維護難度和成本，以適應鐵路工務段的日常使用需求。
8、綜上所述，本發(fā)明提出基于鐵軌激勵與大數(shù)據(jù)分析的鐵軌安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，完成開發(fā)一種低成本、高效率、實時響應、不占用線路且易于維護的鐵軌監(jiān)測系統(tǒng)，以提升鐵路運營的安全性和效率。
技術實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是提供基于鐵軌激勵與大數(shù)據(jù)分析的鐵軌安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，有著低成本、高效率、實時響應的優(yōu)點，不占用線路且易于維護的鐵軌監(jiān)測系統(tǒng)，以提升鐵路運營的安全性和效率。
2、本發(fā)明采取的技術方案具體如下：
3、基于鐵軌激勵與大數(shù)據(jù)分析的鐵軌安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括：傳感器監(jiān)測節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡以及云端智能處理中心；
4、所述傳感器監(jiān)測節(jié)點，通過在鐵軌上設置振動監(jiān)測裝置，并監(jiān)測車輪與鐵軌間擠壓激勵效應時，記錄鐵軌振動數(shù)據(jù)；
5、所述無線傳感器網(wǎng)絡基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點以及若干所述傳感器監(jiān)測節(jié)點構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡，再組成鐵軌監(jiān)測網(wǎng)絡，并將全部鐵軌振動數(shù)據(jù)上傳至所述云端智能處理中心；
6、所述云端智能處理中心基于大數(shù)據(jù)分析算法對所述鐵軌振動數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果確定相應的鐵軌應對策略。
7、優(yōu)選地，將所述振動監(jiān)測裝置安裝在鐵軌腰部或者軌枕部，完成八大項鐵路指標的實時監(jiān)測,八大項鐵路指標包括：緊固件松緊、鐵軌裂紋、岔尖貼合度、道床下陷、軌道高差、鐵軌壽命、無砟狀態(tài)下的路基形變、無砟狀態(tài)下的軌道板裂縫。
8、優(yōu)選地，所述振動監(jiān)測裝置包括：dc/dc直流電壓轉(zhuǎn)換器、oled顯示屏、wi-fi芯片、蓄電池、振動傳感器、stm32單片機、穩(wěn)壓電路以及太陽能發(fā)電組件。
9、優(yōu)選地，所述傳感器監(jiān)測裝置中，所述太陽能發(fā)電組件完成太陽能發(fā)電并存儲在蓄電池中，通過dc/dc直流電壓轉(zhuǎn)換器以及穩(wěn)壓電路將蓄電池中的電能穩(wěn)定地控制在一定范圍內(nèi)，再提供給振動監(jiān)測裝置中的其他電子元件供電；所述振動傳感器利用相對運動切割磁力線導致電壓變化，積分后得到振動數(shù)據(jù)；振動變化轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大后輸入stm32單片機中；在stm32單片機內(nèi)預處理后并完成記錄，最后經(jīng)過wi-fi芯片傳輸至所述無線傳感器網(wǎng)絡的窄帶物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。
10、優(yōu)選地，所述傳感器監(jiān)測裝置運行過程中，基于輪軌系統(tǒng)的振動激勵效應輸出鐵軌振動數(shù)據(jù)時，構(gòu)建鋼軌緊固件系統(tǒng)動力學模型，由于本發(fā)明中的鐵路監(jiān)測系統(tǒng)利用的是輪軌系統(tǒng)的振動激勵效應，所以需要對鋼軌和車輪的動力學模型進行分析，所述鋼軌緊固件系統(tǒng)動力學模型t是時間變量；e為鋼軌的彈性模量；i為鋼軌的截面慣性矩；mr＝ρ(x)a(x)為單位長度的鋼軌質(zhì)量；δ(t)是狄拉克函數(shù)；zr(x,t)代表系統(tǒng)的垂向位移，ki和ci分別為緊固件系統(tǒng)的等效剛度和阻尼；取微段dx；f(x)是外部激勵，用q(x,t)表示剪切力，m(x,t)代表彎矩；僅考慮鋼軌的垂直運動，鋼軌緊固件系統(tǒng)沿垂向的運動方程為：
11、
12、公式(1)簡化后為：
13、
14、忽略鋼軌截面的轉(zhuǎn)動，微段dx的轉(zhuǎn)動方程為：
15、
16、忽略包含dx的二次項，公式(3)可以簡化為：
17、
18、將公式(4)代入到公式(2)中得：
19、
20、根據(jù)材料力學理論，要在整個區(qū)間上滿足上式，彎矩和饒度應有如下的關系式立：
21、
22、將公式(6)代入公式(5)中可以得到：
23、
24、因為mr＝ρ(x)a(x)為單位長度的鋼軌質(zhì)量，因此上式可以化簡為：
25、
26、對于各xi的每個緊固件，必須滿足以下邊界條件：
27、
28、因此，由上述推導可知，緊固件的振動波形應滿足上述方程的所對應的波形，當發(fā)生故障時，將會使波形產(chǎn)生特定的變化，以此來分辨鐵軌是否出現(xiàn)故障。
29、優(yōu)選地，所述無線傳感器網(wǎng)絡中，所述窄帶物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通過wi-fi芯片收集所述傳感器監(jiān)測節(jié)點記錄的鐵軌振動數(shù)據(jù)；所述窄帶物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點再通過智能網(wǎng)關完成匯集數(shù)據(jù)，并利用移動網(wǎng)絡將智能網(wǎng)關匯集到的數(shù)據(jù)存儲至遠端數(shù)據(jù)庫和云端智能處理中心。
30、優(yōu)選地，所述云端智能處理中心通過所述無線傳感器網(wǎng)絡獲取鐵軌振動數(shù)據(jù)后，經(jīng)過預處理去除異常值，轉(zhuǎn)化為時域分布圖；降采樣與平滑濾波處理后，得到清晰數(shù)據(jù)；再然后經(jīng)過快速傅里葉變化生成頻譜圖，sobel算子對頻域數(shù)據(jù)卷積并記錄；設定閾值分類異常數(shù)據(jù)，得到監(jiān)測指標，完成監(jiān)測。
31、優(yōu)選地，所述云端智能處理中心構(gòu)建可視化與預警平臺，完成監(jiān)測結(jié)果顯示以及實時異常預警。
32、本發(fā)明取得的技術效果為：
33、本發(fā)明通過stm32單片機-窄帶物聯(lián)網(wǎng)nb-iot探索套件組件傳感器網(wǎng)絡，發(fā)揮了stm32單片機系列低功耗的優(yōu)勢，無額外電源下續(xù)航可達12小時，通過引入太陽能電池板裝置，延長了傳感器節(jié)點的工作時間；裝置無需接其余傳感器外設，即可實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的測量，完美發(fā)揮了b-l475e-iot01a探索套件的優(yōu)勢與特性，最終實現(xiàn)低成本信息實時采集。
34、本監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)新性地結(jié)合了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)與云平臺技術，利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)nb-iot作為無線傳輸手段，將鐵軌振動監(jiān)測系統(tǒng)所收集分析處理之后的數(shù)據(jù)傳輸給云平臺，隨后再可視化地呈現(xiàn)給鐵路管理人員以供決策，能夠便捷，高效地管理鐵軌的輪軌激勵振動數(shù)據(jù)，極大地提高了整個數(shù)據(jù)管理的智能化程度，最終實現(xiàn)云端數(shù)字化記錄與查詢。
35、本系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點傳感器在新軌更換時會直接安裝在軌腰上，同時收集的8種目標參量分析出所需要的監(jiān)測項目的體現(xiàn)指標，在舊軌換下時一并拆除，裝卸簡易，因為特殊的工作原理，在不會影響列車的正常行駛前提下，各項監(jiān)測指標精度均可達到85％以上，從而提高了鐵軌的利用率。