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原文传递基于物联网的轨道板拱起及冻害的实时监测系统与方法

专利名称：	基于物联网的轨道板拱起及冻害的实时监测系统与方法
摘要：	本发明提供一种基于物联网的轨道板拱起及冻害的实时监测系统与方法，系统包括若干个安装于被监测轨道板位置的监测单元以及位于远程的物联网管理平台；各个所述监测单元通过物联网与所述物联网管理平台通信连接；每个所述监测单元包括第一数字双轴倾角传感器、第二数字双轴倾角传感器、温度传感器以及主控板。优点为：本发明采用物联网技术、智能传感技术、大数据技术，解决高速铁路无砟轨道板拱起及冻害实时监测问题，同时利用大数据技术，为轨道板的拱起、冻害的发生、发展和变化规律研究提供支持，提升发现问题的能力及准确性，提高运维工作效率，确保高铁行车安全。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京鼎兴达信息科技股份有限公司
发明人：	傅卫国
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-12T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910183737.4
公开号：	CN110015318A
分类号：	B61K9/08(2006.01);B;B61;B61K;B61K9
申请人地址：	100160 北京市丰台区汽车博物馆东路1号院3号楼2107室
主权项：	1.一种基于物联网的轨道板拱起及冻害的实时监测系统，其特征在于，包括若干个安装于被监测轨道板位置的监测单元以及位于远程的物联网管理平台；各个所述监测单元通过物联网与所述物联网管理平台通信连接；其中，每个所述监测单元包括第一数字双轴倾角传感器、第二数字双轴倾角传感器、温度传感器以及主控板；所述第一数字双轴倾角传感器和所述第二数字双轴倾角传感器水平安装于被监测轨道板两个对角位置，所述第一数字双轴倾角传感器和所述第二数字双轴倾角传感器用于监测轨道板拱害形态；所述温度传感器用于实时采集被监测轨道板的内部温度值；所述主控板包括处理器MCU、供电电池以及无线通信模块；所述供电电池分别与所述处理器MCU和所述无线通信模块连接，用于向所述处理器MCU和所述无线通信模块供电；所述第一数字双轴倾角传感器、所述第二数字双轴倾角传感器和所述温度传感器均通过线缆连接到所述处理器MCU；所述处理器MCU通过所述无线通信模块与所述物联网管理平台连接。 2.根据权利要求1所述的基于物联网的轨道板拱起及冻害的实时监测系统，其特征在于，所述第一数字双轴倾角传感器、所述第二数字双轴倾角传感器、所述温度传感器以及所述主控板的布置方式为：轨道板(1)的下面设置底座板(2)；所述主控板固定于所述底座板(2)的侧面；在所述轨道板(1)不同位置垂直打孔，将所述第一数字双轴倾角传感器、所述第二数字双轴倾角传感器和所述温度传感器装入垂直孔中；然后将第一数字双轴倾角传感器连接线缆、第二数字双轴倾角传感器连接线缆和温度传感器连接线缆从垂直孔中引出，沿着轨道板(1)的侧面布置，并连接到所述主控板；其中，所述第一数字双轴倾角传感器、所述第二数字双轴倾角传感器和所述温度传感器的连接线缆贴合轨道板(1)的侧面，并采用扣线座固定于轨道板(1)的侧面；布线完成后，采用水泥将垂直孔封住。 3.根据权利要求1所述的基于物联网的轨道板拱起及冻害的实时监测系统，其特征在于，所述第一数字双轴倾角传感器、所述第二数字双轴倾角传感器和所述温度传感器的具体布置方式为： 1)确定安装位置：安装位置选择避开轨道板钢筋，安装位置取点处为轨道板植筋处；其中，所述第一数字双轴倾角传感器和所述第二数字双轴倾角传感器的安装位置取点处分别位于被监测轨道板两个对角位置； 2)使用冲击钻，在各个安装位置取点处打孔径15mm，深70mm的垂直孔； 3)向垂直孔内填入快干水泥，以一定方向各快速塞入所述第一数字双轴倾角传感器、所述第二数字双轴倾角传感器和所述温度传感器；然后，补好快干水泥。 4.根据权利要求1所述的基于物联网的轨道板拱起及冻害的实时监测系统，其特征在于，所述主控板的具体安装方式为： 1)确定安装位置，为底座板(2)的侧面； 2)在底座板(2)的侧面使用电锤或钻石钻孔机打水平方向的固定孔，孔径10mm，深度80mm； 3)以吹气泵或压缩空气吹出固定孔中的灰尘和积水，保证固定孔内无冰无油脂； 4)将药剂包完全置入固定孔内； 5)向固定孔内塞入化学锚栓，方式为：以带锤击功能的电锤钻缓慢旋入锚栓，直至锚栓接触孔底，少许药剂满出为止；然后静置，使药剂充分固化；固化完成后，清理底座板(2)的安装面，保证无脏污附着； 6)在底座板(2)的安装面及主控板的安装面涂上道钉胶，贴合； 7)等待锚栓凝固后，在锚栓的外端安装螺母； 8)然后，将主控板安装到外露的锚栓上面，完成主控板的安装。 5.一种权利要求1-4任一项所述的基于物联网的轨道板拱起及冻害的实时监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对于每个被监测轨道板，在轨道板两个对角位置各水平安装第一数字双轴倾角传感器Q1和第二数字双轴倾角传感器Q2，并且，使第一数字双轴倾角传感器Q1和第二数字双轴倾角传感器Q2靠近轨道板边角；初始时，第一数字双轴倾角传感器Q1和第二数字双轴倾角传感器Q2均为水平安装状态，并且，初始时，第一数字双轴倾角传感器Q1的x向角度值α1和y向角度值β1均为0；第二数字双轴倾角传感器Q2的x向角度值α2和y向角度值β2均为0；在轨道板中心位置布置温度传感器，通过温度传感器实时采集被监测轨道板的内部温度值；主控板的处理器MCU按照设置的采样间隔时间定时读取一组监测数据；其中，所述监测数据包括轨道板的一个边角对应的x向角度值α1和y向角度值β1，另一个对角对应的x向角度值α2和y向角度值β2，以及轨道板的内部温度值，并记录于所述处理器MCU的内部；当采集到n组监测数据时，所述处理器MCU通过无线通信模块将所述n组监测数据发送给所述物联网管理平台；步骤2，所述物联网管理平台对所述主控板上传的所述监测数据进行分析处理，实现对被监测轨道板状态的监测和预警；所述物联网管理平台具体包括：轨道板拱害形态建模模块，用于建立四种轨道板拱害形态模型，分别为第一种形态模型、第二种形态模型、第三种形态模型和第四种形态模型；其中：所述第一种形态模型是指：弯拱方向向上的拱桥形模型；所述第二种形态模型是指：四角翘起的内凸形模型；所述第三种形态模型是指：弯拱方向向下的拱桥形模型；所述第四种形态模型是指：四角翘起的内凹形模型；轨道板拱害形态识别模块，用于根据所述第一数字双轴倾角传感器Q1(α1，β1)和所述第二数字双轴倾角传感器Q2(α2，β2)的实时监测结果，根据所述轨道板拱害形态建模模块建立的四种形态模型，识别轨道板当前所属的轨道板拱害形态；具体方法为：如果α1＞0°，α2＜0°，β1＝β2＝0°，则判断出轨道板当前属于第一种形态模型对应的第一种形态；如果α1＞0°，β1＜0°，α2＜0°，β2＞0°，则判断出轨道板当前属于第二种形态模型对应的第二种形态；如果α1＜0°，α2＞0°，β1＝β2＝0°，则判断出轨道板当前属于第三种形态模型对应的第三种形态；如果α1＜0°，β1＞0°，α2＞0°，β2＜0°，则判断出轨道板当前属于第四种形态模型对应的第四种形态；轨道板隆起高度建模计算模块，用于根据轨道板拱害形态识别模块识别到的轨道板当前拱害形态，根据轨道板基本参数，计算得到当前轨道板隆起高度；具体方法为： (一)如果轨道板当前拱害形态为第一种形态，则采用以下方法计算当前轨道板隆起高度；如果轨道板当前拱害形态为第三种形态，则将第三种形态对应的第三种形态模型进行垂直翻转后，再采用以下步骤1-步骤3计算当前轨道板隆起高度：步骤1，设第一数字双轴倾角传感器Q1(α1，0)，第二数字双轴倾角传感器Q2(α2，0)，当轨道板当前形态的拱起最高点为点C，轨道板当前形态的两侧最低点分别为点A和点B；连接点A和点B，得到水平线段AB；过点C作线段CD，使CD垂直水平线AB于D；步骤2，设LBC＝l1，LAC＝l2，则有l1+l2≈L0；其中，LBC代表线段BC的长度；LAC代表线段AC的长度；L0为轨道板长度的初始值，为定值；在RtΔABE中，LCD＝l1sin\|α1\|；在RtΔCAD中，LCD＝l2sin\|α2\|，因此，l1sin\|α1\|＝l2sin\|α2\|；其中，LCD代表线段CD的长度；步骤3，由此得到关于l1和l2的二元一次方程组：由于α1、α2和L0均为已知值，因此，求解所述二元一次方程组，得到l1和l2的值；因此，当前轨道板隆起高度h＝LCD＝l1sin\|α1\|； (二)如果轨道板当前拱害形态为第二种形态，则将第二种形态对应的第二种形态模型进行垂直翻转后，再采用以下步骤20-步骤23计算当前轨道板隆起高度：如果轨道板当前拱害形态为第四种形态，则采用以下步骤20-步骤23计算当前轨道板隆起高度：步骤20，设第一数字双轴倾角传感器Q1(α1,β1)，第二数字双轴倾角传感器Q2(α2,β2)，α1和α2的最大值记为α0；β1和β2的最大值记为β0；轨道板的长度为L0，宽度为d；步骤21，轨道板四角翘起状态中，点E为轨道板翘起最高的角，点F为轨道板宽边中点，是宽边翘起的最低点；点G为轨道板中心点，点H为轨道板长边中点；连接EG，EF，FG，GH，HE；则有其中：LEF为线段EF的长度；LFG为线段FG的长度；步骤22，过点E作线段EL垂直水平面于点L，过点F作线段FM垂直水平面于点M，连接LG，MG，LM；过点E作线段LM的平行线EN交MF延长线于点N；∠FGM＝α0，∠NEF＝β0；步骤23，在RtΔENF中，其中，LFN为线段FN的长度；在RtΔFGM中，其中，LFM为线段FM的长度；则有其中，LMN为线段MN的长度；步骤24，由作图过程知，四边形ELMN为长方形，则有 LEL即为当前轨道板隆起高度；轨道板拱起高度预测模块，用于根据历史时间内建模得到的轨道板拱起高度数据，利用时间序列预测算法对未来某期的轨道板拱起高度进行预测，具体包括以下步骤：步骤10，对于拱起高度待预测的轨道板，首先确定平滑系数α初始值、一次平滑初始值、二次平滑初始值和三次平滑初始值；具体的，平滑系数α初始值为给定值，取值范围是[0，1]，α值越大，表示对未来预测中越近期的数据权重越大；一次平滑初始值s1(1)、二次平滑初始值s1(2)和三次平滑初始值s1(3)相等，均为最近m期轨道板隆起高度的平均值；步骤11，采用下式，迭代计算第t期拱起高度的一次平滑值st(1)、二次平滑值st(2)和三次平滑值st(3)：其中：st-1(1)为第t-1期拱起高度的一次平滑值；st-1(2)为第t-1期拱起高度的二次平滑值；st-1(3)为第t-1期拱起高度的三次平滑值；xt为轨道板隆起高度建模计算模块计算到的第t期拱起高度的实际值；t为计算期数，t＝2,3,4...；步骤12，根据第t期拱起高度的一次平滑值st(1)、二次平滑值st(2)和三次平滑值st(3)，根据下式计算未来第t+T期的拱起高度预测值：其中： At＝3st(1)-3st(2)+st(3) 其中：为第t+T期的拱起高度预测值；T为相对于当前时刻的预测期数值；At、Bt和Ct为预测参数。冻害异常判断模块，所述冻害异常判断模块用于将实时接收到的轨道板的内部温度值，与基准温度值进行比较，得到轨道板温度降低值；然后，判断所述轨道板温度降低值是否超过设置的温度门限值，如果超过温度门限值，再进行持续监测；如果达到持续监测时间时，轨道板当前温度降低值均超过温度门限值，则发出轨道板冻害的报警信息；可视化动态监测平台，所述可视化动态监测平台用于将轨道板实时监测数据从整体综合到详情细节进行多维分析展示，包括轨道板综合分析模块、轨道板列表模块以及轨道板详情模块；所述轨道板综合分析模块，用于对监测的所有轨道板的监测数据进行综合的统计分析，包括各种轨道板状态的数量统计、告警数量占比、近十二个月角度的综合趋势；其中，轨道板状态包括正常状态、离线状态、维护状态和告警状态；所述近十二个月角度的综合趋势，包括轨道板最小角度的综合趋势、轨道板最大角度的综合趋势以及轨道板平均角度的综合趋势；所述轨道板列表模块，用于按铁路线路进行分类，在每个铁路线路的对应位置展示轨道板图标，每个所述轨道板图标关联展示轨道板属性，所述轨道板属性包括轨道板编号、轨道板的角度以及轨道板的温度；当某个所述轨道板图标被点击时，激活轨道板详情模块；所述轨道板详情模块，用于详细展示轨道板的详细数据信息，包括轨道板基本信息、轨道板角度的变化趋势、轨道板温度的变化趋势以及轨道板告警次数信息；其中，所述轨道板基本信息包括轨道板编号、轨道板所归属的铁路线名称、轨道板所归属的铁路线的公里标以及轨道板当前状态；前端设备管理模块，所述前端设备管理模块用于对各个监测单元进行管理，包括：对各个监测单元状态的控制；健康安全评价模块，用于对各个被监测的轨道板的健康安全状态进行评价，方式为：在监测时间长度中，假设共采集到该轨道板的m1组监测数据；在所述m1组监测数据中，正常监测数据的数量为m2，异常监测数据的数量为m1-m2；根据m2/m1的正常状态百分比，给轨道板的健康安全状态进行打分，其中，正常状态百分比越高，则打分越高，由此实现对轨道板的健康安全状态进行评价。
所属类别：	发明专利