一种铁路轨道锁定温度监测的系统与方法

技术领域

本发明涉及铁路无缝线路，尤其涉及一种铁路轨道锁定温度监测的系统与方法。

背景技术

近年来，铁路无缝线路已经成为轨道线路的主要结构形式，随着铁路现代化进程的迅速发展，更需科学的对无缝线路进行全寿命的安全、技术、生产管理。由于钢轨的温度膨胀系数可知，温度的变化对长轨的影响较短轨更为敏感，为保证铁路运输和行车安全，保证线路质量达标、稳定、可靠，对钢轨温度进行监测，及时测定钢轨锁定温度，预防因锁定温度变化而引起的断轨或涨轨跑道事故就更加显得重要。

钢轨温度与环境温度并不相同，与气候变化、风力大小、日照强度、钢轨所处地段和测量部位有关。无缝线路的钢轨温度力大小和分布与轨温变化幅度有直接关系，是影响无缝线路的强度和稳定性的主要因素，轨道温度变化幅度就成为无缝线路设计、铺设和维修养护的重要资料。

无缝线路锁定轨温是指无缝线路的零应力轨温，是指无缝线路钢轨被完全锁定时的轨温，此时钢轨内部的温度力为零，设计锁定轨温是在钢轨铺设前时根据线路通过地区的温度条件计算确定的。锁定轨温是决定钢轨温度力水平的基准，反映出无缝线路在不同温度条件下钢轨内部所承受的纵向拉应力和压应力的大小，是衡量无缝线路轨道强度与稳定性的量化表现，因此锁定轨温是无缝线路最重要的技术指标之一，其准确与否，将直接关系到无缝线路的状态稳定和养、管、修安全。

无缝线路的实际锁定轨温与钢轨温度之差决定了钢轨中的纵向温度力大小，纵向温度力过大，可能导致钢轨胀曲甚至被拉断的危险，严重威胁无缝线路的行车安全。锁定轨温在无缝线路运营过程中可能发生变化，因此监测实际锁定轨温是否符合线路运用要求就成为工务作业的重要内容。

国内目前主要采用观测桩法来对实际锁定轨温进行测量，通过观测桩直接测量钢轨的爬行位移来监测，或者使用锁定轨温测量仪器定时定点来测量无缝线路温度力和实际锁定轨温，两种测量作业方法均存在需要在天窗点人工上线作业，所获取的轨温数据密度小，劳动量大、测量误差大，难以为铁路工务作业提供及时、准确、科学的决策依据。

近年来通过将应变片或应变传感器粘贴在钢轨表面、测量钢轨应变和温度关系来解算钢轨实际锁定温度的应变电测法获得深入的研究。当轨温不同于实际锁定温度时钢轨发生膨胀或收缩，但受到扣件和道床阻力作用而未能自由伸长而产生压应力或拉应力，通过测量应力以及当前轨道温度，然后将采集到的数据发送到后台计算机进行处理即可解算出实际锁定轨温。

各种文献资料上提到的采用应力电测法的轨温监测系统，其特点是均采用电池供电的数据采集模块，与采集轨道应力的应力片或应力传感器、温度传感器有线连接，来测量钢轨应力及当前轨道温度。采集的应力、温度数据再通过短距离无线传输方式或直接的3G/4G技术发送到后台服务器。

这种数据采集和传输模式功耗大，导致监测设备难以长期免维护工作，设备成本高难以覆盖所有需要监测的无缝线路，因此此类系统均未能广泛应用，只是存在于小量的试验项目中。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种铁路轨道锁定温度监测的系统与方法。

本发明提供了一种铁路轨道锁定温度监测的系统，包括安装在钢轨上的带温度及应力传感器的无源RFID电子标签、安装在机车上的RFID读出设备、广域网数据传输设备以及后台服务器，所述RFID读出设备通过所述广域网数据传输设备与所述后台服务器连接。

作为本发明的进一步改进，所述无源RFID电子标签包括射频识别芯片、外置式应力传感器及第一天线，所述射频识别芯片内置有温度传感器，所述外置式应力传感器与所述射频识别芯片连接，所述射频识别芯片通过所述第一天线与所述RFID读出设备连接。

作为本发明的进一步改进，所述射频识别芯片内置有信号调理电路，所述外置式应力传感器与所述信号调理电路组成直流测量电桥，用以测量钢轨表面拉应力及压应力。

作为本发明的进一步改进，所述外置式应力传感器包括P型应变计、N型应变计、电阻R1、电阻R2，所述P型应变计、N型应变计、电阻R1、电阻R2连接为电桥式，P型应变计、N型应变计连接在相邻两臂，所述电阻R1、电阻R2内置在所述射频识别芯片之内。

作为本发明的进一步改进，所述RFID读出设备连接有第二天线，所述第二天线安装在机车的底部，所述无源RFID电子标签安装在钢轨的内侧轨腰或轨底部件，所述铁路轨道锁定温度监测的系统还包括可读取所述无源RFID电子标签的手持式RFID读出设备，用于作业人员手动读取电子标签存储及测量数据，并通过无线通信方式将数据发送到服务器。

作为本发明的进一步改进，安装在机车上的RFID读出设备和手持式RFID读出设备是两个不同的设备，安装在机车上的RFID读出设备是固定的，是必备的，而手持式RFID读出设备则为选择性使用；安装在机车上的RFID读出设备可以读取安装在钢轨上的带温度及应力传感器的无源RFID电子标签的信息，而用手持式RFID读出设备也可以读取安装在钢轨上的带温度及应力传感器的无源RFID电子标签的信息。

本发明还提供了一种铁路轨道锁定温度监测的方法，以上述中任一项所述的铁路轨道锁定温度监测的系统为基础，进行以下步骤：

S1、当机车通过安装在钢轨上的带温度及应力传感器的无源RFID电子标签时，安装在机车上的RFID读出设备发出射频信号激活所述无源RFID电子标签，所述无源RFID电子标签测量钢轨当前应力和轨温并发送到所述RFID读出设备，所述RFID读出设备再经所述广域网数据传输设备将钢轨当前应力和轨温转发到后台服务器；

S2、当所述后台服务器接收到钢轨当前应力和轨温后，将零温度力参考基准作为参量进行数据处理，最终解算出当前温度力及实际锁定轨温，若实际锁定轨温与设计锁定轨温相差超出阈值，则表明当前钢轨在高温或低温情况下存在涨轨跑道或断轨的危险。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，无源RFID电子标签通过其内置的温度传感器对钢轨接触面的温度进行测试，一是获取钢轨当前温度，二是作为应力测量的温度补偿参数。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，无源RFID电子标签处于无源状态，接收到RFID读出设备发送的高功率射频信号后被激活，再根据RFID读出设备的指令启动温度测量及应力测量，然后将测量数据通过负载反射的方式发送给RFID读出设备，同时，无源RFID电子标签将本身存储的标签固定信息(例如钢轨铺设时间、公里标、物资管理等基本信息)一并发给给RFID读出设备，完成标签数据信息的识别。

作为本发明的进一步改进，所述无源RFID电子标签存储有钢轨铺设时间、公里标、物资管理等基本信息可同时被读出设备读取，以实现对被测量轨道的精准定位或钢轨资产管理之用。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，实际锁定轨温通过下式计算得到：

T

T

σ：当前温度应力(Pa)

E：杨氏模量

α：钢轨的线膨胀系数

。

作为本发明的进一步改进，安装无源RFID电子标签时，先将钢轨进行应力放散，再将无源RFID电子标签安装到指定位置，读出当前温度和应力数据存储到数据库中，作为零温度力参考基准。

本发明的有益效果是：通过上述方案，无需供电，免维护，功耗小，布置灵活，适合长期户外工作，系统造价低；同时数据由机车通过时读取，可应用在所有区段的无缝线路监测，具有较高的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明一种铁路轨道锁定温度监测的系统的无源RFID电子标签的示意图。

图2是本发明一种铁路轨道锁定温度监测的系统的无源RFID电子标签的主视方向的安装示意图。

图3是本发明一种铁路轨道锁定温度监测的系统的无源RFID电子标签的侧视方向的安装示意图。

图4是本发明一种铁路轨道锁定温度监测的系统的示意图。

图5是本发明一种铁路轨道锁定温度监测的系统的无源RFID电子标签安装在轨底部位的主视图。

图6是本发明一种铁路轨道锁定温度监测的系统的无源RFID电子标签安装在轨底部位的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

本文提出一种基于无源RFID+传感器技术的在线铁路轨道锁定轨温监测方法和系统，其工程实现简单，建设成本低，适用于对无缝线路轨温的长期在线监测。

如图1至图4所示，一种铁路轨道锁定温度监测的系统，包括安装在钢轨2上的带温度及应力传感器的无源RFID电子标签1、安装在机车上的RFID读出设备3、广域网数据传输设备以及后台服务器，在轨道上等间距安装带传感器(应力+温度)的无源RFID电子标签1用以测量轨道应力及轨温。在机车、轨道车、检测车上安装RFID读出设备3，机车通过时读出设备发射射频信号激活无源RFID电子标签1，无源RFID电子标签1测量轨道当前应力和轨温并发送到RFID读出设备3，再转发到后台服务器进行解算处理。

本发明还提供了一种铁路轨道锁定温度监测的方法，以上述中任一项所述的铁路轨道锁定温度监测的系统为基础，进行以下步骤：

S1、当机车通过安装在钢轨上的带温度及应力传感器的无源RFID电子标签时，安装在机车上的RFID读出设备发出射频信号激活所述无源RFID电子标签，所述无源RFID电子标签测量钢轨当前应力和轨温并发送到所述RFID读出设备，所述RFID读出设备再经所述广域网数据传输设备将钢轨当前应力和轨温转发到后台服务器；

S2、当所述后台服务器接收到钢轨当前应力和轨温后，将零温度力参考基准作为参量进行数据处理，最终解算出当前温度力及实际锁定轨温，若实际锁定轨温与设计锁定轨温相差超出阈值，则表明当前钢轨在高温或低温情况下存在涨轨跑道或断轨的危险。

无源RFID电子标签无需供电，可在户外环境下实现免维护的长期可靠工作，同时电子标签存储有钢轨铺设时间、公里标、物资管理等基本信息可同时被读出设备读取，以实现对被测量轨道的精准定位。

所述铁路轨道锁定温度监测的系统还包括可读取所述无源RFID电子标签的手持式RFID读出设备，用于作业人员手动读取电子标签存储及测量数据，并通过无线通信方式将数据发送到服务器。

安装在机车上的RFID读出设备3和手持式RFID读出设备是两个不同的设备，安装在机车上的RFID读出设备3是固定的，是必备的，而手持式RFID读出设备则为选择性使用；安装在机车上的RFID读出设备3可以读取安装在钢轨上的带温度及应力传感器的无源RFID电子标签1的信息，而用手持式RFID读出设备也可以读取安装在钢轨上的带温度及应力传感器的无源RFID电子标签1的信息。

无源RFID电子标签1主要由专用的射频识别芯片11、外置式应力传感器12及第一天线14组成，无源RFID电子标签原理如图1所示，射频识别芯片11内置有温度检测电路13，用以测量钢轨贴合面温度，低功耗的外置式应力传感器12与内置的信号调理电路组成直流测量电桥，用以测量钢轨表面拉应力及压应力。

外置式应力传感器12主要由P型及N型两片半导体应变计及芯片内置的两片电阻R1、R2组成，连接为电桥形式。P型和N型半导体应变计连接在相邻两臂，一是利用其灵敏系数符号相反的特性提高应力测量灵敏度，二是用以改善应变计的温度特性及非线性特性导致的电桥零点漂移。内置式温度传感器可对接触面温度进行测量，一是获取钢轨当前温度，二是作为应力测量的温度补偿参数。

无源RFID电子标签1处于无源状态，接收到RFID读出设备3发送的高功率射频信号后被激活，再根据RFID读出设备3指令启动温度测量及应力测量，然后将测量数据通过负载反射的方式发送给RFID读出设备3。同时无源RFID电子标签1还可将本身存储的数据信息一并发给读写器，完成标签数据信息的识别。

如图2、3、5、6所示，无源RFID电子标签1安装在钢轨2的内侧轨腰(见图2、3)或轨底部位(见图5、6)，间隔300至500m左右轨面各安装一片，或者按轨道线路管理部门要求灵活布置，对重点监测区域加大安装密度。

安装无源RFID电子标签1时，需要先将钢轨进行应力放散，再将无源RFID电子标签1安装到指定位置，读出当前温度和应力数据存储到数据库中，作为零温度力参考基准。

如图4所示，机车上安装RFID读出设备3，通过射频电缆与安装在机车底部的两部第二天线4连接，用于读取两侧钢轨2上安装的无源RFID电子标签1。RFID读出设备3通过网络接口与机车上无线通信系统(如4G/5G无线路由器或机车安全信息综合检测装置工作平台)连接，用以将接收到的数据发送到后台服务器，该无线通信系统包括通信天线6。

当机车运行时，RFID读出设备3发射射频信号，钢轨2上无源RFID电子标签1接收到射频信号后被激活，根据指令测量当前钢轨温度和应力数据，再发送到RFID读出设备3，同时也将无源RFID电子标签1中存储的固定信息(钢轨铺设时间、公里标、物资管理等)发送到RFID读出设备3。然后标签固定信息、实时温度数据及应力数据通过机车上无线通信系统传输到部署在工务段的后台应用服务器。

后台服务器接收到当前数据后，将零应力基准数据作为参量进行数据处理，最终解算出当前温度力及实际锁定轨温。若实际锁定轨温与设计锁定轨温相差超出阈值，表明当前钢轨在高温或低温情况下存在涨轨跑道或断轨的危险，需要工务人员进行处理。另外轨温数据也可作为工务系统选择作业内容、作业时段的量化参考依据。

无缝线路钢轨的温度应力、表面轨温和实际锁定轨温之间存在如下关系：

T

T

σ：当前温度应力(Pa)

E：杨氏模量

α：钢轨的线膨胀系数

在实际检测过程中，由于线路钢轨残余应力、不同环境的影响，温度应力与当前轨温的测量误差，会使得实际锁定轨温的解算出现较大偏差。

发明提出一种实际锁定轨温的测算模型，主要特征为：

1.基于大数据和AI技术的测算模型可使用实测温度、应力数据进行训练并不断修正，逐步形成实用化的实际锁定轨温测算模型。

2.每台机车上均安装读写设备，在列车运行过程中对轨温、应力进行测量，该模式可获取海量的时间连续的测量数据作为训练样本使用。

3.工务系统在季节变化时使用专用仪表上道测量的轨温数据作为测算模型的重要参量数据。

4.在没有施工作业及特殊工况发生时，实际锁定轨温的变化应是平稳的过程，相邻自然日的相同时段内，相同测量点的数据不应发生大的改变，这些是测算模型的重要训练条件。

通过在每台机车上安装车载读出设备，监测数据密度将会大幅上升，一是可以生成实用化的测算模型，二是可达到对无缝线路锁定轨温的周期性长期监测目的。

本发明提供的一种铁路轨道锁定温度监测的系统与方法，具有以下特点：

1.一种可测量温度和应力的无源RFID电子标签1，安装在钢轨2的轨腰或轨底位置，可存储钢轨型号、生产厂家、铺设时间、施工锁定轨温、测量点公里标、所属工务段、班组等固定信息。

2.一种可测量温度和应力的无源RFID电子标签1，其存储的固定信息可以现场修改，当该段线路施工后，可以对施工时间、最新的施工锁定轨温数据进行更新。

3.一种可测量温度和应力的无源RFID电子标签1，除两片半导体应力计及天线外，温度传感器、应力测量电桥全部集成在RFID芯片中。

4.一种可测量温度和应力的无源RFID电子标签1，平时处于无电免维护状态，当接收到车载读出设备发送的识读命令、测量命令后才会短时工作，将固定信息、当前温度、应力数据发送到车载读出设备。

5.一种可测量温度和应力的无源RFID电子标签1，需要在应力放散情况下安装到钢轨2上，以获取零应力参考数据，作为测算模型的参量数据。

6.一种可测量温度和应力的无源RFID电子标签1，还可被其他车辆(如轨道检测车)上的读出设备读取，提供准确的位标信息。

7.一种可测量温度和应力的无源RFID电子标签1，可存储钢轨的产品信息(型号、厂商、生产日期、铺轨日期、施工单位等等)，作为钢轨的资产管理标签使用。

8.RFID读出设备3可安装在机车、轨道车、检测车上，车底偏左右两侧各安装一部天线用于分别读取轨道两侧的电子标签。

9.机车运行时，RFID读出设备3上电工作，周期性的发送识读、测量指令来激活电子标签，并接收电子标签发回的测量数据及固定信息。

10.RFID读出设备3具备本地数据存储能力，同时可通过网络接口与车载广域网无线通信系统(如4G/5G无线路由器等)连接，将数据发送到所属工务段的服务器上进行分析处理。

11.周期性、高密度轨温、应力数据及实际锁定轨温的采集、分析，作为工务系统选择作业内容、作业时段的量化参考依据。

本发明提供的一种铁路轨道锁定温度监测的系统与方法，与其他应力电测法相比，电子标签无需供电，免维护，布置灵活，适合长期户外工作，系统造价低。同时数据由机车通过时读取，可应用在所有区段的无缝线路监测。

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。