基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法及系统

技术领域

本申请涉及铁路轨道安全领域，具体涉及一种基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法及系统。

背景技术

影响铁路安全运营的因素有很多，其中钢轨断裂是影响行车安全的重要因素之一，因此，对钢轨断裂情况进行实时监测，是确保铁路线路安全运营的重大举措。我国铁路多使用无缝钢轨，无缝钢轨的热胀冷缩现象非常明显，加上铁路轮轨作用力大，很容易导致钢轨断裂。此外，由于钢轨顶面磨损、钢轨核伤、钢轨夹板卡损伤、钢轨焊接质量等问题，也容易导致钢轨断裂。

目前国内外对钢轨断轨情况的检测主要分为移动式检测和固定式检测。

移动式检测方法操作简单，检测灵敏度高，但其检测距离有限，存在探伤盲区，且只能在空窗期进行作业，无法满足实时性的要求。

固定式检测常用的检测手段有轨道电路检测法、光纤检测法、应力检测法、机器视觉检测法和超声导波的断轨监测法等。其中，轨道电路是电气设备，其工作状态受很多因素影响，如道床参数的影响，潮湿、绝缘损坏、雷电冲击等因素均可以使轨道电路出现异常，导致轨道电路对断轨的误报率过高。光纤因本身脆弱，在钢轨发生断轨时也会折断，因此光纤检测法安装与维修难度高。应力检测法在安装应变片时需钢轨处于零应力状态，针对现有路段，只能通过截断钢轨来获取零应力值。机器视觉检测法只检测轨道表面损伤，无法检测轨道内部缺陷。传统的超声导波断轨检测方法为了实现长距离大范围监测，需要激励高能的超声导波信号，功率大，现场供电困难，维护费用高。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法，以解决现有技术中，无法满足实时性要求、误报率高、安装与维修难度高、无法检测轨道内部缺陷以及供电困难等问题。

相应的，本申请实施例还提供了一种基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测系统，用于保证上述方法的实现及应用。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法，所述方法包括：

根据振动信号唤醒当前传感器，并通过当前传感器发送列车到达信号至监控中心；其中，所述振动信号是列车经过钢轨时钢轨振动而产生的；

监控中心根据所述列车到达信号，确定目标区间，并唤醒所述目标区间内的所有目标传感器；所述目标传感器包括所述当前传感器；

根据所述目标传感器进行检测，获得振动波形数据，并上传至所述监控中心；

监控中心根据所述振动波形数据进行分析，确定所述目标区间内的钢轨是否断裂。

本申请实施例还公开了一种基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测系统，所述系统包括：

列车激励唤醒模块，用于根据振动信号唤醒当前传感器，并通过当前传感器发送列车到达信号至监控中心；其中，所述振动信号是列车经过钢轨时钢轨振动而产生的；

监控中心，用于根据所述列车到达信号，确定目标区间，并唤醒所述目标区间内的所有目标传感器；所述目标传感器包括所述当前传感器；

传感器检测模块，用于根据所述目标传感器进行检测，获得振动波形数据，并上传至所述监控中心；

监控中心，还用于根据所述振动波形数据进行分析，确定所述目标区间内的钢轨是否断裂。

本申请实施例中，根据列车经过钢轨时钢轨振动而产生的振动信号唤醒当前传感器，并通过当前传感器发送列车到达信号至监控中心；监控中心根据所述列车到达信号，确定目标区间，并唤醒所述目标区间内的所有目标传感器；所述目标传感器包括所述当前传感器；根据所述目标传感器进行检测，获得振动波形数据，并上传至所述监控中心；其中，列车经过钢轨时产生的振动信号作为超声导波信号在钢轨中传播，目标传感器检测钢轨内的超声导波信号生成振动波形数据。列车经过钢轨时产生的振动信号幅度较大，且超声导波信号可以覆盖钢轨的整个横截面，因此无需高压激励、同时可以增大监测区间，监控中心根据所述振动波形数据进行分析，确定所述目标区间内的钢轨是否断裂。通过目标传感器与监控中心之间的交互，可以实现实时在线监测，且传感器安装方便、能耗低，可以减少安装与维护的工作量。

本申请实施例附加的方面和优点将在下面的描述部分中给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提供的基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的钢轨检测系统安装的示意图；

图3为本申请实施例提供的利用钢轨检测系统的进行检测的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的利用钢轨检测系统的进行检测的流程图；

图5为本申请实施例提供的断轨检测无线通信网络结构示意图；

图6为本申请实施例提供的基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请实施例提出了一种基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法，基于超声导波技术与无线网物技术实现。

超声导波本质是一种机械波，是高能量超声波与波导介质边界相互作用而产生的一种特殊的超声波。其在波导介质内部传播时，可以覆盖整个被检测物体的横截面，受钢轨表面残余应力影响小，因此可以反映整个材料内部的结构变化情况。

超声导波与体波相比，其衰减较慢，适用于长距离的断轨检测。断轨检测系统一般由压电换能器和信号发射与接收模块组成。发射模块给压电换能器以脉冲激励，使压电换能器产生振动，向钢轨中发射超声导波信号，信号经过传播后由接收换能器或加速度计接收，转化为电信号后由接收模块接收，通过分析信号特征，判断钢轨情况。

超声导波具有衰减慢、不受电气及电磁干扰的特点，超声导波断轨检测法与其他方法相比，设备简单，成本较低，维修方便，尤其适用于长距离无缝钢轨的断轨检测。

近年来，随着超声导波理论的研究逐渐深入，国内外对于超声导波断轨检测方面的研究也有了很大进展。现有的超声导波在检测钢轨断轨方面，当给定时间间隔内接收到的信号采样值低于设定的阈值时，就会触发用户事件，产生断轨报警，并进行数据记录。

无线网络技术已经是较为成熟技术,拥有完善的标准,如Wi-Fi、蓝牙4.0、Zigbee和Z-Wave。但是这些无线局域网通信技术所存在的一些难以克服问题为功耗较大以及连接范围较小。因此在断轨检测系统的应用场景中,新推出的LPWAN技术具有较为突出的优势,这些优势表现:能够支持固定的中到高密度无线连接,可根据使用场景灵活安排安装位置，并接入数据中心自动化管理；使用电池供电,电池使用寿命长,适用于郊区无人地区等供电困难地区断轨检测。

Sigfox和LoRa是过去两年LPWAN技术领域的主要技术标准。虽然这两个技术标准的商业模式完全不同,但技术和最终目标非常相似。两者均适用于物联网应用的低功耗、远程网络、具有有限的差异。Sigfox是一种窄带技术,使用称为二进制相移键控(BPSK)的标准无线电传输方法。该技术通过在较窄的频谱上改变载波无线电波的相位对数据进行编码。Sigfox虽然对接收终端配置要求较低,但是其管理无线网络基站设置较为复杂。而LoRaWAN(LoRa广域网)则在较宽频谱上对每个符号的多个比特进行编码并使用集成的分组化和纠错来使用未许可的频谱。因此相对于Sigfox,采用LoRa的LPWAN技术具有如下好处:在密集的城市地区2公里～4公里或者在农村地区长达15公里～30公里的距离支持可靠的无线通信；在计量设备的功率不能超过10mW～25mW,符合ISM频率的使用,并采用限制数据消耗并延长电池寿命的算法的基础上能够实现5年以上的电池寿命；支持LoRa无线芯片组价格低廉,便于大规模推广。

另一方面,LoRaWAN是一个可以根据规范构建的平台。LoRa专门用于与物联网设备配合使用,这需要更长的电池寿命,低数据传输和最低的部署成本。另一方面,LAN和蜂窝网络在广泛的区域中部署非常昂贵,而LoRa的使用对于实现来说将更容易和成本有效,并且遵循开放标准。

下面以具体实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

本申请实施例提供了一种可能的实现方式，如图1所示，提供了一种基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法的流程图，该方法可以包括以下步骤：

步骤101，根据振动信号唤醒当前传感器，并通过当前传感器发送列车到达信号至监控中心；其中，所述振动信号是列车经过钢轨时钢轨振动而产生的。

在钢轨下方安装有传感器，具体地，在钢轨下方，安装有多个传感器，相邻传感器之间的距离相同，且相邻传感器之间的距离可以根据需求进行设定。如图2所示，提出了一种钢轨检测系统的安装方案，取钢轨长度为50公里(km)为例，系统每隔5km安装一个接收节点(即本申请实施例中的传感器)，其中，每个接收节点均具备超声导波接收和无线通信能力，各接收节点通过无线网络与监控中心进行通信。具体地，各接收节点与监控中心之间数据交互的过程中，通过云服务器进行存储、计算等处理。在系统工作过程中，无列车经过前所有接收节点会处于待机状态，列车经过的传感器可被振动信号唤醒，列车前后5km的传感器由监控中心唤醒。

本申请实施例中，截取其中一段钢轨进行分析，如图3所示。图3中截取的钢轨段中，包括传感器1#、传感器2#以及传感器3#，传感器1#和传感器2#之间的距离、传感器2#和传感器3#之间的距离均为5公里(km)。本申请实施例中将列车经过钢轨时的对钢轨的冲击作为激励源，当列车经过钢轨时，钢轨大幅度振动，产生振动信号，振动信号触发唤醒当前传感器，此时，列车到达当前传感器所在的位置。参照图3，列车在接近传感器2#时钢轨产生的振动信号唤醒传感器2#，此时的传感器2#即为当前传感器。

在当前传感器被唤醒的情况下，当前传感器发送列车到达信号至监控中心，以通过监控中心启动检测程序。

步骤102，监控中心根据所述列车到达信号，确定目标区间，并唤醒所述目标区间内的所有目标传感器；所述目标传感器包括所述当前传感器。

具体地，监控中心在接收到列车到达信号之后，根据列车到达信号对应的当前传感器确定目标区域。监控中心通过唤醒目标区间内的所有目标传感器以采集数据。

步骤103，根据所述目标传感器进行检测，获得振动波形数据，并上传至所述监控中心。

步骤104，监控中心根据所述振动波形数据进行分析，确定所述目标区间内的钢轨是否断裂。

本申请实施例中，以列车经过钢轨时的对钢轨的冲击作为激励源，产生振动信号作为超声导波信号，去除导波高压激励电源，现场无需额外供电，解决了供电难题。超声导波信号在钢轨内部传播，可以覆盖钢轨的整个横截面，因此可以反映钢轨内部的结构变化情况，可以消除监测盲区。通过在钢轨下方安装的传感器检测钢轨内的超声导波信号，具体地，监控中心通过接收到的振动信号唤醒目标区间内的所有目标传感器，使得目标传感器采集钢轨内的超声导波信号，获得振动波形数据。列车经过钢轨时对钢轨的冲击较大，可以产生幅度较大的超声导波信号，利用传感器检测幅度较大的超声导波信号，可以提高检测精度，减少误报率，增大监测区间长度。监控中心通过获得的振动波形数据，分析超声导波信号特征，判断对应目标区间内的钢轨是否断裂。

其中，超声导波具有衰减慢、不受电气及电磁干扰的特点，超声导波断轨检测法与其他方法相比，设备简单，成本较低，维修方便，尤其适用于长距离无缝钢轨的断轨检测。传感器(目标传感器)与监控中心之间无线连接，可以实现钢轨断裂的实时在线监测。

本申请实施例中，根据列车经过钢轨时钢轨振动而产生的振动信号唤醒当前传感器，并通过当前传感器发送列车到达信号至监控中心；监控中心根据所述列车到达信号，确定目标区间，并唤醒所述目标区间内的所有目标传感器；所述目标传感器包括所述当前传感器；根据所述目标传感器进行检测，获得振动波形数据，并上传至所述监控中心；其中，列车经过钢轨时产生的振动信号作为超声导波信号在钢轨中传播，目标传感器检测钢轨内的超声导波信号生成振动波形数据。列车经过钢轨时产生的振动信号幅度较大，且超声导波信号可以覆盖钢轨的整个横截面，因此无需高压激励、同时可以增大监测区间，监控中心根据所述振动波形数据进行分析，确定所述目标区间内的钢轨是否断裂。通过目标传感器与监控中心之间的交互，可以实现实时在线监测，且传感器安装方便、能耗低，可以减少安装与维护的工作量。

在一个可选的实施例中，所述传感器为物联网传感器。本申请实施例中可以使用低耗能的物联网传感器，可以使用2-3年。其中，物联网传感器可以实现自动化控制，无需人为干预，减少了人力成本和设备维护费用；可以与监控中心网络连接，实现远程实时监控，能够实时反馈监测到的振动波形数据，保障行车安全。

在一个可选的实施例中，所述传感器采用电池供电；通过列车经过时钢轨的振动为所述传感器充电，更换一次电池可使用3-5年，极大地降低了维护的工作量。

其中，通过列车经过时钢轨的振动能量大，可以大幅度节省供电功率，通过钢轨的振动为传感器充电，可以提高传感器中电池的使用寿命；

在一个可选的实施例中，所述监控中心根据所述列车到达信号，确定目标区间，并唤醒所述目标区间内的所有目标传感器，包括：

监控中心接收所述列车到达信号，并确定所述当前传感器的位置；

以所述当前传感器的位置为中点，根据预设区间长度确定所述目标区间；

确定所述目标区间内的所有目标传感器，并向所述目标传感器发送唤醒命令，以唤醒所述目标传感器。

本申请实施例中，监控中心在接收到列车到达信号后，根据当前传感器的位置确定目标区间。具体地，可以以当前传感器的位置为中点，根据预设区间长度2N，确定目标区间。更具体地，取当前传感器的前方和后方各N公里作为目标区间，其中，预设区间长度2N可以根据需求进行设定。本申请实施例中为了便于处理，将N设定为相邻传感器之间的距离。参照图3，以当前传感器2#为基准点，取前方、后方各5公里作为目标区间。将目标区间中的所有传感器作为目标传感器，图3中的目标区间内的目标传感器包括传感器1#、传感器2#和传感器3#。监控中心可以向传感器1#、传感器2#和传感器3#发送唤醒命令以唤醒传感器1#、传感器2#和传感器3#。可选地，由于传感器2#处于被唤醒状态，监控中心可以只向传感器2#和传感器3#发送唤醒命令。

被唤醒的目标传感器对钢轨进行检测，以获得振动波形数据。具体地，列车到达当前传感器后，列车与钢轨的冲击产生振动，向钢轨中发射超声导波信号，超声导波信号在钢轨中传播后，由安装下钢轨下方的目标传感器接收，获得振动波形数据。目标传感器可以将振动波形数据转换为电信号后发送给监控中心。

在一个可选的实施例中，所述监控中心根据所述振动波形数据进行分析，确定所述目标区间内的钢轨是否断裂，包括：

监控中心根据所述振动波形数据生成振动频谱和振动能量谱；

根据所述振动频谱和所述振动能量谱分析所述目标区间内的钢轨是否断裂。

在一个可选的实施例中，所述根据所述振动频谱和所述振动能量谱分析所述目标区间内的钢轨是否断裂，包括：

若所述振动频谱中所有频率的信号均未缺少，或所述振动能量谱中能量的平均值大于或等于预设能量阈值，则所述目标区间内的钢轨没有断裂。

若所述振动频谱中缺少其中任意一段频率的信号，或所述振动能量谱中能量的平均值小于预设能量阈值，则所述目标区间内的钢轨断裂。

作为示例，图4示出了本申请实施例中示例的断轨检测方法的流程图，结合图3，传感器1#、传感器2#、传感器3#两两相距5km，具体检测流程可以如下：

(1)列车到达传感器2#；

(2)传感器2#被唤醒；

(3)传感器2#向监控中心发送列车到达信号；

(4)监控中心发送唤醒命令到传感器1#、传感器3#；

(5)传感器1#、传感器3#被唤醒，检测钢轨振动波形数据；

(6)传感器1#、传感器3#将钢轨振动波形数据发送给监控中心；

(7)监控中心分析振动信号频谱和振动能量谱；若频谱正常/能量大(即振动频谱中所有频率的信号均未缺少，或振动能量谱中能量的平均值大于或等于预设能量阈值)，则传感器1#、传感器3#之间10km钢轨没有断裂；若频谱缺失/能量小(即振动频谱中缺少其中任意一段频率的信号，或振动能量谱中能量的平均值小于预设能量阈值)，则传感器1#、传感器3#之间10km钢轨断裂。

其中，在传感器与监控中心交互方面，采用无线网络技术，本申请实施例中基于LPWAN技术实现传感器与监控中心之间的交互。LoRa技术作为LPWAN技术之一，具有广覆盖、高容量、低功耗和低成本等特点，适用于无轨道电路地区断轨检测。一个完整的LoRaWAN(LoRa广域网)结构包括节点、网关、监控中心和应用端四个部分，如图5所示。节点设备(本申请实施例中指传感器)和网关之间的连接方式为星型拓扑结构连接，假如节点设备与网关相距太远，则可以运用多级网关进行对数据传输的延展。节点设备与应用端之间采用直接传输的节点访问机制。节点设备能够在同一时间将采集到的数据分别发送给多个不同的网关节点，之后网关可以判断距离是否满足条件后再选择使用多个网关中的数据，也可以直接通过通信协议将数据传送至监控中心，数据可以在监控中心进行分析处理，再使用通信协议发送到应用层。因此当节点设备检测到导波信号异常，可以上传数据至监控中心，监控中心通过分析数据判断是否存在断轨，并将分析结果显示在应用端，便于后续钢轨检修。节点设备与监控中心之间交互的数据通过云服务器进行存储，具体地，云服务器连接数据库用于存储数据。

基于与本申请实施例所提供的方法相同的原理，本申请实施例还提供了一种基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测系统，如图6所示，所述系统包括：

列车激励唤醒模块601，用于根据振动信号唤醒当前传感器，并通过当前传感器发送列车到达信号至监控中心；其中，所述振动信号是列车经过钢轨时钢轨振动而产生的；

监控中心602，用于根据所述列车到达信号，确定目标区间，并唤醒所述目标区间内的所有目标传感器；所述目标传感器包括所述当前传感器；

传感器检测模块603，用于根据所述目标传感器进行检测，获得振动波形数据，并上传至所述监控中心；

监控中心602，还用于根据所述振动波形数据进行分析，确定所述目标区间内的钢轨是否断裂。

本申请实施例中，列车激励唤醒模块根据列车经过钢轨时钢轨振动而产生的振动信号唤醒当前传感器，并通过当前传感器发送列车到达信号至监控中心；监控中心根据所述列车到达信号，确定目标区间，并唤醒所述目标区间内的所有目标传感器；所述目标传感器包括所述当前传感器；传感器检测模块根据所述目标传感器进行检测，获得振动波形数据，并上传至所述监控中心；其中，列车经过钢轨时产生的振动信号作为超声导波信号在钢轨中传播，目标传感器检测钢轨内的超声导波信号生成振动波形数据。列车经过钢轨时产生的振动信号幅度较大，且超声导波信号可以覆盖钢轨的整个横截面，因此无需高压激励、同时可以增大监测区间，监控中心根据所述振动波形数据进行分析，确定所述目标区间内的钢轨是否断裂。通过目标传感器与监控中心之间的交互，可以实现实时在线监测，且传感器安装方便、能耗低，可以减少安装与维护的工作量。

本申请实施例提供的基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测系统能够实现图1至图5的方法实施例中实现的各个过程，为避免重复，这里不再赘述。

本申请实施例的基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测系统可执行本申请实施例所提供的基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法，其实现原理相类似，本申请各实施例中的基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测系统中的各模块、单元所执行的动作是与本申请各实施例中的基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法中的步骤相对应的，对于基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测系统的各模块的详细功能描述具体可以参见前文中所示的对应的基于列车自激励与无线物联技术的断轨检测方法中的描述，此处不再赘述。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。