一種垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法及系統(tǒng)。該系統(tǒng)為在列車走行部一系彈簧上方的構(gòu)架上設(shè)置俯仰陀螺儀，并在列車的車軸端蓋內(nèi)設(shè)置測速傳感器，所述俯仰陀螺儀和測速傳感器的輸出端均接入中央處理單元。檢測步驟為：俯仰陀螺儀采集列車的構(gòu)架傾斜角速度信號、測速傳感器采集列車的運(yùn)行速度信號，中央處理單元對所采集到的兩路信號進(jìn)行時(shí)空域轉(zhuǎn)換得到空間域序列；采用濾波器法對空間域序列進(jìn)行二次積分；采用趨勢項(xiàng)消除方法對積分產(chǎn)生的趨勢項(xiàng)進(jìn)行消除，得到軌道垂向位移估計(jì)值；構(gòu)建補(bǔ)償濾波器，消除軌道垂向位移估計(jì)值的幅度和相位偏差。本發(fā)明具有成本低、工程實(shí)施性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。
【專利說明】 一種垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軌道長波不平順在線監(jiān)測的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]軌道不平順由輪軌反復(fù)作用及軌道枕木等惡化造成，是引起車輛和軌道振動(dòng)的重要激勵(lì)源之一。當(dāng)軌道不平順達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)影響車輛平穩(wěn)性、乘客舒適度、車輛和軌道的使用壽命甚至危害車輛運(yùn)行安全。軌道不平順按波長可分為局部不平順和長波不平順，后者是影響車輛平穩(wěn)性和乘客舒適度的關(guān)鍵因素，并且隨著列車運(yùn)行速度的提高而影響增大，其有效檢測與管理對鐵路運(yùn)營具有重要意義。
[0003]張德水公開了一種(張德水.軌道不平順的測量與數(shù)據(jù)處理.上海交通大學(xué)碩士論文.2012)軌道不平順較早的小車檢測方法，該方法使用傾角和位移傳感器檢測由軌道表面的輪廓形狀引起的基準(zhǔn)梁運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而計(jì)算出軌道不平順；但是此種方法小車檢測受到運(yùn)行速度限制，不適用于檢測長波不平順。Luis Fernando Molina公開了一種(LuisFernando Molina, Esther Resendiz, J.Riley Edwards, John M.Hart.Condit1n Monitoringof Railway Turnouts and Other Track Components Using Machine Vis1n.Proceedings ofthe Transportat1n Research Board90th Annual Meeting.15November2010)機(jī)器視覺法，該方法通過高速攝像機(jī)或激光掃描儀，記錄下軌檢車通過后軌道的狀態(tài)；然而機(jī)器視覺法成本高的同時(shí)，對鐵路運(yùn)行惡劣環(huán)境也較為敏感，且通常需要軌檢車搭載，增加了軌檢車的運(yùn)行、維護(hù)和調(diào)度成本。在此兩種方法的基礎(chǔ)上，有人提出在線監(jiān)測軌道狀態(tài)，即在實(shí)時(shí)運(yùn)行的車輛上安裝監(jiān)測裝置，記錄所經(jīng)過的軌道狀態(tài)。在線檢測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)的和長期累積的軌道不平順狀態(tài)變化，從而提供及時(shí)的維護(hù)預(yù)警，并對故障進(jìn)行跟蹤記錄。
[0004]李柳(李柳.磁懸浮軌道長波不平順實(shí)時(shí)檢測與處理.西南交通大學(xué)碩士論文，2006)采用車體安裝慣性捷聯(lián)系統(tǒng)，來監(jiān)測磁懸浮軌道的長波平順狀態(tài)，但是在車體安裝慣性系統(tǒng)，經(jīng)過了一系簧和二系簧的傳遞，很難具體的評估軌道狀態(tài)。德國AEAT公司的專利(EP1180175，2002)公開了 TrackMon系統(tǒng)，將安裝在軸箱上方的垂向加速度計(jì)和一系簧位移傳感器相結(jié)合，來監(jiān)測軌道狀態(tài)；該方法避免了軸箱加速度動(dòng)態(tài)范圍較大，傳感器無法保證分辨精度的缺點(diǎn)；但由于位移傳感器較亦損壞并且會(huì)影響車輛正常的維修工作，該系統(tǒng)工程實(shí)施性較差。J.Real (J.1.Real, L.Montalban, T.Real, V.Puig, Development ofa system to obtain vertical track geometry measuring axle-box accelerat1ns fromin-service trains.Journal Of VibroEngineering.JUNE2012.Volumel4)通過安裝軸箱振動(dòng)傳感器來檢測軌道垂向不平順，并對軸箱振動(dòng)信號進(jìn)行加速度信號二次積分、高通濾波與相位補(bǔ)償、振動(dòng)模型逆輸入三個(gè)步驟的處理；因此軸箱振動(dòng)加速度包含的干擾振動(dòng)信號成分有滾動(dòng)軸承故障、車輪踏面故障、車輪與軌道脫離接觸和環(huán)境噪聲等，均會(huì)給信息提取帶來一定的干擾。Marija Molodova 的研究表明(Marija Molodova, Zili Li, RolfDollevoet.Axle box accelerat1n:Measurement and simulat1n for detect1n of shorttrack defect.Wear.2011.271 (1-2):349-356),當(dāng)列車通過局部故障如:寬軌縫接頭、焊縫、道岔、諧波不平順和松枕木等，軸箱加速度能測得高達(dá)10g的加速度，而在檢測長波不平順時(shí)出現(xiàn)加速度往往小于lg，遠(yuǎn)低于軌道局部故障產(chǎn)生的加速度，因此若軸箱加速度傳感器同時(shí)檢測兩種類型的不平順，必須具備低帶寬下限、高線性度和低噪聲等特性，從而導(dǎo)致檢測精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、工程實(shí)施性好的垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法及系統(tǒng)，基于構(gòu)架傾斜角速度和列車車速對垂向軌道長波不平順進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是:一種垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法，包含以下步驟:
[0007]步驟1，在列車走行部一系彈簧上方的構(gòu)架上設(shè)置俯仰陀螺儀，并在列車的車軸端蓋內(nèi)設(shè)置測速傳感器，所述俯仰陀螺儀和測速傳感器的輸出端均接入中央處理單元；
[0008]步驟2，俯仰陀螺儀采集列車的構(gòu)架傾斜角速度信號、測速傳感器采集列車的運(yùn)行速度信號，中央處理單元對所采集到的兩路信號進(jìn)行時(shí)空域轉(zhuǎn)換得到空間域序列；
[0009]步驟3，采用濾波器法對步驟2所得空間域序列進(jìn)行二次積分；
[0010]步驟4，采用趨勢項(xiàng)消除方法對步驟3積分產(chǎn)生的趨勢項(xiàng)進(jìn)行消除，得到軌道垂向位移估計(jì)值；
[0011]步驟5，構(gòu)建補(bǔ)償濾波器，消除軌道垂向位移估計(jì)值的幅度和相位偏差。
[0012]一種垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括俯仰陀螺儀、測速傳感器和中央處理單元，其中俯仰陀螺儀設(shè)置于列車走行部一系彈簧上方的構(gòu)架上，旋轉(zhuǎn)脈沖測速傳感器設(shè)置在列車的車軸端蓋內(nèi)，所述俯仰陀螺儀和旋轉(zhuǎn)脈沖測速傳感器的輸出端均接入中央處
理單元。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:(1)成本低，避免了使用機(jī)器視覺法帶來的高成本，以及軌檢車的運(yùn)行、維護(hù)和調(diào)度成本；(2)工程實(shí)施性好，陀螺儀角速度傳感器和車速傳感器能承受現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，且安裝方便；(3)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)的和長期累積的軌道不平順狀態(tài)變化，從而提供及時(shí)的維護(hù)預(yù)警，避免了在日后更廣泛的維護(hù)并對故障進(jìn)行跟蹤記錄，為以后的鐵路維護(hù)進(jìn)行更有效的規(guī)劃。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法的流程圖。
[0015]圖2為本發(fā)明垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3為車輛-軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型及其參數(shù)。
[0017]圖4為實(shí)測軌道不平順空間波形圖和功率譜圖，其中(a)為實(shí)測軌道不平順空間波形圖，(b)為實(shí)測軌道不平順功率譜與德國高干擾譜的比較圖。
[0018]圖5為以實(shí)測軌道不平順為輸入的模型構(gòu)架角速度β tl響應(yīng)。
[0019]圖6為對模擬得到的構(gòu)架加速度經(jīng)過二次積分濾波后的不平順示意圖，其中(a)為構(gòu)架加速度經(jīng)過二次積分濾波后的不平順和6階多項(xiàng)式提取的趨勢項(xiàng)示意圖；(b)為消趨后不平順與真實(shí)不平順的比較圖。
[0020]圖7為迭代過程的濾波效果和后Ikm不平順經(jīng)補(bǔ)償濾波器濾波后的結(jié)果示意圖，其中(a)為前Ikm RLS補(bǔ)償濾波器迭代過程與真實(shí)值比較圖，(b)為迭代穩(wěn)定后的濾波器過濾后Ikm與真實(shí)值比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022]結(jié)合圖1，本發(fā)明垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法，包含以下步驟:
[0023]步驟1，在列車走行部一系彈簧上方的構(gòu)架上設(shè)置俯仰陀螺儀，并在列車的車軸端蓋內(nèi)設(shè)置測速傳感器，所述俯仰陀螺儀和測速傳感器的輸出端均接入中央處理單元；所述俯仰陀螺儀的敏感軸與列車的輪對車軸平行。
[0024]步驟2，俯仰陀螺儀采集列車的構(gòu)架傾斜角速度信號、測速傳感器采集列車的運(yùn)行速度信號，中央處理單元對所采集到的兩路信號進(jìn)行時(shí)空域轉(zhuǎn)換得到空間域序列，即:
[0025]俯仰陀螺儀采集列車的構(gòu)架傾斜角速度ω (t)，以t為采樣周期等時(shí)間間隔采樣，根據(jù)以下關(guān)系，
【權(quán)利要求】
1.一種垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法，其特征在于，包含以下步驟: 步驟1，在列車走行部一系彈簧上方的構(gòu)架上設(shè)置俯仰陀螺儀，并在列車的車軸端蓋內(nèi)設(shè)置測速傳感器，所述俯仰陀螺儀和測速傳感器的輸出端均接入中央處理單元； 步驟2，俯仰陀螺儀采集列車的構(gòu)架傾斜角速度信號、測速傳感器采集列車的運(yùn)行速度信號，中央處理單元對所采集到的兩路信號進(jìn)行時(shí)空域轉(zhuǎn)換得到空間域序列； 步驟3，采用濾波器法對步驟2所得空間域序列進(jìn)行二次積分； 步驟4，采用趨勢項(xiàng)消除方法對步驟3積分產(chǎn)生的趨勢項(xiàng)進(jìn)行消除，得到軌道垂向位移估計(jì)值； 步驟5，構(gòu)建補(bǔ)償濾波器，消除軌道垂向位移估計(jì)值的幅度和相位偏差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法，其特征在于，步驟I所述俯仰陀螺儀的敏感軸與列車的輪對車軸平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法，其特征在于，步驟2所述中央處理單元對所采集到的兩路信號進(jìn)行時(shí)空域轉(zhuǎn)換得到空間域序列，具體為: 俯仰陀螺儀采集列車的構(gòu)架傾斜角速度ω (t)，以t為采樣周期等時(shí)間間隔采樣，根據(jù)以下關(guān)系，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法，其特征在于，步驟3所述采用濾波器法對步驟2所得空間域序列進(jìn)行二次積分，積分濾波器的傳遞函數(shù)為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法，其特征在于，步驟4所述趨勢項(xiàng)消除方法采用擬合多項(xiàng)式法，利用誤差遞推最小二乘原理，迭代公式如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測方法，其特征在于，步驟5所述補(bǔ)償濾波器H(Z)利用時(shí)間遞歸RLS迭代算法，以真實(shí)軌道不平順為理想值，以消除趨勢項(xiàng)后的不平順為輸入值，進(jìn)行迭代確定H(Z)的參數(shù)，迭代公式如下:
7.—種垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括俯仰陀螺儀、測速傳感器和中央處理單元，其中俯仰陀螺儀設(shè)置于列車走行部一系彈簧上方的構(gòu)架上，旋轉(zhuǎn)脈沖測速傳感器設(shè)置在列車的車軸端蓋內(nèi)，所述俯仰陀螺儀和旋轉(zhuǎn)脈沖測速傳感器的輸出端均接入中央處理單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂向軌道長波不平順在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述俯仰陀螺儀采用美國KVH公司的DSP-3000，中央處理單元采用北京阿爾泰科技的EPC-9351。
【文檔編號】E01B35/00GK104032629SQ201410255058
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】陳岳劍, 邢宗義 申請人:南京理工大學(xué)