轨道不平顺检测系统及方法
技术领域
本发明涉及铁路轨道技术领域，尤其涉及一种轨道不平顺检测系统及方法。
背景技术
轨道不平顺指左右股钢轨实际线位与设计线位存在偏差，其波长、幅值和周期特性对车辆运行安全性和乘坐舒适性有重要影响。轨道状态监测对掌握轨道不平顺特征和分布，及时提供轨道养护维修依据和恢复轨道平顺状态具有重要意义。因此，轨道不平顺的检测是掌握线路服役状态、保障列车持续安全运行的关键技术之一。
目前，轨道不平顺的检测方法主要有弦测法和惯性基准法，我国拥有多列综合检测列车对既有运营高速铁路进行周期性巡检，其采用惯性参考系统并结合光学系统检测轨道动态几何形位。但综合检测列车的研制、保养维修和调度运行都需要很大的投入，并且每月只能对同一条既有高铁进行两检到三检，检测周期较长，不能及时的进行轨道状态检测，而全天候的轨道状态在线监测对于未来高铁高密度运输的安全性和可靠性至关重要，通过简易的搭载式设备来检测轨道状态无疑是很好的解决方法，国内外都朝这个方向发展。现有技术也提出一些轨道不平顺的检测方法，但大多仅停留在理论模型阶段，并没有得到实际应用。而部分有实际应用的检测方法将实测车体、转向架和轴箱加速度通过滤波和积分获取轨道不平顺，但还原结果与实际不平顺差距非常大。
因此，目前缺乏一种能够搭载在运营列车上精准度高的轨道不平顺的检测方法。
发明内容
本发明实施例提出一种轨道不平顺检测系统，用以进行轨道不平顺检测，准确度高，检测速度快，应用于运营列车上，该系统包括：数据采集单元、时空同步单元和数据处理单元，其中，
时空同步单元用于：接收运营列车的里程信息和速度信息，并发送至数据采集单元；
数据采集单元用于：接收里程信息和速度信息；采集运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息；将里程信息、速度信息和垂向加速度信息发送至数据处理单元；
数据处理单元用于：根据接收的里程信息、速度信息和垂向加速度信息，获得轨道高低不平顺信息。
本发明实施例提出一种轨道不平顺检测方法，应用于轨道不平顺检测系统，用以进行轨道不平顺检测，准确度高，检测速度快，应用于运营列车上，该方法包括：
接收运营列车的里程信息和速度信息；
采集运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息；
根据接收的里程信息、速度信息和垂向加速度信息，获得轨道高低不平顺信息。
本发明实施例还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述轨道不平顺检测方法。
本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述轨道不平顺检测方法的计算机程序。
在本发明实施例中，轨道不平顺检测系统数据采集单元、时空同步单元和数据处理单元，其中，时空同步单元用于：接收运营列车的里程信息和速度信息，并发送至数据采集单元；数据采集单元用于：接收里程信息和速度信息；采集运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息；将里程信息、速度信息和垂向加速度信息发送至数据处理单元；数据处理单元用于：根据接收的里程信息、速度信息和垂向加速度信息，获得轨道高低不平顺信息。在上述系统中，可以通过搭载的方式应用于运营列车上，通过数据采集单元采集了运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息，并结合接收的里程信息、速度信息，可快速且准确地获得轨道高低不平顺信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中轨道不平顺检测系统的示意图；
图2为本发明实施例中加速度传感器的布置示意图；
图3为本发明实施例中数据处理单元的工作原理示意图；
图4为本发明实施例采用数据处理单元获得轨道高低不平顺信息的详细流程图；
图5和图6分别为本发明实施例中运营列车匀速行驶区段的左右轴箱的实测垂向加速度信息的时域波形；
图7为本发明实施例中匀速行驶区段运营列车的左轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺波形对比图；
图8为本发明实施例中匀速行驶区段运营列车的左轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺频谱对比图；
图9为本发明实施例中匀速行驶区段运营列车的右轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺波形对比图；
图10为本发明实施例中匀速行驶区段运营列车的右轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺频谱对比图；
图11和图12分别为本发明实施例中运营列车变速行驶区段的左右轴箱的实测垂向加速度信息的时域波形；
图13为本发明实施例中运营列车车速变化示意图；
图14为本发明实施例中变速行驶区段运营列车的左轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺波形对比图；
图15为本发明实施例中变速行驶区段运营列车的左轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺频谱对比图；
图16为本发明实施例中变速行驶区段运营列车的右轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺波形对比图；
图17为本发明实施例中变速行驶区段运营列车的右轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺频谱对比图；
图18为本发明实施例中轨道不平顺检测方法的流程图；
图19为本发明实施例中计算机设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
图1为本发明实施例中轨道不平顺检测系统的示意图，如图1所示，该系统包括：时空同步单元101、数据采集单元102和数据处理单元103，其中，
时空同步单元101用于：接收运营列车的里程信息和速度信息，并发送至数据采集单元102；
数据采集单元102用于：接收里程信息和速度信息；采集运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息；将里程信息、速度信息和垂向加速度信息发送至数据处理单元103；
数据处理单元103用于：根据接收的里程信息、速度信息和垂向加速度信息，获得轨道高低不平顺信息。
本发明实施例提出的系统可以通过搭载的方式应用于运营列车上，通过数据采集单元采集了运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息，并结合接收的里程信息、速度信息，可快速且准确地获得轨道高低不平顺信息。
具体实施时，时空同步单元用于接收运营列车的里程信息和速度信息，所述里程信息和速度信息分别为里程和速度随时间变化的数据，而数据采集单元采集到的垂向加速度信息为垂向加速度随时间变化的数据，因此，里程信息和速度信息可为垂向加速度信息打上里程和速度标签，实现数据在时间和空间上的同步。
时空同步单元通过反射内存卡接收综合列车检测系统发送的运营列车的里程信息和速度信息，并经CAN口转发给数据采集单元，以模拟通道方式进行保存。其中，里程信息精确定位采用GPS、射频标签、高精度编码器等多种方式实现，满足350km/h运行速度下定位精度达到2m，方便了轨道病害的准确查找、复核与处理。
在一实施例中，数据采集单元包括两个加速度传感器、数据测量仪，其中，
两个加速度传感器分别设于运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱，分别用于：测量左轴箱的垂向加速度信息和右轴箱的垂向加速度信息，并发送至数据测量仪；
数据测量仪用于：接收时空同步单元发送的里程信息和速度信息；接收两个加速度传感器发送的垂向加速度信息；将里程信息、速度信息和垂向加速度信息发送至数据处理单元。
在上述实施例中，可根据加速度传感器的种类、数量和参数，确定数据采集单元线路等，以及设置原始参数，垂向加速度信息、里程信息和速度信息可连续同步保存到硬盘等存储介质上，生成CIT格式文件。
数据测量仪可对两个加速度传感器进行供电，两个加速度传感器分别设于运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱，图2为本发明实施例中加速度传感器的布置示意图，例如，两个加速度传感器分别安装在运营列车的5号车第4轴的左轴箱和右轴箱，分别用于测量左轴箱的垂向加速度信息和右轴箱的垂向加速度信息，垂向加速度信息的正方向为运营列车垂直运动向上的方向。加速度传感器量程选择应考虑需要分析的频带内的振动加速度幅值范围，又要考虑加速度传感器本身所能感受的频带内的振动加速度幅值范围，并兼顾振动环境的冲击，根据实际采集的数据分析，还有可能对加速度传感器量程进行调整，以提高信噪比。本发明实施例中加速度传感器量程为200g，采样频率为5000Hz，重量约300g，体积小质量轻。
在一实施例中，数据采集单元还包括两个密封的设备工装，其中两个加速度传感器各自固定在一个设备工装内部。
在上述实施例中，根据动车组运行速度350km/h条件下对轨道不平顺检测系统安装的需求，确定安装接口的技术条件，设备工装解决了轨道不平顺检测系统中加速度传感器的电磁干扰、防潮密封、部件可靠性等问题。
该设备工装采用PA1010玻璃纤维增强型，其具有耐磨性极好、耐油性好，机械强度较高，延展性优越等特点，常温和低温冲击性能良好。设备工装为整体机加工制成，具有质轻、尺寸精度高、绝缘性好。加速度传感器固定在设备工装内部，工装盒体与盒盖间使用O型密封圈密封，能有效防水防尘。设备工装设4颗φ8安装孔用于和车辆连接板固定，安装孔距66×72mm，便于安装和更换。
在一实施例中，数据处理单元具体用于：
基于接收的里程信息和速度信息，对垂向加速度信息进行等空间重采样，获得第二处理信息；
采用双积分滤波器对第二处理信息进行处理，获得位移信息；
采用平滑滤波器对位移信息进行处理，获得处理后的位移信息；
确定位移信息减去处理后的位移信息为轨道高低不平顺信息。
图3为本发明实施例中数据处理单元的工作原理示意图，即通过对垂向加速度信息进行等空间重采样、双积分，结合平滑滤波，即可获得轨道高低不平顺信息。
在一实施例中，数据处理单元还用于：
在基于接收的里程信息和速度信息，对垂向加速度信息进行等空间重采样，获得第二处理信息之前，采用低通滤波器对接收的垂向加速度信息进行处理，获得第一处理信息；基于接收的里程信息和速度信息，对第一处理信息进行等空间重采样，获得第二处理信息；
在采用双积分滤波器对第二处理信息进行处理，获得位移信息之前，采用解偏滤波器对第二处理信息进行处理，获得第三处理信息；采用双积分滤波器对第三处理信息进行处理，获得位移信息。
综合上述实施例，采用数据处理单元获得轨道高低不平顺信息的详细流程图如图4所示，具体包括：
1)采用低通滤波器对接收的垂向加速度信息进行处理，获得第一处理信息；
接收的垂向加速度信息一般是CIT格式文件，如果对等时间间隔的垂向加速度信息直接进行等空间重采样会在低频处产生混叠成分，因此在等空间重采样前先通过低通滤波器去除不必要的高频成分。例如车速在100～350km/h区间内，波长为1.5m的短波不平顺对加速度传感器的激扰频率范围为18.52～64.81Hz，提取的有效信号需要集中在该频段范围以下。
2)基于接收的里程信息和速度信息，对第一处理信息进行等空间重采样，获得第二处理信息；
本发明实施例是基于垂向加速度信息(此为空间信号)进行积分运算的，而实测的垂向加速度信息为等时间间隔采样的，因此积分前将等时间间隔采样的垂向加速度信息重采样转换为等空间信号。
3)采用解偏滤波器对第二处理信息进行处理，获得第三处理信息；
由于实测的垂向加速度信息存在直流成分，等空间重采样后其依旧存在，因此在积分前还需要通过一个解偏滤波器去除直流成分。
4)采用双积分滤波器对第三处理信息进行处理，获得位移信息；
在一实施例中，双积分滤波器的传递函数如下：
其中，Tn为第n点与第n-1点之间的时间间隔；Tn-1为Tn的前一个值。
5)采用平滑滤波器对位移信息进行处理，获得处理后的位移信息；
双积分得到的位移信息包含各种波长成分和积分产生的漂移，为了消除趋势项并获得特定波长范围的轨道不平顺，需要一个平滑滤波器，在一实施例中，平滑滤波器采用拟合多项式法、高通滤波器法或小波变换法生成。当然，可以理解的是，还可以采用其他方法设计平滑滤波器，相关变化例均应落入本发明的保护范围。
6)确定位移信息减去处理后的位移信息为轨道高低不平顺信息。
轨道高低不平顺信息可以按照空间里程位置同步输出波形。
下面给出两个具体实施例来说明应用轨道不平顺检测系统的具体例子。
案例一：运营列车匀速行驶区段
以一线路K253+000-K256+000全长3Km的区段为例，运营列车在该区段以时速245km/h匀速行驶。图5和图6分别为本发明实施例中运营列车匀速行驶区段的左右轴箱的实测垂向加速度信息的时域波形。图7为本发明实施例中匀速行驶区段运营列车的左轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺波形对比图，图8为本发明实施例中匀速行驶区段运营列车的左轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺频谱对比图，图9为本发明实施例中匀速行驶区段运营列车的右轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺波形对比图，图10为本发明实施例中匀速行驶区段运营列车的右轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺频谱对比图。其中，图7和图9的轨道高低不平顺波形的相关系数分别为0.6923和0.7026，相关性很强。同时也可以看出在匀速条件下，二者时域波形和频谱特征均吻合很好，验证了本发明系统的精确性。
案例二：运营列车变速行驶区段
以一线路K175+000-K178+375全长3.375Km的区段为例，图11和图12分别为本发明实施例中运营列车变速行驶区段的左右轴箱的实测垂向加速度信息的时域波形，图13为本发明实施例中运营列车车速变化示意图，车速由178km/h增大至225km/h。图14为本发明实施例中变速行驶区段运营列车的左轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺波形对比图，图15为本发明实施例中变速行驶区段运营列车的左轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺频谱对比图，图16为本发明实施例中变速行驶区段运营列车的右轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺波形对比图，图17为本发明实施例中变速行驶区段运营列车的右轴箱的本发明系统与现有的综合列车检测系统获得的轨道高低不平顺频谱对比图。可以看出在变速行驶条件下，本发明系统和综合列车检测系统获得轨道高低不平顺的时域波形和频谱特征均吻合很好，同样验证了本发明系统的精确性。
综上所述，在本发明实施例提出的系统中，轨道不平顺检测系统数据采集单元、时空同步单元和数据处理单元，其中，时空同步单元用于：接收运营列车的里程信息和速度信息，并发送至数据采集单元；数据采集单元用于：接收里程信息和速度信息；采集运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息；将里程信息、速度信息和垂向加速度信息发送至数据处理单元；数据处理单元用于：根据接收的里程信息、速度信息和垂向加速度信息，获得轨道高低不平顺信息。在上述系统中，通过数据采集单元采集了运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息，并结合接收的里程信息、速度信息，可快速且准确地获得轨道高低不平顺信息。
本发明实施例还提出一种轨道不平顺检测方法，应用于上述的轨道不平顺检测方法，如图18所示，为本发明实施例中轨道不平顺检测方法的流程图，该方法包括：
步骤1801，接收运营列车的里程信息和速度信息；
步骤1802，采集运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息；
步骤1803，根据接收的里程信息、速度信息和垂向加速度信息，获得轨道高低不平顺信息。
综上所述，在本发明实施例提出的方法中，接收运营列车的里程信息和速度信息；采集运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息；根据接收的里程信息、速度信息和垂向加速度信息，获得轨道高低不平顺信息。在上述过程中，采集了运营列车的设定车厢的设定轴的左轴箱和右轴箱的垂向加速度信息，并结合接收的里程信息、速度信息，可快速且准确地获得轨道高低不平顺信息。
本申请的实施例还提供一种计算机设备，图19为本发明实施例中计算机设备的示意图，该计算机设备能够实现上述实施例中的轨道不平顺检测方法中全部步骤，所述计算机设备具体包括如下内容：
处理器(processor)1901、存储器(memory)1902、通信接口(CommunicationsInterface)1903和通信总线1904；
其中，所述处理器1901、存储器1902、通信接口1903通过所述通信总线1904完成相互间的通信；所述通信接口1903用于实现服务器端设备、检测设备以及用户端设备等相关设备之间的信息传输；
所述处理器1901用于调用所述存储器1902中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的轨道不平顺检测方法中的全部步骤。
本申请的实施例还提供一种计算机可读存储介质，能够实现上述实施例中的轨道不平顺检测方法中全部步骤，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的轨道不平顺检测方法的全部步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
