一种轨道断裂检查方法及系统与流程

本发明属于轨道交通领域，特别涉及一种轨道断裂检查方法及系统。

背景技术：

轨道断裂检查作为一项涉及轨道线路安全运行的重要检测项目，日益引起重视。对于区间钢轨断裂，现有技术中大多采用的方法是，通过zpw2000a轨道电路设备，利用电信号来检测是否发生电气通断的钢轨断裂故障。方法是：发送器发送电信号，电信号经过钢轨后，被接收器接收；如果发生断轨，电信号无法通过钢轨到达接收器，此时报故障。但是对于道岔区间线路，由于线路上滑床板等设备导致其电气短路，无法采用电信号进行检测，目前多是需要工务部门周期性探伤及巡检来实现对钢轨断裂的检查工作。

周期性探伤及巡检主要是采用超声探伤车或人工巡检方式，优点是测试精确度较高，能发现钢轨早期裂纹；但是探测速度慢，效率低，占用较多的天窗时间，做不到全天候检测。

如何实现轨道断裂的实时高效的检测并避免了道岔区域复杂电气回路及轨道电路信号干扰，是当前轨道交通安全技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种轨道断裂检查方法，包括：

控制发送器发送电信号到n个振动发生器，其中n为大于0的整数；控制所述振动发生器将所述电信号转换为振动信号，并传递给钢轨；

控制与所述振动发生器对应的m个振动传感器将接收到的所述振动信号转换为电信号并将所述电信号发送到接收器，其中m为大于0的整数；

根据所述电信号判断轨道是否发生断裂。

进一步地，所述根据所述电信号判断轨道是否发生断裂包括：

控制所述接收器根据接收到的所述电信号判断轨道是否发生断裂，并将判断结果发送到控制中心；

和/或

控制所述接收器将接收到的所述电信号发送到所述控制中心，并由控制中心根据所述电信号判断轨道是否发生断裂。

进一步地，所述控制发送器发送电信号到n个振动发生器包括：

控制发送器通过放电电路将一路电信号转换为n路放大电信号，发送到n个振动发生器，其中n为大于1的整数。

进一步地，所述根据所述电信号判断轨道是否发生断裂包括：

控制接收器对接收的多路信号采用轮询方式处理，在每个轮询周期内单独处理一路信号。

进一步地，方法包括：

将所述n个振动发生器设置在轨道尖轨和/或心轨上，其中n为大于1的整数。

进一步地，将所述n个振动发生器设置在轨道尖轨和/或心轨上包括：

将第一振动发生器设置在轨道道岔的第一尖轨上；

将第二振动发生器设置在所述轨道道岔的第二尖轨上；

所述接收器接收与第一振动发生器对应的第一振动传感器的第一电信号；

所述接收器接收与第二振动发生器对应的第一振动传感器的第二电信号；

所述根据所述电信号判断轨道是否发生断裂包括：

将第一电信号与第二电信号分别与对应的正常记录比较，对环境因素造成的信号异常进行检查。

进一步地，所述控制所述接收器接收到的所述电信号判断轨道是否发生断裂，包括：

所述接收器设置为双cpu，所述双cpu分别采用不同的算法对接收到的所述电信号进行分析处理；

所述分析处理包括对比所述电信号与轨道正常状态的差别，判断轨道是否断裂。

本发明还一种轨道断裂检查系统，包括：

控制中心、至少一个发送器、至少一个接收器、至少一个振动发生器、至少一个振动传感器；

所述控制中心用于发送振动控制指令到所述发送器；

所述发送器用于根据所述振动控制指令转换为电信号发送到所述至少一个振动发生器；

所述振动发生器用于将所述电信号转换为振动信号，并传递给钢轨；

所述振动传感器用于接收所述振动信号，并将接收到的振动信号转换为电信号后发送到所述接收器；

所述接收器用于接收所述至少一个振动传感器的电信号；

所述接收器还用于根据接收的电信号判断轨道是否发生断裂，并将判断结果发送到所述控制中心；和/或将接收到的所述电信号发送到所述控制中心，由所述控制中心根据所述电信号判断轨道是否发生断裂。

进一步地，

所述系统包含至少两个振动发生器，所述振动发生器布置在轨道的两个尖轨上或布置在轨道的尖轨和心轨上；

所述至少两个振动发生器与同一个所述发送器连接。

进一步地，

所述系统包含至少两个振动传感器，所述振动发生器布置在轨道的两个尖轨上或布置在轨道的尖轨和心轨上；

所述至少两个振动传感器与同一个所述接收器连接。

进一步地，

所述发送器包括第一处理器、第二处理器、现场可编程门阵列，所述第一处理器和所述第二处理器均与所述现场可编程门阵列相连接；

所述第一处理器和所述第二处理器用于将所述振动控制指令发送到所述现场可编程门阵列；

所述现场可编程门阵列用于对来自于第一处理器和第二处理器的所述振动控制指令进行调制，生成两组调制频率信息；

所述现场可编程门阵列还用于对所述两个调制频率信息进行计数，生成两组计数信息，并将所述两组计数信息发送到回检处理器，所述回检处理器为所述第一处理器或所述第二处理器；

所述回检处理器对所述两组计数信息进行比较判断。

进一步地，

所述接收器包括第一处理器和第二处理器；

所述第一处理器和第二处理器用于分别接受振动信号；

所述第一处理器和第二处理器分别用于对接收的振动信号进行处理，得到各自的计算用关键数据；

所述第一处理器和第二处理器分别用于根据各自的所述关键数据进行裂纹检测计算，所述第一处理器和第二处理器采用不同的算法执行所述裂纹检测计算，得到判断结果；

所述第一处理器用于将其所述关键数据和判断结果发送到所述第二处理器；所述第二处理器用于将所述第一处理器和第二处理器的所述关键数据和判断结果进行比较。

进一步地，

所述接收器还包括背板；

所述背板包括供电模块接口和通信模块接口；

所述供电模块接口包括电源供电接口和太阳能供电接口；

所述通信模块接口包括can、485、usb接口。

本发明的轨道断裂检查方法及系统，能够实现轨道断裂的实时高效检测，能够对道岔区域的多个部件进行检测，不受电气回路和轨道信号的干扰；控制方法和设备布置灵活，节约成本，便于控制管理，检测覆盖全面；系统架构安全稳健，通过对发送的频率信息回检、对接收信息进行双cpu比较、对尖轨接收信息进行参照判断都、提高了检测过程的准确性。系统装置采用背板式设计，方便模块化配置。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1示出了根据本发明实施例的一种轨道断裂检查方法流程图；

图2示出了根据本发明实施例的一种轨道断裂检查系统示意图；

图3示出了根据本发明实施例的道岔轨道断裂检查系统示意图；

图4示出了根据本发明实施例的一种发送器结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的一种接收器结构示意图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种轨道断裂检查方法，通过产生振动信号在轨道钢轨上传输后，由振动传感器返回的振动信号，检测轨道是否发生断裂故障，所述断裂故障包括轨道断开、裂纹等异常。下面，以道岔轨道断轨检测为例，对本发明的方法进行说明。

如图1所示，本发明实施例的一种轨道断裂检查方法包括：

(1)发送振动控制指令到发送器。本实施例中，通过控制中心发送控制指令，控制中心是具有数据存储、数据处理、人机交互能力的终端。实际应用中，一个控制中心可以根据控制区域和实施需求通信连接到一个或多个发送器。所述通信连接包括有线连接或无线连接，有线连接如通过can和485通讯接口进行有线通信，无线连接如通过4g网络进行通信。振动控制指令是指控制振动传感器振动的命令，包括指定传感器信息、指定振动频率、指定发生时间等。示例性地，控制中心发送一条振动控制指令，指定传感器1立即发生频率为180khz频率的振动。

(2)发送电信号到振动发生器。发送器根据接收到的上述步骤(1)的控制指令，发送与频率要求一致的调制电信号到振动发生器。本实施例中，一个发送器可以连接到n个振动发生器，其中n为大于0的整数。可以根据需要，控制发送器：

同时发送一路电信号到n个振动发生器；或者，

控制发送器发送多路电信号到n个振动发生器，其中n为大于1的整数。多路信号的频率可以不同，分时发送即可。

本实施例中，将n个振动发生器设置在轨道尖轨、心轨上，其中n为大于1的整数。如图3所示，可以在轨道的尖轨a、尖轨b上分别设置振动发生器，也可以在尖轨a、心轨上设置振动发生器，还可以在尖轨a、尖轨b、心轨上均设置振动发送器。优选地，上述一个道岔的尖轨、心轨上的振动发生器可以通过一个发送器控制。本实施例中，控制中心控制发送器同时向与其连接的振动发生器同时发送一路电信号，即同时发送同样的调制电信号到多个振动发生器。本实施例中，一个发送器共有三路输出，全接情况下可连接道岔尖轨a、尖轨b、心轨。本实施例中，在尖轨a上设置第一振动发生器和与之对应的第一振动传感器，在尖轨b上设置第二振动发生器和与之对应的第二振动传感器，在心轨上设置第三振动发生器和与之对应的第三振动传感器。发送器是通过硬件电路实现生成一个信号，发送给三路振动发生器。发送器给每一路发送的是调制的脉冲序列，通过信号调制来达到防止干扰的目的。

本实施例中，发送电信号之前还通过双cpu和fpga对调制信号进行回检。发送器通过通信接口接收振动控制指令，根据发送器两个cpu指令分别进行信号调制得到两组频率信息，并对两组频率信息进行计数，将两组计数信息发送到其中一个cpu进行比较，比较一致时，认为调制信号无误，可以发送。

(3)发送振动信号到钢轨。控制振动发生器将接收到的电信号转换为振动信号，并传递给钢轨。如图3所示，本实施例中，振动发生器可以布置在尖轨的根部和心轨的一侧边上。

(4)将振动信号转化为电信号。控制与振动发生器对应的(一个振动传感器对应接收一个目标振动发生器的信号)m个振动传感器将接收到的振动信号转换为电信号并将电信号发送到接收器，其中m为大于0的整数。本实施例中，接收器可以与多个振动传感器相连接，接收多个振动传感器的信号后分别进行处理，本实施例中，接收器接收不同振动传感器的信号，根据接入接收器的通路上不同端口来区分不同路振动传感器信号。实际实施中，可以将一个道岔上布置的多个振动传感器信号发送到一个接收器中。在另外的实施例中，根据实施需要，如轨道结构差别、振动传感器选型不同、处理效率要求等，可以将同一发生器控制的一组振动传感器由多个接收器接收处理信号。

(5)判断钢轨是否发生断裂。根据接收到的电信号判断轨道是否发生断裂，即采用裂纹识别算法，将接收电信号与钢轨正常状态的电信号进行比较，当接收信号超过正常记录的阈值时，认为钢轨出现断裂故障。本实施例中，给出断轨判断是基于多次测量数据的平均值，即接收信号进行窗口平均后的值。

进一步地，本实施例中还根据两个尖轨信号分别与对应的正常记录比较，对环境因素，如雨雪等造成的信号异常进行检查或补偿，避免断轨误报。具体的，两个尖轨结构相似，分别处于贴合轨道和斥离轨道的状态，尖轨处于这两种状态时，正常记录的信号关键数据值分别满足一定的阈值，当出现雨雪干扰时，可能导致第一尖轨-尖轨a的信号关键数据值为异常值，即超过尖轨a此时状态(贴合或者斥离)的正常记录阈值，此时还需要参考第二尖轨-尖轨b的信号关键数据值，如果b的关键数据值也以相近地超过尖轨b的正常记录阈值，则认为尖轨a和b的信号偏差是由于环境因素导致的，从而对尖轨a和b的道岔环境进行检查。由于尖轨a和b同时出现断裂的可能性较小，而由于环境因素导致信号偏差时，由于尖轨结构相似，偏差的方向(都大于或小于正常记录阈值一定量)也相似，因此可以通过两个尖轨的信号互相参考，减少环境因素造成的断轨误判断。本实施例中，判断钢轨断裂的执行方式有两种：

(a)控制接收器根据接收到的所述电信号判断轨道是否发生断裂，与采用“二取二”双cpu比较构架，本实施例中，通过在两个cpu使用两套编码实现不同的断裂检查算法，分别实现对接收数据的分析处理，对比与正常状态的差别得出是否发生断裂的判断。即接收器采用构架设计，对采集数据分别算法计算，之后需经过双cpu比较关键数据及结果后得出最终结果。比较结果不一致时，认为接收器故障，发出故障报告到控制中心。“二取二”架构能明显减小了系统误报次数，增加鲁棒性。接收器将判断结果发送到控制中心。接收器cpu对接收的多路信号采用轮询处理，在每个轮询周期内单独处理一路信号，将对来自不同传感器的数据分布在不同的轮询周期内处理。比如0.5s内计算尖轨a的采集数据得出结果，在下一个0.5s内计算尖轨b的数据运算。接收器对多路信号持续接收，如果每次接收到某一路的信号就立即处理，则容易造成资源不足，通过程序控制轮询处理多路信号，处理每一路信号时，获取该路信号的最新数据进行计算，这样能够保证断轨识别算法运算资源足够，提高运算的效率和稳定性。

(b)控制接收器将接收到的所述电信号发送到所述控制中心，并由控制中心根据所述电信号判断轨道是否发生断裂。控制中心也可以采用上述“二取二”架构进行分析判断。

采用(a)方式进行判断，实时性高，不需要大量的电信号信息传输，减小了控制中心系统负担，特别是控制中心连接多个接收器时，各个接收器单独处理，效率更高。采用(b)方式进行判断，控制中心的处理器相较嵌入式的接收器具有更好的处理能力和可扩展性，并可以对多次接收的电信号和处理结果进行存储、统计、分析。实际应用时，根据控制连接关系和需求选择合适的处理方式。

基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种轨道断裂检查系统，主要包括：控制中心、至少一个发送器、至少一个接收器、至少一个振动发生器、至少一个振动传感器；

控制中心用于发送振动控制指令到所述发送器；

发送器用于根据振动控制指令转换为电信号发送到所述至少一个振动发生器；

振动发生器用于将电信号转换为振动信号，并传递给钢轨；

振动传感器用于接收振动信号，并将接收到的振动信号转换为电信号后发送到所述接收器；

接收器用于接收至少一个振动传感器的电信号；

接收器还用于根据接收的电信号判断轨道是否发生断裂，并将判断结果发送到控制中心；

接收器也可以将接收到的电信号发送到控制中心，由所述控制中心根据所述电信号判断轨道是否发生断裂；

具体地，通过模式识别算法判断当前钢轨是否产生断裂故障。

如图2所示，以只包含一个发送器、一个接收器、一个振动发生器、一个振动传感器为例，示出了所述各类器件的连接关系；如图3所示，示出了使用轨道断裂检查系统对道岔尖轨及心轨进行检测的系统部署示意图，图中发生器表示上述振动发生器，传感器表示振动传感器。下面结合图1、图3对系统进行详细说明。

如图3所示，系统同时实现检测三路钢轨：道岔尖轨a轨、道岔尖轨b轨、道岔心轨。在道岔尖轨：振动发生器安装在尖轨根端，如图中用于检测尖轨a的发生器1、用于检测尖轨b的发生器2；振动传感器安装在尖轨尖端，如图中用于检测尖轨a的传感器1、用于检测尖轨b的传感器2。在道岔心轨：振动发生器和振动传感器分别安装在心轨的两个侧边，如图中发生器3和传感器3。执行检测时，通过在发生器产生振动波，在对应的接收器接收经过钢轨传递的波后，通过分析裂纹时域频域，来判断此段钢轨是否出现裂纹或断裂。上述发送器的对应关系(发送-接收关系)为：发生器1对应传感器1，发生器2对应传感器2，发生器3对应传感器3。

系统还供电单元、无线通讯网络、轨旁设备机柜。

供电单元采用220v转24v电源模块，也可选择采用太阳能电源模块进行替换，实现阳光充足区域室外供电需求。无线通讯网络模块为轨旁探测设备和用户服务器建立无线通道，可根据实际网络情况实现4g传输。根据用户需求，可以选择与控制中心通过有线通讯或选用无线通讯网络通信。接收器有预留can和485通讯接口进行有线通讯。如需无线通讯，由于在接收器上预留无线通讯接口，只需在机柜外安装4g通讯天线，在机柜内加装4g无线通讯模块即可。轨旁设备机柜用于发送器、接收器、供电单元和无线通讯模块的安装，以及雷电防护，防护等级不低于ip65。轨旁设备柜采用可扩展的背板设计，兼容can、485、usb接口；针对不同工况需求，可以分别选择室内电源供电、外接太阳能板电源供电、无线通讯模块或有线通讯接口进行自由组合。

本发明中，发送器结构如图4所示，双cpu(第一处理器和第二处理器)根据can总线接收命令，采用二取二构架；两个cpu均采用tms320，该芯片具有很强的抗干扰能力，主频达150mhz，处理器的高速确保了任务和事件的及时处理。内部rom空间为8kb，ram空间为36kb，flash空间为256kb。丰富的内部地址空间，节省了系统外部扩展。并且具有丰富的io扩展功能。fpga(field－programmablegatearray，即现场可编程门阵列)根据cpu指令实现调制信号，将调制生成的频率信息送给双cpu检验后，检验通过的频率信息发送送至滤波放大电路。具体地，本实施例中，采用双cpu发送和回检调制频率信息方式是：

(1)两个cpu：cpu1(发送器的第一处理器)和cpu2(发送器的第二处理器)将接收到的振动控制指令分别发送到fpga中。

(2)fpga分别对两个cpu指令进行调制，生成的两个调制频率信息。

(3)fpga分别对两个调制频率信息进行计数，得到两个频率计数信息：通过独立的时钟，分别计数低频和载频的周期并记录。

(4)将两个频率计数信息发给其中一个cpu，即回检处理器，如cpu2，cpu2对接收到的计数信息进行比较。

双cpu间有spi同步通道，能够高效地实现双cpu之间的时钟同步和数据传输。

双cpu计数信息比较不一致时，采用最新的接受信号进行重新计算，连续多次(如3次)比较不一致时上报错误。计数信息比较结果一致时，控制调制信号发送给滤波放大电路。本实施例中，放大电路在实现信号放大的同时，还将一路信号转化为三路信号，即一个输入回路对应三个输出回路。

通过对双cpu指令调频后进行回检，增加系统可靠性。

本实施例中，采用的fpga是由altra公司生产的ep1c6q240c8，其具有5980个逻辑单元(le)；总计92160bitram空间；185个可用i/o。发送器内部采用信号放大电路，可以实现调制信号的放大输出。发送器包括两路can通信电路，分别与控制中心通信，按照协议要求进行拆包和组包，can总线具备电气隔离。

接收器功能结构如图5所示，采用双cpu比较构架，通过两套编码实现对接收数据的分析处理，对比与正常状态的差别得出是否发生断裂的判断。并且经过二取二构架，对比关键数据，包括：需要对比的关键数据包括：采集到的低频、载频频率和幅值、平均后有效值、判断断轨结果、时间戳信息等，得出最终输出结果。采用此构架可以保障系统可靠性，减少误报风险。示例性地，采用双cpu分析接收数据的具体过程为：

(1)adc1采集振动信号并对其进行模拟高通滤波，然后发送到cpu1(接收器的第一处理器)；adc2采集振动信号并对其进行模拟高通滤波，然后发送到cpu2(接收器的第二处理器)。

(2)在cpu1、cpu2分别对接收到的振动信号进行数字滤波、窗口平均等处理，得到关键数据，并根据关键数据进行裂纹检测计算。双cpu采用不同数字滤波、裂纹检测算法的实现，计算振动信号在时域、频域上与正常情况振动信号的偏差，得到判断结果。

(3)在cpu1中的关键数据和判断结果通过双cpu间串口通信发送给cpu2，由cpu2判断是否信息一致。信息一致时输出判断结果。信息不一致时，重新计算，连续多次信息不一致时，输出错误报告信息。

cpld和cpu间交互信息外围电路的交互、读写控制、比较后控制输出动作命令等。cpld用于实现扩展io接口。cpld与adc之间具有控制信号线。

其处理器采用tms320c32，该dsp芯片具备32位高性能浮点cpu，主频达150mhz，处理器的高速处理能力提高了任务的实时性。接收器中分别接收道岔a轨、b轨、心轨上三路振动传感器的采集信号。经过adc(模数转换器)转换后的数字量进行滤波、窗口平均，之后应用裂纹检测算法计算其时域和频域上与正常情况的偏差。因此对于硬件计算资源和速度都有较高要求。cpld芯片用了一款xilinx的cpld-xc95216-10pq160，低成本高性能，可以实现cpu和外围电路的交互片选、读写操作，实现扩展io口功能。can通信采用philips公司的sja1000控制器，实现与控制中心间数据交互。ad采集使用ad7865芯片，最高具有4通道同步采样14位ad转换器。

本发明实施例的轨道断裂检查方法及系统，能够将一路发送器同时输出信号给多路钢轨上接收振动传感器，并将接收信号全都接入一路接收器，在此接收器中运行钢轨断裂检测算法，来实时检测多路钢轨上是否出现断裂，节约布设成本，能够对道岔结构进行全面检测。

采用背板式设计和预留接口的机柜式安装方式，可扩展、兼容性好，可以根据用户需求，采用不同通讯模块、供电模块。

由于振动发生器和振动传感器的最佳工作频率不同，发送器要求在工作频率在谐振点附件、接收器要求更大采样带宽，采用分开布置后，振动发生器和振动传感器的传感材料不同。根据有限元仿真和实验结果，20khz的频率传输效果和对裂纹的表现良好，发送器就选择谐振频率在20k左右的振动发生器，其在20k频率附件的输出能量会比其他频率高很多。对于接收振动的传感器，需要带宽比较大，选择能够接收2k到60k区间的信号，有利于做算法计算时获取不同阶次的信号。，明显提高传输效率，减小接收振动传感器的体积，适应现场要求。

接收器采用“二取二”构架设计，对采集数据分别算法计算，得出判断结果。之后需经过双cpu比较关键数据及结果后得出最终结果。明显减小了系统误报次数，增加鲁棒性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。