一种无缝铁路轨道绝对位置与位移无线测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种无缝铁路轨道绝对位置与位移无线测量装置及方法，装置包括设置于无缝钢轨焊接处用以获取无缝铁路轨道绝对位置与无缝铁路轨道沿列车运行方向爬行位移的无线传感终端；向巡线工作人员提示系统测量结果与系统工作状态的移动手持终端；以及设置于监测工作站内的PC上位机；所述无线传感终端保持侦测状态，根据随机信道保活机制通过随机信道与所述移动手持终端进行通信；当巡线工作人员通过串口或者USB通信，将所述移动手持终采集到的数据上传至PC上位机。本发明可实现无缝铁路轨道绝对位置与火车运行方向的铁轨爬行位移测量、数据采集与统计、超限预警等功能，具有观测精度高、效率高、体积小、数据自动统计与分析等优势。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道检测技术领域，具体的涉及一种无缝铁路轨道绝对位置与位移无线测量装置及方法。

背景技术

根据相关部门发布的数据，到2020年，我国高速铁路营运里程将超过1.6万公里，高铁营运速度也稳中有升。随着我国高铁事业的蓬勃发展，在技术层面，除了牵引传动技术、制动技术、运行控制技术等持续不断突破之外，无缝钢轨的全面应用也在高铁的发展中扮演了重要角色。所谓无缝钢轨就是把标准长度的钢轨通过一定的技术手段焊接成几百至几千米长的钢轨，无缝钢轨的应用对于减震、降噪、解决钢材、提速、运行平稳度的提升均起到重要作用。目前，我国主要城市的地铁正线、高铁线路、大部分客运线都采用了无缝钢轨，在以后的新建线路中，也均采用无缝钢轨。

一般来说，钢轨的温度力和钢轨的截面面积以及温度变化幅度有关，与钢轨的长度无关，进一步得出如果能实现钢轨的完全约束，无缝钢轨可以无限延长，但该理论设想需在温度力保持恒定的前提下实现，这也是无缝钢轨应用的基础。由于无缝线路没有了轨缝，除了在两端伸缩区外其他部位都被约束，而在轨温升高时，钢轨在自身形变趋势作用下被约束，从而产生温度力。当温度力太大或者对钢轨的约束不够时，就可能会产生胀轨跑道，造成严重事故。

目前无缝钢轨大规模应，随之而来的是钢轨维护工作的大幅增加，而无缝钢轨线路的绝对位置与位移测量则成为测量铁路线路养护的一项重点检查项目，观测数值直接影响车间维修养护任务的制定。传统的观测方法采用“二次测量法”，即通过在测试点粘贴位移标签，固定周期后，进行人工位移观测，整个测量过程费时费力，测量方法粗放，由测量不规范、测量工具磨损等人为因素导致观测位移读数不准确，且测量工作效率较低。我国轨道位置测量从上世纪80年代开始逐渐由相对位置测量转变为绝对位置测量，国内外普遍的做法是通过安装附着于轨道的绝对位置固定点参考坐标系来实现的。这种方法实际操作时需要结合棱镜工作，效率低下且测量结果受环境和测量人的技术水平影响较大。在这种背景下，本发明提出并研制了一种基于PSD位置传感器的无缝铁路轨道绝对位置与位移无线测量装置，可以实现无缝铁路轨道绝对位置与火车运行方向的铁轨爬行位移测量、数据采集与统计、超限预警等功能，具有观测精度高、效率高、体积小、数据自动统计与分析等优势，具有巨大的经济和社会效益。

发明内容

鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供本一种可以实现无缝铁路轨道绝对位置与火车运行方向的铁轨爬行位移测量等功能的高精度、集成式无线测量装置。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种无缝铁路轨道绝对位置与位移无线测量装置，其特征在于包括：

设置于无缝钢轨焊接处用以获取无缝铁路轨道绝对位置与无缝铁路轨道沿列车运行方向爬行位移的无线传感终端；

向巡线工作人员提示系统测量结果与系统工作状态的移动手持终端；

以及设置于监测工作站内的PC上位机；

工作时，所述无线传感终端保持无缝铁路轨道绝对位置的获取与火车运行方向的无缝铁路轨道微小爬行位移的侦测状态，并开启公共广播信道；当所述无线传感终端侦测到来自移动手持终端的数据传输同步信号后，进行通信信道的商议与随机选择，商议完成后，根据随机信道保活机制通过随机信道发送数据传输开始标志位后进行通信；数据传输结束后自动释放随机信道；

所述移动手持终端临时存储接收的数据，当巡线工作人员回到监测工作站后，通过串口或者USB通信，将采集到的数据上传至PC上位机；

所述PC上位机自动识别并读取数据，并对数据进行的永久保存和聚类分析，从而得到无缝铁路轨道绝对位置与列车沿运行方向的爬行位移曲线。

进一步的，所述无线传感终端包括二维PSD位置传感器模块、传感器端核心控制模块、信号前端处理模块、Si1000无线通信发送端模块、低功耗供电电路模块、电源调理模块、时钟电路模块、数据临时存储模块；

所述二维PSD位置传感器模块经信号前端处理模块与所述传感器端核心控制模块相连；所述低功耗供电电路模块经电源调理模块与传感器端核心控制模块相连；所述Si1000无线通信发送端模块、时钟电路模块、数据临时存储模块分别与传感器端核心控制模块相连；

所述临时存储模块用以存储无缝铁路轨道绝对位置与无缝铁路轨道沿列车运行方向爬行位移数据。

进一步的，所述移动手持终端包括移动端核心控制模块、Si1000无线通信接收端模块、信号后端处理模块、充电电路模块、低功耗供电电路模块、时钟电路模块、串口与USB通信模块、声光报警模块、高性能数据存储模块；

所述Si1000无线通信接收端模块经信号后端处理模块与移动端核心控制模块相连；所述充电电路模块经低功耗供电电路模块与移动端核心控制模块相连；所述时钟电路模块、串口与USB通信模块、声光报警模块、高性能数据存储模块分别与所述移动端核心控制模块相连。

进一步的，所述PC上位机包括串口与USB通信接口模块、PC主机模块、PC显示器模块、外部输入模块、PC主机内置软件模块；

所述USB通信接口模块、外部输入模块、PC显示器模块分别与所述PC主机模块相连；所述PC主机内置软件模块搭载对无缝铁路轨道绝对位置与无缝铁路轨道沿列车运行方向爬行位移进行采集和分析的算法。

进一步的，所述无线传感终端在随机信道保活机制下向所述移动手持终端传输数据；

所述随机信道保活机制为在数据传输过程中每隔30ms所述无线传感终端向移动手持终端发送一个零字符的空数据包，移动手持终端收到空数据包后，向无线传感终端反馈一个相同的空数据包，继续数据传输，直到移动手持终端接收到数据传输停止标志位后，数据传输结束，同时释放随机信道。

进一步的，所述移动手持终端距无缝钢轨距离达到一定范围后，开始不间断发送同步信号，若1分钟后仍没有得到无线传感终端的响应，则停止发送同步信号，进入休眠状态。

进一步的，所述移动手持终端还包括测量与无缝钢轨距离的遥感测距模块。

本发明的另一目的是要提供一种基于上述无缝铁路轨道绝对位置与位移无线测量装置的测量方法，其特征在于步骤包括：

步骤1、将无线传感终端固定连接于无缝钢轨焊接处，待无线传感终端、移动手持终端及PC上位机分别就位后，分别通过自检，进入工作状态；

步骤2、固连于钢轨的无线传感终端就位后，进入同步信号侦测状态，实时等待接收移动手持终端发来的同步信号；当巡线工作人员靠近无缝铁路轨道时，不间断发送同步信号，当固连于钢轨的无线传感终端接收并识别到同步信号后，从接收到数据传输开始标志位开始，传输双方开始进行数据的传输，直到接收到数据传输接收标志位结束；

步骤3、巡线工作人员在行走的过程中实现相关数据的采集，并将数据预处理后保存至Nand flash存储器中，手持移动终端完成数据采集，并发出声光报警；

步骤4、巡线工作人员携带移动手持终端回到监测工作站，通过串口或者USB与PC上位机实现通信，PC上位机自动识别读取数据，并进行数据的永久保存和聚类分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明利用无线传感终端、移动手持终端、PC上位机三部分的协调工作，可以快速准确地实现无缝铁路轨道绝对位置的获取与列车运行方向的无缝铁路轨道微小爬行位移的测量，进一步提高巡线工作效率，降低无缝铁路钢轨的维护成本，对保障我国高速铁路可持续发展和安全运行具有重要意义。

2、本发明利用PSD位置传感器进行数据采集精度可以达到10微米，设计寿命可以达到5年以上，在不更换电池的情况下，可以实现3年免维护，通信能力较强，可以实现复杂环境下大于800米的不间断通信。

3、本发明移动手持终端作为数据的采集与临时存储设备，可以存储大于2M条以上的数据，当移动手持终端与固连于钢轨的无线传感终端距离小于3m时，自动采集传感器数据，并发出声光报警。巡线人员几乎可以在行走的过程中实现相关数据的采集，并且支持存储器扩展使存储数据达到十万条以上。

4、本发明PC上位机可以实现数据采集与统计、超限预警、巡线工人工作质量评估等功能，进一步可以进行数据的永久保存和聚类分析，从而得出规律性的无缝铁路轨道绝对位置与火车运行方向的爬行位移曲线，为无缝铁路维护部门提供数据支持。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测量装置结构功能示意图；

图2为本发明无线传感终端工作流程示意图；

图3为本发明手持移动终端工作流程示意图；

图4为本发明PC上位机数据处理流程示意图；

图5为本发明测量方法整体工作流程示意图。

附图标号说明：

1－传感器端核心控制模块、2－二维PSD位置传感器模块、3－信号前端处理模块、4－电源调理模块、5－低功耗供电电路模块、6－Si1000无线通信发端模块、7－时钟电路模块、8－数据临时存储模块、9－移动端核心控制模块、10－Si1000无线通信收端模块、11－信号后端处理模块、12－充电电路模块、13－低功耗供电电路模块、14－时钟电路模块、15－串口与USB通信模块、16－声光报警模块、17－高性能数据存储模块、18－PC主机模块、19－串口与USB通信接口模块、20－外部输入模块、21－PC主机内置软件模块、22－PC显示器模块。

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、完整地描述，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作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。

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的技术方案：

如图1所述为一种无缝铁路轨道绝对位置与位移无线测量装置，其主要包括：设置于无缝钢轨焊接处用以获取无缝铁路轨道绝对位置与无缝铁路轨道沿列车运行方向爬行位移的无线传感终端、向巡线工作人员提示系统测量结果与系统工作状态的移动手持终端、以及设置于监测工作站内的PC上位机三个主要部分。

无线传感终端包括二维PSD位置传感器模块2、传感器端核心控制模块1、信号前端处理模块3、Si1000无线通信发送端模块6、低功耗供电电路模块5、电源调理模块4、时钟电路模块7、数据临时存储模块8。二维PSD位置传感器模块2经信号前端处理模块3与所述传感器端核心控制模块1相连；所述低功耗供电电路模块经电源调理模块5与传感器端核心控制模块1相连；所述Si1000无线通信发送端模块6、时钟电路模块7、数据临时存储模块8分别与传感器端核心控制模块1相连。

作为本发明较佳的实施方案，传感器端核心控制模块1优选采用STM32F103RBT6最小系统；二维PSD位置传感器模块2优选采用DRX-2DPSD-14AMD型集成模块；信号前端处理模块3优选采用AAY80-390R型集成板，芯片为OP07，形成双路处理机制；电源调理模块4优选采用TPS61175PWP芯片，形成高精度电压调理电路；低功耗供电电路模块5优选采用通用3.7V锂电池；Si1000无线通信发端模块6优选采用通用Si1000无线通信模块；时钟电路模块7优选采用PCF8563T芯片形成高精度时钟电路；数据临时存储模块8优选采用Nand flash标准存储器用以存储无缝铁路轨道绝对位置与无缝铁路轨道沿列车运行方向爬行位移数据。

移动手持终端包括移动端核心控制模块9、Si1000无线通信接收端模块10、信号后端处理模块11、充电电路模块12、低功耗供电电路模块13、时钟电路模块14、串口与USB通信模块15、声光报警模块16、高性能数据存储模块17。所述Si1000无线通信接收端模块10经信号后端处理模块11与移动端核心控制模块9相连；所述充电电路模块11经低功耗供电电路模块12与移动端核心控制模块9相连；所述时钟电路模块13、串口与USB通信模块15、声光报警模块16、高性能数据存储模块17分别与所述移动端核心控制模块9相连。进一步的，所述移动手持终端还包括测量与无缝钢轨距离的遥感测距模块。

作为本发明较佳的实施方案，移动端核心控制模块9优选采用STM32F103RBT6最小系统；Si1000无线通信收端模块10优选采用通用Si1000无线通信模块；信号后端处理模块11优选采用50Hz高Q值两级陷波器；充电电路模块12优选采用锂电池标准充电模块；低功耗供电电路模块13优选采用可充电4.7V锂电池；时钟电路模块14优选采用PCF8563T芯片形成高精度时钟电路；串口与USB通信模块15优选采用标准串口与USB通信模块；声光报警模块16优选采用有源蜂鸣器加LED形成声光报警模块；高性能数据存储模块17优选采用Nandflash标准存储器。进一步的，所述移动手持终端还包括测量与无缝钢轨距离的遥感测距模块。

PC上位机包括串口与USB通信接口模块19、PC主机模块18、PC显示器模块22、外部输入模块20、PC主机内置软件模块21；所述USB通信接口模块19、外部输入模块20、PC显示器模块22分别与所述PC主机模块18相连；所述PC主机内置软件模块21搭载对无缝铁路轨道绝对位置与无缝铁路轨道沿列车运行方向爬行位移进行采集和分析的算法。

作为本发明的优选实施方案，PC主机模块18优选采用标准电脑主机；串口与USB通信接口模块19优选采用标准串口与USB通信接口模块；外部输入模块20包括鼠标和键盘等；PC主机内置软件模块21为与本系统配套开发的上位机；PC显示器模块22优选采用24寸标准电脑显示器。

工作时，所述无线传感终端保持无缝铁路轨道绝对位置的获取与火车运行方向的无缝铁路轨道微小爬行位移的侦测状态，并开启公共广播信道；当所述无线传感终端侦测到来自移动手持终端的数据传输同步信号后，进行通信信道的商议与随机选择，商议完成后，根据随机信道保活机制通过随机信道发送数据传输开始标志位后进行通信；数据传输结束后自动释放随机信道；所述移动手持终端临时存储接收的数据，当巡线工作人员回到监测工作站后，通过串口或者USB通信，将采集到的数据上传至PC上位机；所述PC上位机自动识别并读取数据，并对数据进行的永久保存和聚类分析，从而得到无缝铁路轨道绝对位置与列车沿运行方向的爬行位移曲线。

所述无线传感终端在随机信道保活机制下向所述移动手持终端传输数据；所述随机信道保活机制为在数据传输过程中每隔30ms所述无线传感终端向移动手持终端发送一个零字符的空数据包，移动手持终端收到空数据包后，向无线传感终端反馈一个相同的空数据包，继续数据传输，直到移动手持终端接收到数据传输停止标志位后，数据传输结束，同时释放随机信道。

所述移动手持终端距无缝钢轨距离达到一定范围后，开始不间断发送同步信号，若1分钟后仍没有得到无线传感终端的响应，则停止发送同步信号，进入休眠状态。作为本发明较佳的实施方案，优选移动手持终端距无缝钢轨距离小于3m时，移动手持终端开始发送同步信号。

如图2所示，作为本发明较佳的实施例，固连于钢轨的无线传感终端工作过程包括：

A、无线传感终端安装完成后开始进行自检，若自检通过进入正常工作状态，否则发出声光报警信号；

B、无线传感终端开始工作后，延迟3ms进入无缝铁路轨道绝对位置的获取与火车运行方向的无缝铁路轨道微小爬行位移的测量侦测状态，同时，开启公共广播信道，等待来自移动手持终端的同步信号；

C、当侦测到来自移动手持终端的数据传输同步信号后，进行通信信道的商议与随机选择，商议完成后，通过随机信道发送数据传输开始标志位后进行通信，数据传输完毕后，向移动手持终端发送数据传输停止标志位后，数据传输结束，同时释放随机信道；

需要说明的是，为了保证数据传输的正常进行，本发明设计了随机信道保活机制，即在数据传输过程中每隔30ms固连于钢轨的无线传感终端向移动手持终端发送一个零字符的空数据包，移动手持终端收到空数据包后，向固连于钢轨的无线传感终端反馈一个相同的空数据包，表明通信连接正常；

D、当固连于钢轨的无线传感终端1分钟没有侦测到来自移动手持终端的数据传输同步信号后，固连于钢轨的无线传感终端进入休眠状态。

E、系统进入下一个循环。

如图3所示，作为本发明较佳的实施例，手持移动终端工作过程包括：

A、移动手持终端充电后进行上电自检，自检通过后进入正常工作状态，否则发出声光报警；

B、自检完成后，延迟3ms后进入无缝铁路轨道绝对位置的获取与火车运行方向的无缝铁路轨道微小爬行位移的测量同步信号发送状态，同时，开启广播通知状态，不断寻找与其匹配的同步信号接收端；

C、当巡线工人接近无缝钢轨(本发明优选小于3m)后，开始不间断发送数据传输同步信号，当得到固连于钢轨的无线传感终端的响应后，进行通信信道的商议与随机选择，商议完成后，接收到数据传输开始标志位后进行通信，直到移动手持终端接收到数据传输停止标志位后，数据传输结束，同时释放随机信道；

作为本发明的优选，移动手持终端同样遵循上述随机信道保活机制。

D、当移动手持终端1分钟没有得到固连于钢轨的无线传感终端的响应后，移动手持终端停止发送同步信号，移动手持终端进入休眠状态。

E、系统进入下一个循环。

如图4所示，作为本发明较佳的实施例，PC端上位机数据处理工作过程包括：

A、移动手持终端数据采集过程中，将数据自动临时保存至Nand flash存储器中，数据有效周期为7天，7天过后自动清除，因此，巡线工作人员必须于一周内回到监测工作站；

B、当巡线工作人员回到监测工作站后，通过串口或者USB通信，把采集到的数据上传至PC机后，打开PC端上位机，自动识别并读取数据；

C、数据读取完成后，进行数据的永久保存和聚类分析，从而得出规律性的无缝铁路轨道绝对位置与火车运行方向的爬行位移曲线，为无缝铁路维护部门提供数据支持；

D、当数据积累到一定规模后，可以进行大数据分析，对无缝铁路轨道的内在规律进行探索，后未来的无缝铁路轨道设计提供借鉴。同时，还可以作为巡线工作人员工作质量评估标准，为后期养护工作计划的制定提供定量支持；

E、系统进入下一个循环。

本发明的另一目的是要提供一种基于上述无缝铁路轨道绝对位置与位移无线测量装置的测量方法，如图5所示步骤包括：

步骤1、将无线传感终端固定连接于无缝钢轨焊接处，待无线传感终端、移动手持终端及PC上位机分别就位后分别进行自检，若各部分均通过自检，则系统进入工作状态，否则，进行人工调试，直至自检通过。

步骤2、固连于钢轨的无线传感终端就位后，延迟3ms进入同步信号侦测状态，并开启公共广播信道，实时等待接收移动手持终端发来的同步信号；

同时，移动手持终端自检通过后，延迟3ms后进入无缝铁路轨道绝对位置的获取与火车运行方向的无缝铁路轨道微小爬行位移的测量侦测状态，同时，开启广播通知状态；

当巡线工作人员靠近无缝铁路轨道时，移动手持终端不间断发送同步信号，当距离小于设定值(本发明优选为3m)时，固连于钢轨的无线传感终端接收并识别到移动手持终端发出的同步信号，并进行通信信道的商议与随机选择，商议完成后，无线传感终端通过随机信道向移动手持终端发送数据传输开始标志位后进行通信，直至通信结束向移动手持终端发送数据传输接收标志位并被接收。

需要说明的是，为了保证数据通信的不间断，本发明设计了随机信道保活机制，在数据传输过程中每隔30ms固连于钢轨的无线传感终端向移动手持终端发送一个零字符的空数据包，移动手持终端收到空数据包后，向固连于钢轨的无线传感终端反馈一个相同的空数据包，继续数据传输，直到移动手持终端接收到数据传输停止标志位后，数据传输结束，同时释放随机信道。当1分钟没有侦测到来自移动手持终端的数据传输同步信号后，固连于钢轨的无线传感终端进入休眠状态。

步骤3、巡线工作人员在行走的过程中实现相关数据的采集，并将数据预处理后保存至Nand flash存储器中，手持移动终端完成数据采集后发出声光报警；

步骤4、巡线工作人员携带移动手持终端回到监测工作站，通过串口或者USB与PC上位机实现通信，PC上位机自动识别读取数据，并进行数据的永久保存和聚类分析，从而得出规律性的无缝铁路轨道绝对位置与火车运行方向的爬行位移曲线，为无缝铁路维护部门提供数据支持。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。