阅读说明：本技术 一种无砟轨道结构自动监测装置 (Automatic monitoring device for ballastless track structure ) 是由 王森荣 孙立 林超 朱彬 李路遥 于 2019-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无砟轨道结构自动监测装置,包括激光发射器、光电接收器和信号处理控制器；光电接收器固定在无砟轨道上,用于接收激光发射器发射的激光信号并将激光信号的位置数据发送至信号处理控制器；信号处理控制器接收各光电接收器发送的位置数据并进行校正；本发明通过预先分析PSD靶标的位置数据出现异常时对应的原因,建立位移阈值及变化阈值与异常原因之间的多级对应关系；在实时监测过程中,根据预先建立的对应关系对PSD靶标测得的位置数据进行校正与确准,排除伪异常数据并准确定位到设备异常时以及轨道结构出现离缝时对应的真异常数据,避免在轨道结构未出现异常时委派养护人员进行现场维护,额外增加铁路养护人员的工作量。(the invention discloses an automatic monitoring device for a ballastless track structure, which comprises a laser transmitter, a photoelectric receiver and a signal processing controller, wherein the laser transmitter is connected with the photoelectric receiver; the photoelectric receiver is fixed on the ballastless track and used for receiving the laser signal emitted by the laser emitter and sending the position data of the laser signal to the signal processing controller; the signal processing controller receives and corrects the position data sent by each photoelectric receiver; the method comprises the steps of establishing a multilevel corresponding relation between a displacement threshold value and a change threshold value and abnormal reasons by analyzing the corresponding reasons of the PSD target when the position data is abnormal in advance; in the real-time monitoring process, the position data measured by the PSD target is corrected and accurate according to the pre-established corresponding relation, the false abnormal data is eliminated, the corresponding true abnormal data is accurately positioned when the equipment is abnormal and the track structure is separated, the condition that maintenance personnel are dispatched to carry out field maintenance when the track structure is not abnormal is avoided, and the workload of railway maintenance personnel is additionally increased.)

一种无砟轨道结构自动监测装置

技术领域

本发明属于无砟轨道结构裂缝测量技术领域，更具体地，涉及一种基于激光和PSD技术的无砟轨道结构自动监测装置。

背景技术

无砟轨道是指采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的轨道结构，又称作无碴轨道，是当今世界先进的轨道技术。与有砟轨道相比，无砟轨道避免了道砟飞溅，平顺性好，稳定性好，使用寿命长，耐久性好，维修工作少，列车运行时速可达350千米以上。无砟轨道的主要病害类型之一是轨道结构的层间离缝，主要存在于轨道板、CA砂浆与底座结构之间，层间离缝严重影响了高速铁路的行车安全，需要及时发现和维护。由于高速铁路日间全封闭运营，对轨道结构离缝的检查主要依靠在夜间维修天窗人工开展，测量的工具主要为塞尺；这种人工检查方式存在如下弊端：一是夜间可视条件差，对轨道结构离缝检查难以做到精细化；二是人工探查主观性强，由于线路检测范围较大，导致检测效率低。

PSD传感器是一种位置敏感传感器，它能测量光点在探测器表面上的连续位置，并将光敏面上的光点位置转换为光信号；PSD传感器和激光组成的激光微位移测量系统已被广泛应用于位置探测、非接触式连续测量测等领域；授权公告号为CN100460255C的发明专利公开了一种利用激光自动监测钢轨参数的装置、系统及方法，使用激光自动测量钢轨的位移，并将测量值通过无线通信网络传送到中央处理单元，从而实现对观察点位移和温度应力的远程监测；钢轨位移激光测量单元根据激光信号的变化数据发送给中央处理单元，中央处理单元处理后得到钢轨参数，一旦钢轨参数发生较大变化，表明钢轨可能出现位移、胀轨或断轨的可能，需要委派铁路养护人员去现场查看并维护。

该方法虽可以实现实时、准确地监测无缝线路的温度应力状况，但是存在以下缺点：缺乏对钢轨位移激光测量单元测得的位移数据进行校正和确准的过程，在持续监测过程中，钢轨位移激光测量单元测得的钢轨参数可能会出现误差，这种误差可能是偶然误差，也可能是激光发射器或光电探测器出现设备异常或安装松动引起的设备误差；以上两种误差均可能导致最终得到的钢轨参数发生异常变化，如果这种情况下委派铁路养护人员去现场对未出现异常的钢轨进行维护，无疑增加了铁路养护人员的工作量，浪费了人力物力。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种无砟轨道结构自动监测装置，通过对PSD靶标测得的位移数据进行校正与确准，能够及时发现异常数据并对该异常数据对应的异常原因进行分类，排除伪异常数据并准确定位到轨道结构出现离缝时对应的真正异常数据，避免在轨道结构未出现异常时委派铁路养护人员进行现场维护。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无砟轨道结构自动监测装置，包括激光发射器、至少一组光电接收器和信号处理控制器；

所述光电接收器固定在无砟轨道上并与所述轨道同步位移变化，用于接收所述激光发射器发射的激光信号并将所述激光信号的位置数据发送至信号处理控制器；所述信号处理控制器用于接收各光电接收器发送的位置数据并进行校正，所述校正包括：

当所述位置数据小于第一位移阈值时，将该位置数据与前一时刻采集的数据进行比对，若当前时刻与前一时刻的位置数据的变化量超过第一变化阈值时，则将当前时刻的位置数据标记为异常数据并生成连续采集指令；所述连续采集指令用于控制光电接收器连续采集多个位置数据；将连续采集的多个位置数据与当前时刻的位置数据进行比对：

当两者的变化量不超过第二变化阈值时将当前时刻的位置数据标记为正常数据；当两者的变化量超过第三变化阈值时生成第一预警信号；所述第一预警信号用于提示监测人员设备出现异常。

优选的，上述无砟轨道结构自动监测装置，其信号处理控制器对位置数据进行校正还包括：

当所述位置数据大于第一位移阈值时，将该位置数据与前一时刻采集的数据进行比对，若当前时刻与前一时刻的位置数据的变化量超过第四变化阈值时，则将当前时刻的位置数据标记为异常数据并生成连续采集指令；所述连续采集指令用于控制光电接收器连续采集多个位置数据；将连续采集的多个位置数据与当前时刻的位置数据进行比对：

当两者的变化量不超过第五变化阈值时生成第二预警信号；所述第二预警信号用于提示监测人员轨道结构可能出现变形；当两者的变化量超过第六变化阈值时生成第一预警信号；所述第一预警信号用于提示监测人员设备出现异常。

优选的，上述无砟轨道结构自动监测装置，其第二变化阈值与第三变化阈值可以相等或不等。

优选的，上述无砟轨道结构自动监测装置，其第四变化阈值与第一变化阈值可以相等或不等；所述第五变化阈值与第六变化阈值可以相等或不等。

优选的，上述无砟轨道结构自动监测装置，每组光电接收器包括两个分别安装在底座板以及位于所述底座板上层的轨道板的对应位置处的PSD靶标；

所述信号处理控制器还用于根据两个PSD靶标输出的位置数据计算对应位置处的轨道离缝参数。

优选的，上述无砟轨道结构自动监测装置还包括车轮传感器，所述车轮传感器固定在无砟轨道上，用于在列车经过时生成探测信号并将其发送至信号处理控制器，以触发信号处理控制器采集光电接收器输出的位置数据。

优选的，上述无砟轨道结构自动监测装置，其信号处理控制器包括CPU控制板以及与所述CPU控制板连接的激光控制模块、数据采集模块和车轮传感模块；

所述激光控制模块用于在CPU控制板的控制下触发激光发射器发射激光信号；所述数据采集模块用于在所述CPU控制板的控制下采集光电接收器输出的位置数据；

所述CPU控制板用于对所述位置数据进行校正，生成监测数据；

所述车轮传感模块用于采集车轮传感器生成的探测信号并将其发送至CPU控制板。

优选的，上述无砟轨道结构自动监测装置，其信号处理控制器还包括与所述CPU控制板连接的无线通讯模块；

所述无线通讯模块用于接收远程监控中心发送的控制命令并将其发送给CPU控制板，并将CPU控制板输出的监控数据和装置状态参数上传给远程监控中心。

优选的，上述无砟轨道结构自动监测装置，其信号处理控制器还包括显示模块、GPS授时模块和电源模块；

所述GPS授时模块用于接收GPS时间信息，为信号处理控制器提供时间基准；

所述显示模块用于显示CPU控制板产生的监测数据。

优选的，上述无砟轨道结构自动监测装置还包括蓄电池，所述蓄电池通过电源线与信号处理控制器中的电源模块相连，用于为信号处理控制器供电。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的无砟轨道结构自动监测装置，通过预先分析PSD靶标的位置数据出现异常时对应的原因，建立位移阈值及变化阈值与异常原因之间的多级对应关系；在实时监测过程中，根据预先建立的对应关系对PSD靶标测得的位置数据进行校正与确准，从而及时发现异常数据并对该异常数据对应的异常原因进行分类，排除伪异常数据并准确定位到设备异常时以及轨道结构出现离缝时对应的真正异常数据，避免在轨道结构未出现异常时委派铁路养护人员进行现场维护，额外增加铁路养护人员的工作量。

(2)本发明提供的无砟轨道结构自动监测装置，采用激光和PSD靶标自动测量无砟轨道位移数据，不仅实现了对轨道结构离缝的全天候远程实时监测，保证行车安全；相比人工测量，还具有更高的测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无砟轨道结构自动监测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的信号处理控制器的逻辑框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实施例所提供的一种无砟轨道结构自动监测装置的结构示意图，如图1所示，该无砟轨道结构自动监测装置包括激光发射器、三组光电接收器和信号处理控制器；激光发射器、光电接收器与信号处理控制器之间通过有线或无线方式进行连接，本实施例优选通过电源线、控制线和信号线进行三线连接；每组光电接收器包括两个分别安装在底座板以及位于底座板上层的轨道板的对应位置处的PSD靶标，即在轨道板和底座板上中心及两端各安装一个PSD靶标，各PSD靶标固定在无砟轨道上并与无砟轨道作同步位移变化；在距离线路中心线一定距离处设置支撑架，激光发生器固定在该支撑架上，分别照射三对平行激光到三组光电接收器上，作为轨道结构相对位移基准；各PSD靶标的光敏面接收激光发射器发射的激光信号，并将该激光信号的位置数据经过光电转换成差分信号后发送至信号处理控制器；

信号处理控制器获取各光电接收器发送的位置数据之后，对位置数据进行校正；本实施例中，PSD靶标优选采用二维PSD，其输出的位置数据包括纵向位移(沿线路方向)和垂向位移(垂直轨道结构方向)，其中的垂向位移主要用于表征无砟轨道结构是否出现离缝，而纵向位移一般变化较小，因此本实施例中主要对垂向位移数据进行校正；校正过程具体包括：

当位置数据中的垂向位移在3mm以内，将该垂向位移与前一时刻采集的数据进行比对，其中数据的采集频率可根据监测需求自行设定，本实施例中的采集频率为每15min采集1次；若当前时刻与前一时刻的位置数据的变化量超过30％，表明无砟轨道出现离缝的概率较高；则将当前时刻的位置数据标记为异常数据并生成连续采集指令；该连续采集指令用于控制光电接收器连续采集并输出多个位置数据；信号处理控制器将光电接收器连续采集的多个位置数据与当前时刻的位置数据进行比对：若连续采集的多个位置数据与当前时刻的位置数据的变化量均在10％以内，表明当前时刻的位置数据的异常为仪器的偶然误差引起或者无砟轨道的离缝在正常允许范围之内，可以不作任何处理，则将当前时刻的位置数据标记为正常数据；如果两者的变化量仍存在较大差异，例如超过20％，表明现场采集设备出现异常，例如PSD靶标出现松动，导致PSD靶标测量的位移和无砟轨道的位移之间存在非线性关系，则生成第一预警信号，该第一预警信号用于提示监测人员设备出现异常，通知设备维护人员进行现场设备维护。

当位置数据中的垂向位移在3mm以上，将该垂向位移与前一时刻采集的数据进行比对，若当前时刻与前一时刻的位置数据的变化量超过30％，则将当前时刻的位置数据标记为异常数据并生成连续采集指令；该连续采集指令用于控制光电接收器连续采集并输出多个位置数据；信号处理控制器将光电接收器连续采集的多个位置数据与当前时刻的位置数据进行比对：

若连续采集的多个位置数据与当前时刻的位置数据的变化量均在5％以内，则立即生成第二预警信号并发送给工务部门，该第二预警信号用于提示监测人员轨道结构可能出现变形，工务部门派遣工务人员上道用塞尺进行现场核实；如果两者的变化量仍存在较大差异，例如超过20％，这种数据的大幅度波动可能是由于现场采集设备出现异常引起的，例如PSD靶标出现松动，导致PSD靶标测量的位移和无砟轨道的位移之间存在非线性关系，则生成第一预警信号，该第一预警信号用于提示监测人员设备出现异常，告知监测人员设备进行现场维护。

上述技术方案中的具体阈值指标，如3mm、30％、20％、5％等均为本实施例的一个示例，在具体操作过程中可根据实际经验和轨道具体结构自行设定，本实施例不作限制。

本实施例通过预先分析PSD靶标的位置数据出现异常时对应的原因，建立位移阈值及变化阈值与异常原因之间的多级对应关系；在实时监测过程中，根据预先建立的对应关系对PSD靶标测得的位置数据进行校正与确准，从而及时发现异常数据并对该异常数据对应的异常原因进行分类，排除伪异常数据并准确定位到设备异常时以及轨道结构出现离缝时对应的真正异常数据，避免在轨道结构未出现异常时委派铁路养护人员进行现场维护，额外增加铁路养护人员的工作量。

另外，信号处理控制器还可以根据每组光电接收器中的两个PSD靶标输出的位置数据中的垂向位移计算对应位置处的轨道离缝参数，从而使监测人员可以直观获取无砟轨道各处的结构参数。

对于位置数据中的纵向位移，本实施例也设置了校正操作，具体的，预先设置纵向位移阈值，当PSD靶标输出的位置数据中的纵向位移超过该纵向位移阈值，如5cm，则认为采集到的数据是由于偶然误差或设备异常导致的伪异常数据，直接将该位置数据剔除。因为无砟轨道结构一般不会出现超过5cm的纵向位移，因此本实施例以纵向位移阈值作为指标剔除了偶然误差或设备异常导致的异常值，提高了真异常数据定位的准确性。

作为本实施例的一个优选，上述无砟轨道结构自动监测装置还包括车轮传感器，该车轮传感器固定在无砟轨道上，用于在列车经过时生成探测信号并将其发送至信号处理控制器，以触发信号处理控制器采集光电接收器输出的位置数据。由于在列车经过时无砟轨道受力较大，轨道结构更加容易出现变形，因此本实施例通过设置车轮传感器及时探测并反馈列车经过信号，通知信号处理控制器及时采集各PSD靶标输出的位置数据，对无砟轨道结构参数进行监控，及时发现异常情况。

图2是本实施例提供的信号处理控制器的逻辑框图，如图2所示，该信号处理控制器包括CPU控制板以及与该CPU控制板连接的激光控制模块、数据采集模块、车轮传感模块、4G通讯模块、显示模块、GPS授时模块和电源模块；

其中，激光控制模块用于在CPU控制板的控制下触发激光发射器发射激光信号；数据采集模块用于在CPU控制板的控制下采集光电接收器输出的位置数据；

CPU控制板主要用于控制整体装置运行，对接收的位置数据进行校正，生成监测数据；

车轮传感模块用于采集车轮传感器生成的探测信号并将其发送至CPU控制板；

4G通讯模块用于接收远程监控中心发送的控制命令并将其发送给CPU控制板，并将CPU控制板输出的监控数据和装置状态参数上传给远程监控中心。信号处理控制器为整个装置的控制处理通讯中心，通过4G通讯模块与远程监控中心通讯，接收控制命令并上传监测数据和装置状态参数；

GPS授时模块用于接收GPS时间信息，为信号处理控制器提供时间基准；显示模块用于显示CPU控制板产生的监测数据。

本实施例中的无砟轨道结构自动监测装置还包括蓄电池，该蓄电池通过电源线与信号处理控制器中的电源模块相连，用于在线监测装置的电源供给。

相比于现有的激光自动监测装置，本发明提供的无砟轨道结构自动监测装置，通过预先分析PSD靶标的位置数据出现异常时对应的原因，建立位移阈值及变化阈值与异常原因之间的多级对应关系；在实时监测过程中，根据预先建立的对应关系对PSD靶标测得的位置数据进行校正与确准，从而及时发现异常数据并对该异常数据对应的异常原因进行分类，排除伪异常数据并准确定位到设备异常时以及轨道结构出现离缝时对应的真正异常数据，避免在轨道结构未出现异常时委派铁路养护人员进行现场维护，额外增加铁路养护人员的工作量。采用激光和PSD靶标自动测量无砟轨道位移数据，不仅实现了对轨道结构离缝的全天候远程实时监测，保证行车安全；相比人工测量，还具有更高的测量精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。