基于分离式IMU的铁路螺栓松动状态监测与预警方法与流程

本发明涉及监测方法，具体涉及基于分离式imu的铁路螺栓松动状态监测与预警方法。

背景技术：

1、钢轨连接板俗称鱼尾板，其作为钢铁轨道的重要组成部分主要用于连接两根独立的钢轨，从而使得多根独立钢轨能够拼接组成完整的轨道线路。钢轨连接板螺栓松动若未被发现，会导致钢轨接头处缝隙增大、高低错位。列车高速通过时，轻则加剧轮轨冲击、降低乘坐舒适度，重则可能引发钢轨断裂、列车脱轨等重大安全事故。

2、现有技术中针对钢轨连接板上螺栓的松动状态进行监测的主流方法是人工巡检，这种方式虽然能够逐一检查所有连接螺栓是否松动，但所需时间较长，存在效率不高的问题，在此基础上，部分轨道则采用以三轴加速度计为主要元件的监测设备进行监测，这种方法虽然能够代替人工执行螺栓松动监测，但受限于螺栓的庞大数量以及轨道的长度，难以全面覆盖应用，仅能在部分轨道使用，存在一定局限性。

技术实现思路

1、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了基于分离式imu的铁路螺栓松动状态监测与预警方法，能够有效解决现有技术中的监测设备难以针对长距离的轨道线路进行分离式全线监测的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供基于分离式imu的铁路螺栓松动状态监测与预警方法，包括以下步骤：

4、步骤一：将铁路轨道上所有钢轨连接板对应的紧固螺栓记作连接螺栓，基于连接螺栓的安装位置、安装数据筛选出多个连接螺栓记作关键螺栓；

5、步骤二：在关键螺栓上设置监测设备，监测设备包括监测模块和通信模块，监测模块采集三轴加速度数据，基于通信模块上传数据信息；

6、基于多个途经列车的周期通过时间确定监测设备的监测周期以及监测周期内的多个监测节点，多个监测节点构成监测节点集合，在每个监测节点采集一次三轴加速度数据记作目标加速度集合；

7、步骤三：获取监测模块采集的目标加速度集合，基于目标加速度集合分析得到关键螺栓的相对偏移角度，当相对偏移角度大于预设的角度偏移阈值时，生成松动预警信号并将该关键螺栓标记为问题螺栓，问题螺栓将自身信息与松动预警信号打包为预警信息，存储预警信息并等待上传；

8、步骤四：从多个途经列车中筛选出特定列车，特定列车为发车周期最短的途经列车，基于特定列车的途经数据以及车辆数据确定上传时间区间，令监测设备在上传时间区间上传预警信息，当特定列车经过时获取预警信息并上传至云端。

9、进一步地，关键螺栓筛选过程如下：

10、获取铁路轨道的轨道沿线数据，将同一钢轨连接板上的多个连接螺栓记作一组螺栓组合，将螺栓组合所处的轨道位置记作组合坐标，基于组合坐标对应的轨道沿线数据分析计算轨道影响评估值，基于轨道影响评估值结合预设的分布距离阈值筛选出多个关键螺栓组合；

11、基于钢轨连接板应力测试数据分析同一关键螺栓组合中不同连接螺栓的受力数据，结合连接螺栓的自身数据、安装数据分析计算得到安装影响评估值，筛选出同一关键螺栓组合中安装影响评估值最大的连接螺栓记作关键螺栓。

12、进一步地，轨道影响评估值计算过程如下：

13、获取列车经过组合坐标时的限速值，模拟列车以限速值经过组合坐标并进行受力分析得到综合加速度，将综合加速度记作轨道影响评估值，其中：

14、将轨道视为平面，平面角度取决于坡度、超高，将列车视为质点，当组合坐标对应的轨道为曲线段时，分析重力加速度和离心加速度在垂直于轨道平面方向上的加速度分量；当组合坐标对应的轨道为直线段时，分析重力加速度在垂直于轨道平面方向上的加速度分量，将垂直于轨道平面方向上的加速度分量记作综合加速度。

15、进一步地，关键螺栓组合筛选过程如下：

16、绘制出轨道线路并在轨道线路上标记出所有螺栓组合，预设有轨道影响阈值，将大于等于轨道影响阈值的螺栓组合记作第一待选组合，当任意两个相邻第一待选组合之间距离大于等于分布距离阈值，则选择这两个第一待选组合之间的多个螺栓组合作为第二螺栓组合，将第一螺栓组合和第二螺栓组合统一记作关键螺栓组合。

17、进一步地，选择满足以下条件：

18、条件一：多个第二待选组合之间的间距均小于分布距离阈值；

19、条件二：第二待选组合数量为满足条件一的最小值。

20、进一步地，安装影响评估值计算过程如下：

21、预设有多个类型序号，每个类型序号对应一个钢轨连接板类型，为每个类型的钢轨连接板赋予一个螺孔序号集合，螺孔序号集合中的每个螺孔序号对应一个连接螺栓，获取任意一个连接螺栓对应的螺孔序号、类型序号记作该连接螺栓的板上坐标；

22、针对不同类型的钢轨连接板分别进行列车通过测试，测试过程中测量每个螺孔周围的应力变化并计算得到交变应力幅值，预设有极限幅值，计算交变应力幅值除以极限幅值得到安装影响评估值。

23、进一步地，监测节点确定过程如下：

24、获取关键螺栓在铁轨上的位置记作目标位置，将所有行驶途中经过目标位置的列车记作途经列车，获取途经列车的发车周期，将发车周期中的最长周期记作监测周期，记录监测周期内各途经列车经过目标位置的时间记作经过时刻，基于经过时刻结合途经列车的车身参数分析得到途经影响区间，在监测周期内表示出各途经影响区间，将监测周期内非途经影响区间的区间部分记作目标区间，将每个目标区间的中点记作监测节点。

25、进一步地，途经影响区间获取过程如下：

26、将任意一辆途经列车记作目标列车，获取目标列车经过目标位置时的最小速度记作目标速度，将目标列车的长度除以目标速度得到基础时间，以目标列车的经过时刻为区间起点、基础时间为区间长度建立时间区间记作第一影响区间；

27、获取目标列车的满载重量，将满载重量结合振动传播公式计算得到振动影响距离，将振动影响距离除以目标速度得到振动影响时长，预设有目标列车对应的发车偏差时长，计算振动影响时长和发车偏差时长之和得到综合影响时长，令第一影响区间的起点减去发车偏差时长，令第一影响区间的终点加上发车偏差时长得到途经影响区间。

28、进一步地，相对偏移角度分析过程如下：

29、当拧紧关键螺栓后对监测设备数据进行归零，将归零后首次采集的目标加速度集合记作参照集合，将最近一次采集的目标加速度集合记作比对集合，将垂直于螺栓轴线的竖直面记作基准面，建立基准面对应的直角坐标系记作基准坐标系；

30、在基准坐标系中表示出参照集合对应的y轴加速度矢量和z轴加速度矢量记作初始矢量组合，在基准坐标系中表示出比对集合对应的y轴加速度矢量和z轴加速度矢量记作比对矢量组合，计算初始矢量组合与比对矢量组合中y轴加速度矢量的夹角度数记作相对偏移角度。

31、进一步地，上传时间区间确定过程如下：

32、获取特定列车的经过时刻记作锚点时刻，获取特定列车的长度记作特定长度，将特定列车经过监测设备的最小速度记作特定速度，将特定长度除以特定速度得到第一时长，以锚点时刻为区间起点、第一时长为区间长度构建时间区间记作基础上传区间，令基础上传区间的起点减去发车偏差时长，令基础上传区间的终点加上发车偏差时长得到上传时间区间。

33、本发明提供的技术方案，与已知的现有技术相比，具有如下有益效果：

34、1、本发明通过设置由电池驱动的螺栓松动状态监测设备，使得螺栓状态监测能够摆脱人工巡检依赖，实现离线监控、主动汇报，并且对大量连接螺栓进行筛选，从而确定众多连接螺栓中受列车行驶经过影响突出的关键螺栓，将关键螺栓作为监测对象，能够在减少监测设备投入数量的前提下，提供更加灵活且更加准确的监测策略，实现轨道全线分离式监控；在此基础上，利用轨道上行驶的列车作为数据回收载体能够覆盖整条轨道，相较于在轨道附近设置固定回收设备的方式，数据采集效率更高，更加适用于远距离多点分离式设置的监测设备，大幅提升数据利用效率。

35、2、本发明监测设备的功能均采用定时触发以适配具有明显周期规律的轨道交通行为，通过该设置能够使得监测设备在大部分时间都处于待机休眠状态，从而获取更高的工作时长，仅在定时触发的情况下将监测设备唤醒并执行相应的主要功能，进而使得监测设备仅在需要的情况下消耗电量执行自身主要功能，相较于现有技术中类似监测设备的长期在线监测，更加节省电量，更加适合以电池作为供电来源的监测设备。