基于热成像的车辆轴温智能探测系统的制作方法

1.本发明涉及一种基于热成像的车辆轴温智能探测系统。


背景技术：

2.随着铁路建设实现历史性突破，路网规模、运载能力大幅度提升，对于运行列车的安全保障已经变得越来越重要。“热轴和热轮”是铁路客车、货车、动车组运行的重要故障之一。随着全路大面积提速，热轴故障和热轮故障已严重危及行车安全。
3.目前铁路行业普遍利用thds系统形成地对车的地面轴温监测，确保列车车辆运行安全。我国铁路红外线轴温探测技术从无到有，由弱到强，积累了丰富的运用经验，但传统技术在长期大量运用中也暴露出其技术缺陷。传统thds设备采用的是光子探头和热敏探头，当轴承通过探测窗口时，连续取样32个温度点，形成温度曲线，获取轴承最高温度值。由于技术局限性，探测角度单一、探测温度点少、车辆故障探测结果不直观，且车体摆动和车型变化对探测准确有较大影响，导致故障预报后仍需人工结合5t信息综合判定，人工定位故障。当thds预报热轴故障后，需立即组织有经验的工作人员，根据thds轴温波形特征、结合其他5t设备对该辆车的监测结果。人工综合判定该热轴是由于轴承故障产生的高温，还是制动系统故障形成抱闸导致轮温瞬时升温传导至轴承，形成轴承高温。
4.因此，研制一种新型的基于热成像的车辆轴温智能探测系统(以下简称：thds)，能够准确预报热轮故障、可视化显示、准确定位故障源是当前亟待解决的课题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用热成像技术，能够准确预报热轴和热轮故障、可视化显示，准确区分热轴故障和热轮故障，自动定位故障源。具有在列车运行状态下计轴计辆、智能跟踪、测量轴温轮温、自动预警热轴故障和热轮故障功能的基于热成像的车辆轴温智能探测系统。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于热成像的车辆轴温智能探测系统，由国铁集团、铁路局集团公司、探测站三级子系统构成，国铁集团级子系统与铁路局集团公司级子系统通过铁路通信主干网络进行数据交互，铁路局集团公司级子系统内设有车辆运行安全监测站，车辆运行安全监测站通过专用通道或铁路计算机网络与管辖范围内的探测站级子系统相连接；
7.探测站级子系统包括沿铁路线路每隔30km设置的多个基于热成像的车辆轴温智能探测系统设备，基于热成像的车辆轴温智能探测系统设备由室外设备、室内设备，以及连接室内设备和室外设备的电缆组成；
8.室外设备包括探测箱、热成像探头、车轮传感器、智能跟踪装置微波天线；热成像探头安装于探测箱内，探测箱通过卡轨器固定在两根钢轨的外侧；车轮传感器用于车速的测量和轮轴的定位，通过卡轨器固定在两根钢轨的内侧；智能跟踪装置微波天线安装于轨道中心两枕木间，接收通过车辆的电子标签信息；
9.室内设备包括数据处理主机、电控箱、智能跟踪装置主机、专用无线发射设备、通信接口设备、远程电源管理设备、防雷装置、不间断电源；
10.电控箱接收车轮传感器的模拟信号并实时转换成为数字信号，然后根据车轮定位信号对室外设备进行控制并为数据处理主机提供同步信号；
11.数据处理主机采集热成像探头的热成像数据并根据电控箱上传的同步信号完成轮轴和温度矩阵数据的匹配、轴温轮温计算、计轴计辆、热故障判断、设备自检控制，并将数据通过通信网络上传至铁路局集团级子系统的车辆运行安全监测站；
12.智能跟踪装置主机对智能跟踪装置微波天线上传的车辆电子标签信息进行解码，将车辆属性、车号、车次信息发送给数据处理主机，通过数据处理主机将车辆属性、车号、车次信息传输至铁路局集团级子系统的车辆运行安全监测站；
13.专用无线发射设备用于与红外线动态检测车进行数据传输，包括专用无线发射主机、大功率发射天线，采用专用频点对数据包进行无线传输，满足红外线检测车动态检测要求；
14.通信接口设备包括音频专线和宽带网络两种通信接口；
15.远程电源管理设备通过检测数据处理主机的运行状态和探测站的电源供电情况，自主或远程对探测站设备进行复位、断电、重新通电操作。
16.进一步地，所述车辆运行安全监测站包括网络通信设备、监测站主机和监控终端，监测站主机分别与网络通信设备与监控终端相连。
17.所述热成像探头用于将轴承和车轮表面的红外能量转换为电信号，并将电信号通过数据处理主机传输至车辆运行安全监测站，在车辆运行安全监测站的监控终端上生成热图和温度值图像。
18.进一步地，所述国铁集团级子系统包括国铁集团联网服务器和多个监控查询终端，国铁集团联网服务器与监控查询终端通过国铁集团机关局域网进行数据交互。
19.本发明的有益效果是：利用热成像技术，能够准确预报热轴和热轮故障、可视化显示，准确区分热轴故障和热轮故障，自动定位故障源。具有在列车运行状态下计轴计辆、智能跟踪、测量轴温轮温、自动预警热轴故障和热轮故障的功能，结合现有全路联网网络架构，能够实现“分散探测、集中报警、联网运行、信息共享”。
附图说明
20.图1为本发明基于热成像的车辆轴温智能探测系统的结构图；
21.图2为车轮传感器安装示意图；
22.图3为本发明thds与传统thds探头安装示意图；
23.图4为本发明thds的探测热图与传统探测得到的曲线对比图；
24.图5为本发明thds系统探测轮轴热图。
具体实施方式
25.本发明的技术原理为：自然界中的一切物体，无论是北极冰川，还是火焰、人体，甚至极寒冷的宇宙深空，只要它们的温度高于绝对零度-273℃，都会有红外辐射，这是由于物体内部分子热运动的结果。红外成像技术就是根据探测到的物体的辐射能量的高低，经系
统处理转变为目标物体的热图像，以灰度级或伪彩色显示出来，即得到被测目标的温度分布从而判断物体所处的状态。
26.利用热像仪将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。借助热图上的颜色可以看到温度的分布。
27.本发明中所涉及到的术语和定义如下：
28.轴箱温度：系统探测到的列车动态运行时轴承(轴箱)表面的温度。轴箱温度简称轴温。
29.车轮温度：系统探测到的列车动态运行时车轮(轮辋、辐板)表面的温度。车轮温度简称轮温。
30.下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
31.如图1所示，本发明的一种基于热成像的车辆轴温智能探测系统，由国铁集团、铁路局集团公司、探测站三级子系统构成，国铁集团级子系统与铁路局集团公司级子系统通过铁路通信主干网络进行数据交互，铁路局集团公司级子系统内设有车辆运行安全监测站，车辆运行安全监测站通过专用通道或铁路计算机网络与管辖范围内的探测站级子系统相连接；
32.探测站级子系统包括沿铁路线路每隔30km设置的多个基于热成像的车辆轴温智能探测系统设备，基于热成像的车辆轴温智能探测系统设备由室外设备、室内设备，以及连接室内设备和室外设备的电缆组成；
33.室外设备包括探测箱、热成像探头、车轮传感器、智能跟踪装置微波天线；室内设备包括数据处理主机、电控箱、智能跟踪装置主机、专用无线发射设备、通信接口设备、远程电源管理设备、防雷装置、不间断电源；除不间断电源外，其他设备均安装于探测站室内机柜中。
34.热成像探头安装于探测箱内，探测箱通过卡轨器固定在两根钢轨的外侧；
35.所述热成像探头用于将轴承和车轮表面的红外能量转换为电信号，并将电信号通过数据处理主机传输至车辆运行安全监测站，在车辆运行安全监测站的监控终端上生成热图和温度值图像。在热图中，不同的颜色和亮度代表不同的温度。系统配置两套探测箱，背对来车，钢轨左侧和右侧各安装一套探测箱。
36.每个探测箱内含一组热成像探头、一套保护门传动装置、一套机箱。箱体设置的保护门，在不过车的时候保护门关闭，对内部设备保护。系统监测到来车，保护门自动打开，探头工作。
37.车轮传感器，通常又称之为“磁钢”，用于车速的测量和轮轴的定位，通过卡轨器固定在两根钢轨的内侧；列车通过探测站时，轮缘从磁钢顶面通过，切割磁力线，产生感应电动势。车轮接近传感器时，感应电压为正值；当车轮离开传感器时，感应电压为负值；当车轮中线与磁钢物力中心重合时，感应电压为零。系统通过采集识别该点信号对车轮位置准确定位。通过对磁钢定位信号的计算，可得到该列车通过的时间、机车数量、总辆数、总轴数、轴距、最低/最高/平均速度等信息；同时触发系统轴/轮温探测箱和智能跟踪装置开始工作。
38.每个探测方向安装4个磁钢，其相对位置如图2所示。正向通过的列车经过1号磁钢，系统自动检测并判断来车，进入探测状态，探测箱保护门打开，准备接车。系统结合2号、
3号和4号磁钢进行瞬时车速的计算和车轮定位，并具备磁钢故障冗余功能。1号磁钢和2号磁钢之间的安装距离(s)，应依据线路设计的最高车速设定。普速铁路线路允许速度120km/h及以下，图2中s值应不小于120m；普速铁路线路允许速度160km/h及以下，图2中s值应不小于160m。
39.磁钢的安装位置应尽量避开轨道回流轨、钢轨端头，通过卡轨支架固定在钢轨内侧。磁钢安装高度距离钢轨顶面应大于35mm，安装应牢固，满足地面设备安装限界要求。
40.a)磁钢外沿距钢轨轨头内侧距离为(88
2-3
)mm。
41.b)磁钢顶部距钢轨顶面高度(37
±
2)mm。
42.电控箱是室内外设备的硬件接口，具有信号输出、电源供给、室外设备控制等功能。电控箱接收车轮传感器的模拟信号并进行过零点检测，将模拟信号实时转换为数字信号，然后根据车轮定位信号对室外设备进行控制并为数据处理主机提供同步信号；接收轮轴位置信号、环境温度传感器信号；为探测箱提供电源输出，包括热成像探头直流电源供电、保护门打开关闭控制；负责整个探测站系统的来/去车判断、车速计算、轴距测量、车轮定位、保护门控制等，并向数据处理机提供定位触发信息及环温信息等。
43.数据处理主机采集热成像探头的热成像数据并根据电控箱上传的同步信号完成轮轴和温度矩阵数据的匹配、轴温轮温计算、计轴计辆、热故障判断、设备自检控制，并将数据通过通信网络上传至铁路局集团公司车辆运行安全监测站。主要功能如下：
44.(1)与热成像探头通信并采集温度矩阵数据；
45.(2)与电控箱数据交互，接收同步信号，并匹配轮轴温度矩阵；
46.(3)对室外设备发出控制指令；
47.(4)在轮轴温度矩阵中，定位轴承区域(轴承、端盖)和车轮区域(轮辋、辐板)，计算轴温和轮温；
48.计算参数包括：
49.温升：当前轴/轮最大绝对温度与环境温度的差值。
50.列侧平均温升：本列同侧所有轴/轮的平均温升。
51.列侧剩余平均温升：本列同侧不含当前轴/轮的平均温升。
52.(5)对各种探测数据进行智能化处理，形成分析判断报文，实时上传；
53.(6)控制进行各种标定，并显示视场热图和温度值；
54.(7)控制进行各种自检操作，并对系统工作状态进行判断；
55.(8)与监测站主机数据交互，通过模拟接口、数字接口、无线传输接口将各种数据上传；
56.(9)实现人机对话，实现各种数据的查询与分析。
57.智能跟踪装置有微波天线和主机两部分。智能跟踪装置的微波天线安装于室外轨道中心两枕木间，可接收通过车辆的电子标签信息。当列车车辆经过微波天线上方时，安装在车辆(或机车)底部的电子标签将接收到的部分微波反射回地面读出装置，反射回的微波信号携带了电子标签内存储的电子数据，再经射频线缆将数据传输至智能跟踪装置主机。
58.智能跟踪装置主机收到电子标签内存储的电子数据，对智能跟踪装置微波天线上传的车辆电子标签信息进行解码处理后还原成车次信息、配属段、车辆属性、车型、标准车号、换长、制造日期、制造厂等信息等数据信息，再由智能跟踪装置主机传输给数据处理主
机。数据处理主机软件将数据信息与车辆匹配，与列车探测数据一起上传铁路局集团公司级子网络的车辆运行安全监测站和各复示站，供列车跟踪和热轴热轮预报。
59.专用无线发射设备用于与红外线动态检测车进行数据传输，包括专用无线发射主机、大功率发射天线，采用专用频点对数据包进行无线传输，满足红外线检测车动态检测要求。红外线动态检测车是由安装在客车车体上的模拟车轮、模拟轴箱、探头方位尺、控温模块、无线传输、gps模块及检测计算机等组成。用于各路局或国铁集团定期动态检测地面thds设备的测温精度和探测方位，评判设备质量。
60.通信接口设备包括音频专线和宽带网络两种通信接口；音频专线采用标准的调制解调器进行通信。网络支持标准的tcp/ip通信协议。
61.远程电源管理设备通过检测数据处理主机的运行状态和探测站的电源供电情况，自主或远程对探测站设备进行复位、断电、重新通电操作。同时具备远程通信和远程控制能力。支持宽带网络或电话音频两种通道进行远程通信和远程控制。远程电源管理设备具有以下功能：
62.(1)主/辅路供电电源检测；
63.(2)设备供电检测，故障自动旁路处理；
64.(3)电话拨号，远程电源重启操作；
65.(4)网络平台操作，远程电源重启操作；
66.(5)内置后备充电电池，支持远程电源管理设备在探测站设备停电状态下工作时间2小时以上；
67.(6)室内外视频监控。
68.防雷装置可依据探测站的规划设计安装信号、电源防雷器件或采用探测站综合防雷方案。
69.不间断电源为探测站辅助设备，可根据探测站单路电网和独立两单路电网条件进行配置。
70.铁路局集团公司级子系统的车辆运行安全监测站设于铁路局集团公司调度所。所述车辆运行安全监测站包括网络通信设备、监测站主机和监控终端，监测站主机分别与网络通信设备与监控终端相连。通过专用通道或铁路计算机网络与管内探测站相连接，实时监测全路局thds的探测结果、预报信息，监控系统运行状态，并进行相关数据汇总和分析。
71.所述国铁集团级子系统包括国铁集团联网服务器和多个监控查询终端，国铁集团联网服务器与监控查询终端通过国铁集团机关局域网进行数据交互。
72.本发明thds采用热成像探头非接触探测物体表面温度并生成热图。可通过一组热成像探头实现货车、客车、动车组轴承(轴盖、外圈)和车轮的全探测。与传统thds设备相比，其研制效果如下，具有以下优势：
73.(1)使用探头数量少：一个热成像探头探测的部件范围比传统thds中3个探头共同探测的范围大，可完整探测货车和客车轴承的轴盖、外圈及车轮，如图3所示。
74.(2)探测部位多，探测面积大，传统探头通过内探获取轴承中隔圈附近温度，通过外探获取轴承端盖密封罩附近温度，通过热轮探头获取车轮轮辋附近温度。本发明采用一组热成像探头即可完成对前盖轴端、外圈中隔圈、轮辋、辐板、踏面等所有部位的探测。
75.(3)探测效果好，热分布可视：本发明的热成像探头是将轴承车轮表面红外能量
(热量)转换为电信号，进而在计算机成像系统的显示屏上生成热图和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测器件。在热图中，不同的颜色和亮度代表不同的温度，能够直观展示列车各个探测部位的温度。本发明thds的探测热图与传统探测得到的曲线图如图4所示。
76.(4)热轴探测更准确，高热点位置明确，车型及车辆蛇形摆动无影响。
77.无论车辆晃动较大，还是针对x1k、d型车等在轴承中隔圈下方有纵梁遮挡的铁路货车。本发明thds的轴温探测，均可在一张热图上，按区域自动统计整个轴箱区域、类传统thds内探区域、类传统thds外探区域的最高温度、平均温度等。系统探头视场角满足各型车辆蛇形运动的视场范围。
78.本发明thds系统探测轮轴热图如图5所示，左侧实线框和右侧虚线框框出的区域为整个轴承区域。其中，左侧实线框内包含了传统thds外探探测温度，右侧虚线框内包含了传统thds内探探测温度。竖直虚线为传统thds内探理论探测位置，实际随着车辆摆动，该虚线位置左右摆动。
79.因此，传统thds无法保证探测的温度值位置与理论探测位置一致。但本发明的thds对整个轴承成像，系统自动识别轴承，判断其温度最高点所在位置，有助于列检人员对部件故障定位、健康判断。轴承各部位温度对比如表2所示。
80.表2轴承各部位温度对比
[0081][0082]
在车辆摆动、各种车型下，thds通过离散地、少量地测温点，无法准确反映轴承前盖区域最高温度和中隔圈区域最高温度。本发明的探测结果是一个温度矩阵，该温度矩阵中包含了传统thds探测的那些点位、那些温度值。因此，本系统预报热轴更准确，高热点位置清晰、明确、可视，车型及车辆蛇形摆动对探测无影响。
[0083]
(5)热轮探测更准确，抱闸故障/热轴故障易区分。
[0084]
本发明的基于热成像的新型thds系统，车轮和轴承处于同一张热图，其高热区域及热传导梯度一目了然。系统自动识别车轮区域，并进行同列侧轮温对比。
[0085]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。