基于模糊理論的軌道振動(dòng)安全預(yù)測(cè)研究

【摘 要】為使鐵路行車更安全，研究了軌道安全預(yù)測(cè)方法，全面實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道斷線、大型路障等異常情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)確保行車安全。遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)檢測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)采用模糊控制理論及其相關(guān)算法，由模糊控制規(guī)則表來判斷鐵路軌道安全狀況，使列車員有足夠的時(shí)間在前方鐵軌出現(xiàn)異常時(shí)采取緊急措施。

【關(guān)鍵詞】軌道檢測(cè) 模糊控制 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

一、引言

當(dāng)今世界，鐵路的運(yùn)輸給國(guó)家和人民帶來巨大的經(jīng)濟(jì)收益，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，但同時(shí)也出現(xiàn)了相關(guān)問題，尤其是鐵路的運(yùn)輸安全問題最為突出。目前國(guó)內(nèi)國(guó)際對(duì)鐵路軌道安全檢測(cè)方面主要采用的是人工巡邏的方式，但檢測(cè)結(jié)果受環(huán)境、地域、人為的影響，存在盲點(diǎn)和盲區(qū)。

如何在最短時(shí)間內(nèi)得到準(zhǔn)確的鐵路狀態(tài)是鐵路運(yùn)行調(diào)度中心和鐵路駕駛員最關(guān)心最重要的問題。在得到準(zhǔn)確信息之后，才能使調(diào)度中心發(fā)出正確的調(diào)度命令，駕駛員采取正確措施。因而，研究鐵路運(yùn)行的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是鐵路發(fā)展的必然要求。

本文檢測(cè)列車撞擊軌道的震動(dòng)，通過嵌入式系統(tǒng)采用模糊控制手段將采集的信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)函數(shù)分析，在列車駕駛室實(shí)時(shí)顯示接受到的前方節(jié)點(diǎn)情況，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路軌道斷線、有路障等狀態(tài)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，代替人工巡邏。

二、 軌道檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用分布式集散控制系統(tǒng)，鐵路沿線的節(jié)點(diǎn)作為采集系統(tǒng)，中央控制處理單元采用模糊控制理論及其相關(guān)算法，由模糊控制規(guī)則表來判斷鐵路軌道的狀態(tài)。如圖1所示，在鐵路沿線每隔1公里安裝一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，檢測(cè)火車撞擊軌道接頭處產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，每次只需檢測(cè)火車前方5個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過處理后由無線發(fā)送到鐵路上方的電力線上，通過電力線載波的方式傳輸信號(hào)，然后火車終端無線接收。此方案具有將信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，而不必考慮高山和隧道對(duì)無線信號(hào)的阻擋。

（一）數(shù)據(jù)采集及傳輸

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由4個(gè)基本功能單元組成，分別是供電單元、處理單元、數(shù)據(jù)采集單元和無線通信單元。其中供電單元采用電池供電。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝霍爾傳感器，并通過壓電陶瓷傳感器同時(shí)采集火車前方5個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，以10Hz的采樣速率采集車輪撞擊軌道接頭處產(chǎn)生的振幅，信號(hào)經(jīng)濾波放大及數(shù)字處理后，由無線通信單元發(fā)送最大振幅數(shù)據(jù)。無線通信單元是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重要的功能單元?；疖嚱K端不需要接收前方所有節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，而只需要接收3～5個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)便可做出判斷。

若采集火車前方5個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則信號(hào)要傳輸5公里，經(jīng)高山隧道阻擋后的實(shí)際可傳輸距離更短，故可將信號(hào)發(fā)送到鐵路上方的電力線上，通過電力線載波的方式傳輸信號(hào)。當(dāng)火車終端呼叫某節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將信號(hào)調(diào)制后發(fā)送出去，火車終端處理器接收到信號(hào)后并解調(diào)。

（二） 數(shù)據(jù)處理

火車控制室接收的是節(jié)點(diǎn)傳來的振幅信號(hào)，為了抑制共模干擾，應(yīng)對(duì)接收的前方5個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行比較，從最近節(jié)點(diǎn)到最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的振幅信號(hào)擬合的曲線應(yīng)是平滑的衰減曲線（如圖2（a）所示）。在單軌上的火車無論行進(jìn)至哪里，其前方5個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的振動(dòng)信號(hào)形成的自相關(guān)函數(shù)應(yīng)是基本一致的。若信號(hào)曲線出現(xiàn)畸變，則說明軌道上可能有路障。對(duì)振動(dòng)自相關(guān)函數(shù)的分析可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)列車前方靜態(tài)路障，如當(dāng)擬合的曲線出現(xiàn)衰減過快時(shí)（如圖2（b）所示），則前方軌道上可能大型路障，引起振蕩阻尼系數(shù)增大；當(dāng)曲線出現(xiàn)前后衰減平滑而中間突變時(shí)（如圖2（c）所示），則前方鐵路有可能斷線，引起斷線處的前后節(jié)點(diǎn)之間阻尼系數(shù)大大增加。對(duì)靜態(tài)故障的分析，還要考慮消除瞬時(shí)干擾（例如有人很快穿過鐵軌），避免誤報(bào)。

由于不可能得到準(zhǔn)確的自相關(guān)函數(shù)表達(dá)式，對(duì)曲線畸變的判斷界限模糊，故需對(duì)各種情況進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立模糊控制規(guī)則表，從而來判斷鐵路軌道的狀態(tài)，使列車有足夠的時(shí)間在前方鐵軌出現(xiàn)故障時(shí)采取緊急措施。

三、軌道檢測(cè)模型設(shè)計(jì)與測(cè)試

（一）模型硬件結(jié)構(gòu)

軌道檢測(cè)模型結(jié)構(gòu)圖與采集盒原理圖如圖3、4所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括霍爾傳感器、壓電陶瓷傳感器、信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)處理器。給每個(gè)節(jié)點(diǎn)編碼，通過串口通信協(xié)議來識(shí)別各節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的軌道留有凸起，模擬火車撞擊軌道接頭處。小車?yán)锏拇配撚脕頇z測(cè)小車的位置，到達(dá)某節(jié)點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的指示燈亮。實(shí)驗(yàn)時(shí)信號(hào)采用有線傳輸，終端用微處理器接收處理節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，并將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)以條形統(tǒng)計(jì)圖形式顯示。

（二）模型軟件流程

一般振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍在10～1000Hz，從傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過模擬濾波等處理后發(fā)送到終端處理器，終端處理器對(duì)采集過來的信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)速度和振幅的有效值分析，在軟件中設(shè)置一個(gè)門限，當(dāng)超過門限時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，并在上位機(jī)顯示出來。有效值計(jì)算公式為：

考慮到軌道振動(dòng)中干擾信號(hào)的影響在對(duì)速度振幅的有效值分析之前我們需對(duì)采集來的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波（FIR）。另外由于振動(dòng)信號(hào)存在環(huán)境的多樣性和隨機(jī)性。對(duì)于信號(hào)的可靠分析需要綜合多種信息處理方法.才能保證在線分析測(cè)試結(jié)果的有效性。

模型工作流程如圖4所示。上位機(jī)發(fā)送啟停、前進(jìn)、后退等命令給終端以控制小車運(yùn)動(dòng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)1檢測(cè)到小車行至此處時(shí)，通知終端，然后終端命令節(jié)點(diǎn)1～5持續(xù)2s以10Hz的采樣速率采集振幅信號(hào)，節(jié)點(diǎn)1～5將采集到的最大值發(fā)送到終端，終端通過模糊控制規(guī)則表判斷前方軌道狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示。同理，當(dāng)節(jié)點(diǎn)k檢測(cè)到小車行至此處時(shí)，則終端命令節(jié)點(diǎn)k～k+4采集信號(hào)。

（三） 模型測(cè)試

上位機(jī)顯示的軌道在各種狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)條形圖如圖5所示。從圖中可明顯看出，檢測(cè)到的正常的軌道的振動(dòng)曲線呈比較平滑的衰減曲線；當(dāng)腳踩在軌道上時(shí)，曲線衰減較快；當(dāng)軌道斷線時(shí)，后面的節(jié)點(diǎn)信號(hào)明顯比前面的節(jié)點(diǎn)信號(hào)要弱很多。

四、結(jié)束語

鐵路行車安全是不分國(guó)籍的，鐵路運(yùn)輸?shù)膲毫υ絹碓酱?，如何保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩焖倬惋@得尤其重要。鐵路軌道路障檢測(cè)是鐵路運(yùn)輸安全的重要保障之一，因此對(duì)鐵路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及對(duì)鐵路軌道安全預(yù)測(cè)具有重要的實(shí)際意義。本項(xiàng)目能全天候自動(dòng)采集鐵路沿線軌道信息，沒有人工的干預(yù)，減少差錯(cuò)性；預(yù)警響應(yīng)及時(shí)可靠；成本較低；避免了盲點(diǎn)和盲區(qū)。

為了驗(yàn)證對(duì)鐵路軌道檢測(cè)結(jié)果的判斷，可在檢測(cè)到異常后，立即通過衛(wèi)星拍照來確認(rèn)前方軌道情況，更好的避免誤報(bào)，在保證安全的同時(shí)不妨礙運(yùn)輸能力。在今后的研究中，我們還將解決復(fù)線鐵路的干擾問題，將應(yīng)用范圍從山區(qū)單線鐵路擴(kuò)大到復(fù)線鐵路。

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