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【摘 要】为使铁路行车更安全，研究了轨道安全预测方法，全面实现对轨道断线、大型路障等异常情况的实时监测确保行车安全。远距离动态检测振动数据，对振动信号采用模糊控制理论及其相关算法，由模糊控制规则表来判断铁路轨道安全状况，使列车员有足够的时间在前方铁轨出现异常时采取紧急措施。
【关键词】轨道检测 模糊控制 无线传感器网络
一、引言
当今世界，铁路的运输给国家和人民带来巨大的经济收益，带动相关产业的飞速发展，但同时也出现了相关问题，尤其是铁路的运输安全问题最为突出。目前国内国际对铁路轨道安全检测方面主要采用的是人工巡逻的方式，但检测结果受环境、地域、人为的影响，存在盲点和盲区。
如何在最短时间内得到准确的铁路状态是铁路运行调度中心和铁路驾驶员最关心最重要的问题。在得到准确信息之后，才能使调度中心发出正确的调度命令，驾驶员采取正确措施。因而，研究铁路运行的自动检测系统是铁路发展的必然要求。
本文检测列车撞击轨道的震动，通过嵌入式系统采用模糊控制手段将采集的信号进行自相关函数分析，在列车驾驶室实时显示接受到的前方节点情况，最终可实现对铁路轨道断线、有路障等状态的实时自动监测，代替人工巡逻。
二、 轨道检测系统设计
本系统采用分布式集散控制系统，铁路沿线的节点作为采集系统，中央控制处理单元采用模糊控制理论及其相关算法，由模糊控制规则表来判断铁路轨道的状态。如图1所示，在铁路沿线每隔1公里安装一无线传感器网络节点，检测火车撞击轨道接头处产生的振动信号，每次只需检测火车前方5个节点的信号。信号经过处理后由无线发送到铁路上方的电力线上，通过电力线载波的方式传输信号，然后火车终端无线接收。此方案具有将信号进行远距离传输的优点，而不必考虑高山和隧道对无线信号的阻挡。
（一）数据采集及传输
无线传感器网络节点通常由4个基本功能单元组成，分别是供电单元、处理单元、数据采集单元和无线通信单元。其中供电单元采用电池供电。在每个节点安装霍尔传感器，并通过压电陶瓷传感器同时采集火车前方5个节点的振动信号，以10Hz的采样速率采集车轮撞击轨道接头处产生的振幅，信号经滤波放大及数字处理后，由无线通信单元发送最大振幅数据。无线通信单元是无线传感器网络节点重要的功能单元。火车终端不需要接收前方所有节点的信号，而只需要接收3～5个节点信号便可做出判断。
若采集火车前方5个节点的数据，则信号要传输5公里，经高山隧道阻挡后的实际可传输距离更短，故可将信号发送到铁路上方的电力线上，通过电力线载波的方式传输信号。当火车终端呼叫某节点时，该节点将信号调制后发送出去，火车终端处理器接收到信号后并解调。
（二） 数据处理
火车控制室接收的是节点传来的振幅信号，为了抑制共模干扰，应对接收的前方5个节点的信号进行比较，从最近节点到最远节点的振幅信号拟合的曲线应是平滑的衰减曲线（如图2（a）所示）。在单轨上的火车无论行进至哪里，其前方5个节点采集的振动信号形成的自相关函数应是基本一致的。若信号曲线出现畸变，则说明轨道上可能有路障。对振动自相关函数的分析可以比较准确的预测列车前方静态路障，如当拟合的曲线出现衰减过快时（如图2（b）所示），则前方轨道上可能大型路障，引起振荡阻尼系数增大；当曲线出现前后衰减平滑而中间突变时（如图2（c）所示），则前方铁路有可能断线，引起断线处的前后节点之间阻尼系数大大增加。对静态故障的分析，还要考虑消除瞬时干扰（例如有人很快穿过铁轨），避免误报。
由于不可能得到准确的自相关函数表达式，对曲线畸变的判断界限模糊，故需对各种情况进行大量实验，根据实验数据建立模糊控制规则表，从而来判断铁路轨道的状态，使列车有足够的时间在前方铁轨出现故障时采取紧急措施。
三、轨道检测模型设计与测试
（一）模型硬件结构
轨道检测模型结构图与采集盒原理图如图3、4所示。每个节点包括霍尔传感器、压电陶瓷传感器、信号放大器、模数转换器和单片机处理器。给每个节点编码，通过串口通信协议来识别各节点。每个节点处的轨道留有凸起，模拟火车撞击轨道接头处。小车里的磁钢用来检测小车的位置，到达某节点时对应节点的指示灯亮。实验时信号采用有线传输，终端用微处理器接收处理节点的信号，并将数据上传到PC机以条形统计图形式显示。
（二）模型软件流程
一般振动信号的频率范围在10～1000Hz，从传感器采集的信号经过模拟滤波等处理后发送到终端处理器，终端处理器对采集过来的信号进行振动速度和振幅的有效值分析，在软件中设置一个门限，当超过门限时系统报警，并在上位机显示出来。有效值计算公式为：
考虑到轨道振动中干扰信号的影响在对速度振幅的有效值分析之前我们需对采集来的信号进行数字滤波（FIR）。另外由于振动信号存在环境的多样性和随机性。对于信号的可靠分析需要综合多种信息处理方法.才能保证在线分析测试结果的有效性。
模型工作流程如图4所示。上位机发送启停、前进、后退等命令给终端以控制小车运动，当节点1检测到小车行至此处时，通知终端，然后终端命令节点1～5持续2s以10Hz的采样速率采集振幅信号，节点1～5将采集到的最大值发送到终端，终端通过模糊控制规则表判断前方轨道状态，并将数据发送到上位机显示。同理，当节点k检测到小车行至此处时，则终端命令节点k～k+4采集信号。
（三） 模型测试
上位机显示的轨道在各种状态下的振动数据条形图如图5所示。从图中可明显看出，检测到的正常的轨道的振动曲线呈比较平滑的衰减曲线；当脚踩在轨道上时，曲线衰减较快；当轨道断线时，后面的节点信号明显比前面的节点信号要弱很多。
四、结束语
铁路行车安全是不分国籍的，铁路运输的压力越来越大，如何保障铁路运输的安全快速就显得尤其重要。铁路轨道路障检测是铁路运输安全的重要保障之一，因此对铁路进行实时监控以及对铁路轨道安全预测具有重要的实际意义。本项目能全天候自动采集铁路沿线轨道信息，没有人工的干预，减少差错性；预警响应及时可靠；成本较低；避免了盲点和盲區。
为了验证对铁路轨道检测结果的判断，可在检测到异常后，立即通过卫星拍照来确认前方轨道情况，更好的避免误报，在保证安全的同时不妨碍运输能力。在今后的研究中，我们还将解决复线铁路的干扰问题，将应用范围从山区单线铁路扩大到复线铁路。
参考文献：
[1]《工程方案设计中的模糊理论与技术》作者： 钟诗胜著 出版日期： 2000年06月第1版 出版社：哈尔滨工业大学出版社
[2]《轨道工程》作者：陈秀方 中国建筑工业出版社 出版日期：2005-01-01
[3]《铁路轨道》 作者： 宋友富主编 出版社： 中国铁道出版社 出版日期： 2004-03-01 出版地：北京
[4]《机械振动学》 作者：闻邦春 刘树英 张纯宇 出版社：冶金工业出版社 出版日期：2000-2-1
[5]《现代振动与噪声技术（第4卷）》 作者： 应怀樵 主编 出版社： 航空工业出版社 出版日期： 2005-10
[6]《低成本振动信号分析监控系统》作者：王永和，王咏梅 《微计算机信息》（测控自动化）2004年第20卷第11期
【关键词】轨道检测 模糊控制 无线传感器网络
一、引言
当今世界，铁路的运输给国家和人民带来巨大的经济收益，带动相关产业的飞速发展，但同时也出现了相关问题，尤其是铁路的运输安全问题最为突出。目前国内国际对铁路轨道安全检测方面主要采用的是人工巡逻的方式，但检测结果受环境、地域、人为的影响，存在盲点和盲区。
如何在最短时间内得到准确的铁路状态是铁路运行调度中心和铁路驾驶员最关心最重要的问题。在得到准确信息之后，才能使调度中心发出正确的调度命令，驾驶员采取正确措施。因而，研究铁路运行的自动检测系统是铁路发展的必然要求。
本文检测列车撞击轨道的震动，通过嵌入式系统采用模糊控制手段将采集的信号进行自相关函数分析，在列车驾驶室实时显示接受到的前方节点情况，最终可实现对铁路轨道断线、有路障等状态的实时自动监测，代替人工巡逻。
二、 轨道检测系统设计
本系统采用分布式集散控制系统，铁路沿线的节点作为采集系统，中央控制处理单元采用模糊控制理论及其相关算法，由模糊控制规则表来判断铁路轨道的状态。如图1所示，在铁路沿线每隔1公里安装一无线传感器网络节点，检测火车撞击轨道接头处产生的振动信号，每次只需检测火车前方5个节点的信号。信号经过处理后由无线发送到铁路上方的电力线上，通过电力线载波的方式传输信号，然后火车终端无线接收。此方案具有将信号进行远距离传输的优点，而不必考虑高山和隧道对无线信号的阻挡。
（一）数据采集及传输
无线传感器网络节点通常由4个基本功能单元组成，分别是供电单元、处理单元、数据采集单元和无线通信单元。其中供电单元采用电池供电。在每个节点安装霍尔传感器，并通过压电陶瓷传感器同时采集火车前方5个节点的振动信号，以10Hz的采样速率采集车轮撞击轨道接头处产生的振幅，信号经滤波放大及数字处理后，由无线通信单元发送最大振幅数据。无线通信单元是无线传感器网络节点重要的功能单元。火车终端不需要接收前方所有节点的信号，而只需要接收3～5个节点信号便可做出判断。
若采集火车前方5个节点的数据，则信号要传输5公里，经高山隧道阻挡后的实际可传输距离更短，故可将信号发送到铁路上方的电力线上，通过电力线载波的方式传输信号。当火车终端呼叫某节点时，该节点将信号调制后发送出去，火车终端处理器接收到信号后并解调。
（二） 数据处理
火车控制室接收的是节点传来的振幅信号，为了抑制共模干扰，应对接收的前方5个节点的信号进行比较，从最近节点到最远节点的振幅信号拟合的曲线应是平滑的衰减曲线（如图2（a）所示）。在单轨上的火车无论行进至哪里，其前方5个节点采集的振动信号形成的自相关函数应是基本一致的。若信号曲线出现畸变，则说明轨道上可能有路障。对振动自相关函数的分析可以比较准确的预测列车前方静态路障，如当拟合的曲线出现衰减过快时（如图2（b）所示），则前方轨道上可能大型路障，引起振荡阻尼系数增大；当曲线出现前后衰减平滑而中间突变时（如图2（c）所示），则前方铁路有可能断线，引起断线处的前后节点之间阻尼系数大大增加。对静态故障的分析，还要考虑消除瞬时干扰（例如有人很快穿过铁轨），避免误报。
由于不可能得到准确的自相关函数表达式，对曲线畸变的判断界限模糊，故需对各种情况进行大量实验，根据实验数据建立模糊控制规则表，从而来判断铁路轨道的状态，使列车有足够的时间在前方铁轨出现故障时采取紧急措施。
三、轨道检测模型设计与测试
（一）模型硬件结构
轨道检测模型结构图与采集盒原理图如图3、4所示。每个节点包括霍尔传感器、压电陶瓷传感器、信号放大器、模数转换器和单片机处理器。给每个节点编码，通过串口通信协议来识别各节点。每个节点处的轨道留有凸起，模拟火车撞击轨道接头处。小车里的磁钢用来检测小车的位置，到达某节点时对应节点的指示灯亮。实验时信号采用有线传输，终端用微处理器接收处理节点的信号，并将数据上传到PC机以条形统计图形式显示。
（二）模型软件流程
一般振动信号的频率范围在10～1000Hz，从传感器采集的信号经过模拟滤波等处理后发送到终端处理器，终端处理器对采集过来的信号进行振动速度和振幅的有效值分析，在软件中设置一个门限，当超过门限时系统报警，并在上位机显示出来。有效值计算公式为：
考虑到轨道振动中干扰信号的影响在对速度振幅的有效值分析之前我们需对采集来的信号进行数字滤波（FIR）。另外由于振动信号存在环境的多样性和随机性。对于信号的可靠分析需要综合多种信息处理方法.才能保证在线分析测试结果的有效性。
模型工作流程如图4所示。上位机发送启停、前进、后退等命令给终端以控制小车运动，当节点1检测到小车行至此处时，通知终端，然后终端命令节点1～5持续2s以10Hz的采样速率采集振幅信号，节点1～5将采集到的最大值发送到终端，终端通过模糊控制规则表判断前方轨道状态，并将数据发送到上位机显示。同理，当节点k检测到小车行至此处时，则终端命令节点k～k+4采集信号。
（三） 模型测试
上位机显示的轨道在各种状态下的振动数据条形图如图5所示。从图中可明显看出，检测到的正常的轨道的振动曲线呈比较平滑的衰减曲线；当脚踩在轨道上时，曲线衰减较快；当轨道断线时，后面的节点信号明显比前面的节点信号要弱很多。
四、结束语
铁路行车安全是不分国籍的，铁路运输的压力越来越大，如何保障铁路运输的安全快速就显得尤其重要。铁路轨道路障检测是铁路运输安全的重要保障之一，因此对铁路进行实时监控以及对铁路轨道安全预测具有重要的实际意义。本项目能全天候自动采集铁路沿线轨道信息，没有人工的干预，减少差错性；预警响应及时可靠；成本较低；避免了盲点和盲區。
为了验证对铁路轨道检测结果的判断，可在检测到异常后，立即通过卫星拍照来确认前方轨道情况，更好的避免误报，在保证安全的同时不妨碍运输能力。在今后的研究中，我们还将解决复线铁路的干扰问题，将应用范围从山区单线铁路扩大到复线铁路。
参考文献：
[1]《工程方案设计中的模糊理论与技术》作者： 钟诗胜著 出版日期： 2000年06月第1版 出版社：哈尔滨工业大学出版社
[2]《轨道工程》作者：陈秀方 中国建筑工业出版社 出版日期：2005-01-01
[3]《铁路轨道》 作者： 宋友富主编 出版社： 中国铁道出版社 出版日期： 2004-03-01 出版地：北京
[4]《机械振动学》 作者：闻邦春 刘树英 张纯宇 出版社：冶金工业出版社 出版日期：2000-2-1
[5]《现代振动与噪声技术（第4卷）》 作者： 应怀樵 主编 出版社： 航空工业出版社 出版日期： 2005-10
[6]《低成本振动信号分析监控系统》作者：王永和，王咏梅 《微计算机信息》（测控自动化）2004年第20卷第11期