CN114435422A - 一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置及方法 - Google Patents

一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置及方法，属于铁路安全监控领域。目标定位探测装置包括红外探头、上位机和联网中心，红外探头包括探头壳体、红外探测窗口、激光测距探测窗口、红外光学***、激光测距传感器、红外传感器和信号处理模块。开始时，红外传感器将红外光学***接收的轴箱红外辐射转化为电压信号，输出给信号处理模块，处理后上传给上位机。同时激光测距传感器探测列车移动产生的距离信息，上传上位机。然后上位机对距离信息和电压信号数据进行处理，确定轴箱位置，以及轴箱区域温度信息，准确计算轴温。最后将轴温上传给联网中心进行热轴预报。本发明确保了轴温计算的准确性，降低误报和漏报的概率。

Description

一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置及方法
技术领域
本发明属于铁路安全监控领域，具体是一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置及方法。
背景技术
在铁路安全监控领域，红外轴温探测***采用了非接触式红外探测，能够快速的探测出列车运行过程中轴箱的温度。红外轴温探测***采用了红外传感器作为核心部件，所敏感的是红外辐射，在实际应用中，红外轴温探测中受列车车型、维修处理状况和运行状况等影响，可能会存在探测目标受遮挡或探测目标受其他热干扰的情况，导致探测结果出现异常波形，中心软件难以判断真实情况，进而产生误报。
目前，针对异常波形的问题，红外轴温探测***主要采用的方法是软件自动识别。通过一些案例中出现的特定轴温波形，由软件进行学习并针对性地识别，当某一次探测出现类似的轴温波形时，软件会识别出该波形及其相应的特征，结合同辆同列的其他轴承情况进行异常波形分析和判断，最后确定该波形为异常轴温波形，并进行相应处理。
在实际应用中，上述的软件自动识别方法仍然存在缺陷：首先，异常波形出现的情况不一定符合曾出现过的案例中的相同情形，如果套用之前案例中的轴温波形进行比较判断，可能会出现误报；其次，在目标受到热干扰后，探测的轴温波形可能会被当成异常波形，会直接影响对真实轴温的判断，以至于漏报或错报轴温过热的情况，对列车安全运行产生重大影响。
发明内容
本发明为了解决铁路车辆红外探测***异常波形识别的问题，实现准确、可靠和有效探测，提出了一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置及方法。
所述的基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置包括：红外探头、上位机和联网中心；红外探头固定于铁轨外侧壁，通过电缆依次连接上位机和联网中心。
红外探头包括探头壳体、红外探测窗口、激光测距探测窗口、红外光学***、激光测距传感器、红外传感器和信号处理模块。
探头壳体为长方体，在探头壳体上表面的中心开有通孔，作为红外探测窗口，激光测距探测窗口与红外探测窗口相邻；探头壳体内部固定有红外光学***、激光测距传感器、红外传感器和信号处理模块，红外光学***接收穿过红外探测窗口的所有光信号，红外光学***与红外传感器的一端连接，红外传感器另一端连接信号处理模块，信号处理模块连接上位机。激光测距传感器接收通过激光测距探测窗口的激光信号，激光测距传感器直接与上位机连接。同时，激光测距传感器和红外传感器的光学中心重合。
一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置的工作原理如下：
探测状态下，列车轴箱的红外辐射通过红外光学***后进入红外传感器；红外传感器接收到红外辐射后，利用光电效应将光信号转化为电压信号，并输出给信号处理模块，电压信号经信号处理模块处理后上传给上位机。
同时，激光测距传感器通过发射和接收激光信号探测列车移动产生的距离信息。距离信息直接经电缆上传上位机。
然后，上位机对距离信息和电压信号数据进行信号修正、波形绘制和分析判断，得到列车轴箱及附近区域连续的轮廓信息，从而确定轴箱位置。再通过与轴箱位置波形同一时间段的比对，获得红外探测波形的轴箱温度区域信息，从而准确计算轴温。
最后，上位机将轴温信息上传给联网中心，联网中心综合其他信息进行热轴预报。
所述的一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测方法，具体步骤如下：
步骤一、初始时，铁路红外轴温探测***处于侦听状态，当侦听到有过车时，启动红外探头。
步骤二、红外探头中的红外传感器和激光测距传感器同时分别对列车轴箱进行探测，并将探测到的数据分别传输至信号处理模块和上位机。
红外传感器对列车轴箱的探测过程为：红外传感器实时连续地接收列车轴箱及轴箱前后部位的红外辐射，并将光信号转化为电压信号传输给信号处理模块，信号处理模块对电压信号处理后上传给上位机，上位机对接收到的信号数据处理后得到时间-电压曲线α，从曲线α中截取T时间段内的电压曲线VT。
激光测距传感器对列车轴箱的探测过程为：激光测距传感器实时探测轴箱及轴箱前后的车底部位距离数据，并将距离数据传输到上位机后得到距离-时间曲线β，从曲线β中得到T时间段内的轮廓曲线VS。
步骤三、上位机采用波形识别算法从轮廓曲线VS中，提取和识别出激光测距传感器探测到列车轴箱波形所经过的时间段Th。
波形识别算法：轴箱波形是一种特殊的带弧度的波形，根据该特殊波形识别出探测轴箱的开始点和结束点，开始点和结束点之间的时间即为时间段Th。
步骤四、上位机在修正了红外传感器和激光测距传感器两种信号的时间误差后，从VT中截取基于时间段Th的一段波形VR。
时间误差是红外传感器和激光测距传感器在信号传输和信号处理过程的延时时间差，修正时间误差是将红外传感器和激光测距传感器的信号的时间轴调成一致。
步骤五、上位机根据波形VR对轴箱的温度进行综合计算，得到准确的轴箱温度，并将计算结果上传联网中心进行热轴预报，判断出异常波形，做出预警。
本发明的优点在于：
(1)一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置，能够获取列车轮廓数据，从中找到当前红外传感器所要探测目标的准确位置，确保目标温度计算的准确性。
(2)一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测方法，能降低干扰，提高对异常波形的识别率，进而提高红外探测的准确性，降低误报和漏报的概率。
附图说明
图1为本发明一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置的探测示意图；
图2为本发明一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置的红外探头外部示意图；
图3为本发明一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置的红外探头内部组成图；
图4为本发明一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测方法的流程图；
图5是本发明获取的实际有效轴温探测曲线的示意图；其中，图5a表示正常波形，图5b表示异常波形。
图中，
1-红外探头、2-列车轴箱、3-上位机、4-联网中心；
101-红外探测窗口，102-激光测距探测窗口，103-探头壳体，104-红外光学***，105-红外传感器，106-激光测距传感器，107-信号处理模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。
本发明一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置及方法，增加一个激光测距传感器，其探测视场中心与红外传感器的中心重合，确保能够获得和红外传感器相同的探测视场。激光测距传感器通过发收激光，能够获得列车车底扫过轴箱一线的轮廓。由于大部分的轴箱部位轮廓近似相同，因此可以利用该特点，快速识别出轴箱部位所在的时间段。红外传感器获得的是轴箱部位前后一线的红外辐射。由于热干扰的存在，红外辐射经光电转换后得到的电压时间曲线并不能完全体现轴箱的特征。因此，利用激光测距所描绘的轮廓曲线，能帮助定位红外探测的目标区域。
如图1所示，基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置包括红外探头1、列车轴箱2、上位机3和联网中心4；
列车轴箱2是红外轴温探测***主要的探测目标。
上位机3通常位于轨旁的探测站内，用于接收探测数据、计算探测目标温度以及上传数据等，在接收到红外探头发送过来的数据后，需要对其进行转换、计算和修正，获得真实的轴温波形区域，计算出准确的轴箱温度。最后将修正后的数据上传至联网中心4。
联网中心4接收到上位机3发来的数据，能够根据数据的信息，结合其他探测站的数据信息，综合判断当前过车热轴的发热状况并预报。
如图2和图3所示，红外探头1包括：红外探测窗口101、激光测距探测窗口102、探头壳体103、红外光学***104、红外传感器105、激光测距传感器106和信号处理模块107。
探头壳体103起到承载和保护传感器等部件的作用。红外探测窗口101和激光测距探测窗口102集成在探头壳体103上，红外探测窗口101下方的壳体内壁上固定红外光学***104。红外光学***104起到滤波、隔离和汇聚的作用，可将红外辐射能量汇聚到红外传感器105上；红外传感器105与信号处理模块107连接，信号处理模块107将红外传感器105的信号进行处理后，传输至上位机3。激光测距传感器106的激光直接通过激光测距探测窗口102收发，激光测距传感器106直接将接收的激光信号传输到上位机3进行处理。
优选的，激光测距传感器探测探测范围为0-1000mm，精度1mm，探测频率不低于5000hz。
优选的，红外光学***采用两个独立的光学***，探测波长范围根据探测器的要求进行光学滤波。
一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置的工作原理，如图4所示，具体如下：
初始时，铁路红外轴温探测***处于侦听状态，当侦听到有过车时，启动红外探头。
列车轴箱经过时产生的红外辐射进入红外传感器，并经过信号处理后传输到上位机，形成电压-时间曲线；激光测距传感器发射激光，并接收经过列车轴箱返回的激光，得到与红外传感器探测相同列车轴箱的位置移动距离，并上传上位机，绘制出距离-时间曲线，进而获得一个基于距离的列车侧部轮廓曲线。
两个曲线经上位机软件分析和识别，从距离-时间曲线的波形获得准确的轴箱定位，再通过这个定位获得电压-时间曲线上的轴箱电压，经计算后获得轴箱温度。上位机将轴箱温度数据发送给联网中心，由联网中心综合其他数据进行判断，准确预报热轴。
一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测方法，如图5所示，具体步骤如下：
步骤一、过车状态下，红外传感器实时连续地接收列车轴箱和轴箱前后部位以及车底的红外辐射，并通过光电转换输出电压，输出电压传输到上位机进行处理后得到时间-电压曲线α。从曲线α中截取T时间段内的电压VT，其中T为车轮传感器感应到车轮位置及其前后各1.5米距离的探测时间段。
步骤二、激光测距传感器实时探测轴箱部位及前后的车底部位距离数据，传输到上位机经处理后得到距离-时间的曲线β。从β中截取T时间内的部分，得到T时间段内的轮廓曲线VS。
步骤三、上位机采用波形识别算法，从轮廓曲线VS中提取和识别出轴箱的轮廓，并确定轮廓的起始和截止点。基于起始和截止点，从T时间内获得激光测距传感器探测到车辆轴箱的时间段Th。
步骤四、上位机修正红外传感器和激光测距传感器两种信号的时间误差后，上位机从电压-时间曲线VT中截取基于时间段Th的一段波形VR。
步骤五、上位机根据VR对轴箱的温度进行计算后得到轴箱温度，并将温度数据上传至联网中心。
这部分是目前THDS轴温探测***里的计算温度的方法，按照***标定得到探测系数，热靶标定得到参考的电压-温度曲线，然后利用这两者结合VR得到的电压计算出温度。
步骤七、联网中心基于温度数据，结合前后探测站数据、环境传感数据和轴箱跟踪数据等进行综合预报，并识别异常波形。
异常波形是受到阳光干扰的轴温波形，正常的轴温波形是梯形波。但受到干扰后中心需要知道，当前波形不正常，是有干扰的，在预报热轴的时候要适当进行调整。
如图5所示，为本发明两种实施例，在修正时间误差后，基于时间段Th从曲线α中截取到波形VR，如图5a所示，是轴温波形为正常的梯形波的情况；图5b所示为有高温物体遮挡时所得到的波形图，从图中可以明显看出，在有遮挡的部分曲线β出现异常波动，不能认定为轴箱轮廓，相应的曲线α中电压呈异常升高态势，此时联网中心认定波形异常部分存在干扰，应选取左侧的有效VR部分，并提示有异常干扰。
本发明基于红外轴温探测，引入激光测距传感器对轴箱位置及其前后部位进行测距。该传感器生成距离-时间曲线后，上位机基于轮廓曲线特征获得轴箱的准确探测位置所对应的时间段，利用该时间段能够从红外传感器得到的电压-时间曲线中确定有效的轴温曲线，大幅提高了红外轴温探测的准确度，确保热轴预报的准确性。
本发明旨在解决上述一个或多个缺陷和缺点，但任何特定问题的解决方案不是对本公开或所附权利要求的范围的限制，除非明确指出。

Claims (5)

1.一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置，其特征在于，包括红外探头、上位机和联网中心；红外探头固定于铁轨外侧壁，通过电缆依次连接上位机和联网中心；
红外探头包括探头壳体、红外探测窗口、激光测距探测窗口、红外光学***、激光测距传感器、红外传感器和信号处理模块；
探头壳体为长方体，在探头壳体上表面的中心开有通孔，作为红外探测窗口，激光测距探测窗口与红外探测窗口相邻；探头壳体内部固定有红外光学***、激光测距传感器、红外传感器和信号处理模块，红外光学***接收穿过红外探测窗口的所有光信号，红外光学***与红外传感器的一端连接，红外传感器另一端连接信号处理模块，信号处理模块连接上位机；激光测距传感器接收通过激光测距探测窗口的激光信号，激光测距传感器直接与上位机连接；同时，激光测距传感器和红外传感器的光学中心重合。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁路红外轴温探测的目标定位探测装置，其特征在于，所述装置的工作原理如下：
探测状态下，列车轴箱的红外辐射通过红外光学***后进入红外传感器；红外传感器接收到红外辐射后，利用光电效应将光信号转化为电压信号，并输出给信号处理模块，电压信号经信号处理模块处理后上传给上位机；
同时，激光测距传感器通过发射和接收激光信号探测列车移动产生的距离信息，距离信息直接经电缆上传上位机；
然后，上位机对距离信息和电压信号数据进行信号修正、波形绘制和分析判断，得到列车轴箱及附近区域连续的轮廓信息，从而确定轴箱位置；再通过与轴箱位置波形同一时间段的比对，获得红外探测波形的轴箱温度区域信息，从而准确计算轴温；
最后，上位机将轴温信息上传给联网中心，联网中心综合其他信息进行热轴预报。
3.基于权利要求1所述的目标定位装置进行目标定位探测的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、初始时，铁路红外轴温探测***处于侦听状态，当侦听到有过车时，启动红外探头；
步骤二、红外探头中的红外传感器和激光测距传感器同时分别对列车轴箱进行探测，并将探测到的数据分别传输至信号处理模块和上位机；
红外传感器对列车轴箱的探测过程为：红外传感器实时连续地接收列车轴箱及轴箱前后部位的红外辐射，并将光信号转化为电压信号传输给信号处理模块，信号处理模块对电压信号处理后上传给上位机，上位机对接收到的信号数据处理后得到时间-电压曲线α，从曲线α中截取T时间段内的电压曲线VT；
激光测距传感器对列车轴箱的探测过程为：激光测距传感器实时探测轴箱及轴箱前后的车底部位距离数据，并将距离数据传输到上位机后得到距离-时间曲线β，从曲线β中得到T时间段内的轮廓曲线VS；
步骤三、上位机采用波形识别算法从轮廓曲线VS中，提取和识别出激光测距传感器探测到列车轴箱波形所经过的时间段Th；
步骤四、上位机在修正了红外传感器和激光测距传感器两种信号的时间误差后，从VT中截取基于时间段Th的一段波形VR；
步骤五、上位机根据波形VR对轴箱的温度进行综合计算，得到准确的轴箱温度，并将计算结果上传联网中心进行热轴预报，判断出异常波形，做出预警。
4.根据权利要求3所述的目标定位探测方法，其特征在于，所述的波形识别算法为：轴箱波形是一种特殊的带弧度的波形，根据该特殊波形识别出探测轴箱的开始点和结束点，开始点和结束点之间的时间即为时间段Th。
5.根据权利要求3所述的目标定位探测方法，其特征在于，所述的时间误差是红外传感器和激光测距传感器在信号传输和信号处理过程的延时时间差，修正时间误差是将红外传感器和激光测距传感器的信号的时间轴调成一致。
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