基于WSN的鐵路鋼軌振動(dòng)監(jiān)測(cè)及特征識(shí)別研究.pdf

1、利用鋼軌振動(dòng)來(lái)評(píng)估鋼軌安全狀態(tài)，是鐵路線路維護(hù)的一種重要手段。無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)（Wirless sensor network，WSN）的發(fā)展為識(shí)別鐵路鋼軌運(yùn)行狀態(tài)帶來(lái)了新的機(jī)遇。利用WSN監(jiān)測(cè)鐵路鋼軌具有長(zhǎng)期性、實(shí)時(shí)性、無(wú)人為誤差、全線路評(píng)估等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。但是與目前成熟使用的鋼軌靜態(tài)檢查和動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)相比，基于WSN的鐵路鋼軌振動(dòng)監(jiān)測(cè)及特征識(shí)別研究尚處于起步階段。本文以WSN鋼軌振動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)為研究對(duì)象，以建立和完善監(jiān)測(cè)平臺(tái)為

2、目的，圍繞監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)、鋼軌振動(dòng)數(shù)據(jù)的降噪和振動(dòng)特征識(shí)別問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要研究?jī)?nèi)容為:
　　(1)提出基于排隊(duì)論的負(fù)載自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器算法，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)任務(wù)并發(fā)處理的數(shù)據(jù)傳輸框架，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器軟件。軟件充分利用操作系統(tǒng)的異步機(jī)制，處理多連接和大數(shù)據(jù)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的性能評(píng)估和運(yùn)行時(shí)的配置優(yōu)化調(diào)整;解決了傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收保存、控制參數(shù)的下發(fā)和上傳等多種功能。
　　(2)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)

3、系統(tǒng)中控制與通信層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析層，對(duì)課題組搭建的鋼軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了性能測(cè)試。實(shí)現(xiàn)了能夠協(xié)調(diào)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)關(guān)，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理模式，設(shè)計(jì)和開發(fā)了交互操作數(shù)據(jù)流的客戶端瀏覽器。在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，布設(shè)13個(gè)網(wǎng)關(guān)、104個(gè)節(jié)點(diǎn)，性能測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)運(yùn)行30天，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失率＜5％;最大數(shù)據(jù)吞吐量為0.52MB/s時(shí)，運(yùn)行一個(gè)小時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失率為零;數(shù)據(jù)從采集到顯示在客戶端界面上時(shí)延小于1min，含有丟包的數(shù)

4、據(jù)時(shí)延小于4min。系統(tǒng)在某高速鐵路上穩(wěn)定運(yùn)行近2年，經(jīng)受住了多種考驗(yàn)，獲取了大量豐富鋼軌信息。
　　(3)研究了適用于鋼軌振動(dòng)信號(hào)的貝葉斯小波包降噪方法。比較了多種濾波算法的處理效果，確定采用基于貝葉斯小波包的振動(dòng)數(shù)據(jù)降噪方法。利用小波系數(shù)的自相關(guān)函數(shù)趨勢(shì)確定分解層級(jí)，自動(dòng)依據(jù)分解獲得的小波系數(shù)定向?yàn)V除噪聲，同時(shí)較完整地保留了具有跳躍特征的有效振動(dòng)信號(hào)（對(duì)三種道床的振動(dòng)數(shù)據(jù)處理后，信噪比在4.50-4.70范圍內(nèi)），為最終的振動(dòng)

5、分析奠定基礎(chǔ)。
　　(4)研究了輪軌交互作用下鋼軌振動(dòng)特征分析理論，開展了鋼軌振動(dòng)特征識(shí)別實(shí)驗(yàn)。建立車輪通過(guò)低扣接頭時(shí)輪軌交互垂向作用力模型，研究了行車速度與交互力P1和P2、輪軌位移時(shí)變曲線問(wèn)的關(guān)系，確認(rèn)列車行駛速度和輪軌交互力成正相關(guān)關(guān)系，鋼軌垂向位移與P2力的變化密切相關(guān)。建立了以復(fù)Morlet為母小波的小波變換分析鋼軌振動(dòng)的方法，對(duì)WSN鋼軌監(jiān)測(cè)平臺(tái)獲取的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了軌道結(jié)構(gòu)和行車速度對(duì)鋼軌振動(dòng)特征的影響，揭