基于WSN的鐵路鋼軌振動監(jiān)測及特征識別研究.pdf

1、利用鋼軌振動來評估鋼軌安全狀態(tài)，是鐵路線路維護的一種重要手段。無線傳感網(wǎng)技術(shù)（Wirless sensor network，WSN）的發(fā)展為識別鐵路鋼軌運行狀態(tài)帶來了新的機遇。利用WSN監(jiān)測鐵路鋼軌具有長期性、實時性、無人為誤差、全線路評估等優(yōu)點，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)檢查和動態(tài)檢測技術(shù)相比，基于WSN的鐵路鋼軌振動監(jiān)測及特征識別研究尚處于起步階段。本文以WSN鋼軌振動監(jiān)測平臺為研究對象，以建立和完善監(jiān)測平臺為

2、目的，圍繞監(jiān)測平臺的實現(xiàn)、鋼軌振動數(shù)據(jù)的降噪和振動特征識別問題進行了系統(tǒng)研究。主要研究內(nèi)容為:
　　(1)提出基于排隊論的負載自適應(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)的異步機制，處理多連接和大數(shù)據(jù)請求，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計時的性能評估和運行時的配置優(yōu)化調(diào)整;解決了傳輸過程中數(shù)據(jù)丟包問題，實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的實時接收保存、控制參數(shù)的下發(fā)和上傳等多種功能。
　　(2)設(shè)計并實現(xiàn)了監(jiān)測

3、系統(tǒng)中控制與通信層、數(shù)據(jù)存儲與分析層，對課題組搭建的鋼軌監(jiān)測系統(tǒng)平臺進行了性能測試。實現(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)庫構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲和管理模式，設(shè)計和開發(fā)了交互操作數(shù)據(jù)流的客戶端瀏覽器。在測試現(xiàn)場，布設(shè)13個網(wǎng)關(guān)、104個節(jié)點，性能測試結(jié)果表明:系統(tǒng)運行30天，所有節(jié)點數(shù)據(jù)丟失率＜5％;最大數(shù)據(jù)吞吐量為0.52MB/s時，運行一個小時，節(jié)點數(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延小于1min，含有丟包的數(shù)

4、據(jù)時延小于4min。系統(tǒng)在某高速鐵路上穩(wěn)定運行近2年，經(jīng)受住了多種考驗，獲取了大量豐富鋼軌信息。
　　(3)研究了適用于鋼軌振動信號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)趨勢確定分解層級，自動依據(jù)分解獲得的小波系數(shù)定向濾除噪聲，同時較完整地保留了具有跳躍特征的有效振動信號（對三種道床的振動數(shù)據(jù)處理后，信噪比在4.50-4.70范圍內(nèi)），為最終的振動

5、分析奠定基礎(chǔ)。
　　(4)研究了輪軌交互作用下鋼軌振動特征分析理論，開展了鋼軌振動特征識別實驗。建立車輪通過低扣接頭時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、輪軌位移時變曲線問的關(guān)系，確認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Morlet為母小波的小波變換分析鋼軌振動的方法，對WSN鋼軌監(jiān)測平臺獲取的加速度數(shù)據(jù)進行分析，研究了軌道結(jié)構(gòu)和行車速度對鋼軌振動特征的影響，揭