一种轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头

技术领域

本发明属于铁路安全监测领域，具体涉及一种轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头。

技术背景

温度成为工业生产中的重要参数，同时也是表征设备运行状态的重要指标，设备在出现机械故障、电气故障等故障时一个明显的特征就是温度的异常。同时，温度的异常也是引起关联设备故障的重要因素。因此，温度与设备的运行状态密切相关，温度检测在设备运行故障监测技术体系中占有重要地位。采用接触或非接触式测温技术检测运行设备零部件的温度或温度分布情况，再通过温度与故障的相关性分析，即可确定运行状态和检测故障。

轨道列车的诸多传动机械部件和其他电气设备在列车车况正常运行时通常温度变化保持在相同的区间或者固定的变化规律，当列车某个部件温度变化异于常态时，通常意味着该部件关联系统发生故障。

车辆轴温智能探测系统(THDS)系统，利用安装在轨边的非接触红外辐射测温装置，实时探测运行状态下的列车轴承温度，可以有效及时排除车辆轴承故障隐患，现已经在全国全面轨道交通领域应用多年，成为我国铁路运行安全保障体系的重要一环。

目前的THDS系统采用模拟信号传输，由于轨边电磁环境复杂，模拟信号易受干扰，且模拟信号经较长距离传输后信噪比会发生损耗。因探头和探头箱内都采用模拟系统传输信号和控制信号，需要多根电缆传输，加大了施工难度，浪费电缆资源，同时还增加系统的潜在故障率。

目前的红外探头只能完成传感器级的工作，校零、标定、后端的信号处理等都需要依赖上位机完成，而且他探头增益固定无法调整。同时一旦通讯故障或上位机故障，探头数据无法存储，可能会发生故障漏检。

将以模拟信号为载体的传统THDS系统升级为数字THDS系统势在必行，数字化智能化的红外探头会对现有运行轨道列车安全保障体系形成有力提升，具有广泛而深远的社会价值。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头，实现了红外探头的智能化网络化数字化，有效提高了系统可靠性，简化了系统复杂性，提高了系统智能化程度，同时可以降低现场施工操作难度。

一种轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头，其特征在于:包括壳体、以及壳体内部安装的光学系统、红外探测器模块、电源管理模块、触发信号处理模块、箱内信号处理模块、探头内信号处理模块、待采样信号处理模块、数据存储模块、参数配置模块、网络模块、AD采集模块、数据高速缓存、嵌入式IP核NIOSⅡ、智能处理模块、数字信号处理模块与时序/逻辑控制模块；

所述电源管理模块对经电缆传至轨边的电源进行滤波、稳压、电源转换后为红外探测器模块、触发信号处理模块、箱内信号处理模块、探头内信号处理模块、待采样信号处理模块、数据存储模块、参数配置模块、网络模块供电；触发信号处理模块用于接收上位机发送的触发信号并经滤波、稳压、电平转换后，传入时序/逻辑控制模块，为信号采集控制做触发；

所述箱内信号处理模块接收探头箱内的控制命令信号，并对控制命令信号进行滤波、放大整定处理后，传送至待采样信号处理模块；网络模块用于实现探测站主机与智能化数字化网络化红外探头的网络通信；

所述光学系统用于接收外部目标物体辐射能量，并对辐射能量进行调理后得到红外辐射信号，并传送至位于光学系统焦平面上的红外探测器模块；由红外探测器模块将入射的红外辐射信号光电转换成电信号输出至探头内信号处理模块，由探头内信号处理模块进行滤波、放大处理后，传送给待采样信号处理模块与时序/逻辑控制模块；

所述待采样信号处理模块由多路开关选通电路和滤波保持电路组成；其中，多路开关选通电路在时序/逻辑控制模块的时序控制和逻辑控制下对探头内信号处理模块、箱内信号处理模块的特定通道选通后，传输至滤波保持电路，由滤波保持电路对待采样信号进行滤波和保持等操作，并传输至AD采集模块进行AD 采集；

所述时序/逻辑控制模块用于实现：

a、探头箱内大门控制和挡板控制；

b、网络模块11初始化配置；

c、对智能化数字化网络化红外探头采集的温度数据的采集、处理、传输全流程进行时序控制和逻辑控制；

d、智能热靶标定控制；

所述数字信号处理模块在时序/逻辑控制模块的控制下读出AD采集模块的采样数据，同时对采样数据进行处理后，对数据进行打包处理，插入与上位机约定好的报文头、校验、计数戳、报文尾后存入数据高速缓存；

所述数据高速缓存是基于FPGA的IP核实现的高速先进先出数据缓存，数据高速缓存在时序/逻辑控制模块的数据流控制下，以乒乓操作实现与数字信号处理模块、网络模块、嵌入式IP核NIOSⅡ数据交换；

所述嵌入式IP核NIOSⅡ与是基于FPGA软IP核根据实际需求裁剪实现的32 位RISC嵌入式处理器，在嵌入式IP核NIOSⅡ硬件平台上的智能处理模块，用于实现复杂数据处理过程。

本发明的优点在于：

1、本发明轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头，实现了探头数字化，改善了红外探头与上位机的通讯方式，提高信号可靠性，降低了系统复杂度，节省了电缆资源。

2、本发明轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头，基于OSI 模型的标准设计，基于实现了探头网络化，不仅传输可靠性大大提高，而且数据云中心可以直接对目标探头数据进行操作，可以实现对特定列车的数据跟踪，识别和排除特定故障。

3、本发明轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头，实现了红外探头智能化，探头可以对增益进行智能调整，增强数据可靠性，延长红外探头有效寿命。特定情况行，可以不依赖上位机进行校零、热靶标定、自检、温度实测等操作，提高了系统全天候运行可靠性，简化了轨道列车故障红外线探测系统。

4、本发明轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头，实现了对探头采集数据的存储功能，在探头上位机通许故障、上位机故障、上位机采集软件故障等多种故障模式下的数据保存，可以有效避免系统漏检，提高了轨道列车故障红外线探测系统的可靠性。

附图说明

图1为智能化数字化网络化红外探头功能架构示意。

图中：

1-壳体 2-光学系统 3-红外探测器模块

4-电源管理模块 5-触发信号处理模块 6-箱内信号处理模块

7-探头内信号处理模块 8-待采样信号处理模块 9-数据存储模块

10-参数配置模块11-网络模块12-AD采集模块

13-数据高速缓存14-嵌入式IP核NIOSⅡ15-智能处理模块

16-数字信号处理模块17-时序/逻辑控制模块

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头，包括壳体1、以及壳体1内部安装的光学系统2、红外探测器模块3、电源管理模块4、触发信号处理模块5、箱内信号处理模块6、探头内信号处理模块7、待采样信号处理模块8、数据存储模块9、参数配置模块10、网络模块11、AD采集模块12、数据高速缓存13、嵌入式IP核NIOSⅡ14、智能处理模块15、数字信号处理模块16与时序/逻辑控制模块17。

所述壳体的侧壁上安装有航插A18、航插B19与航插C20；壳体1采用铝金属制作，与航插A18、航插B19与航插C20连接处采用橡胶垫、法兰结构、灌胶等多种方式密封，达到IP56以上等级；壳体1的一面或者多面加工成翅片结构，利于探头散热。其中，航插A18用于引入探测站机房内电源和触发信号。电源管理模块4通过航插A18与机房内电源箱相连，对经电缆传至轨边的电源进行滤波、稳压、电源转换后为红外探测器模块3、触发信号处理模块5、箱内信号处理模块6、探头内信号处理模块7、待采样信号处理模块8、数据存储模块9、参数配置模块10、网络模块11供电。在电源管理模块4的电路设计中，模拟信号和数字信号采用单独供电，模拟信号电源采用单点接模拟地，模拟地与数字地采用零欧姆电阻连接。触发信号处理模块5通过航插A18与上位机相连，用于接收上位机发送的触发信号并经滤波、稳压、电平转换后，传入时序/逻辑控制模块17，为信号采集控制做触发。

航插B19用于引入探头箱内信号。航插C20用于本发明智能化数字化网络化红外探头与探头箱的连接，与探头箱进行信号控制命令通信，由箱内信号处理模块6接收探头箱内的控制命令信号，包括探头箱内靶温、挡板温度、大门状态等信号，并对控制命令信号进行滤波、放大整定处理后，传送至待采样信号处理模块8。航插C20内还具有RJ45接口，网络模块11通过航插C20与探测站机房内主机相连，网络模块11基于TCP/UDP协议实现探测站主机与本发明智能化数字化网络化红外探头的网络通信。

所述光学系统2嵌于壳体1侧壁上，用于接收外部目标物体辐射能量，并对辐射能量进行调理后得到红外辐射信号，并传送至位于光学系统2焦平面上的红外探测器模块3。光学系统1接收口径、相对口径尽可能大，组件简单，高噪声抑制比，高灵敏度，同时与探测目标、大气窗口、探测器光谱相匹配。光学系统 2有高透射率，结构优选反射式或折反射系统。

上述红外探测器模块3采用中波(波长3-5um)或长波(7-12um)的红外探测器，由红外探测器模块3将入射的红外辐射信号光电转换成电信号输出至探头内信号处理模块7，由探头内信号处理模块7进行滤波、放大处理后，传送给待采样信号处理模块8与时序/逻辑控制模块17。上述探头内信号处理模块7对电信号的放大处理过程分两级完成，前级放大器选用低噪声集成放大电路实现；后级放大电路采用动态校零技术设计，校零信号由时序/逻辑控制模块17提供，校零受时序/逻辑控制模块17控制。

上述待采样信号处理模块8由多路开关选通电路和滤波保持电路组成。其中，多路开关选通电路在时序/逻辑控制模块17的时序控制和逻辑控制下对探头内信号处理模块7、箱内信号处理模块6的特定通道选通后，传输至滤波保持电路，由滤波保持电路对待采样信号进行滤波和保持等操作，并传输至AD采集模块12 进行AD采集。

所述时序/逻辑控制模块17以及数据高速缓存13、嵌入式IP核NIOSⅡ14、智能处理模块15、数字信号处理模块16是基于FPGA(现场可编程逻辑门阵列) 全硬件实现，具有硬件实时或固定延时性能。其中，时序/逻辑控制模块17用于实现：

a、探头箱内大门控制和挡板控制。由时序/逻辑控制模块17发出的大门控制和热靶加热控制信号，需要经过箱内信号处理模块6处理后，通过航插C20 发送到探头箱内的热靶和大门。

b、网络模块11初始化配置。在FPGA上电程序烧写完成后，时序/逻辑控制模块17首先从参数配置模块10中读取参数为网络模块11的IP地址等通信配置参数初始化，同时可以通过探测站主机下发修改。

c、对本发明智能化数字化网络化红外探头采集的温度数据的采集、处理、传输全流程进行时序控制和逻辑控制。当接收到触发信号处理模块5的外部触发命令后，可实时的立即对待采样信号处理模块8、AD采集模块12、数字信号处理模块16、数据高速缓存13、网络模块11进行时序/逻辑控制，对红外探测器模块3数据采样后实时上传至探测站主机。

d、智能热靶标定控制。本发明智能化数字化网络化红外探头可实现自主热靶标定和受控热靶标定。时序/逻辑控制模块17在触发信号处理模块5的触发信号未发生时，可根据智能处理模块15的控制指令，依据智能处理模块15的热靶标定算法，通过箱内信号处理模块6，经航插C20向探头箱内热靶、档板发出控制命令，按算法控制热靶加热，让红外探测器模块采集的信号与热靶温度传感器采集的信号依次经过箱头内信号处理模块6、探头内信号处理模块7、待采样信号处理模块8、AD采集模块12、数字信号处理模块16、数据高速缓存13后交给智能处理模块15处理，在探头终端进行热靶标定。探头自主热靶标定得到的温度计算算法所需关键参数存入数据存储模块9，且可经网络模块11上传给上位机。同时，热靶标定也可由上位机发起，上位机通过网络模块11、数据高速缓存13向智能处理模块15发起热靶标定请求后，上述过程依次实施。智能处理模块15还可通过热靶标定结果和探头内部存储的原有温度计算算法参数实现自动增益调整，通过时序/逻辑控制模块17对探头内信号处理模块7中的增益调制下发指令，智能的调整红外探测器模块3中放大电路的增益，从而实现提高恶劣测试环境下(如雾、霾、雨、扬尘天气、红外光学系统蒙尘、目标部件污物遮挡等) 的信号强度和信噪比；同时可以有效弥补红外探测器模块3响应率随时间响应率降低等问题，提高列车故障探测系统的可靠性和稳定性。

所述数字信号处理模块16在时序/逻辑控制模块17的控制下读出AD采集模块12的采样数据，同时对采样数据进行噪声平滑、中值滤波、边缘检测边缘增强等多种算法的数字信号处理后，对数据进行打包处理，插入与上位机约定好的报文头、校验、计数戳、报文尾后存入数据高速缓存13。

所述数据高速缓存13是基于FPGA的IP核实现的高速先进先出数据缓存，数据高速缓存13在时序/逻辑控制模块17的数据流控制下，以乒乓操作实现与数字信号处理模块16、网络模块11、嵌入式IP核NIOSⅡ14数据交换，具有高数据吞吐率。

所述嵌入式IP核NIOSⅡ14与是基于FPGA软IP核根据实际需求裁剪实现的 32位RISC嵌入式处理器，在嵌入式IP核NIOSⅡ14硬件平台上基于C语言实现的智能处理模块15，用于实现把包括热靶标定、温度计算、智能增益调整等较复杂数据处理过程。

本发明轨道列车故障探测用的智能化数字化网络化红外探头，具有自主工作和受控工作两种模式，受控工作模式探头在接受到触发信号后，将经初步处理后红外探测器数字信号实时上传至上位机。当网络通信或上位机发生故障时，探头可激发为自主工作模式，由探头内部智能模块根据温度方案计算目标温度，并将列车异常温度信号存储入探头内部数据存储模块，待通讯或上位机恢复正常后即刻上传。