基于TRIZ理论的轨道健康监测系统设计.pdf

第 卷第期石家庄铁道大学学报(自然科学版)V o l N o 年月J o u r n a lo fS h i j i a z h u a n gT i e d a oU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)S e p 基于T R I Z理论的轨道健康监测系统设计吴佳雯,佟健豪,王晚香,冯显锟,郭瑞军(大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 ;中车沈阳机车车辆有限公司,辽宁 沈阳 )摘要:轨道健康监测是铁路系统保障列车行车安全、维护轨道系统长期稳定运行、实现铁路运输可持续发展的重要手段之一.基于发明问题解决理论(T R I Z)对现有轨道健康监测系统存在的问题进行描述和分析,将实际工程问题转化为T R I Z问题,采用九屏幕法、功能分析、因果链分析和资源分析对问题进行识别,发现技术矛盾和物理矛盾,结合物场分析,提出多种解决方案,最终设计了基于振动响应的能实时监测轨道健康状态的系统.关键词:轨道;健康监测;振动响应;T R I Z;创新设计中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:责任编辑:车轩玉D O I:/j c n k i s j z t d d x x b z r b 作者简介:吴佳雯(),女,硕士研究生,研究方向为轨道故障诊断.E m a i l:c o m吴佳雯,佟健豪,王晚香,等基于T R I Z理论的轨道健康监测系统设计J石家庄铁道大学学报(自然科学版),():安全是铁路运输永恒的主题,面对中国铁路建设的快速发展,如何实现铁路长期安全稳定运营是中国铁路面临的挑战.随着列车运行速度的不断提升以及运输量的不断增加,轨道在长期超负荷运营下,出现各种劣化现象,危害铁路运营安全.由于轨道基础结构复杂、服役条件复杂,对轨道健康状态进行实时监测至关重要.目前轨道检测主要分为静态检测和动态检测,静态检测是指轨道无列车运行时,通过人工巡检的方式找到轨道的病害位置;动态检测是在列车运行的过程中,运用传感器对轨道高低、绝缘性能、温度变化等参数进行监测,以获取轨道健康状况.面对庞大的铁路网络,传统的人工检轨检测效率低且工作强度大,难以满足铁路快速发展的需求,因此轨道检测由静转动是大势所趋.在动态检测方面,虽然综合轨检车和探伤车等传统钢轨检测设备在轨道健康状态监测与识别方面应用广泛,但会在空间和时间上对轨道有一定的占用且耗资高;新型轨检仪虽然相较于轨检车轻巧便捷,但仍需占用轨道,无法实时监测,集成度低且监测类型受限;传统的振动传感器监测技术虽然采集精度高,但大多采用有线传输,拆卸比较麻烦且价格昂贵,难以进行商业推广,因此迫切需要一种经济、安装便捷、不占用轨道资源且能实时监测轨道状态的设备.在轨道病害的检测技术方面 ,基于振动响应信号的病害检测技术一般属于全局方法,与基于图像的机器视觉技术、基于激光扫描的病害检测技术、基于超声波的病害检测技术和磁粉探伤技术等局部无损检测技术相比,具有非破坏,不易受天气、光照等条件干扰,适用范围广,检测数据多样化的优势,更适用于轨道交通线路上轨道病害的实时在线监测,因此建立精准化、智能化、实时化基于振动响应的轨道监测系统已成为现实需求.T R I Z作为一种科学的创新方法为轨道监测系统创新提供了一种全新的理论、方法和技术路径.基于T R I Z理论,提出一种轨道健康监测系统,以MEM S传感器收集的振动响应数据为依据,运用无线传输技术和信号分析处理技术可实现轨道病害的实时监测,为铁路安全运营保驾护航.轨道健康监测系统问题分析 问题描述目前,轨道健康监测系统具有以下缺陷:人力消耗大,工人工作环境恶劣;占用轨道,影响列 石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷车正常运行,无法实现实时监测;传统监测手段针对问题面较少,需要多种仪器组合使用,监测效率低下;传感器与采集器的引线过长,易受干扰;监测仪器价格昂贵,传统 监测方式经 济效益较差.九屏幕分析九屏幕分析方法是指在分析和解决问题的过程中不仅需要考虑当前系统、子系统和超系统,还要考虑它们的过去、当前和未来,从多层次、多角度去理解当前系统.如图所示,当前系统为现有轨道健康监测装置,其子系统和超系统分别是振动传感器和钢轨,当前系统过去主要依靠人工巡检来提供一定的监测结果,未来可根据模块化监测装置对于轨道健康状态进行实时监测.其中当前系统的未来(模块化监测装置)是实现轨道健康状态实时监测的一种较好的解决方案,由此得到技术方案:设计一种模块化监测装置,包含采集模块、传输模块和数据分析模块,各模块协同工作,最大化发挥其功能,实现对轨道故障的有效监测.超系统的过去:木轨当前系统的未来：模块化监测装置超系统：钢轨当前系统的过去：人工检轨当前系统：轨道健康监测系统超系统的未来：智能钢轨子系统的未来：多功能传感器子系统：振动传感器子系统的过去：人体感知图九屏幕分析 功能分析功能分析是识别系统和超系统的各个组件及组件之间的相互关系并建立相应的功能模型的过程.在建立功能模型前需要通过系统功能分析对该系统进行初步的了解,首先确定系统的用途为及时发现轨道的故障问题,实现预知维修;然后明确系统的功能主要为实时采集轨道结构信息以及对轨道状态的预警和评估,为此该系统需要满足以下技术需求:()实时监测,需要振动传感器接触轨道,并且装置不能干扰列车正常运行,因此装置体积要小且布设在轨腰部分.()数据的稳定更新,需要通信信号的可靠传输.()全生命周期的闭环控制,需要有相应的数据处理分析手段,并将提取监测指标在用户端的可视化网页呈现,当指标异常进行预警,使检修部门制定并实施养护维修措施.针对现有的轨道健康监测系统建立功能模型,由于该系统是新系统,不宜直接建立功能模型,因此可以将与之功能相似的综合轨检车和钢轨探伤车作为参考.以监测轨道状态为目标,将传感器、单片机、电池、计算机以及监测装置外壳定义为系统组件,列车、阳光、噪声定义为超系统组件,分析组件的相互作用并建立功能模型,如图所示.根据功能模型分析可看出,产生相互作用最多的组件是传感器,且阳光和噪声对传感器收集数据产生了有害影响,所以后续可以对传感器进行细化分析,并考虑将有害功能裁剪.第期吴佳雯等:基于T R I Z理论的轨道健康监测系统设计 列车容纳轨道容纳传感器摄像机阳光处理输入单片机计算机存储扫描拍摄支撑噪声振动传感器干扰干扰监测装置外壳采集激光扫描仪电池支撑容纳供能供能图轨道健康监测系统功能模型 因果链分析因果链分析能够挖掘系统问题背后关键原因,以便给出对应的解决方案.由于现有轨道健康监测系统存在监测效果不佳的问题,针对这一问题进行因果链分析.根据因果链分析将装置有线传输、仪器体积大、采用机器视觉技术、噪声干扰、监测位置少、接收数据、人工协助、仪器功能单一、激光扫描技术这个缺点作为关键缺点,如图所示.振动监测技术远程传输不便轨道振动监测效果不佳时效性低or精度低or仪器占用铁轨自然因素人为因素动态监测有线传输仪器体积较大光照影响噪声干扰接收数据人工协助and布线复杂设备较多机器视觉技术检测位置少仪器功能单一监测方法实时传输误差线网错综复杂静态监测效率低orororororor多仪器组合 数据量过大激光扫描技术图轨道健康监测系统因果链 资源分析资源分析全面考察并整合系统的所有资源,使其更加充分合理地被利用.建立轨道健康监测系统的资源分析如表所示.石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷表轨道健康监测系统资源分析资源类型具体资源时间资源列车停止运行时间、列车正常运行时间能量资源重力、牵引力、磁力、电力、制动力空间资源轨道间距、轨腰、轨底、钢轨接头、悬浮距离信息资源速度、声音、亮度、颜色、形状、光照结构资源大小、空隙、体积、曲面、长度、曲度功能资源运输、导向、连接、隔离、监测物质资源钢轨、列车、传感器、单片机、导线、磁铁、控制端结合可用资源以及系统实际情况,可知系统需要综合利用时间资源中的列车正常运行时间和结构资源中的空隙.故得到技术方案:设计一种自动远程监测的装置,在列车行进时实时远程监测.轨道健康监测系统T R I Z求解 裁剪裁剪是将个或个以上的冗余组件去除,其所执行的功能由系统或者超系统的剩余组件来进行替代.根据上述因果链分析,可知利用摄像机进行图像识别以及利用激光扫描仪进行的激光扫描均是导致监测系统效果不理想的关键缺点,其中二者的功能均是对轨道健康状态信息进行采集,而振动传感器也能实现该功能,因此将摄像机和激光扫描仪作为裁剪对象,去除冗余后的功能模型不仅降低了成本,还能缩小装置的体积,如图所示.容纳容纳处理输入单片机计算机存储噪声振动传感器干扰监测装置外壳电池容纳供能列车轨道支撑采集支撑供能图裁剪后轨道健康监测系统的功能模型故得到技术方案:设计一种基于振动响应的轨道健康监测系统.技术矛盾及发明原理技术矛盾是指在改善一个参数的同时会导致另一个参数的恶化.为解决这个矛盾,阿奇舒勒提出 种通用工程参数和 个发明原理,确定最佳解决方案,使有矛盾的个参数都得到解决.()技术矛盾及解决方案.根据功能模型和因果链分析,将技术矛盾归纳为 作用于物体的有害因素(外界环境噪声)的改善与 信息损失(轨道振动有效数据损失)的矛盾,于是通过查阿奇舒勒矛盾矩阵表可得:运用发明原理NO 抽取原理、NO 有效作用的连续性原理、NO 快速通过原理可以解决技术矛盾.通过对系统的分析得到技术方案:采用NO 抽取的原理,对噪声进行过滤处理,由于噪声是高频信号,而轨道振动是低频信号,可以采用低通滤波的方法,在不损失轨道状态信息的基础第期吴佳雯等:基于T R I Z理论的轨道健康监测系统设计 上进行噪声的去除.()技术矛盾及解决方案.根据因果链分析,将技术矛盾归纳为 测量精度(系统监测内容)的提高与 检测的复杂性(系统检测识别困难)的矛盾,于是查阿奇舒勒矛盾矩阵表可得:运用发明原理NO 中介物、NO 复制、NO 机械系统替代、NO 改变颜色可以解决技术矛盾.通过对系统的分析得到技术方案:采用NO 复制的原理,通过数据分析得出的时域图经过傅里叶变换可以进行频域分析,看出信号包含的能量在不同频率下的分布情况.时频域分析相互结合,并提取相应的时频域特征指标来反映轨道的健康状况,不仅能反映轨道的不平顺情况,而且还能对轨道病害进行探查.()技术矛盾及解决方案.根据因果链分析,将技术矛盾归纳为 自动化程度(减少人工协助)的提高与 检测的复杂性(系统操作困难)的矛盾,查阿奇舒勒矛盾矩阵表可得:运用发明原理 自服务、廉价替代品、抛弃或再生可解决技术矛盾.通过对系统的分析得到技术方案和.技术方案:采用NO 自服务的原理,使用带有E S P 芯片的单片机,其功能强大,自带W i F i和蓝牙功能,在提升自动化程度的技术上也不增加系统的复杂性.技术方案:采用NO 抛弃或再生的原理,去除其他冗余传感器,仅使用MEM S无线传感器,该传感器能够精准感应X Y Z个方向加速度变化,具有A D转换模块,可将模拟信号转换为数字信号,传感器功能强大、体积较小,可以直接放在监测装置小型外壳中,吸附在轨腰上,不需人工辅助监测.物理矛盾物理矛盾指的是对同一个工程参数具有相反并且合乎情理的需求,与技术矛盾不同,技术矛盾是指个参数之间的矛盾,而物理矛盾则是单一参数的矛盾.T R I Z理论通过分离矛盾需求、满足矛盾需求和绕过矛盾需求种方法对物理矛盾进行解决.为实现轨道健康监测系统具有较高的可靠性,需要布设大量的传感器,传感器数量过多导致成本上升、布设困难;传感器数量过少也容易造成部分病害轨道被遗漏,数据分析不够精准.根据空间分离、时间分离、系统级别分离的方法,得到技术方案、和.技术方案:采用空间分离的方法,在运载量较大的重载铁路线,需要较多数量的监测装置,每节钢轨铺设一个;在运载量较小的铁路线,可以相应减少监测装置的铺设数量.技术方案:采用时间分离的方法,在轨道使用年限较短的时候,产生病害的可能性比较小,可以铺设较少的监测装置,在轨道服役年限较长的时候,需要铺设较多的监测装置.F信号S2控制端S1传感器图问题的物场模型技术方案:采用系统级别分离的方法,将装置外壳粘贴磁铁方便其吸附在轨腰上,可以通过动态调整监测仪器位置,满足线路不同部分的需要.物场分析物场分析是对系统中存在的物理场进行评估并通过标准解对场进行优化,从而解决问题.由因果链分析找到问题点,即有线传输线路过多过长引起电磁干扰,导致传输误差,根据问题建立物场模型,如图所示.分析可知T R I Z物场模型个元素(个物质个场)齐全,但是产生有F信号S2控制端S1传感器FIWiFi蓝牙图改善后的物场模型害关系,需要消除.按照标准解的解决流程,确定适用的标准解为 通过引入外部物质消除有害关系,得到技术方案.技术方案:引入电磁场,增加W i F i和蓝牙模块,将传感器产生的数据利用W i F i和蓝牙传输给控制端,消除有线传输过程中所引起的误差,改善后的物场模型如图所示.轨道健康监测系统最终方案通过对以上技术方案进行分析,结合轨道故障监测实际需求,将技术方案 进行整合,对现有的轨道健康监测系统进行创新,得到最终解决方 石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷MEMS传感器单片机结合WiFi和蓝牙数据传输钢轨振动响应预警系统用户端物联网云平台图系统原理图案 设计一种基于振动响应的轨道健康监测系统,如图所示,具体方案如下:()系统包括大部分:安装在轨腰处的监测集成装置,包含MEM S加速度传感器、电池、E S P 单片机,负责信息采集、存储和传输;云端服务器,主要负责信息的分析处理;后端可视化管理平台,方便用户的查询,为后期精准维修奠定良好基础.()系统采用MEM S加速度传感器收集振动数据,W i F i和蓝牙组模块配合工作,数据传输高效,从而实现轨道状态的实时程监测目的.()系统对采集到的振动数据进行滤波去除外界环境噪声干扰,结合时域和频域方法进行分析处理,可对钢轨病害所导致的异常响应 进行辨别,从而判别钢轨的健康状态.()装置采用磁吸的方法贴合在轨腰上,装置数量和铺设方式,可根据轨道服役年限长短和荷载大小考量决定.行车方向鱼鳞状病害测点24 km+916 m测点14 km+910 m钢轨正常状态上行图测点布置情况 振动监测试验选取大连某条货运线进行轨道健康监测系统振动测试,测点布置在同一区间的钢轨轨腰外侧,其中测点钢轨具有明显鱼鳞状病害,测点钢轨状态良好,同时测试单列车通过钢轨时的振动加速度数值,所有测点都采集 个以上的有效数据进行处理分析,测点布置情况如图所示.由于钢轨振动主要是纵向加速度,因此将个测点的Z轴振动数据进行时域分析,如图所示,可以明显看出两者的区别,病害的钢轨相较于正常的钢轨时域幅值波动更大.020 4060 80 100时间/s200150100500-50-100-150-200时域幅值/(ms-2)020 4060 80 100时间/s150100500-50-100-150-200时域幅值/(ms-2)(a)测点1病害钢轨(b)测点1时域图(c)测点2正常钢轨(d)测点2时域图图测点时域分析将两者的时域指标进行对比,如表所示,可以看出标准差、偏度、峭度、均方根以及裕度这个指标变化最为明显,均超过,可作为时域分析的特征指标.第期吴佳雯等:基于T R I Z理论的轨道健康监测系统设计 表测点Z轴时域指标测点平均值标准差偏度峭度均方根振幅波形冲击?20406080100频率/Hz测点1测点20.50.40.30.20.10频域幅值/(ms-3/2)图 两测点频谱图将时域图进行傅里叶变换得到频谱图,如图 所示,其中实线和虚线分别代表测点和测点,可以明显看出测点病害钢轨的频域幅值高于测点正常钢轨,最后将时域分析与频域分析相互印证,辨别钢轨健康状态.结论()运用九屏幕法了解当前系统及其子系统和超系统的过去、现状和未来发展,构建功能模型,明确组件之间的相互作用,通过因果链分析找出关键问题,整合所有可利用的资源,从而对现有的轨道监测系统存在的问题进行详细阐述.()为实现基于振动响应的轨道健康监测系统创新设计,借助裁剪的方法去除当前系统的冗余,将关键问题归纳为技术矛盾和物理矛盾,利用发明原理提出技术方案,并构建物场模型,得到系统最终解决方案.()针对基于振动响应的轨道健康监测系统,进行了振动监测试验,实验结果证明,将时域分析和频域分析结合能够有效辨别钢轨异常情况.()研究重点在于用T R I Z理论提出创新方案,而在信号处理方面仅运用了较为传统的方案,在未来需要进行深入研究.参考文献 李东升,王建西,胡金石,等基于多目标决策的钢轨减磨方案优选研究J石家庄铁道大学学报(自然科学版),():B A OY,CHE NZ,WE I S,e t a l T h e s t a t eo f t h e a r t o f d a t a s c i e n c e a n de n g i n e e r i n g i ns t r u c t u r a l h e a l t hm o n i t o r i n gJE n g i n e e r i n g,():熊龙辉,刘秀波,刘庆伟,等在役钢轨浅表层伤损快速检测技术J中国铁路,():杨飞,涂文靖,魏子龙,等铁路工务、电务、供电检测装备发展现状综述J交通运输工程学报,():王勇刚,周俊萍,李永江,等基于惯性定位定向的高铁轨检仪研究J导航与控制,():杨栋高速铁路轨道振动监测系统的研究与实现D兰州:兰州交通大学,A Z I M IM,E S L AML OU A D,P E K C AN GD a t a d r i v e ns t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n ga n dd a m a g ed e t e c t i o nt h r o u g hd e e p l e a r n i n g:S t a t e o f t h e a r t r e v i e wJ S e n s o r s,():CHE NZ,WE IS,XUY,e t a l T h e s t a t eo f t h ea r t o f d a t as c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i ns t r u c t u r a l h e a l t hm o n i t o r i n gJE n g i n e e r i n g,():林琳,李小涛,徐永利国内T R I Z理论及方法的研究热点及发展趋势J广东工业大学学报,():赵敏,史晓凌,段海波 T R I Z入门及实践M北京:科学出版社,张钦,贾云龙,赵祥云,等基于T R I Z理论的 阀用双头螺柱改进方案J大连交通大学学报,():孙永伟,S E R G E I I KOV E NKO T R I Z打开创新之门的金钥匙M北京:科学出版社,丁杰,尹亮城轨车辆设备悬挂点的振动测试及特性分析J石家庄铁道大学学报(自然科学版),():程伟我国高铁安全监管问题现状及对策研究J中国安全科学学报,(增刊):尹贤贤城市轨道交通轨道服役性能劣化机理分析及病害智能检测研究D北京:北京交通大学,石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷D e s i g no fT r a c kH e a l t hM o n i t o r i n gS y s t e mB a s e do nT R I ZT h e o r yW uJ i a w e n,T o n gJ i a n h a o,W a n gW a n x i a n g,F e n gX i a n k u n,G u oR u i j u n(S c h o o l o fT r a f f i ca n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n ,C h i n a;C R R CS h e n y a n gL o c o m o t i v e&R o l l i n gS t o c kC o L t d,S h e n g y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T r a c kh e a l t hm o n i t o r i n g i so n eo f t h e i m p o r t a n tm e a n sf o rr a i l w a ys y s t e m st oe n s u r et h es a f e t yo f t r a i no p e r a t i o n,m a i n t a i nt h e l o n g t e r ms t a b l eo p e r a t i o no f t r a c ks y s t e m sa n da c h i e v es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f r a i l w a yt r a n s p o r t T h i sp a p e rd e s c r i b e da n da n a l y z e dt h ep r o b l e m so f t h ee x i s t i n gt r a c kh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h eT h e o r yo fI n v e n t i v eP r o b l e mS o l v i n g(T R I Z),t r a n s f o r m i n gt h ea c t u a le n g i n e e r i n gp r o b l e m si n t oT R I Zp r o b l e m s,i d e n t i f y i n gt h ep r o b l e m su s i n gt h en i n e s c r e e nm e t h o d,f u n c t i o n a la n a l y s i s,c a u s a lc h a i na n a l y s i sa n dr e s o u r c ea n a l y s i s,t h u sf i n d i n gt e c h n i c a la n dp h y s i c a lc o n t r a d i c t i o n s T h e nc o m b i n i n gs u b s t a n c e f i e l da n a l y s i s,t h er e s e a r c hp r o p o s e dv a r i o u ss o l u t i o n sa n df i n a l l yd e s i g n e das y s t e mt h a t c o u l dm o n i t o r t h et r a c kh e a l t hs t a t u s i nr e a l t i m eb a s e do nv i b r a t i o nr e s p o n s e K e yw o r d s:t r a c k;h e a l t hm o n i t o r i n g;v i b r a t i o nr e s p o n s e;T R I Z;i n n o v a t i v ed e s i g n(上接第 页)N u m e r i c a lA n a l y s i so nt h eM e c h a n i c a lR e s p o n s eo fR a i l w a yC o r r u g a t e dS t e e lP i p eC u l v e r tU n d e rE n g i n e e r i n gD i s e a s e sX uJ i a n c h a o(R a i l w a yE n g i n e e r i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h i n aA c a d e m yo fR a i l w a yS c i e n c e sC o L t d,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T os u p p o r tt h ea p p l i c a t i o no fc o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r ti nr a i l w a ye n g i n e e r i n g,t h i sp a p e ra n a l y z e dt h em e c h a n i c a l r e s p o n s eo f r a i l w a yc o 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