一种智能无源铁轨结构体健康监测系统的制作方法

本发明属于铁轨健康监测系统技术领域，具体涉及一种智能无源铁轨结构体健康监测系统。

背景技术：

然而，不论是大型探伤车还是手推式探伤小车，都存在一个共同的问题，即占用铁路线路，。同时，从网络资料中可以发现，探伤车辆造价不菲，即使是一辆最普通的探伤小车也要数万元。因此，需要一种廉价便捷固定安装式的铁轨健康监测系统，来解决当前监测手段时间间隔长，效率低以及影响铁路运行的难题。

我国铁路营业里程已达12.7万公里，其中大量钢轨长期在动态重载荷下服役，易出现腐蚀、变形、磨损、裂纹甚至断裂，严重影响行车安全。铁轨健康监测是维持列车安全运行的必要手段，因铁轨老化、断裂，导致的列车出轨事故已成为列车安全运行的第一杀手。

为防止铁路钢轨故障，通常有两种方法：对服役状态下的钢轨采用无损检测方法进行缺陷伤损巡检和健康监测。其中，目前无损检测与评估技术针对铁轨老化状况，主要为导波探测和轨道探测车两类，其具备较高的探测精度，但价格昂贵，且需要专业人员去现场监测，人力物力消耗巨大，且在监测时需要占用轨道，影响列车运行，不能全天候工作，且无法实现铁轨健康状况的动态监测。这些原因导致了传统的监测方案的监测间隔周期长达6～12个月，无法实现实时监测，且难以兼顾偏远地区的轨道，留下了一定的安全隐患。采用无损检测与评估技术实现铁路钢轨的快速巡检能有效地发现钢轨缺陷伤损，然而高速铁路的大范围应用导致进行钢轨巡检与维护的“天窗期”逐渐缩短，分不同时间间隔进行周期性地钢轨巡检难以及时获得钢轨的状态信息。

而健康监测通过安装永久传感器和构建传感器网络实现铁路钢轨结构健康状态的实时监测，有助于全面地了解钢轨的服役状态，及时发现故障并进行状态维护，但钢轨结构健康状态监测系统需要安装大量传感节点。而现有传感器节点成本过高，无法实现高密度分布以及全覆盖，并且无论是有线供电还是电池供电的系统，其后期维护都需要花费大量的人力物力。

因此，需要设计一款低成本且高效的固定安装式的铁轨健康监测系统，以低廉的成本实现较为广泛的覆盖面，从而解决当前监测手段时间间隔长，效率低以及影响铁路运行的难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于：解决目前铁轨健康监测主要为导波探测和轨道探测车两类，价格昂贵，且需要专业人员现场监测，人力物力消耗巨大，监测时需要占用轨道，难以兼顾偏远地区的轨道，无法实现所有铁轨覆盖区域的实时自动化监测的问题，提供了一种智能无源铁轨结构体健康监测系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种智能无源铁轨结构体健康监测系统，包括多个分布设置在铁轨上采集铁轨健康数据的监测传感器和读取监测传感器数据的智能无源铁轨监测感知前端，还包括对智能无源铁轨监测感知前端读取的数据进行分析的云端数据库，其中智能无源铁轨监测感知前端包括：主控板，主控板连接有无线通信模块，还包括设置在铁轨上的振动能量采集模块，振动能量采集模块电能输出端连接有电源管理模块，电源管理模块输出电能为监测感知前端整体和监测传感器供电，主控板连接监测传感器控制器工作和读取其数据，监测传感器包括有温度计和挠度计，无线通信模块与外部通讯设备通讯实时传输铁轨的健康数据；

主控板中存储每一个监测传感器的id和其安装点的物理位置，云端数据库读取监测传感器的id、单位时间温度计和挠度计多次采集的温度值和挠度值、以及数据的采集时间，从单位时间多次采集的挠度值中得到列车驶过铁轨时的挠度最大值，将所有监测传感器安装点的挠度最大值进行对齐后对比，以温度值为参考量，找到挠度值异常超过安全阈值的安装点位置，从而得出挠度值异常高对应的问题铁轨的物理位置。

进一步，所述挠度最大值得出过程为：先将从单位时间多次采集的挠度值中得到列车驶过铁轨上每一个监测传感器安装点的挠度值变化周期，从挠度值变化周期中找出该安装点的挠度最大值。

进一步，所述智能无源铁轨监测感知前端包括多个地毯式设置在铁轨上的智能无源铁轨监测感知前端，相邻智能无源铁轨监测感知前端的监测路段相互连接，每个智能无源铁轨监测感知前端分别与云端数据库通讯实时传输铁轨的健康数据，

进一步，所述每个智能无源铁轨监测感知前端连接有多个位于不同安装点的监测传感器。

进一步，所述振动能量采集模块采用机械振动能量采集模块，同轴安装在主轴上的第一驱动齿轮和第二驱动齿轮，且第一驱动齿轮和第二驱动齿轮与主轴之间设置有单向轴承，第一驱动齿轮和第二驱动齿轮的一侧的分别契合设置有第一齿条和第二齿条，第一齿条和第二齿条方向相对设置，第一驱动齿轮和第二驱动齿轮由振动驱动其分别在第一齿条和第二齿条上转动并发生上下的相对位移，主轴由单向轴承、第一驱动齿轮和第二驱动齿轮共同驱动并保持单向转动，主轴上还安装有用于对主轴转动加速的变速箱，变速箱的输出轴连接发电机，发电机由变速箱的输出轴转动驱动发电，发电机上还设置有用于使发电机连续驱动的飞轮。

进一步，所述电源管理模块包括能量存储控制电路、微控制器、控制接口电路和能量输入输出控制电路，所述能量存储控制电路、控制接口电路、能量输入输出控制电路分别连接微控制器，所述能量存储控制电路连接控制接口电路，所述能量存储控制电路连接能量输入输出控制电路，其中：

能量输入输出控制电路：用于对振动能量采集模块输入的交流或直流电进行转换及稳压和对输出到监测感知前端各部件和监测传感器供电的电能进行交流或直流转换及稳压；

能量存储控制电路：用于对振动能量采集模块输入经能量输入输出控制电路转换处理的电能限压、检测、储能和分配输出；

控制接口电路：用于连接微控制器、能量存储控制电路及能量输入输出控制电路的控制端口；

微控制器：用于控制电源管理模块整体各个控制电路模块的工作。

进一步，所述系统采用能量事件驱动方法来控制工作，方法包括如下步骤：

步骤1：振动能量采集模块采集并存储铁轨振动产生的能量，同时感知电源管理模块前期的存储能量；

步骤2：根据步骤1判断电源管理模块的存储能量是否超过系统工作阈值，若超过，则驱动系统工作；若未超过，则返至步骤1继续采集、存储环境中的能量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，采用无源的方案，利用铁轨振动的机械能转换为电能供电，实现降低成本以及无人监管的目的，不需有线供电，通过传感器对铁轨简单参数的监测，实现铁轨结构体健康的自动化普查，降低硬件成本，提升了监测效率，实现了铁轨的全面覆盖。无论是裂缝还是锈蚀以及各类变形等老化情况，最终都会通过列车经过时产生的挠度表现。当列车驶过时，只要铁轨存在任何老化缺陷，都会在相应的温度下表现出更大的挠度。通过对比不同监测传感器的数据就能很快找出过度老化铁轨所在位置，实现监测路段的自动化普查。此方案不会影响列车运行，也无需专业人员携带专用设备前往现场监测，相较于传统方案逐段扫描的监测方法而言，大大降低了人力物力成本并提高了实时性。由于温度和挠度数据仅需要很简单的设备进行采集，每个监测传感器的量产成本可降至5元以下，易于实现高密度覆盖。可通过多个不同安装点的监测传感器共享一个感知前端的方式进一步降低成本，并实现对铁路轨道的全面覆盖。此外，由于此方案不影响列车运行，可监测列车运行时铁轨的真实工作情况，相较于现有各类方法在监测时没有列车运行的情况而言，具备更高的准确度和真实度。

2、本发明中，振动能量采集模块采用齿条或者驱动齿轮直接受到振动产生的压力推力以及振动物体的弹性力，使驱动齿轮在齿条上转动并发生上下的相对位移，驱动齿轮从而驱动主轴转动输入机械能，由单向轴承控制两个驱动齿轮在转动过程中只能在一个方向上给主轴传递力矩，使得主轴在复杂振动的往复运动过程中保持一个方向转动，并通过变速箱加速后驱动发电机，发电机高速运转输出电能，本发明采用由低频振动产生的较大压力推力以及振动物体的较大弹性力来驱动，可使机械式振动能量采集模块获得高功率的机械能输入，依靠振动的驱动力工作，摆脱了振动加速度以及频率限制，能在低频振动下实现高功率输出，且特殊的机械结构提升了机械能的传输效率，电机能在振动的复杂运动驱动下输出高达数十瓦的稳定电能，约为传统能量采集模块的一千倍，可用于大功率的监测等系统使用，适用范围广。且机械式结构，易于定制，可以适应于各种路段全覆盖，能够适应各类恶劣环境，具备较长适应寿命且量产成本低，易于量产和广泛应用。发电机上还设置有用于使发电机连续驱动的飞轮或者直接采用内置飞轮的发电机，在一些振动能量并不连续的情况下，可以通过飞轮让发电机连续驱动，以便于发电机更加平稳的运行输出更加稳定的电能，提升能量转化效率。

3、本发明中，智能无源铁轨监测感知前端采用基于铁轨振动驱动的振动能量采集模块将铁轨振动的机械能转化为高功率的电能，电源管理模块将振动能量采集模块的电能进行分配输出和储能，在振动能量采集模块输入电能时自动唤醒开始输出电能为主控板供电来为本前端中各组件供电，不需有线和电池供电，也不需浪费人力和能源，可安装在任何偏远的路段，实现无源的远程实时自动化铁轨监测普查，在降低监测成本的同时，提高了监测效率。列车经过时主控板开始工作，控制监测传感器采集数据，主控板同时读取监测传感器采集的数据，并通过远距离无线通信模块发送至基站，基站将感知前端的数据加以整合并传送至云端数据库，这样就完成了一次自动化的实时监测。能够在列车经过时实时监测并传输数据，实现了动态监测，可监测列车运行时铁轨的真实运作情况，相较于传统方案在监测时铁轨处于空载或低负载状况而言，具备更高的准确性。智能无源铁轨监测感知前端包括多个地毯式设置在铁轨上的智能无源铁轨监测感知前端，相邻智能无源铁轨监测感知前端的监测路段相互连接，每个感知前端都能独立工作，以低廉的成本实现对监测路段的全面覆盖，铁轨监测数据更加全面和准确。

4、本发明中，电源管理模块包括包括能量存储控制电路、微控制器、控制接口电路和能量输入输出控制电路，能量输入输出控制电路用于对振动能量采集模块输入的交流或直流电进行转换及稳压和对输出到监测感知前端各部件供电的电能进行交流或直流转换及稳压；能量存储控制电路用于：对振动能量采集模块输入经能量输入输出控制电路转换处理的电能限压、检测、储能和分配输出；控制接口电路用于：连接微控制器、能量存储控制电路及能量输入输出控制电路的控制端口；微控制器用于：控制电源管理模块整体各个控制电路模块的工作。在列车驶过时产生电能，电源管理模块自动供电，监测前端工作监测数据，由于输入的能量是振动能量采集模块从非常态能量中转化的电能，输入能量的时机和功率均不可预测且不受控制，同时能量来源有限，电源管理模块可以实现高效的动态能量管理，并具备较好的通用性，能够让前端稳定地工作。微控制器在能量输入输出控制电路检测到有电能输入时自动唤醒开始控制输出电能为主控板供电，当电能输入结束后在设定时间内保持继续输出电能，设定时间结束后结束输出电能等待下一次振动的电能输入，在实现有效铁轨监测的基础上尽量降低硬件损耗，最大程度延长系统寿命，以实现无人监管、免维护的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明智能无源铁轨结构体健康监测系统整体架构图；

图2为本发明智能无源铁轨监测感知前端整体结构框图；

图3本发明智能无源铁轨监测感知前端在铁轨上地毯式设置示意图

图4为本发明机械振动能量采集模块结构示意图

图5为本发明机械振动能量采集模块中单向轴承示意图

图6为本发明机械振动能量采集模块的振动向下时在单向轴承的方向控制作用下驱动齿轮驱动主轴单向转动的工作示意图；

图7为本发明机械振动能量采集模块的振动向上时在单向轴承的方向控制作用下驱动齿轮驱动主轴单向转动的工作示意图；

图8为本发明机械式振动能量采集模块在普通铁路上安装使用示意图；

图9为本发明机械式振动能量采集模块在无砟轨道上安装使用示意图；

图10为本发明电源管理模块结构框图；

图11本发明的能量存储控制电路；

图12为本发明的稳压电路图；

图13为本发明的模数转换电路图；

图14为本发明的交直流转换电路；

图15为本发明的微控制器电路图；

图16为本发明监测感知前端采集温度和挠度数据工作原理示意图；

图17为本发明智能无源铁轨结构体健康监测系统的工作流程图；

图18为本发明能量事件驱动方法的流程图；

图19为本发明当铁轨抗弯刚度h＝60kn/mm，温度力n＝200kn时，不同外力下(p)下的挠度曲线图；

图20为本发明当铁轨压力p＝2kn，铁轨抗弯刚度h＝60kn/mm时，不同温度力(n)下的挠度曲线图；

图21为本发明当铁轨抗弯刚度h＝60kn/mm时，铁轨中心点x的挠度及外力与温度力之间的关系图；

图中标记：1-第一驱动齿轮，2-第二驱动齿轮，3-主轴，4-第一齿条，5-第二齿条，6-单向轴承，7-变速箱，8-发电机，9-路基，10-铁轨，11-枕木，12-滚子，13-外环，14-内环，15-飞轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

一种智能无源铁轨结构体健康监测系统，如图1所示，包括多个分布设置在铁轨上采集铁轨健康数据的监测传感器和读取监测传感器数据的智能无源铁轨监测感知前端，还包括对智能无源铁轨监测感知前端读取的数据进行分析的云端数据库，其中智能无源铁轨监测感知前端如图2所示，包括：主控板，主控板连接有无线通信模块，还包括设置在铁轨上的振动能量采集模块，振动能量采集模块电能输出端连接有电源管理模块，电源管理模块输出电能为监测感知前端整体和监测传感器供电，主控板连接监测传感器控制器工作和读取其数据，监测传感器包括有温度计和挠度计，无线通信模块与外部通讯设备通讯实时传输铁轨的健康数据；

主控板中存储每一个监测传感器的id和其安装点的物理位置，云端数据库通过与监测感知前端通信读取监测传感器的id、单位时间温度计和挠度计多次采集的温度值和挠度值、以及数据的采集时间，从单位时间多次采集的挠度值中得到列车驶过铁轨时的挠度最大值，将所有监测传感器安装点的挠度最大值进行对齐后对比，以温度值为参考量，找到挠度值异常超过安全阈值的安装点位置，从而得出挠度值异常高对应的问题铁轨的物理位置。

进一步，所述挠度最大值得出过程为：先将从单位时间多次采集的挠度值中得到列车驶过铁轨上每一个监测传感器安装点的挠度值变化周期，从挠度值变化周期中找出该安装点的挠度最大值。

以一段4m长无缝钢的铁轨为例，其在弹性约束下的铁轨挠度曲线方程为：

其中：p为外力，n为温度力(温度力是铁轨热胀冷缩时产生的张力，当铁轨降温收缩时n＞0，受热膨胀时n＜0。温度力有铁轨安装时的温度和工作温度相关。工作温度高于安装时的温度时受热膨胀，反之收缩。)，h为铁轨抗弯刚度，y为铁轨挠度，x为受力点位置，α为钢轨的线膨胀系数，k为温度力和钢轨抗弯刚度比值的二分之一次方，即

根据上述公式得到：

当铁轨抗弯刚度h＝60kn/mm，温度力n＝200kn时，不同外力下(p)下的挠度曲线如图19所示。

当铁轨压力p＝2kn，铁轨抗弯刚度h＝60kn/mm时，不同温度力(n)下的挠度曲线如图20所示。

当铁轨抗弯刚度h＝60kn/mm时，铁轨中心点x的挠度及外力与温度力之间的关系如图21所示。

以上可以得出挠度最大值数据对比原理为：在列车组驶过时，某一受力点的挠度和外力，温度力，铁轨抗弯刚度，以及安装位置均有关系。但对于某一具体的点，在列车同一轮组驶过时，其外力和安装位置就已经固定，此时，铁轨的挠度就只和温度和铁轨抗弯刚度相关。因此，我们测出温度作为参考，若铁轨这一受力点在此温度下的挠度异常，则代表其抗弯刚度异常(强度下降)，则该受力点存在一定的老化或受损情况。当挠度异常值超过某一阈值(需要专家通过实际环境进行设定，可在实际环境中测得其可在可正常使用无损伤隐患范围内的铁轨抗弯刚度最低值，根据温度值计算得到每一温度之下的挠度阈值)，则视为铁轨老化过度，需要更换。这样就完成了对过度老化铁轨的监测。

铁轨的挠度与温度最易于测量，而这两个参数可以作为铁轨健康程度的反映。在长期的使用中，铁轨可能会产生裂缝或锈蚀等老化状况从而导其强度下降，在列车驶过该路段时便会表现出与其他路段不同的挠度值。同时铁轨的挠度还与温度有关，在不同温度下，铁轨热胀冷缩产生的张力也不相同，温度下降会导致铁轨张紧从而使得相同压力下的挠度值降低，温度上升则与之相反，因此测量列车行驶时铁轨产生的温度与挠度值，可以预测该路段的健康状况，若参数异常，则该路段很可能产生了裂缝、锈蚀以及变形等老化状况。当钢轨产生裂缝、断面或锈蚀等老化时就会导致抗弯刚度下降，从而在相同的温度下展现出更大的挠度值。由于监测传感器(包括温度计和挠度计，还可以包括其它例如压力计、强度计等传感器测量更多铁轨和环境数据)是高密度分布于铁轨两侧的，通过对比不同传感器的数据，便很容易找出问题铁轨。其工作原理如图16所示。当列车驶过时，监测感知前端的主控板会为监测传感器提供工作电能从而控制监测传感器工作(或者监测传感器直接由电源管理模块供电，由主控板控制其监测传感器的开关电路从而控制监测传感器的工作)，采集温度和挠度数据，主控板对采集的数据进行读取，可根据实际用户需求，主控板每秒读取多次传感器数据，并记录读取时间。而受力点与传感器的id相对应(传感器的安装位置是固定的，每一个传感器安装的物理位置都会存储在主控板里)，每段铁轨在相同受力点的数据才具备可比性。由于列车有多个转向架，铁轨上任意一点的挠度在列车每个转向架驶过时都经历会先增大后减小的过程，呈周期变化。在每个挠度变化周期，铁轨挠度的最大值都是列车车轮刚好到达监测传感器所在位置时测得，代表着这一周期铁轨工作的最大负荷。系统将每周期挠度最大值提取出来，并将其进行将其进行对齐。由于列车到达每个传感器的时间并不相同，数据对齐能确保数据对比的可比性(对比的数据是相同轮组驶过不同传感器的数据。)由于数据是按照每周期挠度最大值进行对齐(车轮刚好到达时)，即使车速变化，也不会受到影响。接下来，监测感知前端会将每一个传感器采集的数据进行整合并发送至基站，进行对比，根据数据的异常性，寻找问题路段。由于钢轨的老化会导致其抗弯刚度下降，则会使该段钢轨在相应的温度依据受力状况下产生更大的挠度值。通过对比列车同一轮组驶过不同段铁轨时产生的挠度值，再加以温度作为参考量，便可找出问题铁轨，提前对其加以更换，提高行车安全，实现铁轨受损状况的自动化普查。

通过这一的方法，虽然无法直接测量钢轨的断面或裂缝等损伤，但可以对铁轨的老化程度进行预测。同时，此方法测量的参数是在列车运行时铁轨工作的实时数据，具备很好的准确度、真实度以及实时性，通过较低的成本实现铁轨健康参数的高效、实时监测。

进一步，所述智能无源铁轨监测感知前端包括多个地毯式设置在铁轨上的智能无源铁轨监测感知前端，相邻智能无源铁轨监测感知前端的监测路段相互连接，每个智能无源铁轨监测感知前端分别与云端数据库通讯实时传输铁轨的健康数据，如图3所示，以低廉的成本实现对监测路段的全面覆盖，铁轨监测数据更加全面和准确。且每个感知前端都能独立工作，互不影响。每个智能无源铁轨监测感知前端中连接有多个位于不同安装点的监测传感器，由一个前端控制多个监测传感器，为其供电，进一步降低成本，并实现对铁路轨道的全面覆盖。

进一步，所述监测传感器包括多个与主控板连接的传感器，比如除了必要的温度计和挠度计之外，还可以设置压力传感器、硬度传感器等，方便在铁轨上布局，能实时准确检测铁轨各种特征数据且不影响铁轨的正常运行，使用方便。

安装使用时，监测传感器如温度计和挠度计，根据传感器的检测特性固定设置在所需检测的铁轨位置，不挡住铁轨正常运行即可。主控板和与其连接的无线通信模块、电源管理模块可固定安装在铁轨的路基上。无线通信模块可采用3g、4g等通用的远距离无线通信与基站等传输数据。

进一步，所述振动能量采集模块采用机械振动能量采集模块，如图4所示，包括第一驱动齿轮1和第二驱动齿轮2，第一驱动齿轮1和第二驱动齿轮2同轴安装在主轴3上，第一驱动齿轮1的一侧契合设置有第一齿条4，第二驱动齿轮2的一侧契合设置有第二齿条5，第一齿条4和第二齿条5方向相对设置，第一驱动齿轮1和第二驱动齿轮2由振动驱动其分别在第一齿条4和第二齿条5上转动并发生上下的相对位移，第一驱动齿轮1和第二驱动齿轮2与主轴3之间设置有单向轴承6，主轴3由单向轴承6、第一驱动齿轮1和第二驱动齿轮2共同驱动并保持单向转动，主轴3上还安装有用于对主轴3转动加速的机械变速箱7，机械变速箱7的输出轴连接发电机8，发电机8由变速箱7的输出轴转动驱动发电，发电机8上还设置有用于使发电机连续驱动的飞轮15。

单向轴承安装在两个驱动齿轮与主轴之间，只能沿着一个方向传递扭力即锁止状态，而在反方向处于自由状态，单向轴承示意图如图5所示。第一驱动齿轮和第二驱动齿轮在第一齿条和第二齿条上转动，从而驱动主轴，并在单向轴承的方向控制作用下主轴单向转动的具体工作方式如下(以第一齿条设置在第一驱动齿轮的右侧，第二齿条设置在第二驱动齿轮左侧为例，另一种设置方式为第一齿条设置在第一驱动齿轮的左侧，第二齿条设置在第二驱动齿轮右侧，其工作方式类似不再做过多赘述)：当两个齿条由振动驱动向下运行时，如图6所示，在单向轴承控制作用下，第二驱动齿轮锁止，传递扭力驱动主轴转动(顺时针)，而第一驱动齿轮则处于自由状态，不传递扭力。而当两个齿条由振动驱动向上运行时，如图7所示，第一驱动齿轮锁止，传递扭矩而第二驱动齿轮处于自由状态，主轴依然沿着顺时针转动。通过飞轮让发电机连续驱动，飞轮用于存储部分转动势能，消除冲击，从而增强电机运转的平稳性，以便于发电机更加平稳的运行输出更加稳定的电能，提升能量转化效率，可直接采用内置飞轮的三相交流发电机。采用这样的结构能让主轴在铁轨复杂振动的驱动下朝一个方向运转，确保发电机也能保持单向转动。齿条固定不动，铁轨带动能量采集模块主体振动的安装工作方式原理类似不再做过多赘述。

变速箱采用机械式转动变速箱如加速齿轮箱(加速行星齿轮箱)等，使得其完全机械化，无需外部提供能源，更加方便使用。

机械振动能量采集模块有多种安装方式以适应不同的铁路轨道。在普通铁路(有枕木)上安装使用时，如图8所示，将第一和第二齿条固定安装在地基内，而能量采集模块主体包括第一驱动齿轮、第二驱动齿轮、主轴、变速箱和发电机被安装在轨道上的枕木上。在列车行驶时，车轮的压力会导致轨道下沉产生振动，由于枕木有一定的弹性，在列车行驶时枕木上表面会随着铁轨的振动而振动，能量采集模块主体安装在枕木上，也会随着铁轨的振动而振动，齿条被固定在地基中不动，能量采集模块主体的振动与齿条产生相对位移，上下移动，就会让第一驱动齿轮和第二驱动齿轮在第一齿条和第二齿条上转动，从而驱动主轴，并在单向轴承的方向控制作用下主轴单向转动，通过变速箱加速后驱动发电机，发电机高速运转，通过发电机的电磁感应原理输出高功率电能。

在高铁、地铁这一类无砟轨道上安装使用时，如图9所示，由于铁路轨道没有枕木，所以将齿条固定在铁轨侧面，将能量采集模块主体安装在路基上，其运行方式与普通铁路上的运行方式相似，区别在于这种安装方式是以铁轨带动齿条振动作为机械能输入的。

机械振动能量采集模块采用由低频振动产生的较大压力推力以及振动物体的较大弹性力来驱动，可使机械式振动能量采集模块获得高功率的机械能输入，依靠振动的驱动力工作，摆脱了振动加速度以及频率限制，能在低频振动下实现高功率输出，且特殊的机械结构提升了机械能的传输效率，电机能在振动的复杂运动驱动下输出高达数十瓦的稳定电能，约为传统振动能量采集模块的一千倍，可用于铁轨监测等系统使用的功率要求，适用范围广。采用机械式结构，易于定制，可以适应于各种路段以实现铁路轨道全覆盖，能够适应各类恶劣环境，具备较长适应寿命且量产成本低，易于量产和广泛应用。

优选的，所述电源管理模块如图10所示，包括能量存储控制电路、微控制器、控制接口电路和能量输入输出控制电路，所述能量存储控制电路、控制接口电路、能量输入输出控制电路分别连接微控制器，所述能量存储控制电路连接控制接口电路，所述能量存储控制电路连接能量输入输出控制电路，其中：

能量输入输出控制电路：用于对振动能量采集模块输入的交流或直流电进行转换及稳压和对输出到监测感知前端各部件(主控板、无线通信模块)和监测传感器供电的电能进行交流或直流转换及稳压。振动能量采集模块中发电机输出的可能是交流电或直流电，根据选择的发电机的不同，选择能量输入输出控制电路的直流输入接口或交流输入接口与发电机输出接口连接。监测传感器可通过连接的主控板为其提供工作电压，也可直接与能量输入输出控制电路的输出端连接获取工作所需电能。

能量输入输出控制电路包括直流输入接口、交流输入接口、直流输出端一、直流输出端二、模数转换模块、交直流转换电路和用于调节输入输出范围的稳压电路，所述模数转换模块输入端连接模拟传感器，其输出端连接微控制器；所述交直流转换电路输入端连接交流输入，其输出端连接能量存储控制电路和直流输入，所述能量存储控制电路输出端连接稳压电路后连接直流输出端二，所述能量存储控制电路输出端还连接直流输出端一。

能量存储控制电路：用于对振动能量采集模块输入经能量输入输出控制电路转换处理后的电能进行限压、检测、储能和分配输出。

能量存储控制电路包括用于限压、能量检测和电容控制的控制芯片和多个独立电容，所述微控制器、控制芯片和独立电容依次电性连接。

储能功能用串联连接的多电容实现，由于系统用于非常态能量的管理，输入输出能量随机性强且均有较大波动，使得储能电容在工作时长期处于充放电状态，而储能电容又是框架中寿命最短的部分，所以需要采用多电容存储的方案，延长系统使用寿命。

控制芯片具备电容控制功能，会自动平衡各个电容当中的能量，即使部分电容损坏也能够正常工作。电容采用串联结构，可以获得较高输出电压。在部分电容损坏时则可能导致储能电压下降或形成开路，此时，控制芯片会将剩余电容的电压叠加并通过升降压控制单元升压至负载所需电压，保证正常工作。

控制接口电路：用于连接微控制器、能量存储控制电路及能量输入输出控制电路的控制端口。

控制接口电路包括控制接口，所述控制接口一端连接微控制器，其另一端连接控制芯片，其另一端还连接稳压电路。

微控制器：用于控制电源管理模块整体各个控制电路模块的工作。

优选的：

电源管理模块中还包括温度控制电路，温度控制电路连接微控制器。

微控制器还连接数字传感器。

能量存储控制电路还包括多个独立电容接口和用于隔离的mos管，独立电容接口连接独立电容，相邻独立电容通过mos管相连。

稳压电路包括稳压芯片u1和通过跳线接口连接实现不同阻值的分压电阻，其9引脚连接分压电阻后连接输出。

电源管理模块在列车驶过时自动控制前端工作监测数据，由于输入的能量是振动能量采集模块从非常态能量中转化的电能，输入能量的时机和功率均不可预测且不受控制，同时能量来源有限，电源管理模块可以实现高效的动态能量管理，并具备较好的通用性，能够让前端稳定地工作。

优选的，微控制器在有电能输入时自动唤醒开始输出电能为主控板供电，当电能输入结束后在设定时间内保持继续输出电能，设定时间结束后结束输出电能等待下一次振动的电能输入，在实现有效实时铁轨监测的基础上尽量降低硬件损耗，最大程度延长系统寿命，以实现无人监管、免维护的目的。

以下对电源管理模块各组成部分的电路具体实现方式进行举例说明：

(一)能量输入输出控制电路：

具体电路连接如图11-14所示，模数转换模块采用的型号为ads1115，ads1115是一款常见的高精度模拟-数字转换芯片，可以将模拟传感器输出的信号精确转换为数字信号，由于该芯片较为常见，在此不做赘述。微控制器还连接数字传感器，控制器通过高精度ad转换器连接模拟传感器。数字传感器可直接连接到微控制器上，传感器的输出端可连接到微控制芯片的2脚～6脚，12～28脚34～51脚以及58～61脚之间的任意引脚上，并通过程序对其加以控制。模拟传感器则连接到模数转换电路中芯片u3的4～7脚，芯片将模拟信号转换为数字信号后通过9脚传输给微控制器。每个芯片最多可以连接4个模拟传感器。模数转换芯片通过i2c总线连接到微控制器，微控制器可最多连接4个此型号模数转换芯片。因此，在此电路中，微控制器最多可连接44个数字传感器和16个模拟传感器，增加传感器的数量可以实现对环境更精确的感知，适应多种环境，提高适应性，实现精准控制。

稳压电路具体电路连接如图12所示，稳压电路中的稳压芯片型号为ltc3130。

工作原理：ltc3130是一款高效的稳压电路，与其他稳压电路不同，ltc3130具备burst工作模式，在该模式下，芯片的工作频率将会随着负载电流进行调节，从而实现在负载电流为0.01～660毫安的情况下达到75％～92％的能量转换效率，具备更广的应用场景。其余稳压芯片的高效率工作范围较小，在转换效率超过60％的需求下，其负载电流变化范围往往不超过10倍。常用的方案是根据实际需求进行芯片选择，不具备通用性。

ltc3130的电压输入范围为2.4-25v，具备较广的应用范围。电路具备稳压功能，通过9脚收到的电压反馈实现。输出电压通过调整9号脚的分压电阻进行调节，其输出范围为1～25v，可适用于绝大多数应用场景；稳压电路通过pwm(脉冲宽度调制)来实现稳压。在本设计中，稳压电压可调，电压调节原理是反馈调节。芯片中9脚为反馈电压的输入引脚，其输入电压通过对芯片的整流输出电压进行分压得到。芯片会通过pwm对输出电压进行调节，从而使得分压之后的反馈电压稳定到1v，因此，可以通过调整分压电阻的方式来调节输出电压，其公式为：

vout＝(1+ra/rb)

在本例中，r2代表ra，r3、r4或者r5代表rb，通过跳线接口3130vo和x连接以实现3.3v、3.5v、以及1-4v可调电压的输出(1～4v为本例需求设置，通过更换限压保护电阻r6和r7，可实现1～25v调压)。通过设置高效且范围可调的稳压电路，拓宽输入输出范围，通过pwm实现稳压，通过不同阻值的分压电阻实现输出不同范围的电压，适用于多种类型能量控制，提高装置的通用性。

(二)能量存储控制电路：

具体电路连接如图11所示，控制芯片的型号为ltc3350，电容采用超级电容，容值为10f，此处举例根据铁轨环境和需求设置4个超级电容。

工作原理：ltc3350控制芯片具备限压功能，当输入电压高于40v时，其输入端34脚将进入高阻状态，使电流旁通，进行自我保护；芯片的输入电压为4.5～35v，可适应绝大多数应用范围。

芯片具备能量监测功能，通过34脚监测输入电压以及30和31脚之间的电阻rsnsi1、rsnsi12监测电流，从而计算输入系统的功率，通过21脚监测电容电压以及21和22脚之间的电阻rsnsi3计算电容的充放电功率，并通过内部电路对其进行控制以最大程度匹配负载需要。芯片内部集成了多个寄存器，逻辑控制器，以及控制接口，可精准的根据需求控制能量的存储和输出，其内部存储的数据可通过控制接口进行访问，电路具备存储器u9，可存储特定程序，以根据需求对能量进行更加精准的控制。

电路具备电容控制功能，芯片具备4个独立的电容连接接口13-16脚，同时，电容之间通过mos管m8～m10进行隔离，若其中一个电容损坏，电容间出现压差，剩余电容中存储的能量将会通过mos管自动平衡，即当电容之间出现明显压差的时候，mos管将会导通，将受损电容旁通，从而避免因一个电容断路而导致4个电容都无法工作的情况。由于电容间采用串联连接，在部分电容受损后，最大储能电压将下降，但即使只有一个电容正常工作，也可以达到系统需要的工作电压，每个电容的电压上限为5v，4个电容的串联电压上限为20v，监测电容总电压的引脚为21脚，21脚的最低工作电压为1v，即使4个电容损坏3个，依然可以正常工作。

电路具备一定的稳压能力，通过7脚收到的电压反馈实现。输出电压通过调整7号脚的分压电阻进行调节，其输出范围为0～40v，可适用于绝大多数应用场景。

综上，本方案对多个独立的电容进行管理，相邻独立电容通过mos管连接，避免一个电容断路导致其他电容无法工作，使用寿命短的缺点，延长电容寿命，实现免维护，提高便利性。

(三)控制接口电路：如图11中所示，采用控制接口。

(四)微处理器：如图15所示，微控制器的型号为msp430f169。

电源管理模块通过设置高效且范围可调的稳压电路，拓宽输入输出范围，通过pwm实现稳压，通过不同阻值的分压电阻实现输出不同范围的电压，适用于多种类型能量控制，提高装置的通用性；对多个独立的电容进行管理，相邻独立电容通过mos管连接，避免一个电容断路导致其他电容无法工作，使用寿命短的缺点，延长电容寿命，实现免维护，提高便利性；设置编程接口和高精度的控制器件，根据实际需求进行监测和控制，适应多种环境，提高适应性，实现精准控制；为克服具体环境的未知性和多样性，设置稳压电路扩展输入输出范围、设置高精度控制器件增强适应性、设置独立管理的电容延长使用寿命、实现免维护，达到了精确控制动态能量、通用性强、适应性强的效果。

本发明中，采用基于铁轨振动驱动的振动能量采集模块将铁轨振动的机械能转化为高功率的电能，电源管理模块将振动能量采集模块的电能进行分配输出和储能，在振动能量采集模块输入电能时自动唤醒开始输出电能为主控板供电来为本前端中各组件供电，不需有线和电池供电，也不需浪费人力和能源，可安装在任何偏远的路段，实现无源的远程实时自动化铁轨监测普查，在降低监测成本的同时，提高了监测效率。列车经过时主控板开始工作，控制监测传感器采集数据，并通过远距离无线通信模块发送至基站，基站将感知前端的数据加以整合并传送至云端数据库，这样就完成了一次自动化的实时监测。能够在列车经过时实时监测并传输数据，实现了动态监测，可监测列车运行时铁轨的真实运作情况，相较于传统方案在监测时铁轨处于空载或低负载状况而言，具备更高的准确性。

进一步，所述系统采用能量事件驱动方法来控制工作，方法包括如下步骤：

步骤1：振动能量采集模块采集并存储铁轨振动产生的能量，同时感知电源管理模块前期的存储能量；

步骤2：根据步骤1判断电源管理模块的存储能量是否超过系统工作阈值，若超过，则驱动系统工作；若未超过，则返至步骤1继续采集、存储铁轨振动产生的能量。

工作原理：在没有列车经过时，系统将长时间处于休眠状态，在列车到达时，系统会由能量采集模块采集的能量自动唤醒并开始工作；在列车驶过后，系统还可以根据需要再工作一段时间，最后进入休眠状态；实现系统在需要的时候工作，其余时间处于断电休眠状态，最大程度降低硬件损耗，延长使用寿命；按照系统中寿命最短的法拉电容来计算，在最差情况下(70度)其寿命约为5000小时；将系统安装在高铁轨道旁，在每天通车150趟的情况下其平均寿命可达40年，完全实现了无人监管；同时，由于系统采用能量驱动，系统可以长期空电储存，即使在系统处于空电状态下(初次安装或长期闲置导致系统没有存储任何能量)，也能在能量输入时(列车驶过)自动唤醒，无需人员维护。能量作为事件驱动，采集能量为系统工作提供所需能源，同时作为唤醒系统工作的信号，加快能量驱动效率。方法流程图如图18所示。

进一步，步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：电源管理模块判断能量存储控制电路中的工作能量是否超过监测感知前端工作阈值，若超过，则跳至步骤2.2；若未超过，则跳至步骤1继续采集、存储铁轨振动产生的能量；能量存储控制电路中的工作能量包括前期存储能量或者前期存储能量与采集存储的工作能量总和或者采集存储的工作能量；

步骤2.2：电源管理模块控制系统的能量输出接口，将工作能量接入系统的监测感知前端，驱动智能无源铁轨结构体健康监测系统开始工作。

系统的电源管理模块提供能量给系统，使系统工作，铁轨振动的能量时刻变化，能量采集装置的功率和监测感知前端需要的无法实时匹配，所以要把采集的能量存储在电源管理模块的能量存储控制电路提供给监测感知前端利用。电源管理模块一边通过采集转换进行存储，一边为负载供能；环境中有振动能量就采集，只要存储的能量足够负载工作就激活系统。若前期系统中存储有足够的能量，则在环境中有合适能量时，进行能量采集同时激活系统；若系统中前期没有存储的能量或储存的能量没有达到阈值，则先采集，到工作所需阈值后，再激活后端系统。感知电源管理模块中的前期存储能量，使得系统更加快速的启动，而无需等到能量采集装置采集足够的能量将系统激活；系统中电源管理模块用于控制存储能量对监测感知前端的输出，可以让监测感知前端在需要的时候工作，避免现有技术中能量充足便启动工作，能量耗尽就断电的缺点，大大降低能量消耗，延长使用寿命。

系统的工作流程图如图17所示，采用基于铁轨振动驱动的振动能量采集模块将铁轨振动的机械能转化为高功率的电能，电源管理模块将振动能量采集模块的电能进行分配输出和储能，在振动能量采集模块输入电能时自动唤醒开始输出电能为主控板供电来为本前端中各组件供电，不需有线和电池供电，也不需浪费人力和能源，可安装在任何偏远的路段，实现无源的远程实时自动化铁轨监测普查，在降低监测成本的同时，提高了监测效率。列车经过时主控板开始工作，控制监测传感器采集数据，并通过远距离无线通信模块发送至基站，基站将感知前端的数据加以整合并传送至云端数据库，这样就完成了一次自动化的实时监测。能够在列车经过时实时监测并传输数据，实现了动态监测，可监测列车运行时铁轨的真实运作情况，相较于传统方案在监测时铁轨处于空载或低负载状况而言，具备更高的准确性。智能无源铁轨监测感知前端包括多个地毯式设置在铁轨上的智能无源铁轨监测感知前端，相邻智能无源铁轨监测感知前端的监测路段相互连接，每个感知前端都能独立工作，以低廉的成本实现对监测路段的全面覆盖，铁轨监测数据更加全面和准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。