[0001] 本发明涉及道岔运维领域，具体地，涉及一种具备功耗自主调节功能的道岔电磁融雪装置。

[0002] 目前在道岔融雪常采用电阻条加热的方式，它的主要工作原理是基于电阻材料产生热量的特性来融化道岔附近的积雪，但电阻条加热需要大量的电能供应，其在大面积道岔或恶劣天气条件下，能源消耗较高，同时电阻条加热融雪的温度控制相对较为困难。由于电阻条的热传导速度较慢，以及环境因素的影响，如风速和温度变化等，可能导致温度不均匀和过热或过低的情况发生。

[0003] 中国专利CN 102465478 A公布了一种道岔电磁加热融雪装置及其制作方法，包括采用电磁加热的方式，将电磁加热器通过固定卡总成与钢轨的轨腰进行密贴安装，当外部供电后，通过电磁感应在钢轨表面形成涡流直接加热钢轨，从而实现融雪功能；相较于电阻条加热，电磁加热的效率更高，具有节能优势；但该方案在加热过程中采用的仍是整体加热的方式，无法获取电磁单元的加热效果，电磁加热器的使用状态也不能直观反应，也不能根据实际需要，对钢轨进行局部加热或分区单独控制加热温度，灵活性差，浪费能源。

[0004] 另外，对于不同位置的轨道，积雪量可能不同， 如果采用同一功率进行加热，则对于积雪少的地方，可能存在过度加热，浪费能源，而且对轨道也会造成一定影响。遇到雨天，如果环境温度很低时，雨水在轨道上瞬间凝结成冰，会影响轨道的运行，尤其是在轨道上存在积雪时，如果再遇上下雨，可能跟会加剧轨道结冰，因此如何在这些复杂的情况下感知多种信息，针对性地进行加热，既能节约能源，又能科学有效地掌控轨道的综合信息。

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。实施例

[0025] 现有的整体加热的融雪方式存在的无法获取加热情况且不能分区单独控制，不够节能，本发明针对这些各方面的技术问题，本实施例采用了轨温采集模块，用来实时采集轨道温度，以便及时掌握轨道的加热情况，另设有控制模块，可以根据轨道温度控制加热模块的加热情况。由于电磁加热相较于电阻条加热，电磁加热的效率更高，具有节能优势，本实施例采用电磁加热。

[0026] 本实施例具体通过以下技术方式来实现：一种具备功耗自主调节功能的道岔电磁融雪装置，如图1所示，包括轨温采集模块，用于采集轨道温度，
环境温度传感器，用于采集轨道所在环境的温度及温度变化信息，
雪量传感器，用于采集轨道上的积雪量，
雨量传感器，用于采集轨道所在环境降雨量，
加热模块，用于对轨道进行加热，
控制模块，用于接收所述轨温采集模块、环境温度传感器、雪量传感器、雨量传感器采集的轨温、环境温度、积雪量、雨量信息，，并进行综合分析，通过自适应温度控制算法对加热功率进行设定，控制所述加热模块对所述轨道进行加热。

[0027] 所述控制模块综合所述雪量传感器的数据和所述温度传感器的数据，进行综合分析，控制所述加热模块，具体的，当所述雪量传感器采集到的积雪量高于预设第一雪量阈值时，控制模块控制所述加热模块对所述轨道进行高功率加热；当所述雪量传感器采集到的积雪量低于预设第一雪量阈值时，读取所述环境温度传感器的数据，若所述环境温度高于预设的第一温度阈值，则控制模块控制所述加热模块停止对所述轨道进行加热；若所述环境温度低于预设第一温度阈值，则控制模块控制所述加热模块对轨道进行低功率加热；若所述环境温度高于预设的第一温度阈值但所述环境温度呈下降趋势，则控制模块控制所述加热模块对轨道进行中功率加热。

[0028] 另外，所述控制模块还可以综合所述雨量传感器的数据和所述温度传感器的数据，进行综合分析，控制所述加热模块，具体的，当所述环境温度高于预设的第一温度阈值，所述雨量传感器感知到的雨量信息不超过第二雨量阈值时，所述控制模块控制所述加热模块停止对所述轨道进行加热；当所述环境温度低于预设的第一温度阈值，所述雨量传感器感知到的雨量信息超过第一雨量阈值时，所述控制模块控制所述加热模块对所述轨道进行低功率加热；
当所述环境温度低于预设的第一温度阈值且呈下降趋势，所述雨量传感器感知到的雨量信息超过第一雨量阈值时，所述控制模块控制所述加热模块对所述轨道进行中功率加热；
当所述环境温度低于预设的第二温度阈值且呈下降趋势，所述雨量传感器感知到的雨量信息超过第一雨量阈值时，所述控制模块控制所述加热模块对所述轨道进行高功率加热；
所述第一温度阈值高于所述第二温度阈值，所述第一雨量阈值小于所述第二雨量阈值。

[0029] 为了更全面的掌控轨道信息，所述控制模块还可以综合所有外部感知模块包括所述雨量传感器、所述温度传感器以及所述雪量传感器的数据，进行综合分析，控制所述加热模块，具体的，外部环境感知模块由超声波雪量传感器、温度传感器、雨量传感器组合而成。三个传感器经过小型化集成设计后安装在道岔基本轨轨底，对基本轨周围的积雪量、降水量、环境温度进行测量；为防止电磁加热单元热辐射对环境温度的测量产生影响，温度传感器与轨底保持20cm以上距离；部环境感知模块与控制模块中的主控单元通过485进行通信，将雷雪，雨量，环境温度值及温度变化趋势等信息发送至主控单元，主控单元根据接收到的数值对通过自适应温度控制算法对加热功率进行设定。当所述积雪量低于所述第一雪量阈值，且所述雨量信息高于所述第一雨量阈值，且所述环境温度低于第一温度阈值时，所述控制模块控制所述加热模块对所述轨道进行低功率加热；当所述积雪量低于所述第一雪量阈值，且所述雨量信息高于所述第二雨量阈值，且所述环境温度低于第二温度阈值且成下降趋势时，所述控制模块控制所述加热模块对所述轨道进行高功率加热。

[0030] 自适应温度控制算法将安装现场的降雪量、降雨量、环境温度及温度变化趋势作为参考输入，配合参数更新，实现了自适应温度控制闭环，涉及到的部分算法公式及执行流程如下：设置自适应温度控制算法的参数，包括比例系数 Kp、积分系数 Ki、微分系数 Kd，目标温度 Setpoint，采样时间间隔 dt，积分项误差累积 Integral_Error，上一次的温度偏差 Previous_Error，积分项最大限制值max_integral，积分项最小限制值 min_integral，雪量累积snow_Depth，雨量累计Rainfall，环境温度Ambient_Temperature，温度变化趋势Temperature_Trend，目标温度Setpoint= desired_target_temperature；
当降雪量 （snow_Depth）增加且小于雪量阈值，环境温度大于0℃到5℃时（Ambient_Temperature＞0℃|5℃），电磁融雪设备停止对钢轨进行加热（Control_Output=
0）；
当降雪量 （snow_Depth）增加且小于雪量阈值，环境温度小于0℃时（Ambient_Temperature<0℃），电磁融雪设备对钢轨进行低功率加热（Control_Output=min（low_power_threshold））；
当降雪量 （snow_Depth）增加且小于雪量阈值，环境温度大于0℃，但温度保持连续下降趋势（Temperature_Trend ≤0），电磁融雪设备对钢轨进行中功率加热（Control_Output=mid（low_power_threshold））当降雪量大于雪量阈值，采用高功率加热（Control_Output=max（high_power_threshold））。

[0031] 当降雪量 （snow_Depth）增加且大于雪量阈值，环境温度小于0℃时（Ambient_Temperature<0℃），电磁融雪设备对钢轨进行高功率加热（Control_Output=max（high_power_threshold））；获取外部环境降雨及环境温度：调整电磁融雪单元的加热功率，实现电磁融雪装置根据降雨及温度状态进行加热功率调节，防止因低温加雨水环境使道岔组件发生结冰，造成潜在的损失隐患。

[0032] 当低温环境下（Ambient_Temperature＞0℃），并存在降雨时（Rainfall＞0），电磁融雪设备停止对钢轨进行加热（Control_Output=0）；当低温环境下（Ambient_Temperature＜0℃），并存在降雨时（Rainfall＞0），电磁融雪设备停止对钢轨进行低功率加热（Control_Output=min（low_power_threshold））；当环境温度保持下降趋势，且温度低于零下5℃电磁融雪单元采用高功率加热（Control_Output=max(High_power_threshold)）
当降雪量低于阈值雪量并伴随降雨，当环境温度低于室温零度（Ambient_
Temperature＜0℃），电磁融雪设备对钢轨进行低功率加热（Control_Output=min（low_power_threshold））；当环境温度保持下降趋势，且温度低于零下‑5℃电磁融雪单元采用高功率加热（Control_Output=max(High_power_threshold)）；
进入主循环，执行自适应温度控制算法：
‑计算温度偏差：Error = Setpoint – Feedback_Value ；
‑更新积分累计误差： Integral_Error += Error * dt；
‑限制积分项误差累积，防止积分饱和：
Integral_Error=min(max_integral,max(min_integral,Intergral_Error))‑计算温度控制量调整项:
P_Output=Kp*Error;
I_Output=Ki*Integral_Error;
D_Output=Kd*((Error‑Previous_Error)/dt);
‑更新上一次的温度偏差;Previous_Error=Error;
‑组合各控制项得到最终控制量：Control_Output=P_Output+I_Output+D_Output;
根据Snow_Depth，Rainfall，Ambient_Temperature，Temperature_Trend等输入量进行逻辑判断，并输出电磁融雪设备的功率控制量（apply_power=（Control_Output））实现对电磁融雪设备的自适应动态控制；
主循环继续执行，不断重复上述步骤，实现实时的自适应加热功率控制。

[0033] 轨温采集模块包括多个轨温采集单元，每个轨温采集单元包括温度传感器、信号处理电路、供电电路、防护外壳，加热模块为电磁加热模块，包括多个电磁加热单元，，控制模块包括主控单元、驱动单元、防护外壳，轨温采集模块采集到轨道温度信息，传输给所述控制模块，控制模块根据所述轨道温度信息，对电磁加热模块进行控制。该电磁融雪装置采用直流供电方式供电。

[0034] 为实现轨道道岔的融雪分区控制，就需要设置多个温度采集单元，用来获取不同位置的轨道加热情况，以便根据不同位置积雪的情况灵活配置各个位置的加热参数，节约能源。因此本实施例的轨温采集模块包括多个轨温采集单元，如图2所示，每个轨温采集单元包括温度传感器、信号处理电路、供电电路。为保证轨温采集单元在高低温环境下的工作稳定性，本实施例所用的温度传感器选用PTC热敏电阻，结合道岔应用环境采用AD592AN作为温度传感器，该型号具备高精度，广温度范围等特性，可在‑40至+100温度范围内可靠工作；供电电路采用5V直流电源对轨温采集单元进行供电，供电电压来由主控单元的采集接口提供，来保证采集的供电稳定性及降低供电过程中产生的噪声干扰；信号处理电路由差分放大器、滤波器、ADC模数转换器、STM32F103组成，其中差分放大器将AD592AN的输出电压信号进行放大，以便后续的数据采集与处理；滤波器用来去除高频噪声和干扰， ADC用来将电压信号转换为数字信号，STM32F103用来对ADC输出的数字信号进行处理；为确保温度测量数据的准确性与稳定性，利用STM32F103对ADC输出的数字信号进行处理时使用AD592AN提供的温度‑电压特性曲线进行插值计算，减少了温升曲线高斜率附近对应的电压转化误差。处理后的温度数据通过485接口以9600的波特率向主控单元进行信息传送。轨温采集单元还包括防护外壳，所述防护外壳用于对所述温度传感器、信号处理电路、供电电路进行防护。由于本发明的应用现场环境一般在户外，常见日晒、雨雪、震动、列车漏下来的油污、垃圾等，因此需要设置防护外壳，称为采集防护外壳，用于保护温度传感器、信号处理电路、供电电路。

[0035] 使用时，轨温采集单元内的温度传感器根据轨道温度的变化产生相应的电压信号，采集轨温数值，并将轨温数据发送至信号处理电路进行信息处理，信号处理电路接收和处理所述温度传感器传来的信号，并将其转化为数字信号或模拟信号，处理后的信息再通过485总线发送至控制模块中的主控单元；其中，轨温采集单元利用LZ77压缩算法，识别和替换重复的轨温数据片段，减少了重复信息的内存占用。

[0036] 要实现轨道道岔的融雪分区控制，设置多个温度采集单元，用来获取不同位置的轨道加热情况，相应地，加热模块也需要设置多个电磁加热单元，才能实现不同位置加热温度的单独控制。本实施例的加热模块为电磁加热模块，其结构如图3所示，包括多个电磁加热单元，所述电磁加热单元由6个电磁加热线圈串联构成，工作时通过涡流原理对钢轨进行加热。这6个电磁加热线圈可根据需要进行定制。电磁加热单元主要为融雪装置提供热源，电磁加热单元内部由6个间距150mm的电磁加热线圈构成；铜线圈有特定匝数的0.5平方铜线缠绕特定匝数构成；为保证发热均匀，各加热铜线圈采用串联方式进行连接，由首尾两个线圈各引出一根电缆与驱动单元中对应的接口进行连接；现场应用时可根据钢轨安装长度，配置多个电磁加热单元。

[0037] 有了多个轨温采集单元采集不同位置的轨道温度，多个电磁加热单元控制不同位置的轨道温度，如何根据每个位置的轨道温度信息来控制该位置的加热温度，就需要控制模块来完成这个工作。控制模块的结构如图4所示，包括主控单元、驱动单元和防护外壳,主控单元接收并处理所述轨温采集模块采集的轨道温度信息，通过所述驱动单元控制所述加热模块的加热功率。主控单元主要采用STM32F407单片机作为主控制器，通过PWM输出接口与驱动单元进行通信，并在单片机中部署PID控制算法来实现温度控制闭环，主控单元通过485接口与轨温采集单元中的信号处理电路进行双向通信；驱动单元由直流电源设计、电流控制、PWM调制、过载保护、温度反馈控制等功能组成，以实现对电磁加热线圈的直流供电和精确控制。主控单元中部署的PID控制算法具体如下：PID控制算法将目标温度与当前温度进行输入，并配合PID参数更新，实现了自适应PID控制闭环，涉及到的部分算法公式及执行流程如下：
步骤一. 设定目标温度（Setpoint）和当前温度（CurrentTemperature）之间的偏差（Error）：Error = Setpoint ‑ Current Temperature。

[0038] 步骤二. 更新PID参数：‑ P项（比例项）：根据比例增益系数Kp，计算P项输出值：P_Output = Kp * Error。

[0039] ‑ I项（积分项）：通过积分增益系数Ki和历史偏差的累积，计算I项输出值：I_Output = Ki * ∫(Error)dt。

[0040] ‑ D项（微分项）：使用微分增益系数Kd和偏差变化率，计算D项输出值：D_Output = Kd * d(Error)/dt。

[0041] 步骤三. 组合PID项得到最终的控制量：Control Output = P_Output + I_Output + D_Output。

[0042] 步骤四. 将控制量作为输入，调整电磁融雪装置的加热功率或加热时间，实现温度的控制。

[0043] 步骤五. 检测实际温度并进行反馈：‑ 从温度传感器获取实际温度值（Feedback Temperature）。

[0044] ‑ 计算温度偏差：Error = Setpoint ‑ Feedback Temperature。

[0045] 步骤六. 根据温度偏差对PID参数进行修正：‑ 根据误差大小和方向，调整PID参数的增益系数，例如通过增大或减小Kp、Ki和Kd来调整控制响应。

[0046] 步骤七. 返回步骤二，重新计算PID控制量，继续进行温度控制。

[0047] 同样地，和上述轨温采集模块一样，控制模块的使用环境和轨温采集模块一样，因此本发明所述控制模块也设有防护外壳，成为控制防护外壳，所述控制防护外壳为耐温玻璃纤维材质，保证设备具有良好的耐候，耐震动，冲击性能；用于对所述主控单元和所述驱动单元进行防护。

[0048] 那么如何将每个位置的轨道温度信息与该位置的温度控制相对应起来，具体的，轨温采集模块、加热模块、控制模块实现分区温度采集和单独控制的过程如下：每个所述电磁加热单元允许接入一个所述轨温采集单元，所述轨温采集单元之间独立通信，所述电磁加热单元之间独立控制，所述主控单元根据每个轨温采集单元的温度信息控制对应的电磁加热单元，实现轨温独立采集和独立控制。本发明的轨温采集单元采集到轨道温度信息，由控制模块来对温度信息进行处理，并将接收到的温度信息与轨温采集单元相对应，并根据预设的轨温采集单元与电磁加热单元的连接关系，找到该轨温采集单元所对应的电磁加热单元，根据温度信息控制电磁加热单元的加热功率，如果温度偏高，则降低该轨温采集单元对应的电磁加热单元的加热功率，节约能耗，如果温度偏低，融雪效果不够，则提高该轨温采集单元对应的电磁加热单元的加热功率，使其温度升高，融雪效果更好。这样，每个轨温采集单元所在的位置的温度可以单独控制，既能降低能耗，又能根据现场积雪的实际情况进行灵活配置。

[0049] 为了方便实时监测不同位置的轨温以及各个传感器的工作状态，本发明的所述控制模块中的主控单元与所述轨温采集模块、环境温度传感器、雪量传感器、雨量传感器双向通信，所述主控单元既能接收所述轨温采集模块、环境温度传感器、雪量传感器、雨量传感器的数据，也能向所述轨温采集模块、环境温度传感器、雪量传感器、雨量传感器发送控制指令或状态查询请求，实现对所述轨道信息的监控。以轨温采集单元为例，具体使用时，轨温采集单元向主控单元发送温度数据外，每5分钟向主控单元发送其工作状态信息，若超过10分钟未成功发送信息，可判定轨温采集单元故障；另外，当主控单元1接收到的轨温数据与电磁加热单元预设温度长时间保持10摄氏度以上差异时，可判断该电磁加热单元存在故障；主控单元也可向轨温采集单元发送配置和查询信息，用来设定当前轨温采集单元的编号、通信频率、测量精度并查询当前轨温采集单元的工作状态。这是因为如果某一轨温采集单元出现故障或损坏，可及时发现并处理，避免因轨温采集单元损坏造成局部融雪不利，如果不能及时发现轨温采集单元的故障或损坏，电磁加热单元一直处于加热状态，浪费电能，或者加热温度不足融雪不完全却一直没有及时升温，导致该位置积雪一直融不掉，这时，轨温采集单元工作状态的监控需求就显得重要。

[0050] 本实施例使用时，电磁加热模块中的各电磁加热单元与控制模块中的驱动单元接口进行连接，各电磁加热单元对应的轨温采集单元与控制模块的主控单元进行连接；系统上电后，用户通过控制模块中的主控单元进行目标加热温度设定；工作时主控单元根据设定的温度值控制目标电磁加热单元对钢轨进行加热；同时安装于钢轨上的各轨温采集单元开始监测轨温并向主控单元发送轨温信息；当部分电磁加热单元所在轨温与设定的温度保持一致时，主控单元控制其停止加热，待轨温下降至制定的触发温度后，主控单元控制其继续加热至目标温度；当个别电磁加热单元所在的轨温未达到目标温度该单元继续保持加热状态，直到接近目标温度后停止加热，从而实现对整个电磁融雪装置功耗的自主化管理。

[0051] 最后，本实施例的电磁融雪装置需要安装组件，用于将电磁融雪装置的各个模块安装在道岔轨道上。安装组件均采用高强度6系铝合金材料搭配具有弹性的不锈钢材料制成，组件支持50，60等多种轨型安装。安装时，电磁加热单元与轨温采集单元采用分体式安装，轨温采集单元根据使用需要安装于轨腰或轨底，电磁加热单元安装于轨腰位置。如图5所示，设备安装时将控制模块的外壳先固定在电磁加热单元的外壳上，然后通过固定组件将电磁加热单元的外壳固定于道岔的基本轨上。如图6所示，轨温采集单元安装时，将轨温采集单元的外壳固定在电磁加热单元的安装组件上，同组件一起固定在道岔基本轨轨底。

[0052] 当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。