成果简介

随着社会经济的快速发展，“一带一路”政策的逐步落实，轨道交通已经成为人们日常生活必不可少的交通出行方式之一。由于轨道交通具有运行速度快、载客量大和良好的舒适性等优点，是连接众多城市之间，城市内部公共交通的首要选择。截止到2021年年底，全国总运行铁路里程达到15万公里，总运行高铁里程达到4万公里。在全国轨道交通2030年规划中，目标建成“八纵八横”的贯通全国大动脉的高铁线路，将祖国从南到北，从东到西相连接。伴随着轨道交通的快速发展，越来越多的人享受着轨道交通带来的便捷，与此同时，其安全性、可靠性在轨道交通正常运行中是至关重要的一环。为确保轨道车辆安全运行，需要对轨道交通的轨道结构和线路进行实时监测，测量轨道承载结构的整体力学行为，实现关键承载结构的安全监测与评估、早期预警以及故障诊断。全国轨道交通系统面临着软土沉降、轨道变形、轨道板碎裂等多种问题，这些轨道设备的监测主要依靠人工定期检查来完成，不仅不具备时效性，而且劳动强度大，人工成本高，效率低。在轨旁广泛布设无线传感节点，构成无线监测网络，是保证轨道交通运营的重要手段。

当前，蓄电池供电是无线传感网络的主要供电方式，依靠蓄电池供电需要定期更换电池，有些电子装置安装于不易接触的场合，实施困难、成本过高，维护周期频繁，工作量巨大，同时还存在由于电池更换不及时导致无线传感节点失效的风险；另一方面，对大量的废旧电池的处理也会造成环境污染。研究环保、可再生的环境能源获取装置代替电池供电，为数量巨大、分布范围广的无线传感网络节点供电是实现轨道无线监测必须要解决的问题。由于轨道车辆的运行速度快、车辆载客量大，运行过程中因轨道不平顺导致其激励和诱发了轨道不同程度的振动，将这部分振动能量采集并转化为电能存储，作为电源供给无线传感网络使用，是解决问题的较好途径。采用压电材料作为轨道振动能量转换的关键部件，利用压电材料具有的正压电效应，采集轨道振动的机械能，并转化为电能进行存储和再利用。高效的利用振动能量所转化的电能，不仅可以作为轨旁传感设备的电源，能够代替或者减少蓄电池的使用，并且能够间接的减少电缆的铺设，降低安装和维护的费用。