車輛輪對尺寸動態檢測系統在城軌中的應用與分析

■ 郭志洪

車輛輪對尺寸動態檢測系統在城軌中的應用與分析

■ 郭志洪

車輛輪對尺寸動態檢測系統是一種安裝在鐵路線上的安全檢測系統，該系統可以應用在城市軌道交通車輛運用檢修區段。通過高速數字攝像機動態拍攝輪對輪緣輪輞情況，能夠將運行車輛輪對幾何參數數據進行實時檢測。通過計算機分析，對車輛輪對安全狀態進行預報，使車輛檢修工人能夠及時處理車輛故障，保證軌道交通列車的安全運行。

高速攝像；動態檢測；輪對尺寸；城軌車輛；安全狀態；輪對故障

1 系統概述

目前我國城市軌道交通正在快速發展，累計有19個城市建成軌道交通網絡，運營里程近3 000 km，軌道交通已經成為城市重要交通工具，是緩解城市交通擁堵問題的重要手段。城軌車輛是軌道交通技術裝備發展的重要部分，全國各類地鐵車輛及有軌電車保有量已達到1．7萬輛，軌道交通裝備生產能力和制造水平實現了整體飛躍。動態檢測車輛輪對尺寸變化，對城軌車輛的安全運行起到關鍵作用，直接關系到旅客生命財產及社會影響。

在車輛輪對尺寸檢測方面，國內最早在重載貨運專線大秦線開展試驗，稱為貨車輪對尺寸動態檢測系統（TWDS），這是因為大秦線重載貨車輪對磨耗具有磨耗速度快、偏磨比例較高的特點。輪對尺寸超限等輪對故障不但對鐵路固定設施及車輛結構本身造成損害，而且給重載運輸安全帶來極大隱患。傳統的依賴列檢人工檢查、定期檢修車輪的方式已經無法滿足運輸的需要，因此迫切需要一種成熟、準確、經濟的檢測技術來實現對重載貨車輪對尺寸的在線檢測，及時發現、預報故障輪對，確保車輛運行安全。2011年，由大秦鐵路股份有限公司湖東車輛段、北京福斯達軌道交通技術有限公司共同研制的“鐵道車輛貨車輪對動態檢測系統”，通過太原鐵路局技術成果審查（太鐵科委［2011］28號），并最早在大秦線重載運輸中投入使用，為貨車運輸運行安全檢測發揮著重要作用。

城市軌道交通的車輛同樣需要對車輪磨耗及輪對尺寸情況進行動態跟蹤檢測，確保車輛運行安全。車輛輪對尺寸動態檢測系統（簡稱系統）采用安裝在軌邊的高速數字攝像機動態拍攝輪對輪緣輪輞情況，對車輛輪對幾何參數給出定量報告，通過無線或有線方式將全列車檢測報告上傳至車輛維修部門，對超標故障給出報警信號。它能夠將正常運行車輛輪對幾何參數數據進行實時檢測，對車輛輪對安全狀態進行預報，使列檢工人能夠及時處理車輛故障，保證列車安全運行。目前，該系統已經在國內重慶、西安、蘇州等城市地鐵安裝投入使用，提高了城軌車輛運行檢測水平。圖1為系統在蘇州地鐵中的運行情況。

圖1 蘇州地鐵車輛輪對尺寸動態檢測系統

2 系統主要功能

車輛輪對尺寸動態檢測系統能夠自動檢測車輛車輪輪緣厚度、輪緣高度、輪緣垂直磨耗、車輪直徑、輪對內側距、踏面圓周磨耗、輪輞厚度。具有測繪車輪踏面截面曲線并與標準曲線對比的功能。具有對車輪輪緣厚度、輪緣垂直磨耗、輪對內側距、踏面圓周磨耗、輪輞厚度超限自動實時報警功能，其中輪輞厚度按兩級報警。具有自動判別列車運行方向、車次、車種車型車號、端位、車速、計軸計輛等功能。具有系統自檢、故障提示、遠程維護功能。

3 系統組成

系統由軌邊設備、探測站設備和遠程復示終端設備組成，具有數據采集、分析、處理、傳輸等功能。

3.1 軌邊設備

軌邊設備包括7臺車輪信號傳感器、1個車號讀出天線、3對車輪尺寸探測箱。設備布局見圖2。

3.1.1 車輪信號傳感器

車輪傳感器用來檢查列車到達和通過，同時采集列車的車速軸距等信息。系統采用2套車輪信號傳感器，1號位負責開機，2號位用于計算車速、計軸、給尺寸檢測系統定軸位。系統在車輪尺寸箱外側單獨設置了1個車輪信號傳感器，為準確測定車輪中心提供了保證。

3.1.2 車號讀出天線（AEI）

車號識別定位控制系統主要由車號識別裝置和定位控制裝置2部分組成。AEI地面天線負責獲取通過列車的過車信息，并上傳到處理系統。

3.1.3 車輪尺寸探測箱

輪對尺寸檢測箱安裝在鋼軌上，在1個滾動圓范圍內布置，每隔120°測量1次，實現3點測量。共包括3個探測位，左右共6個車輪尺寸探測箱（見圖3（a））。探測箱采用卡具安裝在鋼軌上，其內部安裝有高速圖像采集機、激光線光源發生裝置、開關門控制裝置等設備。輪對尺寸檢測箱內的激光線光源發出的激光線平面與鋼軌的橫斷面在一個水平面上（見圖4（b）），數字攝像機與鋼軌平行布置，與軌平面成一個角度，從底部俯仰拍攝輪緣外部輪廓和輪對側面輪廓。

3.2 探測站設備

探測站機房設備包括系統信號箱、控制計算機、圖像處理計算機、信號防雷箱、電源防雷箱、UPS、服務器、網絡交換機、車號讀出裝置。探測站機房主要負責通過軌邊的傳感器信號來控制高速相機對輪對圖像進行實時采集、分析、傳輸，同時獲取列車的車號等過車信息，并將這些信息通過網絡設備高速到復示終端。

系統信號箱主要對激光電源、車輪傳感器、高速相機外觸發狀態進行指示和輸出，還包含尺寸檢測箱的開關門、激光器的開關狀態指示和輸出。控制計算機主要對整套系統的運行進行控制與監控，同時協調整套系統的聯合作業。圖像處理計算機主要對采集到的圖像進行實時處理和分析，得出所需數據。

信號防雷箱主要對系統信號進行電涌保護。電源防雷箱為設備防止雷擊設計，防止軌邊設備和機房設備工作受到雷電的干擾。UPS為機房設備和軌邊設備提供穩定可靠的電源，以及斷電后備用電源。網絡交換機對數據進行交換傳輸。服務器存儲采集圖片和記錄處理后的數據。車號讀出裝置主要負責判斷車輛車號信息進行數據讀取。

圖2 軌邊設備布局

圖3 車輪尺寸檢測箱工作狀態

3.3 遠程復示終端設備

復示終端設備安裝了系統瀏覽軟件，可按月按日按車次查詢通過列車數據，包括車輛的車號數據、輪對測量尺寸數據、踏面擦傷和其他故障數據、原始采集圖片。可自動生成各類統計報表。在地鐵車輛調度指揮中心可以安裝復示終端，具有城軌車輛故障超限和設備故障自動報警功能。

4 技術原理

車輛輪對尺寸動態檢測系統對車輛車輪尺寸檢測原理見圖5、圖6。系統采用光截圖測量原理，當車輪中心通過尺寸檢測箱中心時，4臺高速圖像采集機同步采集車輪底部，包括輪緣和輪輞的激光包絡圖像，經過計算分析得到車輪的各項尺寸。

圖5 三維立體輪緣檢測原理

圖6 車輪尺寸測量原理

4.1 檢測方案

輪對尺寸測量運用特有雙目視覺結合線激光的方法實施。之所以采用雙目視覺結合線激光測量的特有方式，就是為有效排除陽光、雨、雪、霧、灰塵等外界干擾。其中測量采用激光光源，在數字攝像機鏡頭前安裝帶通濾波片，可以有效地減小陽光干擾，使檢測設備能夠在白天和夜晚都可以正常工作。在車輪通過定位傳感器后，可以給輪對準確定位，當輪對到達激光測量點時，系統發出檢測信號。可實現輪緣圖像、輪輞圖像的自動采集，系統依據圖像提取信息，運用標定算法還原輪緣、輪輞、軌道的三維坐標極其相對位置關系，以此分析得出輪對各項待測數據，通過計算機顯示測量結果（見圖7）。

圖7 車輪尺寸測量結果數據顯示界面

圖8 測量裝置示意圖

4.2 測量裝置

4.2.1 輪緣尺寸測量

輪緣尺寸圖像測量裝置在左右鋼軌內側各1套，裝置由2只激光線光源發生器、2臺高速數字攝像機、1臺開關門電機及開關門裝置機器盒和安裝卡具組成（見圖8），測量位置見圖9。系統有2套激光線光源組成系統光源，要求2條激光線在測量距離內重合，以保證因車輪擺動所帶來的輪緣相對軌道位置變化的準確拍攝。測量裝置均安裝于測量箱中，保證測量裝置得到有效保護，安裝座底部裝有減震器，攝像機頭部安裝防護玻璃。開關門電機帶動開關門機構，當來車后門自動打開。開關門電機選用直線行程電機，在開關門位置各安裝1個限位開關。

圖9 測量位置示意圖

4.2.2 輪輞測量

輪輞測量在左右鋼軌外側各安裝1套圖像測量裝置，與輪緣測量裝置相同。輪輞尺寸檢測裝置同樣安裝于測量箱內，減震及機械控制要求與輪緣測量箱相同，使用卡具直接和鋼軌固定。

5 系統特點

軌邊設備全部為卡軌安裝，無需設備設置基礎，設計的布局方式保證圖像拍攝的位置準確，圖像檢測方式的檢測精度高、識別效率高、傳輸速度快。

5.1 安裝線路

探測站應在有車輛檢修作業場前方設置，布點平均距離為400 km，軌邊設備安裝在來車前方100 m以上直線段，避開曲線、長大坡道、道岔、電力分相點以及列車調速區段，安裝選擇道床堅實線路質量好的地段，避開鋼軌端頭、短鋼軌，設備安裝應做相應的防護。

5.2 探測站機房

探測站機房應盡可能靠近軌邊設備設置，原則上不大于30 m。應有良好的通風、空調設施，鋪設防靜電地板，具備通信設備和電話安裝條件，機房配有雙路供電電源，可自動切換，供電容量不小于12 kVA，配備8 h以上在線式UPS不間斷電。機房采用綜合防雷，接地電阻不大于4 Ω。

5.3 傳輸網絡及數據接口

探測站設備宜通過光纜以專線方式就近接入鐵路計算機網或數據網，傳輸速率不低于2 Mb/s。探測站與軌道交通地鐵計算機網或數據網接入設備距離小于100 m，也可采用電纜方式，接入光電纜的探測站側應設置成端設備。檢測數據以報文形式向地鐵調度系統上傳并向車輛維修部門復示，報文內容包括超限報警數據和設備狀態信息。

5.4 日常維護

系統日常采用專用標定裝配對檢測設備進行定期性能標定，探測站設備每季度標定1次，性能須保證到下一次標定。

6 相關參數

6.1 技術參數

6.1.1 速度容量及電磁兼容

車輛輪對尺寸動態檢測系統適用車速為0～120 km/h運行列車；能夠適應列車調速時的正常探測。能滿足256輛編組列車的檢測，無漏探，數據存儲容量為探測站設備保存報警數據不少于24個月，保存其他接車數據不少于30 d；設備的電磁兼容應符合GB 9254、GB/T 17626．1～6，GB/T 17626．8～9，GB/T 17626．11和GB/T 17618—1998的有關要求。

6.1.2 預報準確率及誤差

預報準確率等于確認有故障件數/預報故障件數，預報準確率≥95%，無漏報。能自動計軸、計輛，計軸誤差小于3×10-6，計輛誤差小于3×10-5。能自動測量車速，正常行駛過程中測量速度誤差不超過5×10-2。車號識別率大于99．9%。

6.1.3 適應鋼軌及環境溫度

設備可適應50、60、75 kg/m鋼軌。適應溫度：室外-45～+60℃，室內-5～＋50 ℃；寒冷地區室外-45～+60 ℃。相對濕度：不大于85%。適應氣候：能滿足雨、雪、風沙等惡劣天氣的正常探測。

6.1.4 車號及數據

系統能自動識別列車車輛標簽端位，識別準確率不低于99．9%，列車通過探測站后，數據處理在1 min內完成，數據傳輸至復示站不得大于2 min。系統硬件穩定可靠，關鍵部件有冗余，按照標準化、模塊化、集成化進行設計。

6.2 測量參數

車輛輪對尺寸動態檢測系統具體測量范圍及參數見表1，其中包括不同速度下的測量范圍及精度。

表1 輪對測量尺寸范圍及測量誤差精度 mm

7 結束語

城市軌道交通車輛的車輪狀態是不斷變化的，在運行中會出現擦傷、剝離等車輪踏面損傷故障及輪對尺寸超限趨勢，而帶有擦傷車輛在線路上行駛時會產生間歇性的軌道沖擊力，沿道床向路基傳遞破壞力，是鋼軌、混凝土軌枕斷裂的重要原因之一，也是造成車輛輪軸疲勞冷切、軸承破損的重要原因，輪對尺寸超限直接影響軌道交通行車安全。車輛輪對尺寸動態檢測系統的應用，能實時測量輪對尺寸、判別車輪是否存在故障，對超限輪對自動報警，及時準確地發現故障輪對，減少由于擦傷故障、輪對尺寸超限等對線路和車輛自身造成的損害，減少對鋼軌、軌枕沖擊及損傷，有效提高城市軌道交通的車輛運行安全性能，預防車輛事故的發生，將會產生顯著的經濟和社會安全效益。

[1] 雷曉娟，張天彤．城市軌道交通車輛構造[M]．北京：中國鐵道出版社，2012．

[2] 趙長波，陳雷．鐵路貨車安全監測與應用概論[M]．北京：中國鐵道出版社，2010．

[3] 蕭澤新．工程光學設計[M]．北京：電子工業出版社，2014．

郭志洪：大秦鐵路股份有限公司湖東車輛段，高級工程師，山西 大同，037300

責任編輯 王小紅

U239.5；U279.3

B

1672-061X（2015）04-0074-05