車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)在城軌中的應(yīng)用與分析

■ 郭志洪

車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)在城軌中的應(yīng)用與分析

■ 郭志洪

車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)是一種安裝在鐵路線上的安全檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以應(yīng)用在城市軌道交通車輛運(yùn)用檢修區(qū)段。通過(guò)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)動(dòng)態(tài)拍攝輪對(duì)輪緣輪輞情況，能夠?qū)⑦\(yùn)行車輛輪對(duì)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)計(jì)算機(jī)分析，對(duì)車輛輪對(duì)安全狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)，使車輛檢修工人能夠及時(shí)處理車輛故障，保證軌道交通列車的安全運(yùn)行。

高速攝像；動(dòng)態(tài)檢測(cè)；輪對(duì)尺寸；城軌車輛；安全狀態(tài)；輪對(duì)故障

1 系統(tǒng)概述

目前我國(guó)城市軌道交通正在快速發(fā)展，累計(jì)有19個(gè)城市建成軌道交通網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)里程近3 000 km，軌道交通已經(jīng)成為城市重要交通工具，是緩解城市交通擁堵問(wèn)題的重要手段。城軌車輛是軌道交通技術(shù)裝備發(fā)展的重要部分，全國(guó)各類地鐵車輛及有軌電車保有量已達(dá)到1．7萬(wàn)輛，軌道交通裝備生產(chǎn)能力和制造水平實(shí)現(xiàn)了整體飛躍。動(dòng)態(tài)檢測(cè)車輛輪對(duì)尺寸變化，對(duì)城軌車輛的安全運(yùn)行起到關(guān)鍵作用，直接關(guān)系到旅客生命財(cái)產(chǎn)及社會(huì)影響。

在車輛輪對(duì)尺寸檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)最早在重載貨運(yùn)專線大秦線開(kāi)展試驗(yàn)，稱為貨車輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)（TWDS），這是因?yàn)榇笄鼐€重載貨車輪對(duì)磨耗具有磨耗速度快、偏磨比例較高的特點(diǎn)。輪對(duì)尺寸超限等輪對(duì)故障不但對(duì)鐵路固定設(shè)施及車輛結(jié)構(gòu)本身造成損害，而且給重載運(yùn)輸安全帶來(lái)極大隱患。傳統(tǒng)的依賴列檢人工檢查、定期檢修車輪的方式已經(jīng)無(wú)法滿足運(yùn)輸?shù)男枰虼似惹行枰环N成熟、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重載貨車輪對(duì)尺寸的在線檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)報(bào)故障輪對(duì)，確保車輛運(yùn)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(dá)軌道交通技術(shù)有限公司共同研制的“鐵道車輛貨車輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)”，通過(guò)太原鐵路局技術(shù)成果審查（太鐵科委［2011］28號(hào)），并最早在大秦線重載運(yùn)輸中投入使用，為貨車運(yùn)輸運(yùn)行安全檢測(cè)發(fā)揮著重要作用。

城市軌道交通的車輛同樣需要對(duì)車輪磨耗及輪對(duì)尺寸情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤檢測(cè)，確保車輛運(yùn)行安全。車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）采用安裝在軌邊的高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)動(dòng)態(tài)拍攝輪對(duì)輪緣輪輞情況，對(duì)車輛輪對(duì)幾何參數(shù)給出定量報(bào)告，通過(guò)無(wú)線或有線方式將全列車檢測(cè)報(bào)告上傳至車輛維修部門，對(duì)超標(biāo)故障給出報(bào)警信號(hào)。它能夠?qū)⒄＿\(yùn)行車輛輪對(duì)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)車輛輪對(duì)安全狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)，使列檢工人能夠及時(shí)處理車輛故障，保證列車安全運(yùn)行。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)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(yùn)行檢測(cè)水平。圖1為系統(tǒng)在蘇州地鐵中的運(yùn)行情況。

圖1 蘇州地鐵車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

2 系統(tǒng)主要功能

車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)車輛車輪輪緣厚度、輪緣高度、輪緣垂直磨耗、車輪直徑、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距、踏面圓周磨耗、輪輞厚度。具有測(cè)繪車輪踏面截面曲線并與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比的功能。具有對(duì)車輪輪緣厚度、輪緣垂直磨耗、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距、踏面圓周磨耗、輪輞厚度超限自動(dòng)實(shí)時(shí)報(bào)警功能，其中輪輞厚度按兩級(jí)報(bào)警。具有自動(dòng)判別列車運(yùn)行方向、車次、車種車型車號(hào)、端位、車速、計(jì)軸計(jì)輛等功能。具有系統(tǒng)自檢、故障提示、遠(yuǎn)程維護(hù)功能。

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由軌邊設(shè)備、探測(cè)站設(shè)備和遠(yuǎn)程復(fù)示終端設(shè)備組成，具有數(shù)據(jù)采集、分析、處理、傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.1 軌邊設(shè)備

軌邊設(shè)備包括7臺(tái)車輪信號(hào)傳感器、1個(gè)車號(hào)讀出天線、3對(duì)車輪尺寸探測(cè)箱。設(shè)備布局見(jiàn)圖2。

3.1.1 車輪信號(hào)傳感器

車輪傳感器用來(lái)檢查列車到達(dá)和通過(guò)，同時(shí)采集列車的車速軸距等信息。系統(tǒng)采用2套車輪信號(hào)傳感器，1號(hào)位負(fù)責(zé)開(kāi)機(jī)，2號(hào)位用于計(jì)算車速、計(jì)軸、給尺寸檢測(cè)系統(tǒng)定軸位。系統(tǒng)在車輪尺寸箱外側(cè)單獨(dú)設(shè)置了1個(gè)車輪信號(hào)傳感器，為準(zhǔn)確測(cè)定車輪中心提供了保證。

3.1.2 車號(hào)讀出天線（AEI）

車號(hào)識(shí)別定位控制系統(tǒng)主要由車號(hào)識(shí)別裝置和定位控制裝置2部分組成。AEI地面天線負(fù)責(zé)獲取通過(guò)列車的過(guò)車信息，并上傳到處理系統(tǒng)。

3.1.3 車輪尺寸探測(cè)箱

輪對(duì)尺寸檢測(cè)箱安裝在鋼軌上，在1個(gè)滾動(dòng)圓范圍內(nèi)布置，每隔120°測(cè)量1次，實(shí)現(xiàn)3點(diǎn)測(cè)量。共包括3個(gè)探測(cè)位，左右共6個(gè)車輪尺寸探測(cè)箱（見(jiàn)圖3（a））。探測(cè)箱采用卡具安裝在鋼軌上，其內(nèi)部安裝有高速圖像采集機(jī)、激光線光源發(fā)生裝置、開(kāi)關(guān)門控制裝置等設(shè)備。輪對(duì)尺寸檢測(cè)箱內(nèi)的激光線光源發(fā)出的激光線平面與鋼軌的橫斷面在一個(gè)水平面上（見(jiàn)圖4（b）），數(shù)字?jǐn)z像機(jī)與鋼軌平行布置，與軌平面成一個(gè)角度，從底部俯仰拍攝輪緣外部輪廓和輪對(duì)側(cè)面輪廓。

3.2 探測(cè)站設(shè)備

探測(cè)站機(jī)房設(shè)備包括系統(tǒng)信號(hào)箱、控制計(jì)算機(jī)、圖像處理計(jì)算機(jī)、信號(hào)防雷箱、電源防雷箱、UPS、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、車號(hào)讀出裝置。探測(cè)站機(jī)房主要負(fù)責(zé)通過(guò)軌邊的傳感器信號(hào)來(lái)控制高速相機(jī)對(duì)輪對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、傳輸，同時(shí)獲取列車的車號(hào)等過(guò)車信息，并將這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高速到復(fù)示終端。

系統(tǒng)信號(hào)箱主要對(duì)激光電源、車輪傳感器、高速相機(jī)外觸發(fā)狀態(tài)進(jìn)行指示和輸出，還包含尺寸檢測(cè)箱的開(kāi)關(guān)門、激光器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示和輸出。控制計(jì)算機(jī)主要對(duì)整套系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制與監(jiān)控，同時(shí)協(xié)調(diào)整套系統(tǒng)的聯(lián)合作業(yè)。圖像處理計(jì)算機(jī)主要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，得出所需數(shù)據(jù)。

信號(hào)防雷箱主要對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行電涌保護(hù)。電源防雷箱為設(shè)備防止雷擊設(shè)計(jì)，防止軌邊設(shè)備和機(jī)房設(shè)備工作受到雷電的干擾。UPS為機(jī)房設(shè)備和軌邊設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源，以及斷電后備用電源。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換傳輸。服務(wù)器存儲(chǔ)采集圖片和記錄處理后的數(shù)據(jù)。車號(hào)讀出裝置主要負(fù)責(zé)判斷車輛車號(hào)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

圖2 軌邊設(shè)備布局

圖3 車輪尺寸檢測(cè)箱工作狀態(tài)

3.3 遠(yuǎn)程復(fù)示終端設(shè)備

復(fù)示終端設(shè)備安裝了系統(tǒng)瀏覽軟件，可按月按日按車次查詢通過(guò)列車數(shù)據(jù)，包括車輛的車號(hào)數(shù)據(jù)、輪對(duì)測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)、踏面擦傷和其他故障數(shù)據(jù)、原始采集圖片。可自動(dòng)生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表。在地鐵車輛調(diào)度指揮中心可以安裝復(fù)示終端，具有城軌車輛故障超限和設(shè)備故障自動(dòng)報(bào)警功能。

4 技術(shù)原理

車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)車輛車輪尺寸檢測(cè)原理見(jiàn)圖5、圖6。系統(tǒng)采用光截圖測(cè)量原理，當(dāng)車輪中心通過(guò)尺寸檢測(cè)箱中心時(shí)，4臺(tái)高速圖像采集機(jī)同步采集車輪底部，包括輪緣和輪輞的激光包絡(luò)圖像，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得到車輪的各項(xiàng)尺寸。

圖5 三維立體輪緣檢測(cè)原理

圖6 車輪尺寸測(cè)量原理

4.1 檢測(cè)方案

輪對(duì)尺寸測(cè)量運(yùn)用特有雙目視覺(jué)結(jié)合線激光的方法實(shí)施。之所以采用雙目視覺(jué)結(jié)合線激光測(cè)量的特有方式，就是為有效排除陽(yáng)光、雨、雪、霧、灰塵等外界干擾。其中測(cè)量采用激光光源，在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)鏡頭前安裝帶通濾波片，可以有效地減小陽(yáng)光干擾，使檢測(cè)設(shè)備能夠在白天和夜晚都可以正常工作。在車輪通過(guò)定位傳感器后，可以給輪對(duì)準(zhǔn)確定位，當(dāng)輪對(duì)到達(dá)激光測(cè)量點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出檢測(cè)信號(hào)。可實(shí)現(xiàn)輪緣圖像、輪輞圖像的自動(dòng)采集，系統(tǒng)依據(jù)圖像提取信息，運(yùn)用標(biāo)定算法還原輪緣、輪輞、軌道的三維坐標(biāo)極其相對(duì)位置關(guān)系，以此分析得出輪對(duì)各項(xiàng)待測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示測(cè)量結(jié)果（見(jiàn)圖7）。

圖7 車輪尺寸測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)顯示界面

圖8 測(cè)量裝置示意圖

4.2 測(cè)量裝置

4.2.1 輪緣尺寸測(cè)量

輪緣尺寸圖像測(cè)量裝置在左右鋼軌內(nèi)側(cè)各1套，裝置由2只激光線光源發(fā)生器、2臺(tái)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、1臺(tái)開(kāi)關(guān)門電機(jī)及開(kāi)關(guān)門裝置機(jī)器盒和安裝卡具組成（見(jiàn)圖8），測(cè)量位置見(jiàn)圖9。系統(tǒng)有2套激光線光源組成系統(tǒng)光源，要求2條激光線在測(cè)量距離內(nèi)重合，以保證因車輪擺動(dòng)所帶來(lái)的輪緣相對(duì)軌道位置變化的準(zhǔn)確拍攝。測(cè)量裝置均安裝于測(cè)量箱中，保證測(cè)量裝置得到有效保護(hù)，安裝座底部裝有減震器，攝像機(jī)頭部安裝防護(hù)玻璃。開(kāi)關(guān)門電機(jī)帶動(dòng)開(kāi)關(guān)門機(jī)構(gòu)，當(dāng)來(lái)車后門自動(dòng)打開(kāi)。開(kāi)關(guān)門電機(jī)選用直線行程電機(jī)，在開(kāi)關(guān)門位置各安裝1個(gè)限位開(kāi)關(guān)。

圖9 測(cè)量位置示意圖

4.2.2 輪輞測(cè)量

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

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

軌邊設(shè)備全部為卡軌安裝，無(wú)需設(shè)備設(shè)置基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的布局方式保證圖像拍攝的位置準(zhǔn)確，圖像檢測(cè)方式的檢測(cè)精度高、識(shí)別效率高、傳輸速度快。

5.1 安裝線路

探測(cè)站應(yīng)在有車輛檢修作業(yè)場(chǎng)前方設(shè)置，布點(diǎn)平均距離為400 km，軌邊設(shè)備安裝在來(lái)車前方100 m以上直線段，避開(kāi)曲線、長(zhǎng)大坡道、道岔、電力分相點(diǎn)以及列車調(diào)速區(qū)段，安裝選擇道床堅(jiān)實(shí)線路質(zhì)量好的地段，避開(kāi)鋼軌端頭、短鋼軌，設(shè)備安裝應(yīng)做相應(yīng)的防護(hù)。

5.2 探測(cè)站機(jī)房

探測(cè)站機(jī)房應(yīng)盡可能靠近軌邊設(shè)備設(shè)置，原則上不大于30 m。應(yīng)有良好的通風(fēng)、空調(diào)設(shè)施，鋪設(shè)防靜電地板，具備通信設(shè)備和電話安裝條件，機(jī)房配有雙路供電電源，可自動(dòng)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(jī)房采用綜合防雷，接地電阻不大于4 Ω。

5.3 傳輸網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)接口

探測(cè)站設(shè)備宜通過(guò)光纜以專線方式就近接入鐵路計(jì)算機(jī)網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)，傳輸速率不低于2 Mb/s。探測(cè)站與軌道交通地鐵計(jì)算機(jī)網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備距離小于100 m，也可采用電纜方式，接入光電纜的探測(cè)站側(cè)應(yīng)設(shè)置成端設(shè)備。檢測(cè)數(shù)據(jù)以報(bào)文形式向地鐵調(diào)度系統(tǒng)上傳并向車輛維修部門復(fù)示，報(bào)文內(nèi)容包括超限報(bào)警數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息。

5.4 日常維護(hù)

系統(tǒng)日常采用專用標(biāo)定裝配對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行定期性能標(biāo)定，探測(cè)站設(shè)備每季度標(biāo)定1次，性能須保證到下一次標(biāo)定。

6 相關(guān)參數(shù)

6.1 技術(shù)參數(shù)

6.1.1 速度容量及電磁兼容

車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)適用車速為0～120 km/h運(yùn)行列車；能夠適應(yīng)列車調(diào)速時(shí)的正常探測(cè)。能滿足256輛編組列車的檢測(cè)，無(wú)漏探，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為探測(cè)站設(shè)備保存報(bào)警數(shù)據(jù)不少于24個(gè)月，保存其他接車數(shù)據(jù)不少于30 d；設(shè)備的電磁兼容應(yīng)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(guān)要求。

6.1.2 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率及誤差

預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率等于確認(rèn)有故障件數(shù)/預(yù)報(bào)故障件數(shù)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率≥95%，無(wú)漏報(bào)。能自動(dòng)計(jì)軸、計(jì)輛，計(jì)軸誤差小于3×10-6，計(jì)輛誤差小于3×10-5。能自動(dòng)測(cè)量車速，正常行駛過(guò)程中測(cè)量速度誤差不超過(guò)5×10-2。車號(hào)識(shí)別率大于99．9%。

6.1.3 適應(yīng)鋼軌及環(huán)境溫度

設(shè)備可適應(yīng)50、60、75 kg/m鋼軌。適應(yīng)溫度：室外-45～+60℃，室內(nèi)-5～＋50 ℃；寒冷地區(qū)室外-45～+60 ℃。相對(duì)濕度：不大于85%。適應(yīng)氣候：能滿足雨、雪、風(fēng)沙等惡劣天氣的正常探測(cè)。

6.1.4 車號(hào)及數(shù)據(jù)

系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別列車車輛標(biāo)簽端位，識(shí)別準(zhǔn)確率不低于99．9%，列車通過(guò)探測(cè)站后，數(shù)據(jù)處理在1 min內(nèi)完成，數(shù)據(jù)傳輸至復(fù)示站不得大于2 min。系統(tǒng)硬件穩(wěn)定可靠，關(guān)鍵部件有冗余，按照標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集成化進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6.2 測(cè)量參數(shù)

車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)具體測(cè)量范圍及參數(shù)見(jiàn)表1，其中包括不同速度下的測(cè)量范圍及精度。

表1 輪對(duì)測(cè)量尺寸范圍及測(cè)量誤差精度 mm

7 結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通車輛的車輪狀態(tài)是不斷變化的，在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)擦傷、剝離等車輪踏面損傷故障及輪對(duì)尺寸超限趨勢(shì)，而帶有擦傷車輛在線路上行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)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(duì)尺寸超限直接影響軌道交通行車安全。車輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，能實(shí)時(shí)測(cè)量輪對(duì)尺寸、判別車輪是否存在故障，對(duì)超限輪對(duì)自動(dòng)報(bào)警，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障輪對(duì)，減少由于擦傷故障、輪對(duì)尺寸超限等對(duì)線路和車輛自身造成的損害，減少對(duì)鋼軌、軌枕沖擊及損傷，有效提高城市軌道交通的車輛運(yùn)行安全性能，預(yù)防車輛事故的發(fā)生，將會(huì)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全效益。

[1] 雷曉娟，張?zhí)焱鞘熊壍澜煌ㄜ囕v構(gòu)造[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2012．

[2] 趙長(zhǎng)波，陳雷．鐵路貨車安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)用概論[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2010．

[3] 蕭澤新．工程光學(xué)設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2014．

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

責(zé)任編輯 王小紅

U239.5；U279.3

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1672-061X（2015）04-0074-05