動車組車載運行環境安全監測系統的研討

袁文靜,杜　濤（中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東　青島　266111）

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動車組車載運行環境安全監測系統的研討

袁文靜,杜濤
（中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東青島266111）

摘 要：既有的高速鐵路安全保障系統無法實現全線路的監控，本文提出了車載運行環境安全檢測系統的研究方案，實現了對線路狀態、接觸網狀態、輪軌接觸狀態的實時在線監測。該系統利用高速攝像技術采集軌道線路狀態信息,實現軌道線路狀態實時檢測，為動車組的安全運行提供預告信息；同時收集的線路數據能夠為后續輪軌關系、弓網關系和作用規律的研究提供幫助，還能為軌道線路的維護提供預警信息。

關鍵詞：動車組；安全檢測系統；接觸網；輪軌；高速攝像技術

0　引言

由于落石、山洪、甚至人為因素可能導致異物侵入，一旦高速運行中的動車組遇到線路障礙會導致災難性的后果，本文提出了車載運行環境安全監測系統的研究方案，實現對線路狀態、接觸網狀態、輪軌接觸狀態的實時在線監測。

1　設計思路

目前動車組主要是通過對動車組行車安全相關設備加裝各式傳感器，實現對動車組自身報軸、熱軸、滑行、橫向晃動等異常狀態的監測和控制。這些監控裝置在一定程度上確保了列車的安全運行。然而，對與動車組運行安全和品質密切相關的接觸網、軌道狀態、環境狀態等沒有進行監控，導致無法早期發現接觸網、軌道等環境的異常狀態。同時在鐵路沿線建立一套全線路監控系統成本高、施工復雜、建設周期長、維護困難，至今未實現對線路狀態、接觸網狀態、輪軌接觸狀態的實時在線監測，車載運行環境安全監測系統的提出解決了以上問題。

2　系統原理及構架

（1）原理概述。高速智能化動車組將建立線上線下全方位檢測系統，其中車載運行環境安全監測系統屬于智能化動車組的線上檢測系統的一種，重點研究利用高速攝像技術對軌道與線路狀態、接觸網系統狀態對列車運行安全的影響因素與作用規律，研究軌道狀態實時檢測方法，從而進一步分析車輛運行狀態，以全方位獲取車輛運行安全狀態為目的，建立動車組自感知網絡系統，實現在線診斷與預告。

（2）系統架構。動車組車載運行環境安全監測系統由線路狀態檢測裝置、接觸網狀態檢測裝置、輪軌狀態檢測裝置、車載復示終端組成，分別對線路狀態、接觸網狀態、輪軌狀態進行實時檢測，并將異常信息發送到車載復示終端進行報警提示。系統架構如圖1所示。

系統還可設置一套動車組線上檢測系統的數據傳輸接口，通過無線網絡提供自動下載車載檢測數據，指導線下異常信息的處理。

3　主要系統裝置

（1）線路狀態檢測裝置。線路狀態檢測裝置由超遠距離紅外成像模組和遠距離可見光成像模組組成，采用可見光攝像機和熱成像攝像機結合的方式，空氣質量較好時主要依靠可見光攝像機監控，實現高清晰成像。熱成像用來探測熱源性目標或者是不明顯的人員和動物類目標；雨雪天氣時主要依靠熱成像攝像機監視，現有技術可自動識別3km以外的線路狀態，發現異常時自動預警提示。

1）遠距離可見光成像模組。在自然光照明被動成像測量條件下，由于各種背景輻射的影響，限制了成像系統對遠距離目標成像測量和精確跟蹤能力。采用激光主動照明的方式，對遠、小、暗目標或其局部進行照明，可以減小背景輻射的影響，提高系統對遠距離、小、暗目標的精確跟蹤和清晰成像能力。

2）超遠距離紅外成像模組。大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3～5微米和8～14微米的熱紅外線卻是透明的。同樣在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見光的波長短，克服障礙的能力差，但紅外線的波長較長，既有8～14um的熱成像儀（圖2），穿透雨、霧的能力較高，因此仍可以正常觀測目標。

（2）接觸網狀態檢測裝置。接觸網狀態檢測裝置由全景監控相機、接觸網懸掛裝置狀態檢測相機、遠距離接觸網狀態檢測相機組成，實現以下功能：

1）采集動車組運行前方環境全景圖像，記錄運行環境信息；

2）采集動車組前方接觸網懸掛裝置狀態，自動識別接觸網支柱桿號、接觸網吊臂結構狀態，形成一桿一檔的記錄；

3）采集動車組前方接觸網狀態，自動識別卡扣脫落、異物懸掛等異常情況。

系統可提供自動降弓控制接口（圖3），在發現危險時發出降弓信號，根據動車組運行速度計算，越過危險區域后發出升弓信號，恢復正常行駛。

（3）輪軌狀態檢測裝置。輪軌狀態檢測裝置由高速高清工業相機、補光裝置、防護機構組成。安裝在動車組轉向架的前后方，可自動檢測輪軌接觸關系、扣件表面和軌道板的外觀狀態，同時能夠根據圖像分析出輪軌間隙、轉向架沖角、橫向偏移等車輛運行參數，為進一步的輪軌沖擊狀態分析提供依據。

高速工業相機滿足高速下成像效果，可達到10微秒以下的曝光時間，同時輔以高亮頻閃光源，確保在低曝光時間下的圖像亮度。采用高清高分辨率工業相機，每幀圖像可覆蓋1/4車輪，如圖4所示，可適應車速達到432km/h要求。為減小高速運行過程中的風阻，采用流線型防護機構，相機透射窗口采用弧形玻璃設計，在玻璃上加上自清潔納米涂層，避免灰塵、臟污對成像的影響。

系統通過拍攝的圖像，可自動分析輪緣與鋼軌的相對位置關系，可以計算出輪軌間隙、轉向架沖角、橫向偏移等動車組轉向架運動參數，如圖5所示，為進一步的輪軌沖擊狀態分析提供數據依據。

4　結語

車載運行環境安全監測系統重點是利用高速攝像技術采集軌道與線路狀態、接觸網系統狀態信息,一方面研究軌道線路狀態實時檢測方法，實現對線路異常狀態在線診斷，并將診斷結果傳遞到車載終端，為動車組的安全運行提供預告信息；另一方面，通過搜集到的數據指導后續輪軌關系、弓網關系和作用規律的研究，同時還能為軌道線路的維護提供預警信息。

參考文獻：

[1]孔令梅.高速攝像技術的應用研究[J].黑龍江科技信息,2014(20)．

[2]吳濤.關于接觸網安全巡檢裝置（2C）在采集接觸網一桿一檔數據中的應用[J].城市建設理論研究,2015(07)．

[3]王斌.列車安全監測系統的設計和實現[D].南開大學.軟件工程,2012.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.260