鐵路TWDS技術發展與數據融合探討

張帆 覃杰 鐘文建

摘 要：介紹了國內鐵路運維基礎裝備-列車“5T”在線安全檢測系統之一： TWDS—貨車輪對尺寸動態檢測系統；描述”5T”系統的可能關聯發展路徑，著重論述尚未推廣應用的“TWDS”的走行部安全監測重要性；輪對尺寸測量與轉向架三維姿態誤差關系及與“5T”其它系統的關聯性、先導性，可能的數據融合應用與在線安全檢測管理系統的發展方向。

關鍵詞：5T；軸溫；數據融合

中圖分類號：F259.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0054-02

1 TWDS動態測量重要性與輪對故障機理探討

TWDS目前尚未廣泛在貨運線普及應用是因為技術難度和輪對尺寸測量可以由人工停車測量實現兩個原因造成的。鐵路動車庫、城市地鐵成功應用是因為較好的應用環境所決定，但應用仍存在一些有待解決的技術問題，所以認知輪對尺寸動態檢測長期測量穩定性和認識作為列車安全動態監測必要性是有現實意義的[1]。

1.1 TWDS測量方法與測量誤差產生機理

1.1.1 測量方法應得到工程實踐的時間考驗

TADS貨車滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統前后十多年研發案例：美國TTCI研究院和澳大利亞VIPAC公司解決了探測時間長、信號不穩定、受鄰軸干擾等問題；在計算機硬件和軟件方面有了突破性進展。輪對尺寸動態檢測自2004年以來分別在北京局廊坊站、南京地鐵1#、高鐵動車庫等得到了研發與應用推廣，目前已經歷了15年時間考驗，已成為城市地鐵、高鐵動車庫標準配置的運維重要基礎裝備。TWDS經歷了發展三個主要階段：第一階段2004-2008年為針對現場環境建立測量理論模型和傳感器選型、現場試驗（輪徑測量精度在5mm水平）；第二階段2009-2013年研究現場測量誤差主要原因與現場工藝裝備（輪徑測量精度在2mm水平）；第三階段2014-2018年研究系統輸入參數溯源校正與大數據遠程校核（輪徑精度小于1mm）。

1.1.2 輪對尺寸系統設計、運用與測量主要問題

輪對尺寸的測量精度要求較高，比如輪經要求0.5mm，相對誤差為0.06%，而輪緣厚度、QR值測量又受其關聯影響，所以比較其它在線系統會在設計、運用和測量方面會存在一些問題。

1.1.3 測量主要方法

光截圖像法，又稱光切法，是機器視覺中一種經常使用的方法[2]。光截圖像技術采用線狀激光作為投射光源，面陣CCD相機作為采集設備利用激光三角測量技術，實現物體的二維尺寸測量，應用多在入庫段并需要建設專用檢測棚，滿足15公里/h速度以下運用條件。

激光位置位移技術采用激光高速對射、位移測量技術，通過激光位置、位移傳感器的專門結構設計，測量求得輪對頂點圓半徑和輪對踏面曲線，應用主要在地鐵正線出入站。

1.2 測量誤差產生機理

安裝位置。其一，多數地鐵安裝位置設計選擇了車輛段出入庫段：過車數據量降低了一個數量級導致數據平滑濾波處理的困難，這是因為數量不足轉化為測量質量下降的典型例子。其二，由于線路長設計多車輛段與停車場情況下導致由于轉向架引起的故障車輛漏檢漏測（多數設計狹義理解尺寸測量，下面還會詳細描述）。其三，是車輛段入庫段速度低，往往設計了停車等信號準入、小彎道、道岔、和有碴無碴過渡區等，由于啟停、轉向架菱形、剛度不平順引起的振動均會產生測量輪對邊緣時因瞬間抖動失準。作者研究、跟蹤了十多個案例，其中兩個表現不理想的均為設計于入庫段，證明了認為速度低可以測量準確的理解存在片面性。

測量校準。其一，多數廠家均采用了靜態標定+結果校準方法，但現場對測量是多輸入、多輸出的非線性系統，不能滿足結果修正條件尤其是誤差控制要求嚴格的輪徑誤差和關聯性影響。其二，應用過程發現普遍存在校準周期短，鏇修后一段時間就不準情況，是由于輪對在動力學原因影響下會產生緩慢的如軸向位移、轉向菱形變化而導致測量偏離。

鏇床比對。其一，鏇床由于傳感方式會存在系統和隨機誤差，往往基層工作人員不理解導致了比對工作難度增加。其二，鏇床工作狀況為準靜態，而在線系統是動態測量，產生一定程度差異是必然的，應借鑒國外對在線檢測系統通常是分辨力、和重復性指標要求而弱化準確度要求。

2 數據運用問題及原因分析

TWDS輪對數據運用產生主要問題表現為測量誤差不確定性，表現為檢測過程、檢測環境研究問題：貨運線晝夜溫差幾十度對傳感器的溫漂影響與測量基礎、軌道的變形對傳感器影響；灰塵、雨天等影響；由于動力學原因產生比地鐵大的轉向平衡、軸向位移、徑向跳動問題影響使如何建修正模型是未知因素，如此嚴重影響了TWDS進一步應用推廣。

為認識走行部動力安全預警重要性與軸承故障關聯性，提供貨車輪對研究相關資料：“1.5輪對圓周磨耗嚴重-在檢修C76、C80型敞車中，發現車輪踏面圓周磨耗較嚴重，其中最大的達12mm；…輪徑差較大，最大差達10mm。”“1.6軸承退卸比例高-在C76、C80型車輛檢修中，軸承外觀檢查發現軸承異音、卡滯以及游隙超限故障較多。經大秦線調研…故障退卸率已超過12%”。綜上，輪徑差是軸承異常多發原因之一，而走行部三維姿態失衡會導致輪徑差增大。

廣州北車輛段貨運線TWDS案例見《表1踏面磨耗與軸向位移研究結論》與《表2扣修統計》：（數據來源廣北車輛段TWDS數據庫）。

踏面磨耗與軸向位移數據研究結論：踏面磨耗超限統計-軸向位移大個數占比82%。

3 在線系統數據融合度分析

在線數據融合度分析著重研究TWDS系統與TADS—貨車滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統、THDS—紅外線軸溫探測系統；TPDS—貨車運行狀態地面安全監測系統的關聯性，以上系統又可統稱為輪對動態檢測系統，這在國內部分城市地鐵已經實現了集成檢測的統一管理平臺。

3.1 在線系統的關聯性與關聯度因子

坐標系定義：X向為列車運動方向；Y向平行軌面垂直于運動方向，Z向垂直于軌平面。

輪對在線檢測系統關聯性主要由測量中間參數-軸向位移、頂點圓、轉向平衡、徑向跳動、車速等決定。軸向位移：其物理意義列車質量中心線與鋼軌中心線的偏離。與振動最大值、軸承早期故障相關，當加速、剎車等強激勵條件下擦傷輪對或軸承早期故障輪對會比正常輪軌振動大幾倍，當列車勻速運動、輕載等弱激勵條件時，相關性弱容易漏判。表征為軸承中心y向偏離輪對基背大樣本中心差值除以軸心至軌面距離，這樣輪對壽命周期直徑變化不會影響統一的安全尺度評價指標。

3.2 轉向架三維姿態物理解析

徑向跳動。其物理意義一是輪對滾動圓不圓度（多邊形）；二是軸承或轉向架因素引起的測量波動。往往用于鏇修周期四個階段的故障識別：如鏇修前振動異常，鏇修后振動恢復正常排除軸承故障。較短時間又相對其它輪緩慢增大，懷疑轉向架、輪軸、驅動輕度失配，鏇修前后振動、溫度正常，但徑向跳動異常不變，懷疑軸承、轉向架失配。

軸向位移。物理學的基本定律闡明產生位移需要力，動車驅動是通過輪對作用于鋼軌而獲得反作用力。當輪對左右側存在“大小輪”工況下，列車軸向位移方向總是趨于克服大小輪的不平衡而緩慢變化，另外從不平衡產生轉動慣量導致了軸向力也可解析。剎車時，運行輪對差大的輪對受到制動力，破壞了輪軌動平衡并由于較小輪側輪緣密貼鋼軌摩擦產生了極大振動。

轉向平衡。實踐在貨運直線段測量仍發現較多轉向平衡問題：超30mm占比0.5%，反映轉向架失配情況即軸垂直線與運行方向的夾角為30/1800約1°，這產生磨耗不規則情況和影響彎道時安全性。

4 TWDS在線系統發展趨勢與未來發展

鐵路客貨建設運營的迅猛發展產生智能運維先進概念即狀態修、預測、預防、高效、簡約；需要創新和技術進步來實現TWDS系統向更高層次智能化階段目標發展，在線檢測技術關鍵：設計標準制訂；在線檢測安裝位置；與“5T”其它系統關聯性指標定義與表示方法等。

參考文獻

[1]覃杰.貨車輪對尺寸動態檢測系統（TWDS）研制技術報告.項目評審證書 廣鐵科委[2017]111號.

[2]王露.輪對尺寸在線動態檢測技術及鏇輪決策研究[D].南京理工大學.碩士學位論文，2017，01.