鐵路客車故障軌旁圖像監測系統(TVDS)統型機設計及運用

肖 齊

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

隨著我國鐵路客運能力的不斷提高，鐵路客車運用安全保障工作變得越來越復雜。增開直達列車，客車編組停站減少，交路延長，使列檢保證區段隨之延長，責任范圍變大。此外，車站站臺高度的提升，盤型制動系統、列車裙板的引入，使得列車隱蔽部件增多。客車入庫檢車時間縮短，所有上述因素都使得鐵路客車運用安全監控面臨極大挑戰。

為解決上述問題，2014年中國鐵路總公司印發了《車輛專業安全監控技術發展規劃》[1]。但目前既有TVDS設備種類繁多，且工作原理、主要零部件安裝接口及性能參數均存在較大差異，造成鐵路運用部門運用維護困難，并且備品備件種類多，增加了使用維護成本。同時，《規劃》中明確提出了車輛安全監控聯網應用的發展目標。TVDS設備為適應聯網應用的需求，應具備統一的設備功能、數據接口和用戶界面。同年，《中國鐵路總公司關于明確鐵路車輛專用檢修設備管理有關工作的通知》(鐵總運〔2014〕331號)對路網設備提出統型要求。因此，需對TVDS設備開展統型設計。

1 TVDS統型機設計原則

TVDS統型機需要適應全路聯網運行的要求，注重鐵路局使用效果、考慮技術發展方向、兼顧采納各廠家設備優點和有利于降低成本為原則，統一設備功能、統一報警標準、統一數據接口、統一安裝條件、統一用戶界面，采用結構模塊化設計，實現關鍵部件互換，提高設備標準化程度。具體要求有：

(1)設備應標準化、模塊化設計，不同廠家生產的設備需能夠達到原理統一，接口一致，允許互換。這樣可以方便現場工作人員維護維修工作，方便設備備品備件采購和管理；

(2)設備應具備高標準圖像采集功能，即優質的攝像頭和科學合理的攝像頭與補償光源配合，確保全路運用過程中拍攝圖像清晰，檢測結果準確；

(3)設備應具有良好的環境適應性，能夠適應東北地區冰雪天氣，適應西北地區風沙天氣，適應南方地區大水條件，適應未安裝集便器客車通過條件等；

(4)設備應保證產品質量，具備設備狀態遠程監控，設備自修復和遠程維護功能，減少人員上道維修。

2 技術要求

(1)使用環境

在表1所列使用環境條件下，TVDS統型設備應能正常工作。

表1 TVDS統型設備使用環境

(2)主要技術參數

適應客車速度/(km·h-1)： 5～160。

圖像傳輸時間/min： 列車通過后≤2。

服務器及存儲容量：探測站原始采集信息及圖像保存不少于30天。

車輛方位識別：能自動識別客車1、2位端，1、2位側以及運行方向的左、右側。

3 主要結構及性能

TVDS系統主要包含軌旁設備與機房設備。軌旁設備主要是圖像采集硬件系統，按照模塊化設計理念，將圖像采集系統整合成3個獨立箱體，分別是2個側箱和1個底箱，每個箱內包含線陣相機和補償光源。機房設備主要是圖像處理和存儲，采用通用工控機和通用信息接口實現模塊化設計。

3.1 軌旁設備配置標準

(1) 線陣相機

線陣相機安裝于軌內及鋼軌兩側，線陣相機布局示意圖如圖1所示。線陣相機安裝位置如圖2所示。

圖1 鐵路客車故障軌旁圖像檢測系統(TVDS)相機布局示意圖

圖2 鐵路客車故障軌旁圖像檢測系統(TVDS)相機安裝位置示意圖

圖3 相機盒燕尾槽安裝方式

線陣相機及鏡頭參數見表2，使用壽命(累計工作時間)≥2 500 h。

表2 線陣相機及鏡頭參數

(2) 補償光源

圖像采集模塊中補償光源采用紅外線性激光光源，光源采用光纖耦合輸出方式設計，由激光器、光纖、鏡頭3部分構成，各個補償光源功率相同、接口一致，可任意互換。如圖4所示。

圖4 光纖耦合式紅外線性激光光源

底中相機采用2套光源同時進行光照補償，其余每個相機配備1套補償光源。補償光源陣列照度應滿足圖像清晰可辨的要求，燈光顏色不應使機車司機發生誤判，具體技術參數如下：

光源類型：光纖耦合式紅外線性激光光源；

光纖類型：SMA905鎧裝光纖跳線；

發光波長：808 nm；

開啟/關斷時間：≤1 s；

7.1.5噴藥劑休眠期噴灑1～2次石硫合劑，對危害果樹的多種介殼蟲、紅蜘蛛以及蘋果腐爛病等病具有顯著的預防和治療效果。

供電電壓：DC 15 V；

工作電流：≤6 A；

使用壽命(累計工作時間)：≥2 500 h。

各相機配套補償光源出光發散角如表3：

表3 相機補償光源出光發散角度表

3.2 機房設備配置標準

機房整體布局示意如圖5所示：

機房設備均采用集成模塊式設計，采用通用標準或中國鐵路總公司統型子系統，各子系統間均獨立設計，設備接口一致，可通用互換。如圖6所示。各子系統設備共同安裝于一個控制機柜內，圖7為控制機柜布置圖。

圖5 機房整體布局示意圖

圖6 機房主要設備

1-智能磁鋼處理裝置；2-控制箱；3-液晶KVM切換器；4-3#圖像采集計算機；5-2#圖像采集計算機；6-4#圖像采集計算機；7-車輛信息采集計算機；8-車號智能跟蹤裝置；9-信號防雷。圖7 控制機柜布局圖

4 環境適應性設計

4.1 防塵

由于采用線陣相機作為拍攝單元，采用紅外線性激光光源作為光照補償系統，保護箱體可以實現窄縫取景，如圖8所示。當列車通過、保護門開啟時，除相機取景口外，箱體的其他部位仍處于近封閉狀態，有效防止了沙塵等異物進入箱體污染相機取景窗，影響圖片采集質量。

取景窗上表面安裝有大功率除塵風機，可在保護門打開時同步開啟，有效防止沙塵等落在取景窗表面，如圖9所示。

4.2 防冰雪

TVDS設備箱體在采用了窄縫取景，有效防止冰雪進入箱體的同時，為保證在冰雪覆蓋時設備工作正常，沉箱保護門采用了耐低溫低速永磁直流力矩電機，結合平行拐臂結構驅動，實現了平動開門的方式，如圖10所示。

圖8 取景窗實物圖

圖9 線陣相機取景窗及除塵風機

圖10 沉箱保護門開閉實物圖

采用平動開門方式，當箱體表面被冰雪覆蓋后，能夠有效防止在保護門開啟時，箱蓋上的積雪掉入箱體內部。保護門驅動采用的是低速永磁直流力矩電機，輸出轉矩大，經測試，當保護門上表面載荷為75 kg時，保護門可正常開啟和關閉。

通過上述措施的實施，可以保證TVDS設備在北方高寒地區的惡劣環境下正常應用。

4.3 排水

為適應南方多雨或地勢低洼等使用環境，軌邊箱體的線陣相機和補償光源鏡頭均采用密閉結構，同時沉箱底部設有排水孔，通過安裝排水管使箱體內不會積水。

對于雨量較大或自然排水不暢等情況，TVDS設備還可以選配強排水系統，在沉箱內安裝有排水泵和水位傳感器，當箱體內積水超過水位傳感器時，排水泵將自動啟動，對箱體內積水進行強排。

4.4 防雷

TVDS系統采用了探測站綜合防雷系統，配備信號

防雷和電源防雷設備。采用的綜合防雷措施，包括等電位連接、綜合布線及屏蔽、共用接地系統及配套的防雷性能自動檢測設施。防雷接地電阻小于4 Ω。

5 運用效果

截至2016年底，全路建設完成鐵路客車動態檢車室34個，新建TVDS探測站統型設備231套。2016年12月，全路日均過車5 600～5 800列次，全路共計發現故障6 000余例。TVDS統型機得到全路推廣應用，統型技術方案安全可靠，能夠適用于全路各種環境、各種線路條件下的安全監測工作，運用效果良好。

[1] 中國鐵路總公司.車輛專業安全監控技術發展規劃,運輛管理函[2014]427號[Z].