高速鐵路輪軌關系綜合信息管理系統設計與應用

侯茂銳，方 興，胡曉依，成 棣

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速輪軌關系試驗室，北京 100081;3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 科技管理部，北京 100081)

高速鐵路輪軌關系研究涉及學科范圍較廣、參加單位諸多、試驗數據繁雜等，通常需要不同單位的大量試驗人員協作完成，其中，涉及大量的儀器設備、試驗資源、試驗數據等。隨著高速鐵路輪軌關系中輪軌對應、車地對應、時空對應的系統試驗不斷深入，試驗數據急劇膨脹。這些巨大的試驗數據是進行輪軌關系研究的基本數據支撐，是改善優化輪軌關系問題的重要參考，是中國鐵路的寶貴知識財富。借鑒大數據管理思想進行輪軌關系試驗數據管理，探索數據分析及共享模式，不僅有利于促進數據資源共享，更有助于保障鐵路行車安全，提升鐵路服務水平，增加鐵路企業的經濟效益[1]。

為了提高生產和維修管理效率，國內的航空、汽車行業較早應用了數據管理系統[2-4]，鐵路部門也開發了各式各樣的數據管理系統[5-7]，但缺少如美國TTCI開發的用于重載鐵路的輪軌關系管理系統[8]。高速鐵路輪軌關系研究在試驗數據信息管理方面存在以下問題：

（1）輪軌關系中涉及軌道系統和車輛系統的部分試驗數據分別存儲在工務巡檢數據管理系統和動車組管理信息系統中，但各系統基本是獨立運行，交叉協作較少。

（2）試驗數據通常分別存儲在個人計算機、儀器設備、移動硬盤等存儲介質中。

（3）由于試驗數據存儲沒有遵循統一的數據格式及命名規范，歷史試驗數據和試驗報告難以實現重復使用，導致大量重復試驗和分析，同時給試驗數據共享和試驗數據安全控制帶來很大困難。

（4）試驗數據分析方法不統一，數據分析效率較低。

為了避免以上問題，本文提出設計高速鐵路輪軌關系綜合信息管理系統。

1 系統設計原則及建設目標

1.1 設計原則

系統從安全性、穩定性、可擴展性等方面進行研究，以局域網和互聯網的模式，對試驗過程產生的數據進行管理，實現現有生產管理系統中涉及的輪軌關系相關信息的導入，可為高速鐵路輪軌關系試驗過程管理提供系統性信息化服務，為輪軌關系研究構建統一的數據管理系統，實現試驗過程的有序管控，為相關研究人員提供數據可視化分析手段，提高數據分析效率。

1.2 建設目標

（1）可進行現場試驗、實驗室試驗和仿真試驗的流程管理，實現試驗過程的動態化標準管理；（2）實現試驗數據的結構化存儲，確保數據的安全性和可靠性；（3）整合輪軌關系涉及的綜合信息，將涉及的車輛和軌道的相關維修、故障信息進行匯集；（4）提供便攜的數據信息查詢、下載功能，實現數據的共享開放；（5）實現數據的可視化，可對試驗數據的基本變化特征進行分析，并按照模板自動生成分析報告。

2 系統設計

2.1 網絡拓撲結構

為了便于不同單位的研究人員登錄系統進行試驗管理與數據應用研究，高速鐵路輪軌關系數據管理系統采用基于瀏覽器的B/S架構，可以根據人員的不同角色賦予不同的權限，確保系統中的所有試驗數據安全可靠。

系統網絡拓撲結構如圖1所示。數據庫服務器由兩個節點組成，一個節點主用，一個為備用；應用服務器為一個節點；文件服務器為一個節點。通過以太網將服務器與用戶相連接。

圖1 網絡拓撲結構

2.2 系統總體架構

系統總體構架如圖2所示，主要包括IT基礎設施、數據來源、數據基礎層、業務執行層和決策支持層。

3 總體技術路線

總體技術路線流程圖，如圖3所示。從試驗總體計劃編制開始，經過任務登記、任務接收、數據上傳、數據審核、數據結構化、數據查詢、數據可視化、生成報告等環節，實現從試驗過程管理到決策分析的全覆蓋。

圖2 系統總體架構

4 功能應用

4.1 試驗流程管理

針對現場試驗、試驗室試驗和仿真試驗的特點及要求編制總體試驗計劃方案，系統按照總體計劃下發試驗任務，逐級執行。總體計劃可以逐條進行添加，也可將Excel中的計劃列表導入。仿真試驗管理中，添加仿真任務時不僅可對試驗單位、部門和人員進行安排，也可與現場試驗的工況條件進行關聯，比如將線路的平縱斷面信息、鋼軌廓形、車輪踏面、軌道不平順等信息添加到仿真任務中。

系統對試驗的完成情況在主界面進行顯示，如有延遲或異常則顯示為紅顏色，并可按月或按年對試驗的完成情況進行統計，如圖4所示。

4.2 數據存儲管理

目前，系統對京滬、武廣、哈大、蘭新、貴廣、丹大等6條高速鐵路的現場試驗數據進行管理。數據存儲可分為兩大類：（1）按照試驗流程管理進行的數據存儲；（2）對未按照流程進行管理的試驗數據，可以按照歷史數據上傳的方式進行存儲。系統的主界面顯示了試驗線路，每條線路上分別設有紅色和藍色兩個旗子，點擊紅色旗子可顯示該線路的基本信息，包括線路鋼軌材質、鋼軌廓形、軌道板型式等信息，點擊藍色旗子可顯示該線路目前系統存儲的所有數據。

4.3 數據可視化

對鋼軌廓形、車輪廓形、車輪多邊形、鋼軌粗糙度、軌道不平順、軌道振動和車輛振動等試驗數據提供了可視化分析工具，除鋼軌廓形分析算法采用VC++編寫外，其它分析算法均采用MATLAB編寫。

4.3.1 鋼軌廓形

通過系統接口調用VC++進行鋼軌實測廓形的磨耗分析[9]，可對多次測試廓形數據進行對比，可以設置不同的廓形作為基準廓形，對測試的鋼軌廓形數據進行自動對中等處理，然后計算分析鋼軌垂直磨量、側磨磨耗及磨耗面積，并可將對齊后的鋼軌廓形輸出存儲。鋼軌廓形數據分析示意圖，如圖5所示。

圖3 總體技術路線流程圖

圖4 試驗完成情況統計表

4.3.2 車輪廓形

通過系統接口調用MATLAB進行車輪磨耗分析，對于單個車輪的踏面廓形數據，可分析踏面磨耗量、輪緣磨耗量、踏面最大磨耗量及磨耗位置[10]。為了進行輪軌接觸幾何關系分析，對測試廓形數據進行了光滑化、數值插值等數值分析，可實現輪軌等效錐度、輪軌接觸點分布的計算分析。對于測試整列車的多個車輪廓形數據，可按照定義的模板自動生成測試分析報告，所有測試車輪的磨耗情況和輪軌接觸幾何關系均在測試報告中進行了展示分析。車輪磨耗分析示意圖，如圖6所示。

圖5 鋼軌廓形數據分析示意圖

圖6 車輪磨耗分析示意圖

4.3.3 車輪多邊形

對于單個車輪的多邊形數據，可對車輪多邊形的階次、徑跳等特征參數進行分析[11]。對于一列車的多個車輪多邊形數據，可按照定義的模板自動生成測試分析報告。車輪多邊形數據分析示意圖，如圖7所示。

4.3.4 鋼軌粗糙度

通過分析鋼軌粗糙度數據的幅值譜、階次譜和空間譜，對鋼軌波磨的波長、響應頻率等特征進行分析，用戶可根據不同需求對數據分析長度、車輛運行速度等參數進行設置。鋼軌粗糙度數據分析示意圖，如圖8所示。

圖7 車輪多邊形數據分析示意圖

圖8 鋼軌粗糙度數據分析示意圖

4.3.5 軌道不平順可對高低、軌向、軌距、三角坑等軌道幾何偏差數據分別在時域和頻域進行分析，對軌道不平順的幅值、特征波長等特征進行分析。軌道不平順數據分析示意圖，如圖9所示。

4.3.6 軌道振動

可對軌道、軌道板及彈條的振動加速度分別在時域和頻域進行展示，分析振動加速度的幅值、特征頻率等。軌道振動加速度時頻域分析示意圖，如圖10所示。

圖9 軌道不平順數據分析示意圖

圖10 軌道振動加速度時頻域分析示意圖

4.3.7 車輛振動

可對軸箱、構架及車體的振動加速度分別在時域和頻域進行展示，分析振動加速度的幅值、特征頻率及振動傳遞等。

4.4 數據交匯

通過定義標準的Excel模板格式，可將動車組管理信息系統中與輪軌關系相關的車輪鏇修信息、運用信息、故障信息、配屬等信息導入系統，也可將工務數據管理系統中的軌道不平順數據導入。下一步將考慮接入鋼軌打磨的相關管理信息，實現輪軌關系相關的綜合信息最大程度的交匯。

4.5 基礎信息維護

用戶可以根據需求點擊基礎信息維護中的“添加”命令，將可進行試驗線路、測點/車號、單位、研究方向等信息的維護，使得系統具有較強的可擴展性。

4.6 接口管理

使用SSL結構化語言編寫了手機短信、郵件、MATLAB、VC++和系統的接口，試驗過程的關鍵節點可通過短信、郵件進行提醒，時通知相關人員，避免試驗人員處理試驗任務不及時等情況。

5 結束語

高速鐵路輪軌關系綜合信息管理系統，對數據信息進行了標準化和歸一化處理，并進行了結構化存儲，確保了試驗數據的安全可靠和對應統一，可實現高速鐵路輪軌關系試驗過程的動態化標準化管理，有利于試驗的順利推進；該系統提供了多種數據分析算法和標準化的分析程序，可對輪軌匹配狀態進行可視化，并自動生成數據分析報告，提高了數據分析效率和準確率，避免了重復工作和人力浪費；通過將高速鐵路輪軌關系服役過程中涉及的軌道、車輛信息匯集于同一個專業信息管理系統，為深入研究輪軌關系提供了重要手段，對于研究整個壽命周期內車輪和鋼軌的匹配關系具有重要意義。目前，此系統已在多個主機廠得到應用，驗證了系統功能的可行性和穩定性。

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