哈爾濱局集團公司超偏載檢測安全預警裝置設計與應用對策

(中國鐵路哈爾濱局集團有限公司 貨運部，黑龍江 哈爾濱 150006)

目前國內外現有的鐵路貨運計量安全檢測裝置，如軌道衡、超偏載儀等對現場實際安裝標準要求較高，其中鋼軌、軌枕、線路長度、線路坡度、地基承受力、貨車通過速度等都有著嚴格的要求，安裝標準與造價較高，導致小型貨運站場及鐵路專用線難以安裝此類設備，從而使鐵路運輸存在超偏載檢測盲點，造成一定的安全隱患。因此，中國鐵路哈爾濱局集團有限公司(以下簡稱“哈爾濱局集團公司”)設計研發超偏載檢測安全預警裝置，可以有效解決各個裝車站散裝貨物超偏載安全檢測問題，確保貨物運輸安全。

1 鐵路超偏載檢測裝置現狀

1.1 現狀分析

哈爾濱局集團公司現有貨運計量安全檢測裝置123 臺，其中軌道衡91 臺，超偏載檢測裝置32 臺，分布在16 個站段78 個裝車站。哈爾濱局集團公司管轄范圍內有貨運站252 個，其中散裝貨物裝車站有226 個。為了強化設備維修質量，確保設備的運用穩定，哈爾濱局集團公司完成管內所有聯網貨運計量安全檢測設備車站級服務器上移至哈爾濱局集團公司信息所機房進行統一管理，杜絕因貨運計量安全檢測設備車站服務器故障導致數據無法上傳問題。2020 年，哈爾濱局集團公司更新、改造、大修貨運計量安全檢測設備。新建東佳木斯、賓西、牡丹江(2 臺)超偏載檢測裝置4 臺，新建龍鎮、牙克石、尚志軌道衡3 臺；更新濱江超偏載檢測裝置1 臺，更新煤田軌道衡1 臺，納入中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”) 3 級聯網；對伊敏、海拉爾北、扎蘭屯、嫩江、富裕、馮屯、碾子山站7 臺軌道衡進行大修，增強貨物超偏載安全檢測技防能力。盡管如此，現有超偏載檢測裝置不能滿足所有裝車站的安全計量檢測要求，許多散裝貨物裝車量較大的貨運站沒有條件安裝軌道衡，安全監控僅憑人來卡控，時有超偏載情況發生，不能有效保證運輸安全。

（1）安裝位置不合理。因歷史原因，哈爾濱局集團公司管內大部分超偏載檢測裝置當初的安裝目的是為了控制本站裝車，安裝的位置在站內而并非進出站咽喉，所檢測車列大部分為本站裝車，由于安裝位置原因，調車作業通過的次數較多，與確報信息匹配率較低。通常一個貨運站只能安裝一處軌道衡，貨場接發貨車需要通過軌道衡進行測量，加之調車作業頻繁，影響運輸效率。

（2）環境影響較為突出。哈爾濱局集團公司地處北方，冬季氣候惡劣，計量安全檢測設備傳感器易出現結冰現象，影響數據的準確性。雖然2020 年入冬前已組織維修維護人員對貨運計量安全檢測設備安裝了防凍墊，但是仍有14 臺超偏載檢測裝置因位置原因無法安裝防凍墊，必須隨時關注和檢查傳感器狀態，避免春融期間晝化夜凍，影響傳感器的性能。

（3）設備管理質量偏低。哈爾濱局集團公司管內已有20 臺超偏載檢測裝置、26 臺軌道衡超過3 年大修期限，目前設備老化嚴重，故障率較高。部分車站對計量安全檢測設備使用不夠重視，不能按照要求進行設備周檢工作，無周檢記錄，存在冬季除雪不及時的現象，在管理上重視不足。

超偏載檢測安全預警裝置是可以預防貨車超載、偏載、偏重的安全預警設備，當發現超偏載信息時，可以實現直接定位到問題車輛的位置，并提供歷史車輛與報警情況的數據查詢等。研究設計超偏載檢測安全預警裝置，可以測量并保存貨車通過設備時的行駛方向、速度及每個車輪的重量等信息，判斷貨車經過設備時是否存在超載、偏載、偏重，保障貨物裝載安全。設計時應綜合考慮各類站場安裝環境的適應性、安裝方式簡單方便、功耗低等要素，以解決現有超偏載檢測裝置成本高、安裝不能覆蓋全部裝車站及影響運輸效率的現實問題[1]。

1.2 設備組成

超偏載檢測安全預警裝置由測重傳感器、數據采集單元、超偏載檢測軟件等組成。超偏載檢測安全預警裝置組成示意圖如圖1 所示。

（1）測重傳感器。測重傳感器是橋平衡式低頻信號傳感器，當車輛通過測重傳感器時，車輪的重力使鋼軌產生了應力變化，作用在測重傳感器上，產生車重低頻信號，該信號經過降噪、濾波、放大等處理后輸出到下一級處理。

圖1 超偏載檢測安全預警裝置組成示意圖Fig.1 Composition of safety warning device for out-of-gauge and shift loading detection

（2）數據采集單元。數據采集單元采用32 位浮點微控制器作為主控CPU，實時控制子系統采用 TI的 32 位 C28x 浮點CPU，具有 100 MHz 的信號處理性能。數據采集單元接收側重傳感器獲取的車重低頻信號，并輸出信號的幅頻特性，采用數字低通濾波器進行高頻濾波，濾掉高頻干擾，保留真實低頻有效測重信號，有效測重信號通過數據采集單元的CAN 接口發送到通信轉換盒，由通信轉換盒將CAN總線數據轉換為TCP/IP 協議數據，通過局域網絡上傳給上位機的超偏載軟件進行分析處理。

（3）超偏載檢測軟件。超偏載檢測軟件接收到有效測重信號后，依據信號幅值的大小等信息計算列車通過速度，根據前后轉向架的距離及車體間的間距及各車輪位置的邏輯關系，分析出每輛車各軸的軸重，從而計算出前轉向架重量、后轉向架重量和車輛的總重。超偏載檢測軟件可以將查詢、調零、配置等通信數據通過TCP/IP 協議發送到通信轉換盒，由通信轉換盒將數據以CAN 總線方式發送到測重數據采集單元[2]。

1.3 檢測流程

超偏載檢測安全預警裝置采用多任務多線程的方式實現數據通信、數據處理、數據分析和數據保存的功能。通過TCP/IP 協議讀取或設置信號采集單元的信息。當無車測量時，軟件會對測重傳感器組進行實時查詢，可通過發送調零設置命令，對傳感器組的零點數據進行設置，防止測重傳感器的信號幅值漂移，避免因測量數據偏差較大而導致的誤報警。當待測車輛通過時，超偏載檢測軟件接收到的測重數據，即對數據進行分箱處理，不同測重傳感器數據分組存放，根據獲取數據的先后時間判斷來車方向與車輛實時速度。車輛通過后進行軸數計算，按照軸信息數據分析生成車輛信息，并計算出車輛的測重信息。依據報警門限值，對車輛信息進行分析和數據保存，如有報警信息，將報警詳細信息以不同顏色分類顯示提示，供現場作業監控人員參考。超偏載檢測安全預警裝置檢測流程如圖2 所示。

2 超偏載檢測安全預警裝置功能模塊設計

2.1 功能模塊

2.1.1 測重信號處理

圖2 超偏載檢測安全預警裝置檢測流程圖Fig.2 Inspection process of out-of-gauge and shift loading inspection safety warning device

測重傳感器采用橋平衡低頻信號傳感器，當車輛通過測重傳感器時，車輪的重力使鋼軌產生了應力變化，作用在測重傳感器上，產生車重低頻信號，該信號經過降噪、濾波、放大等處理后輸出到下一級處理。由于測重傳感器的測重信號是由鋼軌受到重力后產生的微量形變產出的，而鋼軌的受力形變量還要受到很多因素的影響，其中包括環境的溫濕度及車輛的運行速度等。

環境的溫濕度對于測重信號幅值有一定影響。在不同的溫濕度環境下，鋼軌的受力形變量是不同的。在車輛測量過程中，當經過輪軸較多后，由于摩擦生熱的原理，鋼軌的溫度也會隨之不斷升高。根據這一特性，添加了環境溫濕度監測，可根據環境狀態的變化對數據進行修正，進而提高測量的精確度。

車輛的運行速度對于測重信號幅值的影響是最大的。同等質量的輪軸經過的速度不同，其測重信號的幅值也不同。速度越大，測重信號幅值就越大。測量車輛通行中前后轉向架的實時速度也是非常重要的。同側鋼軌上安裝的測重傳感器位置相距1 m，可根據2 組測重頭的距離與軸數據產生時間差計算列車通過實時速度，利用實時速度計算得出的測重數據準確度更高[3]。

2.1.2 智能校準

受大數據與人工智能的啟發，在計軸時，引入了智能校驗的理念。智能校準是在4 組測重頭之間相互比較，互相學習的過程，包含橫向校準與縱向校準2 個方面。橫向校準，即鋼軌兩邊同一位置的測重頭(如測重頭1 與測重頭3，或者測重頭2 與測重頭4)計算所得軸數應相等，可進行橫向軸數的校準。在校準過程中，發現丟失軸時，可根據丟失數據軸的縱向相鄰軸將丟失數據找回[4]。縱向校準，待測車輛整車通過時，即一側鋼軌上的測重頭(如測重頭1 與測重頭2，或者測重頭3 與測重頭4)計算所得軸數應相等，可進行縱向校準。在校準過程中，發現丟失軸時，可根據丟失數據軸的橫向相鄰軸將丟失數據找回。智能校準示意圖如圖3 所示[5]。

2.1.3 報警功能

根據鐵路貨運計量安全檢測設備運用管理規則對超偏載檢測報警功能進行設置。針對超載、偏載、偏重3 類分別定義一般和嚴重兩級報警。當檢測數據大于貨車容許載重量5 t，但未達到嚴重程度的為一般超載，大于貨車容許載重量10 t 為嚴重超載；當貨物總重心投影距車輛縱中心線距離大于100 mm 為一般偏載，貨物總重心投影距車輛縱中心線距離大于150 mm 為嚴重偏載；當貨車兩轉向架承受重量之差大于10 t 為一般偏重，貨車兩轉向架承受重量之差大于15 t 為嚴重偏重。超偏載檢測兩級報警定義如表1所示[6]。

表1 超偏載檢測兩級報警定義表Tab.1 Two-level alarm definition for out-of-gauge and shift loading detection

2.2 應用管理對策

為加強和規范超偏載檢測安全預警裝置運用管理，發揮設備的安全監控和防范作用，依據《中華人民共和國鐵路法》《中華人民共和國計量法》《鐵路安全管理條例》等法律法規和國鐵集團有關規定，制定了《哈爾濱局集團公司貨運計量安全檢測設備運用管理實施細則》。遵循主管負責、逐級負責、專業管理、預防為主的基本原則，規范超偏載檢測安全預警裝置運用管理。

2.2.1 日常應用管理

（1）明確責任分工。哈爾濱局集團公司貨運部應充分利用超偏載檢測安全預警裝置及時掌握管內超偏載報警車動態，并納入每日交班內容。對嚴重超偏載報警車，日常超偏載盯控人員、裝卸車質量主管人員和設備運用管理主管人員應加強溝通和協作，按責任分工加強原因分析、跟蹤處理過程，并指定專人3 日內反饋給上級管理部門。

圖3 智能校準示意圖Fig.3 Schematic diagram of intelligent calibration

（2）規范設備聯網。申請納入聯網應用的超偏載檢測安全預警裝置應是已經過首檢合格并在檢定有效期內的設備；在提交聯網申請時，應同時附設備首檢或周期檢定合格證明、設備測點名稱，集團公司貨運部以局電或局函形式報國鐵集團貨運部。

（3）加強數據保管。加強對數據和有關資料保管，原始數據保存至少3 年，有關檢修維護記錄保存至少1 年。

（4）強化日常考核。哈爾濱局集團公司貨運部負責制定并動態優化超偏載檢測安全預警裝置設備運用考核指標，定期組織對站段貨運計量系統及相關計量安全檢測設備運用質量進行考核和通報。

（5）嚴肅問題追責。哈爾濱局集團公司組織管內各站段制定設備調試和日常維護管理辦法，不得擅自屏蔽、過濾、修改檢測數據，不得影響正常檢測工作，對引起安全問題得不到及時發現甚至導致事故的將嚴格追究責任[7]。

2.2.2 信息系統維護

將超偏載檢測裝置、軌道衡納入到集團公司貨運安全信息管理系統，充分利用貨運計量系統和設備運用管理電子化臺賬的大數據分析作用，找出問題多發的設備，加強日常盯控，暢通維修渠道，減少設備故障影響。

（1）建立管理制度。應按照《信息系統安全等級保護基本要求》三級要求進行管理，制定并落實系統服務器安全、操作安全、應用軟件管理、系統數據管理、業務數據管理、計算機病毒防范、應急處置等方面的安全管理制度，保證系統運行安全和數據安全。

（2）加強服務器管控。應將超偏載檢測安全預警裝置服務器統一放置在集團公司信息技術所及站段計算機房內，并由其管理。機房應提供充足的不間斷電源容量，保證服務器7×24 h 不間斷工作。機房建設應符合國家相關標準，服務器、監控終端計算機禁止安裝無關的軟件和硬件。

（3）及時更新信息。檢定完成后或檢衡車重量發生變化時，集團公司質監所應及時通過貨運計量系統更新超偏載檢測安全預警裝置有關信息。

（4）規范故障定級。因計算機設備硬件故障、軟件故障和違反規定操作、安全防范措施不力、技術設備不良及其他原因,造成貨運計量系統設備損壞、信息泄漏、毀損、丟失，影響本系統正常運行，對運輸生產造成損失的，均列為本系統運行故障。

（5）優化用戶管理。應在保證系統信息安全、保密、簡化流程、提高用戶調整的工作效率的前提下，對超偏載檢測安全預警裝置進行用戶配置。用戶配置工作應結合機構調整、人員變動等情況同步及時完成，不得影響正常監控工作。

2.2.3 應急預案構建

（1）明確責任主體。各使用單位應制定超偏載檢測安全預警裝置發生各類故障時的應急預案，明確應急處置責任主體和安全保障具體措施，保證應急處置統一指揮，處置有序、高效。

（2）完善處理流程。各使用單位除按設備故障規定流程辦理外，應及時向集團公司貨運部、質監所、信息技術所報告，報告內容包括：車站、地點、故障發生時間、概況、原因初步判斷、處置情況等。集團公司質監所在發現或接到故障報告后應立即進行故障分析和處理，確保在最短時間內恢復正常使用。一般故障應在24 h 內修復，如設備損壞嚴重，應及時啟動小修或大修程序，確保在最短時間內恢復正常使用[8]。

3 結束語

隨著鐵路貨運裝車品類繁雜，裝車量逐年上升，對貨物裝載質量提出新的要求，同時也對裝載安全檢測能力提出更高的挑戰。超偏載檢測安全預警裝置的設計研發有效解決了貨物超偏載檢測盲點問題，通過現場實驗驗證，能夠滿足現場安全預警卡控需要，能夠實現現場監控、數據分析、問題報警等功能，實現散裝貨物裝載進行全天候、全方位、全過程的安全檢測監控，有效保障鐵路貨物裝載安全，提高鐵路運輸生產效率。