鐵路貨車輪對運用狀態綜合檢測系統的研究與應用

王 昊 中國鐵路上海局集團有限公司南京東車輛段

1 引言

隨著中國鐵路的快速發展，現行的鐵路車輛運行安全監控系統（5T系統）主要是用于檢查運行車輛的軸溫、軸承早期故障、列車超偏載以及車輛側部底部故障等情況，對車輪狀況的檢查內容僅限于踏面擦傷、剝離的預報，但是由于缺少踏面缺陷的實際圖像，無法查看踏面損傷的具體情況。另外對運行車輛車輪輪緣厚度、輪緣垂直磨耗、輪對內側距、踏面圓周磨耗、輪輞厚度等外形尺寸參數還無法實現自動檢測，這就需要在進行車輛技術作業時投入大量的人力對車輪狀態進行人工檢查，大大影響運輸效率和車輛運行質量。

在輪對外形尺寸檢測檢測方面，國外已研究多年并已有成熟系統在使用。但大部分輪對尺寸檢測設備只能在列車低速狀態下（低于30 km/h），實現對輪對車輪輪緣寬度、輪緣高度等參數的檢測，如何實現在列車高速運行狀態下仍然可以準確的檢測輪對尺寸一直是貨物列車運用的難題。

隨著科技的發展，激光圖像采集測量以及高速相機圖片處理技術的應用越來越廣泛且成熟，我們根據其原理研究出鐵路貨車輪對運用狀態綜合檢測系統，采用激光圖像檢測方法，實現高速車輪輪對尺寸和踏面的在線檢測。

2 研究內容

2.1 系統原理及構成

檢測系統主要由安裝在軌道兩側的12 個激光線光源和CMOS 相機組成外形尺寸測量單元，10 組CCD 相機組成踏面圖像單元。外形尺寸測量單元利用激光圖像測量技術，將內側和外側激光以不同角度投射到車輪踏面，并在車輪踏面上形成完整的激光輪廓線，將相機與光入射方向成一定角度拍攝車輪外形光截曲線，經圖像采集、處理獲得車輪外形尺寸。踏面圖像單元通過布置在軌道外側CCD 相機組對通過的踏面進行圖像采集，通過數字圖像采集、邊緣檢測和模式設別得到合成后的踏面圓周圖像。

外形尺寸檢測單元中，由激光線光源、相機及被測對象組成三角測量（如圖1），多個激光線光源和相機共同構成了多個三角測量單元。為了有效得到快速通過車輛的踏面激光輪廓線，在車輪前后側冗余布置了三角測量單元（如圖2）。

圖1 三角測量單元

圖2 多組三角測量單元

踏面圖像檢測單元主要由布置在軌道兩側的10 組CCD相機組成，其中CCD 相機、補償光源和控制系統集成在同一個檢測單元中，測量單元體積較小，安裝簡便（如圖3）。

圖3 踏面圖像軌旁布局

外形尺寸檢測單元采用箱體式設計，相機和激光線光源通過玻璃窗口獲取外界圖像，從而保證箱體的密封性，能夠有效的防水、防塵，箱體外側設計有自動保護罩，待機狀態下，保護罩處于關閉狀態。踏面圖像檢測單元同樣設計有自動保護罩，在檢測狀態下，保護罩自動打開，待機狀態下，保護罩關閉，保護其內部相機和補償光源。

2.2 數據分析處理方法

對外形尺寸檢測單元采集的數據處理，主要由三部分完成：

第一步，通過軟件自動采集標定塊的圖像。開始采集后，標定塊（如圖4）以固定間隔距離從開始位置移動到停止位置，在每個固定間隔位置軟件采集表標定塊的圖像。

圖4 標定裝置及采集圖像

第二步，從所有采集到的圖像中進行標定線的識別。軟件顯示所有位置的采集圖像，根據霍夫變換理論提取出所有標定線。

第三步，提取出所有標定線的交叉點，完成像素到實際距離的轉換。軟件會選取所有所需的交叉點，并根據之前標定塊移動的固定間隔距離，對所有交叉點進行距離標示，所有交叉點完成距離標示后進行像素點對實際距離的轉換。

3 硬件組成及安裝

綜合檢測系統需安裝6 組車輪狀態傳感器，其中距離檢測中心區域50 m 前后各安裝一組進線和離線車輪狀態傳感器，用于檢測貨車進入和離開檢測區（如圖5）。檢測中心區域布置四組車輪狀態傳感器，用于控制采集系統的開啟和關閉。

圖5 系統布局圖示意圖

外形尺寸檢測單元在特殊預應力混凝土枕上安裝，需要對既有線路軌枕進行更換，根據工務部門線路管理要求以及正線軌旁設備安裝規定，按照550 mm、700 mm、550 mm 的間距連續布置4 根特制枕。完成安裝后，當系統檢測到車輛進線信號，系統從待機狀態進入工作狀態，車輛到達各檢測區域時，保護罩自動打開，觸發激光，同時照相機采集車輪圖像。軌邊探測站內的分析處理服務器會自動分析采集到的輪對數據，通過既有鐵路數據網，將分析得到的檢測結果，上傳至列檢監控服務器并在 BS 報表中顯示。在檢測到車輛離開檢測區域后，系統自動關閉保護罩，并重新進入待機狀態，等待下一列車到來。（如圖6所示）

圖6 系統檢測流程簡圖

4 系統應用效果

鐵路貨車輪對運用狀態綜合檢測系統于2019 年底在中國鐵路上海局集團公司南京東車輛段京滬線（南京東）上行正線開始安裝，2020年完成調試并開始試運行。

4.1 輪對數據檢測報警準確性

我們對綜合檢測系統自2021 年1 月1 日至2021 年6 月25日的檢測數據進行了統計，其對通過南京東車輛段上行場各型鐵路貨車如C70、P65、P70、X70、NX70、JSQ6 等車種車型的貨車輪對進行檢測。檢測貨運列車6 213 列，其中，綜合檢測系統驗證性試運行階段檢測列車1 788 列，正常使用階段檢測列車4 425 列，全部共檢測貨運列車編組315 053 編組、輪對1 260 212對。

系統應用期間共計預報超出設定報警門限的數據384條，經人工復核系統檢測數據誤差在±0.5 mm以內的數據355條，準確率為92.45%，同時查出超出運用限度并進行扣車處理的問題輪對有8次，均為踏面圓周磨耗超限輪對。

4.2 系統與環境適應性情況

檢測系統使用情況穩定，完全滿足在正線高速戶外環境下的使用要求，尤其是經歷了從低溫、雨雪到暑期的高溫環境下的全天候戶外使用考驗。通過實際的檢測案例與人工檢測對比，驗證了系統原理的正確性、技術的先進性和檢測結果的準確性。試運行期間線路旁既有設備為TFDS、THDS設備及其各自自有的鐵路車號自動識別裝置，經過驗證對既有線路運營無影響及與線路旁既有設備不會相互干擾。

5 結束語

鐵路貨車輪對運用狀態綜合檢測系統通過利用激光圖像采集測量以及高速相機圖片處理技術，能夠對運行中的貨車輪對進行準確的檢測，有效判定踏面圓周磨耗、輪緣厚度、輪輞厚度、輪緣垂直磨耗等參數是否超出運用要求的限度，能夠及早發現車輪踏面損傷及外形尺寸超限，解決了大量人工檢查輪對影響列車檢車效率的問題。

新運規中到達列車人機分工人工檢查范圍和質量標準已經較原有的要求做了較大的改進，但受制于車輛輪對的自動檢查技術手段，依然規定對車輪輪緣垂直磨耗，內側缺損，踏面擦傷、剝離、局部凹下、缺損、圓周磨耗，輪緣厚度，輪輞厚度，輪輞缺損進行人工檢查。綜合檢測系統應用后可以實現系統自動檢查，不再需要人工檢查，既能提高檢查質量，又能減少列檢作業人員，提高列車檢查效率和勞動生產率，全路推廣使用后可以為鐵路貨車列檢作業方式改革特別是到達列車作業方式的進一步改革提供裝備技術保障，在鐵路貨車檢修、鐵路貨車運輸方面的“降本、提質、增效”上發揮極大的作用。