基于傳感技術的城軌列車非接觸式脫軌檢測系統研究與應用

李文濤 王俊偉 楊 航

（蘇州軌道交通集團有限公司機電中心車輛部，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

隨著城市軌道交通技術的發展，為提高運行效率，國內一些大城市已經開始建設全自動無人駕駛地鐵線路，未來地鐵列車發展的重要方向是全自動無人駕駛列車[1-2]。列車脫軌檢測功能是全自動無人駕駛城軌車輛必備的功能選項。無人駕駛列車需要檢測列車是否處于正常運行狀態，并將列車狀態通知車輛控制中心。針對脫軌功能檢測，車輛需及時探知車輛脫軌，并通知車輛施加緊急制動，降低脫軌造成的損失，并將脫軌信息上報給車輛控制中心。出于線路正常運行考慮，脫軌檢測系統應能適應車輛運行狀態的復雜性和線路的復雜性，而不引起誤報。本文所提到的非接觸式脫軌檢測系統具有及時準確探知車輛脫軌的特點，并從傳感器結構設計及系統保證的角度出發采取了相應措施，以提高系統的穩定性。

1 非接觸脫軌檢測系統組成

非接觸脫軌檢測系統主要由脫軌檢測傳感器、脫軌系統主機、通信控制模塊及其安裝附件組成，系統組成框架如圖1所示。脫軌檢測傳感器負責感知軌道信息，并將檢測結果提供給脫軌檢測系統主機。系統主機根據脫軌檢測傳感器檢測的信號進行綜合判斷，并將判斷結果提供給車輛，車輛將信息提供給車輛控制中心。

圖1 脫軌檢測系統組成

1.1 脫軌檢測傳感器

脫軌檢測傳感器為大檢測范圍的電渦流接近傳感器，實物如圖2所示，其自身產生電磁場，在被檢測的金屬物體內部產生反作用電磁場的渦流，使傳感器內部電流參數發生變化，因此識別出作為被檢測對象的鐵軌是否在檢測范圍，進而控制傳感器輸出的信息。

圖2 脫軌檢測傳感器實物

作為大檢測范圍的脫軌檢測傳感器，其核心部分由三大部分組成：振蕩器、開關電路及放大輸出電路。振蕩器的作用是產生一個高頻交變磁場。正常狀態下，鐵軌作為被檢測對象一直處在傳感器檢測范圍內，在鐵軌與脫軌檢測傳感器正對的表面內產生渦流，從而導致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉換成開關信號，從而達到非接觸式脫軌檢測的目的。

1.2 脫軌檢測系統主機

脫軌檢測系統主機負責給脫軌檢測供電、收集脫軌檢測傳感器的信號并對信號進行邏輯判斷。主機內部集成通信模塊，可以通過該模塊將檢測結果傳輸給車輛。脫軌檢測系統主機外形圖如圖3所示。

圖3 脫軌檢測系統主機外形

脫軌檢測系統主機可根據車輛設備布置的需要安裝在車下；也可使用標準2U機箱，將其安裝在軌道列車車內。脫軌檢測系統主機應具有一定的防護能力，同時應滿足《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》（GB/T 21563—2018）對軌道車輛設備的沖擊振動要求。

2 輪軌關系對脫軌檢測傳感器的要求

軌道車輛脫軌其根本力學機理是車輛運行時橫向運動失穩，造成車輛—軌道系統橫向振動失穩[3]，從而引起輪對脫離軌道而不復位，造成車輛脫軌事故。通常脫軌事故中，輪軌爬軌造成的脫軌次數最多，鐵路站內脫軌事故也多為爬軌脫軌事故[4]，列車在小半徑曲線上低速脫軌的主要形式也是爬軌[5]。輪對發生爬軌，傳感器應能及時感應出輪對與軌道間相對位置發生距離變化，針對此狀態做出反應；而正常的輪對運動造成的與軌道間偏移，傳感器的檢測范圍應能正常地包含進去。

脫軌檢測傳感器的垂向檢測范圍除包含車輛運行造成的高低運動外，還應包含車輛載重、輪緣磨耗等因素造成的垂向位移，傳感器的垂向檢測范圍至少距軌面60 mm；新車空車狀態下，傳感器下表面距軌面的高度距離在45～50 mm。

脫軌檢測傳感器的橫向檢測距離也應包含輪對在軌道上正常橫向偏移、輪緣磨損、軌道磨損、輪軌間正常的偏差以及轉向架構架的扭轉等。基于上述因素的考慮，脫軌檢測傳感器既需要有足夠的垂向檢測范圍，也應具有足夠的橫向檢測范圍，以滿足車輛構架正常的橫向運動和垂向運動。基于電渦流傳感器的特性，隨著檢測高度的增加，其橫向檢測距離也變小。當輪緣完全爬到軌上時，在此種高度狀態下，輪對橫向力幾乎為零，脫軌系數已超限界值，車輛輪對處于即將完全脫離軌道的狀態。此時，輪對垂向高度位移和橫向偏移均已超出傳感器的檢測范圍，傳感器應及時報出感應信息。脫軌檢測傳感器橫向—垂向檢測范圍如圖4所示。

圖4 脫軌檢測傳感器橫向—垂向檢測范圍

3 脫軌檢測傳感器結構設計及系統布置

脫軌檢測傳感器結構形式如圖5所示，采用雙探測磁芯的結構設計，雙探測磁芯同時工作，僅當兩個磁芯均檢測不到鋼軌時，傳感器才向系統主機提供檢測不到鋼軌信號。此種結構設計增加了傳感器的可靠性，能夠避免車輛通過道岔的有害空間而產生誤報信號的狀況。

圖5 脫軌檢測傳感器結構形式

由于線路的原因以及車輛運行狀態的復雜性，造成車輛脫軌的因素較多，但脫軌的結果毫無疑問均為轉向架的輪對脫離軌道，因此脫軌檢測系統將一節車輛的單個轉向架視為一個檢測對象單元，每臺轉向架對角布置安裝兩個脫軌檢測傳感器[6]，也可以選擇根據轉向架構架端頭布置設備的需要，將傳感器布置在構架同一端上，通常的布置方式如圖6所示。

圖6 脫軌檢測傳感器布置方式

4 脫軌檢測的邏輯判斷及輸出

在各類鐵路交通事故中，脫軌事故因危害大、影響廣而備受關注，所以鐵路行業對這類多發性事故十分重視[7]。因此，系統應能真實判斷車輛在軌道上的狀態，而不能因脫軌檢測系統自身故障或其他原因而誤報脫軌信息。由于鐵路行業對脫軌事故的重視，即使是誤報脫軌，也會對車輛尤其是在無人駕駛車輛采取一定的檢查措施，從而影響到線路的正常運營。因此，系統采用單架雙傳感器的布置方式，提高系統的穩定性。

脫軌檢測系統采取同架雙傳感器布置的方式，因此系統判定車輛的脫軌邏輯如表1所示。

表1 系統對脫軌狀態的邏輯判斷

5 試驗驗證

在已經正常載客運行的某條線路中共有18個站點，線路總里程53 km，最小曲線半徑為R250 m，軌道超高120 mm。在此線路中進行實車正常運行驗證，脫軌檢測系統沒有誤報出脫軌信息。

為配合車輛救援演練，使用復軌機移動車輛單個轉向架脫離軌道，在抬升構架高度后，剛移出軌道，系統就及時向車輛提供了脫軌信息，驗證了系統的有效性。

6 結語

隨著無人駕駛技術的日趨成熟，無人駕駛列車在將來的軌道交通領域將占據越來越大的比例，脫軌檢測的技術應用也必須滿足無人駕駛列車的需要。本文介紹的非接觸式脫軌檢測系統具有精確檢測、反應及時的優點，并從傳感器結構設計以及系統構成和邏輯判斷上提升了系統的可靠性，該系統在將來的無人駕駛列車中必然得到廣泛的應用。