基于智能手機的軌道狀態監測解決方案

1 引言

鐵路運輸具有環保性、可靠性、安全性和舒適性，這是乘客選擇鐵路出行的重要原因。而除車輛本身之外，鐵路基礎設施（如軌道、道岔等）的健康狀況是決定鐵路運輸安全性和舒適性的關鍵因素。因此，有必要通過使用專門的軌道檢測車或者采取人工線路巡檢的方式對軌道進行定期檢查。然而，上述兩種方式均難以實現對軌道狀態的每日或每周連續跟蹤監測，原因在于：軌道檢測車價格昂貴，而且行駛速度相較普通列車偏低，檢測時會影響線路的正常運營；人工線路巡檢會導致線路區間封閉，此外，人員在軌道上巡檢作業還會有安全風險。

為解決上述問題、避免對線路的常規運營造成影響，鐵路公司近年來的常規做法是為普通運營車輛加裝傳感器，以便在其運行過程中采集相關數據，從而實現對軌道更頻繁、更實時的監測。然而，加裝傳感器通常既昂貴又耗時，而且傳感器的加裝和連接是否會對車輛安全運行產生影響尚有待驗證。

隨著智能手機的不斷發展，可通過為其配備強大且多樣的傳感器，實現對大量數據的記錄和處理。2017年，有人首次提出將智能手機應用于軌道狀態監測。如今，智能手機進一步發展，已成為現有軌道檢測手段的一種靈活、便利、廉價的補充。瑞士聯邦鐵路公司（SBB）與西門子交通公司合作，將相關解決方案應用到軌道日常檢測中，取得了非常好的效果。下面將具體介紹其應用情況。

2 Railigent —— 解決方案的基礎

Railigent是西門子交通數字化應用套件，其中包含諸如軌道監測智能手機應用程序，以及開發數字服務、提供和運營相關平臺等的數字化解決方案。該套件可智能地應用來自鐵路系統（包括鐵路車輛及諸如集中聯鎖裝置、道岔、平交道口等鐵路基礎設施）的數據并將獲得的信息呈現在應用程序中，以供鐵路運營商、維護人員等查詢使用。通過獲取、分析上述數據并進行相關的早期故障檢測，Railigent套件可進一步提高鐵路系統的可用性，改進操作流程，縮短列車在站點停留的時間，優化運營成本。

基于智能手機的軌道狀態監測解決方案由2個要素組成：用于收集和發送數據的智能手機應用程序，以及用于分析數據和向用戶呈現信息的Railigent平臺。其中，智能手機應用程序為集成在Railigent套件中的軌道監測智能手機應用程序，其安裝在智能手機上，可以在列車行駛過程中記錄來自智能手機傳感器（如全球導航衛星系統（GNSS）傳感器、加速度傳感器和陀螺儀等）的所有相關數據，并將傳感器數據與更多的外部信息相結合（如通過特殊接口集成的、來自OpenStreetMap的地圖素材），以優化其鐵路基礎設施故障檢測功能，然后將上述所有信息從智能手機安全地傳輸到Railigent平臺；Railigent平臺作為中央數據存儲、處理平臺，可對接收的數據進行分析以獲得軌道狀況相關的信息并檢測異常情況，然后以行動建議的形式將數據處理結果可視化，其為此解決方案的基礎（圖1）。

圖1 軌道監測智能手機應用程序功能示意圖

所用的智能手機為安裝iOS或Android操作系統的智能手機，被設置在駕駛室中用于數據采集。其應與車輛的縱軸平行設置以避免因車輛和智能手機坐標系的偏差影響檢測結果的準確性，并且應對其進行固定以使其位置保持不變。軌道監測智能手機應用程序可在每次檢測行車開始時對其定位和配置自動進行調整和糾正，如檢查基本定位參數和操作條件（即智能手機在車內的位置、車輛狀況、數據存儲位置等），以確保后續數據評估的正確性和多次檢測結果的可比性；上述步驟完成后，則立即開始數據記錄。

Railigent平臺負責對智能手機傳輸的相關數據進行分析，以監測乘客乘坐舒適度。乘坐舒適度用于評估乘客在列車旅程中的舒適程度，是反映軌道狀況和乘客滿意度的重要指標。軌道監測智能手機應用程序根據DIN EN 12299-2009《鐵路應用 乘客乘坐舒適性 測量和評估》標準，并綜合考慮來自智能手機的加速度、定位數據以及來自OpenStreetMap的地圖信息，確定乘客的乘坐舒適度，然后在地圖上將其可視化呈現，并進行從非常舒適”（淺綠色）到非常不舒適”（深綠色）的顏色編碼（圖2）。基于此，Railigent平臺在分析乘客乘坐舒適度時便可以輕松識別出乘坐不舒適的顯著路段，從而指導相關人員進行更有針對性的軌道維保規劃和實施工作。如果乘坐不舒適的情況總是發生在同一個地方，算法會在此處標注一個集群（圖2中的藍色圓圈）。根據集群擴大的情況，結合軌道狀況隨時間推移的惡化趨勢分析，即可確定該路段軌道需要進行維保。

圖2 利用集群評估乘客乘坐舒適度

3 測試行車

為驗證軌道監測智能手機應用程序的可用性，開發人員選定伯爾尼和圣莫里斯之間約120 km的線路（為標準軌距線路）作為測試線路，將安裝該程序的智能手機搭載在SBB的軌道檢測車上開展行車測試。測試列車為3輛編組，由控制車、軌道檢測車和機車組成，長度71 m，質量186 t，最高速度140 km/h。測試時間為1天，列車在上述線路上往返2 次。

測試中采用3部安裝軌道監測智能手機應用程序的三星Galaxy S20智能手機。手機被放置在列車內的不同位置：控制車和機車的駕駛室，以及軌道檢測車的轉向架上方（圖3）。

圖3 智能手機在車輛中的設置情況

測試過程表明，軌道監測智能手機應用程序可以在列車起動幾分鐘內進入工作狀態，而且無需對車輛系統進行干預和調試；在采集數據后，會將其以大小適當的數據包的形式發送至Railigent平臺；數據的安全傳輸在Railigent平臺對智能手機設備完成必要的身份驗證后進行。測試行車期間，該程序共采集了3.2 GB的數據。通過對采集數據進行分析、處理，Railigent平臺可將乘坐舒適性等相關結論以易于理解的方式在Web應用程序中可視化呈現。

與軌道檢測車的專業測量技術相比，開發人員在測試期間更關注智能手機的數據采集和檢測效果。軌道檢測車的高性能加速度傳感器數據用于與智能手機傳感器數據進行比較研究。測試結果證明，來自智能手機和軌道檢測車加速度傳感器的數據具有良好的定性可比性（圖4）。通過分析乘坐舒適性，Railigent平臺識別出8處異常并將其歸因于基礎設施缺陷、車輛磨損及駕駛行為偏差。

圖4 來自智能手機和軌道檢測車加速度傳感器的數據定性比較

4 結論與展望

軌道狀態評估是一項人力及技術成本非常高的活動。為解決這一問題需要一種廉價、連續和微創的監測手段。軌道監測智能手機應用程序安裝在標準智能手機中，可在常規運營的不同鐵路車輛上使用，可根據需要持續監測軌道狀態和乘客乘坐舒適度。這使鐵路基礎設施公司能夠實時了解其線路狀況并在正確時間采取維護措施，也使鐵路運營商可以評估乘客的乘坐舒適度并對其進行改善。此外，軌道監測智能手機應用程序還適用于計算曲線半徑所對應的外軌超高，但為保證計算所得參數的可靠性，還需要對算法進行優化，提高其計算的準確度。除軌道監測之外，開發人員還有使用該解決方案評估車輪狀況的初步考慮，為此需解決智能手機放置位置的問題。總而言之，該解決方案具有進一步發展和應用的潛力。