新型電客車車載軌行區全斷面巡檢系統設計

吳賽甲、竇鵬、舒叢叢

(1.天津津鐵城市軌道交通工程有限公司，天津 300000；2.天津新譽德泰技術有限公司，天津 300000）

1 技術背景

軌行區的安全對于高鐵、地鐵等電客車的安全運行具有非常重要的意義。目前，常使用光源相機、線陣相機、激光雷達等對軌行區的軌面、道床和水溝進行信息采集、分析，從而獲得軌面、道床和水溝的狀況[1]。然而，由于電客車軌道的分布通常并不是嚴格意義上的在同一水平面內，導致安裝在電客車底部的光源相機、線陣相機、激光雷達等會隨電客車運行而出現偏斜的問題；再加上運行過程中軌面受電客車運動摩擦影響，致使軌面、道床和水溝的溫度升高，產生熱脹冷縮現象，從而影響分析結果的準確性。因此，現有技術中通常將光源相機、線陣相機、激光雷達等直接安裝在電客車靠近車頭的位置，而在車頭還有與應答器進行配合的應答器處理設備，致使車頭處的重力加大，同時也使車頭處的風阻增大[2]。

針對上述問題，本文提供一種新型電客車車載軌行區全斷面巡檢系統，結合液氫和硅脂的降溫作用使軌面受車輪摩擦發熱的影響進一步減少，同時利用陀螺儀配合控制模塊的設計減少車頭處的重力、降低車頭處的風阻。該系統解決了在采集電客車車載軌行區軌面、道床和水溝信息時，軌道不能保持水平以及摩擦發熱對分析結果的影響。

2 系統結構

所提出的新型電客車車載軌行區全斷面巡檢系統主要由巡檢組件、車載主機和GPS 定位模塊組成。其中，巡檢組件是核心部件，用于對軌面、道床、水溝進行實時信息采集，并將信息采集的結果以及GPS 定位模塊的定位信息通過車載主機發送至地面數據中心服務器。巡檢組件結構的正面和背面分別如圖1 和

圖1 巡檢組件結構的正面

圖2 巡檢組件結構的背面

另外，熱成像儀、激光雷達固定于外箱的下側壁，上板在寬度方向的側面固定有位于熱成像儀前側的降溫噴頭，其內部設有容納硅脂的空腔，外側設有擋板，可以防止氫氣攜帶的硅脂顆粒對線陣相機的記錄過程產生干擾。同時，利用導管連接降溫噴頭和液氫罐。激光雷達、熱成像儀、光源相機、線陣相機、陀螺儀、GPS 定位模塊和制動器等與上板下側面的控制模塊電氣連接[3]。

全斷面巡檢系統如圖3 所示，車載主機帶有外箱和上板，外箱的內壁之間有橫梁固定連接，上板的上側面安裝有液氫罐和伺服電機，液氫罐上設置有電磁閥，電磁閥與控制模塊電性連接。伺服電機在轉子的尾端處設置有制動器。上板下側面固定有連接板、陀螺儀和控制模塊，連接板和橫梁活動連接。

圖3 全斷面巡檢系統

3 系統實現原理

巡檢系統工作時，在電客車啟動前2s 打開液氫罐連接的電磁閥，液氫罐內的氫氣經過導管到達噴頭時，在導管內壁處產生吸力，利用毛細通道將外殼內的硅脂吸入導管內，在氫氣的攜帶下從噴頭噴出；在電客車快速駛過時，兩側產生的吸力將隨氫氣噴出的硅脂粒吸到軌面上；熱成像儀配合線陣相機和光源相機，記錄到硅脂落到軌面時軌面的溫度變化，控制模塊將線陣相機、光源相機和熱成像儀記錄的信息傳送至地面數據中心服務器，并推送至分析終端，從而得到軌面變形、磨損情況。利用硅脂顆粒的落點信息，結合在分析終端建立的軌面三維模型，進一步對軌面的變形和磨損進行確定。其間，由于氫氣以及硅脂顆粒的降溫作用，使軌面受車輪摩擦發熱的影響進一步減少。在此過程中，外箱底部設置的電子標簽定位裝置與電客車前進路徑上的電子標簽配合進行定位，即可知軌面在電客車前進方向的哪個位置發生變形、磨損。同時，還能實現實時識別鋼軌傷損、聯結零件缺失、移位、道床和水溝異物入侵、道床裂紋、道岔病害等軌行區病害以及關鍵位置圖像抓取。

如果陀螺儀配合控制模塊發現上板偏斜，則控制模塊快速根據偏斜角度控制伺服電機轉動，使螺旋錐的表面對橫梁的壓緊狀態發生改變，轉軸兩端的螺旋錐即可使橫梁帶動外箱偏轉，從而回到水平位置。

巡檢系統的相關檢測參數如表1 所示。根據相關檢測參數進行圖像采集，以實時識別軌行區病害及抓取關鍵位置圖像，將病害圖片及線路信息發送到車輛段的服務器，在服務器進行二次識別并精細分類，將最終篩選的病害信息推送到客戶端及移動端。服務器可同時接入多種檢測系統，實現統一管理和服務，以便在電客車運行期間及時發現外在隱患，保證車廂的安全并為后續維修提供數據支持。同時。在巡檢組件水平狀態下進行巡檢以及配合氫氣和硅脂的降溫作用，確保軌面記錄更加清晰。

表1 巡檢系統的相關檢測參數

4 系統應用

將所設計的車載軌道巡檢系統應用于天津地鐵4號線，車載軌道巡檢采集程序如圖4 所示，可以實時采集圖像和線路信息，保存和壓縮原始圖像，為病害識別提供數據支持。

圖4 車載軌道巡檢采集程序

巡檢識別程序界面如圖5 所示，界面可以顯示實時識別的時間結果和識別通道、采集的各通道圖像，標記病害并發送給傳輸程序。圖6 中的圖像報告很好地驗證了巡檢識別界面的積水和異物侵限情況。其他各項參數也可以很好地得到驗證。

圖5 巡檢識別程序界面

圖6 圖像報告

利用該系統可以對4 號線沿線各站的病害信息進行仔細檢查。分析得到的數據結果清晰地顯示出病害類型，以及是在哪一站出現的問題，利于提前清除病害，減少電客車運行過程出現風險的概率，極大地保證乘客的生命安全，同時解放大量的人力，避免夜間工作帶來的各種問題。此外，巡檢系統還可以有效地發現更多被忽略的病害信息。

5 結論

綜上所述，通過將新型電客車車載軌行區全斷面巡檢系統的檢測模塊安裝在天津地鐵4 號線電客車上進行研究，得出以下結論：

一是該系統可以對全斷面進行巡視、記錄圖像、實時識別軌行區病害及抓取關鍵位置圖像，有效地指導維修作業，保障運營安全。

二是可以實現人員成本的縮減。

三是可為后續軌道巡檢系統的研究提供新的思路。