■ 郭志洪
車(chē)輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)在城軌中的應(yīng)用與分析
■ 郭志洪
車(chē)輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)是一種安裝在鐵路線上的安全檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以應(yīng)用在城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)用檢修區(qū)段。通過(guò)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)動(dòng)態(tài)拍攝輪對(duì)輪緣輪輞情況,能夠?qū)⑦\(yùn)行車(chē)輛輪對(duì)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)計(jì)算機(jī)分析,對(duì)車(chē)輛輪對(duì)安全狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào),使車(chē)輛檢修工人能夠及時(shí)處理車(chē)輛故障,保證軌道交通列車(chē)的安全運(yùn)行。
高速攝像;動(dòng)態(tài)檢測(cè);輪對(duì)尺寸;城軌車(chē)輛;安全狀態(tài);輪對(duì)故障
目前我國(guó)城市軌道交通正在快速發(fā)展,累計(jì)有19個(gè)城市建成軌道交通網(wǎng)絡(luò),運(yùn)營(yíng)里程近3 000 km,軌道交通已經(jīng)成為城市重要交通工具,是緩解城市交通擁堵問(wèn)題的重要手段。城軌車(chē)輛是軌道交通技術(shù)裝備發(fā)展的重要部分,全國(guó)各類(lèi)地鐵車(chē)輛及有軌電車(chē)保有量已達(dá)到1.7萬(wàn)輛,軌道交通裝備生產(chǎn)能力和制造水平實(shí)現(xiàn)了整體飛躍。動(dòng)態(tài)檢測(cè)車(chē)輛輪對(duì)尺寸變化,對(duì)城軌車(chē)輛的安全運(yùn)行起到關(guān)鍵作用,直接關(guān)系到旅客生命財(cái)產(chǎn)及社會(huì)影響。
在車(chē)輛輪對(duì)尺寸檢測(cè)方面,國(guó)內(nèi)最早在重載貨運(yùn)專(zhuān)線大秦線開(kāi)展試驗(yàn),稱(chēng)為貨車(chē)輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)(TWDS),這是因?yàn)榇笄鼐€重載貨車(chē)輪對(duì)磨耗具有磨耗速度快、偏磨比例較高的特點(diǎn)。輪對(duì)尺寸超限等輪對(duì)故障不但對(duì)鐵路固定設(shè)施及車(chē)輛結(jié)構(gòu)本身造成損害,而且給重載運(yùn)輸安全帶來(lái)極大隱患。傳統(tǒng)的依賴(lài)列檢人工檢查、定期檢修車(chē)輪的方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足運(yùn)輸?shù)男枰?,因此迫切需要一種成熟、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重載貨車(chē)輪對(duì)尺寸的在線檢測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)報(bào)故障輪對(duì),確保車(chē)輛運(yùn)行安全。2011年,由大秦鐵路股份有限公司湖東車(chē)輛段、北京福斯達(dá)軌道交通技術(shù)有限公司共同研制的“鐵道車(chē)輛貨車(chē)輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)”,通過(guò)太原鐵路局技術(shù)成果審查(太鐵科委[2011]28號(hào)),并最早在大秦線重載運(yùn)輸中投入使用,為貨車(chē)運(yùn)輸運(yùn)行安全檢測(cè)發(fā)揮著重要作用。
城市軌道交通的車(chē)輛同樣需要對(duì)車(chē)輪磨耗及輪對(duì)尺寸情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤檢測(cè),確保車(chē)輛運(yùn)行安全。車(chē)輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng))采用安裝在軌邊的高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)動(dòng)態(tài)拍攝輪對(duì)輪緣輪輞情況,對(duì)車(chē)輛輪對(duì)幾何參數(shù)給出定量報(bào)告,通過(guò)無(wú)線或有線方式將全列車(chē)檢測(cè)報(bào)告上傳至車(chē)輛維修部門(mén),對(duì)超標(biāo)故障給出報(bào)警信號(hào)。它能夠?qū)⒄_\(yùn)行車(chē)輛輪對(duì)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),對(duì)車(chē)輛輪對(duì)安全狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào),使列檢工人能夠及時(shí)處理車(chē)輛故障,保證列車(chē)安全運(yùn)行。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)重慶、西安、蘇州等城市地鐵安裝投入使用,提高了城軌車(chē)輛運(yùn)行檢測(cè)水平。圖1為系統(tǒng)在蘇州地鐵中的運(yùn)行情況。
圖1 蘇州地鐵車(chē)輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)
車(chē)輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)車(chē)輛車(chē)輪輪緣厚度、輪緣高度、輪緣垂直磨耗、車(chē)輪直徑、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距、踏面圓周磨耗、輪輞厚度。具有測(cè)繪車(chē)輪踏面截面曲線并與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比的功能。具有對(duì)車(chē)輪輪緣厚度、輪緣垂直磨耗、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距、踏面圓周磨耗、輪輞厚度超限自動(dòng)實(shí)時(shí)報(bào)警功能,其中輪輞厚度按兩級(jí)報(bào)警。具有自動(dòng)判別列車(chē)運(yùn)行方向、車(chē)次、車(chē)種車(chē)型車(chē)號(hào)、端位、車(chē)速、計(jì)軸計(jì)輛等功能。具有系統(tǒng)自檢、故障提示、遠(yuǎn)程維護(hù)功能。
系統(tǒng)由軌邊設(shè)備、探測(cè)站設(shè)備和遠(yuǎn)程復(fù)示終端設(shè)備組成,具有數(shù)據(jù)采集、分析、處理、傳輸?shù)裙δ堋?/p>
3.1 軌邊設(shè)備
軌邊設(shè)備包括7臺(tái)車(chē)輪信號(hào)傳感器、1個(gè)車(chē)號(hào)讀出天線、3對(duì)車(chē)輪尺寸探測(cè)箱。設(shè)備布局見(jiàn)圖2。
3.1.1 車(chē)輪信號(hào)傳感器
車(chē)輪傳感器用來(lái)檢查列車(chē)到達(dá)和通過(guò),同時(shí)采集列車(chē)的車(chē)速軸距等信息。系統(tǒng)采用2套車(chē)輪信號(hào)傳感器,1號(hào)位負(fù)責(zé)開(kāi)機(jī),2號(hào)位用于計(jì)算車(chē)速、計(jì)軸、給尺寸檢測(cè)系統(tǒng)定軸位。系統(tǒng)在車(chē)輪尺寸箱外側(cè)單獨(dú)設(shè)置了1個(gè)車(chē)輪信號(hào)傳感器,為準(zhǔn)確測(cè)定車(chē)輪中心提供了保證。
3.1.2 車(chē)號(hào)讀出天線(AEI)
車(chē)號(hào)識(shí)別定位控制系統(tǒng)主要由車(chē)號(hào)識(shí)別裝置和定位控制裝置2部分組成。AEI地面天線負(fù)責(zé)獲取通過(guò)列車(chē)的過(guò)車(chē)信息,并上傳到處理系統(tǒng)。
3.1.3 車(chē)輪尺寸探測(cè)箱
輪對(duì)尺寸檢測(cè)箱安裝在鋼軌上,在1個(gè)滾動(dòng)圓范圍內(nèi)布置,每隔120°測(cè)量1次,實(shí)現(xiàn)3點(diǎn)測(cè)量。共包括3個(gè)探測(cè)位,左右共6個(gè)車(chē)輪尺寸探測(cè)箱(見(jiàn)圖3(a))。探測(cè)箱采用卡具安裝在鋼軌上,其內(nèi)部安裝有高速圖像采集機(jī)、激光線光源發(fā)生裝置、開(kāi)關(guān)門(mén)控制裝置等設(shè)備。輪對(duì)尺寸檢測(cè)箱內(nèi)的激光線光源發(fā)出的激光線平面與鋼軌的橫斷面在一個(gè)水平面上(見(jiàn)圖4(b)),數(shù)字?jǐn)z像機(jī)與鋼軌平行布置,與軌平面成一個(gè)角度,從底部俯仰拍攝輪緣外部輪廓和輪對(duì)側(cè)面輪廓。
3.2 探測(cè)站設(shè)備
探測(cè)站機(jī)房設(shè)備包括系統(tǒng)信號(hào)箱、控制計(jì)算機(jī)、圖像處理計(jì)算機(jī)、信號(hào)防雷箱、電源防雷箱、UPS、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、車(chē)號(hào)讀出裝置。探測(cè)站機(jī)房主要負(fù)責(zé)通過(guò)軌邊的傳感器信號(hào)來(lái)控制高速相機(jī)對(duì)輪對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、傳輸,同時(shí)獲取列車(chē)的車(chē)號(hào)等過(guò)車(chē)信息,并將這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高速到復(fù)示終端。
系統(tǒng)信號(hào)箱主要對(duì)激光電源、車(chē)輪傳感器、高速相機(jī)外觸發(fā)狀態(tài)進(jìn)行指示和輸出,還包含尺寸檢測(cè)箱的開(kāi)關(guān)門(mén)、激光器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示和輸出??刂朴?jì)算機(jī)主要對(duì)整套系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制與監(jiān)控,同時(shí)協(xié)調(diào)整套系統(tǒng)的聯(lián)合作業(yè)。圖像處理計(jì)算機(jī)主要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析,得出所需數(shù)據(jù)。
信號(hào)防雷箱主要對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行電涌保護(hù)。電源防雷箱為設(shè)備防止雷擊設(shè)計(jì),防止軌邊設(shè)備和機(jī)房設(shè)備工作受到雷電的干擾。UPS為機(jī)房設(shè)備和軌邊設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源,以及斷電后備用電源。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換傳輸。服務(wù)器存儲(chǔ)采集圖片和記錄處理后的數(shù)據(jù)。車(chē)號(hào)讀出裝置主要負(fù)責(zé)判斷車(chē)輛車(chē)號(hào)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。
圖2 軌邊設(shè)備布局
圖3 車(chē)輪尺寸檢測(cè)箱工作狀態(tài)
3.3 遠(yuǎn)程復(fù)示終端設(shè)備
復(fù)示終端設(shè)備安裝了系統(tǒng)瀏覽軟件,可按月按日按車(chē)次查詢(xún)通過(guò)列車(chē)數(shù)據(jù),包括車(chē)輛的車(chē)號(hào)數(shù)據(jù)、輪對(duì)測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)、踏面擦傷和其他故障數(shù)據(jù)、原始采集圖片??勺詣?dòng)生成各類(lèi)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。在地鐵車(chē)輛調(diào)度指揮中心可以安裝復(fù)示終端,具有城軌車(chē)輛故障超限和設(shè)備故障自動(dòng)報(bào)警功能。
車(chē)輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛車(chē)輪尺寸檢測(cè)原理見(jiàn)圖5、圖6。系統(tǒng)采用光截圖測(cè)量原理,當(dāng)車(chē)輪中心通過(guò)尺寸檢測(cè)箱中心時(shí),4臺(tái)高速圖像采集機(jī)同步采集車(chē)輪底部,包括輪緣和輪輞的激光包絡(luò)圖像,經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得到車(chē)輪的各項(xiàng)尺寸。
圖5 三維立體輪緣檢測(cè)原理
圖6 車(chē)輪尺寸測(cè)量原理
4.1 檢測(cè)方案
輪對(duì)尺寸測(cè)量運(yùn)用特有雙目視覺(jué)結(jié)合線激光的方法實(shí)施。之所以采用雙目視覺(jué)結(jié)合線激光測(cè)量的特有方式,就是為有效排除陽(yáng)光、雨、雪、霧、灰塵等外界干擾。其中測(cè)量采用激光光源,在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)鏡頭前安裝帶通濾波片,可以有效地減小陽(yáng)光干擾,使檢測(cè)設(shè)備能夠在白天和夜晚都可以正常工作。在車(chē)輪通過(guò)定位傳感器后,可以給輪對(duì)準(zhǔn)確定位,當(dāng)輪對(duì)到達(dá)激光測(cè)量點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)發(fā)出檢測(cè)信號(hào)。可實(shí)現(xiàn)輪緣圖像、輪輞圖像的自動(dòng)采集,系統(tǒng)依據(jù)圖像提取信息,運(yùn)用標(biāo)定算法還原輪緣、輪輞、軌道的三維坐標(biāo)極其相對(duì)位置關(guān)系,以此分析得出輪對(duì)各項(xiàng)待測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)圖7)。
圖7 車(chē)輪尺寸測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)顯示界面
圖8 測(cè)量裝置示意圖
4.2 測(cè)量裝置
4.2.1 輪緣尺寸測(cè)量
輪緣尺寸圖像測(cè)量裝置在左右鋼軌內(nèi)側(cè)各1套,裝置由2只激光線光源發(fā)生器、2臺(tái)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、1臺(tái)開(kāi)關(guān)門(mén)電機(jī)及開(kāi)關(guān)門(mén)裝置機(jī)器盒和安裝卡具組成(見(jiàn)圖8),測(cè)量位置見(jiàn)圖9。系統(tǒng)有2套激光線光源組成系統(tǒng)光源,要求2條激光線在測(cè)量距離內(nèi)重合,以保證因車(chē)輪擺動(dòng)所帶來(lái)的輪緣相對(duì)軌道位置變化的準(zhǔn)確拍攝。測(cè)量裝置均安裝于測(cè)量箱中,保證測(cè)量裝置得到有效保護(hù),安裝座底部裝有減震器,攝像機(jī)頭部安裝防護(hù)玻璃。開(kāi)關(guān)門(mén)電機(jī)帶動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)機(jī)構(gòu),當(dāng)來(lái)車(chē)后門(mén)自動(dòng)打開(kāi)。開(kāi)關(guān)門(mén)電機(jī)選用直線行程電機(jī),在開(kāi)關(guān)門(mén)位置各安裝1個(gè)限位開(kāi)關(guān)。
圖9 測(cè)量位置示意圖
4.2.2 輪輞測(cè)量
輪輞測(cè)量在左右鋼軌外側(cè)各安裝1套圖像測(cè)量裝置,與輪緣測(cè)量裝置相同。輪輞尺寸檢測(cè)裝置同樣安裝于測(cè)量箱內(nèi),減震及機(jī)械控制要求與輪緣測(cè)量箱相同,使用卡具直接和鋼軌固定。
軌邊設(shè)備全部為卡軌安裝,無(wú)需設(shè)備設(shè)置基礎(chǔ),設(shè)計(jì)的布局方式保證圖像拍攝的位置準(zhǔn)確,圖像檢測(cè)方式的檢測(cè)精度高、識(shí)別效率高、傳輸速度快。
5.1 安裝線路
探測(cè)站應(yīng)在有車(chē)輛檢修作業(yè)場(chǎng)前方設(shè)置,布點(diǎn)平均距離為400 km,軌邊設(shè)備安裝在來(lái)車(chē)前方100 m以上直線段,避開(kāi)曲線、長(zhǎng)大坡道、道岔、電力分相點(diǎn)以及列車(chē)調(diào)速區(qū)段,安裝選擇道床堅(jiān)實(shí)線路質(zhì)量好的地段,避開(kāi)鋼軌端頭、短鋼軌,設(shè)備安裝應(yīng)做相應(yīng)的防護(hù)。
5.2 探測(cè)站機(jī)房
探測(cè)站機(jī)房應(yīng)盡可能靠近軌邊設(shè)備設(shè)置,原則上不大于30 m。應(yīng)有良好的通風(fēng)、空調(diào)設(shè)施,鋪設(shè)防靜電地板,具備通信設(shè)備和電話安裝條件,機(jī)房配有雙路供電電源,可自動(dòng)切換,供電容量不小于12 kVA,配備8 h以上在線式UPS不間斷電。機(jī)房采用綜合防雷,接地電阻不大于4 Ω。
5.3 傳輸網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)接口
探測(cè)站設(shè)備宜通過(guò)光纜以專(zhuān)線方式就近接入鐵路計(jì)算機(jī)網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng),傳輸速率不低于2 Mb/s。探測(cè)站與軌道交通地鐵計(jì)算機(jī)網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備距離小于100 m,也可采用電纜方式,接入光電纜的探測(cè)站側(cè)應(yīng)設(shè)置成端設(shè)備。檢測(cè)數(shù)據(jù)以報(bào)文形式向地鐵調(diào)度系統(tǒng)上傳并向車(chē)輛維修部門(mén)復(fù)示,報(bào)文內(nèi)容包括超限報(bào)警數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息。
5.4 日常維護(hù)
系統(tǒng)日常采用專(zhuān)用標(biāo)定裝配對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行定期性能標(biāo)定,探測(cè)站設(shè)備每季度標(biāo)定1次,性能須保證到下一次標(biāo)定。
6.1 技術(shù)參數(shù)
6.1.1 速度容量及電磁兼容
車(chē)輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)適用車(chē)速為0~120 km/h運(yùn)行列車(chē);能夠適應(yīng)列車(chē)調(diào)速時(shí)的正常探測(cè)。能滿(mǎn)足256輛編組列車(chē)的檢測(cè),無(wú)漏探,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為探測(cè)站設(shè)備保存報(bào)警數(shù)據(jù)不少于24個(gè)月,保存其他接車(chē)數(shù)據(jù)不少于30 d;設(shè)備的電磁兼容應(yīng)符合GB 9254、GB/T 17626.1~6,GB/T 17626.8~9,GB/T 17626.11和GB/T 17618—1998的有關(guān)要求。
6.1.2 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率及誤差
預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率等于確認(rèn)有故障件數(shù)/預(yù)報(bào)故障件數(shù),預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率≥95%,無(wú)漏報(bào)。能自動(dòng)計(jì)軸、計(jì)輛,計(jì)軸誤差小于3×10-6,計(jì)輛誤差小于3×10-5。能自動(dòng)測(cè)量車(chē)速,正常行駛過(guò)程中測(cè)量速度誤差不超過(guò)5×10-2。車(chē)號(hào)識(shí)別率大于99.9%。
6.1.3 適應(yīng)鋼軌及環(huán)境溫度
設(shè)備可適應(yīng)50、60、75 kg/m鋼軌。適應(yīng)溫度:室外-45~+60℃,室內(nèi)-5~+50 ℃;寒冷地區(qū)室外-45~+60 ℃。相對(duì)濕度:不大于85%。適應(yīng)氣候:能滿(mǎn)足雨、雪、風(fēng)沙等惡劣天氣的正常探測(cè)。
6.1.4 車(chē)號(hào)及數(shù)據(jù)
系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別列車(chē)車(chē)輛標(biāo)簽端位,識(shí)別準(zhǔn)確率不低于99.9%,列車(chē)通過(guò)探測(cè)站后,數(shù)據(jù)處理在1 min內(nèi)完成,數(shù)據(jù)傳輸至復(fù)示站不得大于2 min。系統(tǒng)硬件穩(wěn)定可靠,關(guān)鍵部件有冗余,按照標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集成化進(jìn)行設(shè)計(jì)。
6.2 測(cè)量參數(shù)
車(chē)輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)具體測(cè)量范圍及參數(shù)見(jiàn)表1,其中包括不同速度下的測(cè)量范圍及精度。
表1 輪對(duì)測(cè)量尺寸范圍及測(cè)量誤差精度 mm
城市軌道交通車(chē)輛的車(chē)輪狀態(tài)是不斷變化的,在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)擦傷、剝離等車(chē)輪踏面損傷故障及輪對(duì)尺寸超限趨勢(shì),而帶有擦傷車(chē)輛在線路上行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生間歇性的軌道沖擊力,沿道床向路基傳遞破壞力,是鋼軌、混凝土軌枕斷裂的重要原因之一,也是造成車(chē)輛輪軸疲勞冷切、軸承破損的重要原因,輪對(duì)尺寸超限直接影響軌道交通行車(chē)安全。車(chē)輛輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用,能實(shí)時(shí)測(cè)量輪對(duì)尺寸、判別車(chē)輪是否存在故障,對(duì)超限輪對(duì)自動(dòng)報(bào)警,及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障輪對(duì),減少由于擦傷故障、輪對(duì)尺寸超限等對(duì)線路和車(chē)輛自身造成的損害,減少對(duì)鋼軌、軌枕沖擊及損傷,有效提高城市軌道交通的車(chē)輛運(yùn)行安全性能,預(yù)防車(chē)輛事故的發(fā)生,將會(huì)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全效益。
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郭志洪:大秦鐵路股份有限公司湖東車(chē)輛段,高級(jí)工程師,山西 大同,037300
責(zé)任編輯 王小紅
U239.5;U279.3
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1672-061X(2015)04-0074-05