文/符泰然 史聰靈 李建 孟迎潮 楊臧健

城市軌道交通是城市公共交通的主干線，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全是城市公共安全的重要組成部分。車(chē)輛作為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的核心設(shè)備，車(chē)輛走行部的軸箱軸承、轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部件的狀態(tài)是事關(guān)運(yùn)營(yíng)安全的重要因素。車(chē)輛高速行進(jìn)過(guò)程中，摩擦效應(yīng)會(huì)使軸承發(fā)熱，當(dāng)軸承出現(xiàn)磨損、缺陷或裝配不當(dāng)?shù)裙收蠒r(shí)，摩擦急劇增加，致使軸承區(qū)域熱量聚集，軸承溫度會(huì)顯著升高，引發(fā)熱軸，嚴(yán)重的情況下會(huì)造成熱切軸、燃軸，將給運(yùn)營(yíng)行車(chē)帶來(lái)潛在的重大危險(xiǎn)。因此，發(fā)展軌道交通車(chē)輛軸溫在線檢測(cè)技術(shù)具有必要而迫切的需求，通過(guò)車(chē)輛軸承溫度動(dòng)態(tài)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)熱軸實(shí)時(shí)精確預(yù)警，避免運(yùn)行車(chē)輛車(chē)軸過(guò)熱，預(yù)防車(chē)輛熱軸所引發(fā)的側(cè)翻及脫軌等重大安全風(fēng)險(xiǎn)。以此為研究背景，本文將對(duì)車(chē)輛軸溫在線非接觸檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述，并介紹本研究團(tuán)隊(duì)在該方向取得的相關(guān)研究進(jìn)展。

車(chē)輛軸溫檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程

車(chē)輛軸溫檢測(cè)技術(shù)發(fā)展最早源自鐵路列車(chē)安全運(yùn)輸?shù)男枨?，鐵路列車(chē)軸溫探測(cè)系統(tǒng)已在美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)以及我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。溫度測(cè)量傳感器是鐵路列車(chē)軸溫探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成核心，傳感器技術(shù)發(fā)展?fàn)恳S溫探測(cè)系統(tǒng)的不斷迭代更新，已從傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量模式發(fā)展到非接觸式紅外測(cè)量模式，從低響應(yīng)時(shí)間的熱電傳感器過(guò)渡到具有更快響應(yīng)時(shí)間及測(cè)量靈敏度的光電傳感器，從中低速列車(chē)探測(cè)發(fā)展至高速列車(chē)探測(cè)。

隨著高速、重載鐵路的大規(guī)?？缭绞桨l(fā)展，對(duì)鐵路列車(chē)軸溫探測(cè)系統(tǒng)的熱軸預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、系統(tǒng)維護(hù)性等技術(shù)指標(biāo)提出了更高要求，高精度傳感器技術(shù)也并不能保障實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境中的列車(chē)軸溫探測(cè)系統(tǒng)的可靠準(zhǔn)確測(cè)量，因此，基于現(xiàn)有傳感器技術(shù)，如何從測(cè)量方法層面有效提高高速、重載鐵路列車(chē)軸溫探測(cè)系統(tǒng)的綜合測(cè)量水平是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

鐵路列車(chē)軸溫探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，為城市軌道交通車(chē)輛軸溫檢測(cè)提供了很好的技術(shù)借鑒，但相比于長(zhǎng)途、重載、高速鐵路列車(chē)，城市軌道交通機(jī)車(chē)在車(chē)輛、行車(chē)環(huán)境、運(yùn)營(yíng)管理等方面存在顯著差異，車(chē)輛軸溫在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用具有其自身特點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)，相關(guān)現(xiàn)狀分析如下。

傳統(tǒng)接觸式測(cè)溫技術(shù)的缺點(diǎn)

與鐵路列車(chē)探測(cè)不同，城市軌道交通車(chē)輛軸溫檢測(cè)主要采用接觸式測(cè)溫技術(shù)，在車(chē)輛軸箱上安裝接觸式軸溫指示貼或者溫度傳感器標(biāo)簽，當(dāng)車(chē)輛回庫(kù)后由檢測(cè)人員讀取軸溫指示貼的數(shù)據(jù)并記錄輪軸溫度信息，或者采用微波射頻識(shí)別技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)讀取傳感器標(biāo)簽的車(chē)軸溫度信息、車(chē)號(hào)信息等，動(dòng)態(tài)顯示車(chē)軸溫度情況。接觸式測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用存在不可忽視的缺點(diǎn)，車(chē)輛每個(gè)軸箱上需逐一安裝測(cè)溫指示貼或標(biāo)簽傳感器，惡劣環(huán)境下的接觸式傳感器工作狀態(tài)維護(hù)與校準(zhǔn)標(biāo)定工作量會(huì)非常繁瑣，極大增加了機(jī)車(chē)車(chē)輛的運(yùn)行維護(hù)成本，而且每個(gè)軸箱上的單個(gè)接觸式溫度測(cè)點(diǎn)會(huì)使溫度檢測(cè)系統(tǒng)存在很大的熱軸誤判風(fēng)險(xiǎn)。

紅外軸溫測(cè)量技術(shù)的難點(diǎn)

紅外軸溫測(cè)量技術(shù)目前并未在城市軌道交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，相比于接觸式測(cè)溫技術(shù)，紅外測(cè)溫技術(shù)具有非接觸、測(cè)量響應(yīng)快等技術(shù)特點(diǎn)，適用于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)溫度的動(dòng)態(tài)測(cè)量，將是城市軌道交通車(chē)輛軸溫檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)技術(shù)之一。但傳統(tǒng)紅外輻射測(cè)溫技術(shù)，亦或是鐵路列車(chē)軸溫紅外測(cè)試技術(shù)，在應(yīng)用于城市軌道交通的軸溫度檢測(cè)中存在若干關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)：

一是城市軌道交通采用的是面向客運(yùn)承載、中高速運(yùn)行（最高運(yùn)行速度不大于150 km/h）的機(jī)車(chē)車(chē)輛，車(chē)輛熱軸風(fēng)險(xiǎn)看似要小于重載、高速鐵路列車(chē)，但城市軌道交通車(chē)輛具有更密集的行車(chē)間隔以及較長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間，在本質(zhì)上并未降低對(duì)軸溫預(yù)報(bào)預(yù)警的精度要求?；诜墙佑|式測(cè)量原理的紅外軸溫測(cè)量系統(tǒng)，將面臨著頻繁啟停或超長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)可靠性、高速采集過(guò)程產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)流傳輸與分析等關(guān)鍵技術(shù)難題。

二是城市軌道交通地下線路的行車(chē)環(huán)境為地下密閉空間，紅外軸溫測(cè)量系統(tǒng)需要布置在隧道軌行區(qū)道床區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)到達(dá)列車(chē)的輪軸辨識(shí)與溫度非接觸檢測(cè)，然而隧道軌行區(qū)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、高溫/高濕度、電磁干擾、金屬粉塵（列車(chē)鋼輪與鋼軌摩擦導(dǎo)致）等環(huán)境因素，將嚴(yán)重影響紅外軸溫測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度與使用壽命。且隧道軌行區(qū)內(nèi)布置的儀器裝置通常不具備日常維護(hù)保養(yǎng)的條件，工作于惡劣環(huán)境下的紅外軸溫測(cè)量系統(tǒng)如何保障溫度測(cè)量的高精度與高可靠性，則成為另一關(guān)鍵技術(shù)難題。

三是紅外輻射測(cè)溫精度受物體表面發(fā)射率及測(cè)量光路輻射干擾的極大影響，物體表面發(fā)射率與物體結(jié)構(gòu)、組分、表面狀態(tài)、溫度、波長(zhǎng)等諸多因素密切相關(guān)，實(shí)際物體發(fā)射率的不確定性與復(fù)雜性，是輻射溫度準(zhǔn)確測(cè)量的主要難點(diǎn)。而對(duì)于地下空間中的車(chē)輛輪軸軸箱測(cè)試而言，實(shí)際惡劣環(huán)境下的軸箱表面發(fā)射率未知性的影響將更為凸顯，環(huán)境空間中彌散的超細(xì)金屬粉塵也將對(duì)測(cè)量光路造成顯著的測(cè)量干擾，現(xiàn)有軸溫紅外測(cè)試技術(shù)中對(duì)此并沒(méi)有很好的解決方案。如何從測(cè)量方法層面解決發(fā)射率未知性及輻射干擾的影響也是另一關(guān)鍵技術(shù)難題之一，發(fā)展先進(jìn)的測(cè)量方法將是提高測(cè)量軸溫檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量水平的重要技術(shù)途徑。

某地鐵線路列車(chē)的車(chē)輛輪軸軸箱溫度測(cè)量結(jié)果圖

紅外軸溫測(cè)量技術(shù)的新進(jìn)展

針對(duì)于城市軌道交通車(chē)輛軸溫在線測(cè)量的需求以及現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用的局限性，本研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等資助下，基于機(jī)車(chē)車(chē)輛、行車(chē)環(huán)境、運(yùn)營(yíng)管理等多因素相結(jié)合的研究思路，立足于方法創(chuàng)新，帶動(dòng)技術(shù)突破，發(fā)明了分布式多光譜測(cè)量的軌道交通車(chē)輛軸溫測(cè)試新方法、新技術(shù)和新裝備。

第一，針對(duì)于惡劣環(huán)境下輪軸軸箱表面測(cè)量干擾性與發(fā)射率未知性的難點(diǎn)問(wèn)題，研究建立了基于分布式/多光譜融合的軸溫非接觸測(cè)量方法，發(fā)展了紅外多光譜輻射測(cè)溫優(yōu)化算法，采用多點(diǎn)區(qū)域與多光譜相融合的測(cè)量方式，通過(guò)紅外多光譜通道輻射強(qiáng)度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境干擾以及表面未知/變化輻射物性情形下的高速運(yùn)動(dòng)物體多點(diǎn)目標(biāo)的非接觸溫度反演，解決了長(zhǎng)時(shí)工作條件下，輪軸輻射物性變化給輻射溫度準(zhǔn)確測(cè)量造成的難點(diǎn)問(wèn)題，從測(cè)量方法原理層面提高軸溫非接觸測(cè)量精度。

第二，開(kāi)展中低溫目標(biāo)紅外光譜輻射特性參數(shù)測(cè)試與表征研究，為車(chē)輛輪軸輻射溫度測(cè)量與光譜優(yōu)化選擇提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

第三，研發(fā)了基于紅外多光譜融合測(cè)量、高通量輻射成像、高速高頻傳感器集成設(shè)計(jì)的地鐵輪軸非接觸式測(cè)溫技術(shù)與裝置，重點(diǎn)解決了窄光譜波段內(nèi)的多光譜紅外輻射弱信號(hào)的高速高通量采集關(guān)鍵技術(shù)難題。

第四，建立了基于雙溫度參考黑體（是輻射傳熱學(xué)里面一個(gè)基本概念，代表具有最大發(fā)展及吸收輻射能力的理想物體）的原位在線輻射溫度快速標(biāo)定與校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下的紅外多光譜輻射測(cè)溫裝置的高精度在線原位標(biāo)定，減小了環(huán)境金屬粉塵等測(cè)溫裝置光學(xué)窗口的污染影響，以保障惡劣環(huán)境下測(cè)溫裝置的高精度測(cè)量。

第五，研發(fā)了由紅外多光譜輻射測(cè)溫裝置、在線溫度定標(biāo)與校準(zhǔn)單元、環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元、車(chē)輛/輪軸信號(hào)辨識(shí)單位等構(gòu)成的輪軸溫度綜合測(cè)量系統(tǒng)，具有測(cè)量/定標(biāo)/待機(jī)等功能，構(gòu)建了輪軸溫度測(cè)量系統(tǒng)無(wú)人值守工作模式。

以某地鐵線路2 01 9年4 月2 0日21：59：15 進(jìn)站列車(chē)為例，布置于該線路隧道軌行區(qū)的輪軸溫度綜合測(cè)量系統(tǒng)，在列車(chē)進(jìn)站時(shí)自動(dòng)辨識(shí)列車(chē)進(jìn)站信號(hào)，開(kāi)始啟動(dòng)測(cè)量，實(shí)時(shí)獲得了列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下的24 組車(chē)輪輪軸軸箱溫度差分布（如上圖所示），熱軸溫差的預(yù)警值為40℃，當(dāng)溫差達(dá)到40℃，輪軸溫度綜合測(cè)量系統(tǒng)將給出預(yù)警信號(hào)傳遞至控制指揮中心。

本研究成果解決了地鐵軌旁非接觸軸溫關(guān)鍵技術(shù)難題，為車(chē)輛軸溫非接觸測(cè)量提供了一種先進(jìn)的綜合測(cè)試技術(shù)，以有效保障車(chē)輛行車(chē)安全，減小地鐵機(jī)車(chē)運(yùn)行維護(hù)成本，是公共安全檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的重要技術(shù)進(jìn)展。城市軌道交通軸溫非接觸式檢測(cè)方法、技術(shù)和裝備，目前已在某地鐵線路進(jìn)行工程應(yīng)用示范，未來(lái)將具有更大的推廣應(yīng)用前景。[本文作者史聰靈、李建，單位系中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院交通安全研究所；符泰然、孟迎潮、楊臧健，單位系清華大學(xué)。本文得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51622403），中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（2019JBKY12、2019JBKY02），中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院“萬(wàn)人計(jì)劃”入選人才特殊支持經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（WRJH201801）等項(xiàng)目資助，作者在此表示感謝。]