肖 齊， 于衛(wèi)東， 陳 剛， 張 勇， 陸 航， 田光榮

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 中國鐵路上海局集團有限公司 車輛部， 上海 200071)

1 研究背景

車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備是保障鐵路車輛行車安全的重要手段，以地面和車載的監(jiān)控方式，建設(shè)有軸溫探測、高速攝像、力學(xué)檢測、聲學(xué)診斷等探測站設(shè)備7 000余臺(套)，為鐵路客車、貨車、動車組的行車安全建立了蓋覆全路主要干線的、比較完善的車輛安全監(jiān)控系統(tǒng)(5T)。種類繁多且數(shù)量龐大的探測站設(shè)備廣泛分布在全路各條鐵路正線上，這對設(shè)備狀態(tài)的日常維護和監(jiān)管提出了更高要求。

早在2000年初，為解決數(shù)千臺鐵道車輛紅外線軸溫探測設(shè)備(以下簡稱THDS設(shè)備)運行質(zhì)量、測溫精度的動態(tài)診斷問題，原鐵道部組織研制了紅外線檢測車，以定期巡檢的運用模式，對運行沿線設(shè)置的THDS設(shè)備進行實時技術(shù)指標(biāo)檢測、設(shè)備運行狀態(tài)評判。該運用模式一直沿用至今，每年中國鐵路總公司會組織全路范圍內(nèi)的動態(tài)聯(lián)檢工作，對THDS設(shè)備進行統(tǒng)一檢測和評分，對提高THDS設(shè)備的準(zhǔn)確率、兌現(xiàn)率起到積極作用。

2016年隨著車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)的全面發(fā)展和以高速動車組為載體加裝軌道、弓網(wǎng)、通信、信號、輪軌動力學(xué)檢測設(shè)備的高速綜合檢測列車成功案例，中國鐵路總公司組織開展了車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合檢測車技術(shù)方案研究，擬在紅外線檢測車的基礎(chǔ)上，增加鐵道車輛滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)探測設(shè)備(以下簡稱TADS設(shè)備)、鐵道貨車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)探測設(shè)備(以下簡稱TFDS設(shè)備)、鐵路客車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)探測站設(shè)備(以下簡稱TVDS設(shè)備)、鐵路車輛安全監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡稱TCDS設(shè)備)和鐵路車號自動識別系統(tǒng)(以下簡稱AEI設(shè)備)的運行狀態(tài)、測量精度的檢測功能。并對紅外線檢測車基于GPS的里程信息不可靠等問題進行技術(shù)升級。從而使每年的動態(tài)聯(lián)檢工作能夠全面檢測車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備，不斷提升車輛運行安全維護管理水平，保障鐵路運輸安全。

2 綜合檢測車功能簡介

綜合檢測車的檢測功能包括THDS、TADS、TFDS、TVDS、TCDS設(shè)備和AEI設(shè)備狀態(tài)和監(jiān)測精度的監(jiān)測，對應(yīng)的檢測單元包括THDS軸溫檢測單元、TFDS/TVDS圖像檢測單元、TADS聲學(xué)檢測單元、TCDS車載安全檢測單元和AEI車號檢測單元。各檢測單元主要有車上和車下設(shè)備組成，車下設(shè)備的整體布局如圖1所示。

1-1軸；2-2軸；3-目標(biāo)體；4-音箱；5-模擬軸箱；6-模擬車輪；7-高清日夜型網(wǎng)絡(luò)攝像機；8-3軸；9-4軸；10-方位尺；11-模擬軸4；12-模擬軸3；13-線陣相機；14-模擬軸2；15-模擬軸1；16-AEI接收天線；17-有源電子標(biāo)簽。圖1 綜合檢測車車下檢測單元布置示意圖

2.1 THDS檢測單元

綜合檢測車THDS檢測單元是通過車載模擬軸箱、模擬車輪、方位尺的方法檢測和評價THDS設(shè)備測溫精度、探測角度等關(guān)鍵參數(shù)。THDS檢測單元由車上和車下兩部分組成，車下包括4根模擬軸(8個模擬軸箱、8個模擬車輪)和2個探頭方位尺；車上包括主控計算機系統(tǒng)、測控硬件系統(tǒng)等。THDS檢測單元安裝位置如圖2所示。

2.2 TF/TVDS檢測單元

綜合檢測車在底部和側(cè)下部設(shè)置規(guī)范目標(biāo)體，通過TFDS、TVDS探測站設(shè)備對車載目標(biāo)體探測圖像的拍攝，實現(xiàn)拍攝角度、圖像清晰度、對比度等性能指標(biāo)的檢測。TF/TVDS檢測單元是由車下目標(biāo)體和地面圖像評判系統(tǒng)構(gòu)成，車下目標(biāo)體分別安裝在檢測車底部和側(cè)部，目標(biāo)體上設(shè)置立體、鏤空等易識別的規(guī)范幾何體(如圖3所示)。地面評判軟件設(shè)置在綜合檢測車監(jiān)控中心服務(wù)器，將對TFDS、TVDS探測站設(shè)備對車載目標(biāo)體拍攝的圖片進行自動評價。TF/TVDS檢測單元安裝位置如圖4所示。

1-1軸；2-2軸；3-模擬軸箱；4-模擬車輪；5-方位尺；6-3軸；7-4軸；8-模擬軸4；9-模擬軸3；10-模擬軸2；11-模擬軸1。圖2 THDS檢測單元安裝位置示意圖

1-1軸；2-2軸；3-目標(biāo)體；4-3軸；5-4軸；6-模擬軸4；7-模擬軸3；8-模擬軸2；9-模擬軸1。圖4 TF/TVDS檢測目標(biāo)體安裝位置示意圖

2.3 TADS檢測單元

綜合檢測車TADS檢測單元將通過播放固定頻率聲音和標(biāo)準(zhǔn)故障軸承模擬聲音，通過TADS探測站設(shè)備采集的聲音特性分析結(jié)果與檢測單元發(fā)送的聲音特性進行對比的方法，實現(xiàn)對TADS探測站設(shè)備的采集頻率、頻偏等技術(shù)指標(biāo)的動態(tài)檢測。TADS檢測單元主要由車上設(shè)備、車下設(shè)備兩部分組成。車上設(shè)備包括主控計算機、音頻效果器、音頻功放；車下設(shè)備包括聲音播放器。TADS檢測設(shè)備安裝位置如圖5所示。

1-1軸；2-2軸；3-音箱；4-3軸；5-4軸；6-模擬軸4；7-模擬軸3；8-模擬軸2；9-模擬軸1。圖5 TADS檢測單元聲音播放器安裝位置示意圖

2.4 TCDS檢測單元

綜合檢測車TCDS檢測單元是通過TCDS檢測單元主機定時向TCDS系統(tǒng)發(fā)送模擬數(shù)據(jù)，檢測TCDS系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性、TCDS系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，并記錄模擬數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間節(jié)點信息。TCDS檢測單元由KAX1車廂級主機、TCKZ-110-I制動監(jiān)測車廂級主機、轉(zhuǎn)換開關(guān)和線纜等組成。

2.5 AEI檢測單元

綜合檢測車AEI檢測單元通過車載有源電子標(biāo)簽和檢測接收天線，對運行線路上安裝的AEI設(shè)備(含5T智能跟蹤裝置)的工作狀態(tài)進行在線實時檢測，采用檢測車上、車下綜合評判的方法，實現(xiàn)對AEI設(shè)備射頻性能指標(biāo)、標(biāo)簽解析狀態(tài)和計軸判輛狀態(tài)的動態(tài)檢測。AEI檢測單元由車上和車下設(shè)備兩部分組成。車上設(shè)備包括主控計算機、車載綜合處理裝置、無線接收天線；車下設(shè)備包括電子標(biāo)簽(支持FSK編碼和客車標(biāo)簽采用的FM0編碼協(xié)議的電子標(biāo)簽)、AEI檢測接收天線。AEI檢測設(shè)備安裝位置如圖6所示。

1-1軸；2-2軸；3-有源電子標(biāo)簽；4-AEI接收天線；5-3軸；6-4軸。圖6 AEI檢測單元安裝位置示意圖

3 時空單元技術(shù)研究

時空單元主要為綜合檢測車檢測平臺提供實時、準(zhǔn)確的時間、里程、速度信息，向各檢測單元統(tǒng)一發(fā)布列車運行速度、里程和時鐘信息，實現(xiàn)綜合檢測車各檢測單元時間同步、里程同步。各檢測單元可根據(jù)綜合檢測車運行中的實時位置，及時開機、設(shè)定溫度、聲音等操作，確保通過探測站設(shè)備時能夠及時檢測。并為檢測數(shù)據(jù)綜合分析奠定基礎(chǔ)。

紅外線檢測車的時空定位是依靠車載GPS系統(tǒng)獲取時間、速度和經(jīng)緯度信息，但當(dāng)紅外線檢測車運行至隧道或山區(qū)時，受制于GPS定位精度，信號強度和海拔變化等問題，時空信息不可靠一致困擾著部分THDS探測站設(shè)備的檢測工作。本課題在研究過程中，提出了如下3種時空單元實現(xiàn)方法。

3.1 定位同步系統(tǒng)

定位同步系統(tǒng)是利用時間校準(zhǔn)服務(wù)器、空間同步裝置為綜合檢測車各檢測單元提供實時、準(zhǔn)確的時間、里程、速度等信息及脈沖信號。

時空校準(zhǔn)單元由車外和車內(nèi)設(shè)備組成。車外包括軸端光電編碼器、時間GPS天線、定位GPS天線、RFID閱讀器；車內(nèi)包括RFID閱讀器，機柜內(nèi)安裝空間同步處理單元、時間校準(zhǔn)服務(wù)器、里程精確定位服務(wù)器、串口服務(wù)器[1]。

3.1.1空間同步系統(tǒng)

空間同步子系統(tǒng)提供計距脈沖信號，用于其他各檢測系統(tǒng)的脈沖出發(fā)、實時速度計算和里程累加計算，如圖7所示。

3.1.2時空校準(zhǔn)系統(tǒng)

時空校準(zhǔn)子系統(tǒng)分為精確時間校準(zhǔn)系統(tǒng)和里程精確定位系統(tǒng)兩部分，其中，精確時間校準(zhǔn)系統(tǒng)通過全車局域網(wǎng)向檢測車內(nèi)其他檢測系統(tǒng)實時發(fā)布時間信息，里程精確定位系統(tǒng)向車內(nèi)其他檢測系統(tǒng)實時發(fā)布里程修正信息，如圖8所示。

圖7 空間同步處理系統(tǒng)框圖

(1)精確時間校準(zhǔn)系統(tǒng)

在整車局域網(wǎng)的主干網(wǎng)中，配置基于精密時鐘協(xié)議的GPS時間同步服務(wù)器作為整車的基礎(chǔ)時鐘源。各檢測系統(tǒng)只需要將工作站及計算機中安裝時間校準(zhǔn)客戶端軟件即可與GPS時鐘同步。

由于這些工作站及計算機均接入整車局域網(wǎng)，時間同步服務(wù)器與各工作站計算機即可通過時間校準(zhǔn)軟件基于車載局域網(wǎng)進行實時的時間同步，使其一直保持在一個精度范圍之內(nèi)。通過網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)的保障，各工作站計算機可通過時間同步服務(wù)器實現(xiàn)毫秒級的時間校準(zhǔn)。時間同步服務(wù)器的時鐘源由GPS授時方式提供[2]。

(2)里程精確定位系統(tǒng)

由里程同步服務(wù)器接收GPS和射頻電子標(biāo)簽信息，結(jié)合光電編碼器脈沖信號，以光電編碼器脈沖信號為基準(zhǔn)信號，在鐵路沿線安裝電子標(biāo)簽，平時主要以電子標(biāo)簽的信息為主，利用電子標(biāo)簽信息進行里程修正,如圖9所示[3]。并通過GPS記錄里程信息，建立里程數(shù)據(jù)庫，作為電子標(biāo)簽的備用信息，可自動切換到GPS。里程同步服務(wù)器將這些信息通過里程同步網(wǎng)絡(luò)以RS422/485協(xié)議傳輸給各檢測系統(tǒng)，各檢測系統(tǒng)安裝有RS422/485接口板，接收這些實時信息[4]。>

圖8 時空校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

里程同步網(wǎng)絡(luò)實時傳送里程數(shù)據(jù)流，如圖10所示。

圖9 線路電子標(biāo)簽及檢測車內(nèi)設(shè)備安裝示意圖

圖10 里程同步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流程圖

3.1.3可行性分析

定位同步系統(tǒng)的優(yōu)點有：

(1) 環(huán)境適用性強

系統(tǒng)采用高速RFID技術(shù)實現(xiàn)的高速里程精確定位，克服了以往定位系統(tǒng)易受山谷、隧道、橋梁等地理環(huán)境影響的缺點，只要在需要識別的線路特征點預(yù)設(shè)電子標(biāo)簽，即可準(zhǔn)確定位該特征點。

(2) 抗干擾能力強

系統(tǒng)專門針對鐵路行業(yè)設(shè)計，電子標(biāo)簽防護等級達到IP67，工作溫度可達-40 ℃～60 ℃，并且能夠在大功率電磁環(huán)境中正常工作，不會受到發(fā)動機點火或其他鐵路電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁波干擾的影響。

(3) 定位精度高

系統(tǒng)采用基于高頻光電編碼器和精確時間同步技術(shù)開發(fā)的里程修正定位模型，使整個系統(tǒng)在定位點處達到1 m以內(nèi)的精度。

目前，全國高速鐵路均已安裝電子標(biāo)簽，當(dāng)動車組列車高速通過電子標(biāo)簽時，系統(tǒng)會根據(jù)實時車速、車輛行駛狀態(tài)等參數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)延時計算出列車里程位置，對車內(nèi)其他系統(tǒng)進行里程修正[5]。因此該方法廣泛應(yīng)用于高速鐵路綜合檢測動車組車上。另外朔黃鐵路沿線安裝完成電子標(biāo)簽后，集成軌道檢測、接觸網(wǎng)檢測、通信檢測等功能于一身的朔黃鐵路綜合檢測車也采用了定位同步系統(tǒng)進行時空校準(zhǔn)[6]。

但目前鐵路客車運行的普速鐵路沿線絕大部分未安裝電子標(biāo)簽，因此綜合檢測車在連掛客車運行過程中，沒有電子標(biāo)簽為綜合檢測車進行里程修正，綜合檢測車僅能通過GPS修正里程信息。如果要充分發(fā)揮該設(shè)備的技術(shù)特點，需要在既有普速鐵路沿線，特別是各交路道口等重點交叉口處安裝電子標(biāo)簽，保證綜合檢測車駛?cè)肽骋痪€路或運行一段時間后，能夠通過沿線電子標(biāo)簽進行里程修正。該項工作需要資金和時間的投入，短期內(nèi)暫無法實現(xiàn)。

3.2 機車LKJ數(shù)據(jù)

機車牽引運行過程中，機車車載的LKJ列車運行監(jiān)控記錄裝置能夠準(zhǔn)確記錄列車運行狀況。隨著機車車輛信息融合工作的不斷深入，擔(dān)當(dāng)機車與被牽引的整列客車的信息交互有望通過有線連接的方式連成一個整體，即通過機車車載6A系統(tǒng)與鐵路客車車載安全監(jiān)控系統(tǒng)(TCDS)的有線連接，客車TCDS列車級主機將能夠通過6A系統(tǒng)，獲取機車LKJ關(guān)于列車實時速度，運行線別、里程、公里標(biāo)和時間信息。綜合檢測車TCDS檢測單元在綜合檢測車上設(shè)備有車廂級TCDS監(jiān)控主機，并已經(jīng)聯(lián)入全列的TCDS列車級主機，因此綜合檢測車將能夠?qū)崟r獲取來自牽引機車關(guān)于列車實時速度，運行線別、里程、公里標(biāo)和時間的完整信息。

該方法充分利用了既有資源，不需要任何硬件的投入，獲取信息沒有任何延時，是最經(jīng)濟最合理的方案。但該方法受制于機車與車輛信息傳輸通道的建立，截至目前，尚有相當(dāng)數(shù)量的和諧型機車不具備與25T/25K/25G型客車有線連接功能。隨著機車車輛信息融合工作的不斷推進，該方法可在短期內(nèi)實現(xiàn)。

3.3 機車CMD數(shù)據(jù)

機車牽引運行過程中，機車車載的機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))從LKJ系統(tǒng)獲取了機車安全信息，包括司機號、信號機、車站、公里標(biāo)、列車管壓力、進出站等信息，同時獲取了機車定位信息，包括經(jīng)緯度、海拔、速度、時間信息，以及TCMS采集的機車狀態(tài)信息和6A系統(tǒng)采集的機車檢測信息。CMD系統(tǒng)將TCMS、6A、LKJ、機車履歷數(shù)據(jù)及處理后的相關(guān)信息進行記錄，并確保事件分析時數(shù)據(jù)的同步性及一致性(如圖11所示)。CMD系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采用3G/4G/北斗等無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了車地數(shù)據(jù)通信，車載LDP通過3G/4G每10 s一包、北斗1 min一包的頻率下發(fā)數(shù)據(jù)至CMD地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)[7]。

圖11 CMD機車車載子系統(tǒng)架構(gòu)

綜合檢測車基于無線數(shù)據(jù)傳輸單元，通過專用通訊協(xié)議，可從CMD地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)中獲取列車速度，運行線別、里程、公里標(biāo)和時間信息，并通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄C合檢測車上。該方法數(shù)據(jù)交路為機車→地面→綜合檢測車，存在一定的延時。同時因為CMD無線傳輸是每10 s一包，因此是間斷數(shù)據(jù)。綜合檢測車僅可以利用該方式不斷修正時空位置。

該方法充分利用了既有資源，不需要任何硬件的投入，但獲取信息不連續(xù)，有一定延時，可作為機車車輛信息融合實現(xiàn)前的過度方案。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)正向著信息化、智能化快速發(fā)展，隨著數(shù)據(jù)量的不斷攀升，聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)功能也在同步擴展和完善。特別是自2018年起隨著機車車輛信息融合、資源共享的不斷推進，數(shù)據(jù)來源更加豐富，綜合檢測車功能的實現(xiàn)途徑向著多元化發(fā)展。例如針對鐵道車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)探測設(shè)備(TPDS)的垂向力動態(tài)檢測的功能需求，綜合檢測車TPDS檢測單元測量精度有限且綜合檢測車轉(zhuǎn)向架改造、傳感器安裝方案復(fù)雜，并具有一定的行車安全隱患。隨著全路各聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的融合，砝碼車運行數(shù)據(jù)可隨時被綜合檢測車地面監(jiān)控中心調(diào)取和分析，能夠滿足TPDS探測站設(shè)備垂向力的檢測需求。又例如綜合檢測車時空同步功能，隨著機輛信息融合的推進，可以從間斷、延遲的地面數(shù)據(jù)到實時連續(xù)的機車數(shù)據(jù)分階段實現(xiàn)。

車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合檢測車的研發(fā)是從實際運用需求出發(fā)，針對各被檢測對象的數(shù)據(jù)要求，并針對既有檢測車發(fā)現(xiàn)的一些現(xiàn)實問題重點突破，提供了多種解決方案。該技術(shù)方案的研究將是一個不斷發(fā)展，不斷完善的過程，向智能全面，經(jīng)濟高效的技術(shù)方式發(fā)展。