摘要 機(jī)車控制系統(tǒng)發(fā)展的當(dāng)前階段可以用所有過程的自動化來描述。但是，如果不使用集成到其組成中的信息測量系統(tǒng)，則不可能對控制系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間敏感的適應(yīng)，以適應(yīng)鐵軌的當(dāng)前狀態(tài)和機(jī)車本身。在這種情況下，配備有這種系統(tǒng)的每個機(jī)車不僅成為管理和控制的對象，而且還成為有關(guān)軌道狀態(tài)的最新信息的來源。本文致力于通過考慮機(jī)車車輛和鐵軌的狀態(tài)，使用這種內(nèi)置的診斷系統(tǒng)來解決確保機(jī)車安全和節(jié)能行駛的問題?？紤]了選擇速度模式以及確定嵌入式診斷系統(tǒng)中信息處理的組成，位置和基本原理的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：安全性能;診斷系統(tǒng);缺陷性能;能源效率

中圖分類號：TM76 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract ?The current stage of the development of locomotive control systems can be described by the ubiquitous automation of all processes. However， if the information measurement system integrated into its composition is not used， it is impossible to make a time-sensitive adaptation of the control system to the current state of the rail and the locomotive itself. In this case， each locomotive equipped with such a system not only becomes an object of management and control， but also becomes a source of the latest information about the state of the track. This article is dedicated to the use of this built-in diagnostic system to solve the problem of ensuring the safe and energy-saving driving of the locomotive by considering the status of rolling stock and railroad tracks. Considering the selection of speed mode and determining the composition， location and basics of information processing in the embedded diagnostic system Principle of the standard.

Keywords： Safety performance; diagnosis system; defect performance; energy efficiency

鐵路客運(yùn)和貨運(yùn)領(lǐng)域的當(dāng)前特征是交通流量的增加。這導(dǎo)致兩個相互矛盾的問題：一方面，由于軌道和機(jī)車車輛上的負(fù)載增加，緊急危險(xiǎn)增加;另一方面，由于交通密度的增加，找到用于監(jiān)視軌道設(shè)施狀況的時(shí)間表間隙變得更加困難。打破這種惡性循環(huán)的最有前途的方法之一是使用有機(jī)地集成到列車中的移動診斷系統(tǒng)。為了這些目的，最適合的當(dāng)然是機(jī)車。同時(shí)，值得一提的是，現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸面臨的另一個與交通集約化有關(guān)的問題：形式化不足和人為因素在機(jī)車領(lǐng)域的影響。結(jié)果，由于運(yùn)動能量效率的降低，交通安全性降低并且運(yùn)輸成本增加。在這方面，旨在支持駕駛員并解決鐵路運(yùn)輸運(yùn)動的協(xié)調(diào)控制問題的方法和工具的開發(fā)相繼產(chǎn)生。

1 ?鐵路運(yùn)行速度分析

1.1 ?計(jì)劃運(yùn)行速度

在世界不同國家，可能的鐵路速度差異很大。 此外，一個國家的鐵路網(wǎng)中既可以存在高速路段，也可以存在速度較慢的路段。運(yùn)動速度與列車和鐵軌本身的適應(yīng)性有關(guān)，通常是針對給定的速度范圍專門設(shè)計(jì)的。特別是對于高速運(yùn)動，曲率半徑小的彎道是不可接受的（由于在通過過程中作用在列車上的離心力太大）。在高速路段運(yùn)行的火車也與低速路段根本不同。僅在明顯的速度超過160 km/h時(shí)才完全表現(xiàn)出來的因素之一是空氣阻力，根據(jù)列車的形狀（主要是機(jī)車），影響運(yùn)動質(zhì)量的氣流湍流有所不同[1-2]。

1.2 ?列車運(yùn)行安全及限速

盡管不同的貨運(yùn)和客運(yùn)列車可達(dá)到的速度有所不同，但所有這些都有共同的局限性。這些限制是由于需要確保沿當(dāng)前狀態(tài)的已開采軌道沿線運(yùn)輸?shù)陌踩?。?yīng)該注意的是，鐵軌不是靜止的物體。隨著時(shí)間的流逝，由于遭受的影響，它可能會嚴(yán)重改變其狀況。

鐵路的結(jié)構(gòu)通常分為上下兩部分。下部包括其基礎(chǔ)床：路基和位于其底部的各種人工結(jié)構(gòu)，如橋梁，管道，隧道等。從壓載層及更高層開始的所有東西都屬于上部結(jié)構(gòu)，包括組裝好的軌道和軌枕，鐵軌的這些組成部分隨時(shí)間的變化是由許多因素引起的，例如季節(jié)性溫度波動會引起土壤的加熱或凍結(jié)，以及鐵軌的長度會發(fā)生變化;強(qiáng)烈的降雨導(dǎo)致水土流失;對沿途經(jīng)過的火車的路徑產(chǎn)生影響。

鐵路發(fā)生的變化會使用專門的測量儀器進(jìn)行定期監(jiān)控。為此，實(shí)驗(yàn)用車和手動儀表在世界范圍內(nèi)得到使用。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中描述了鐵路軌道狀況的所有必需參數(shù)，這些標(biāo)準(zhǔn)既基于理論研究，又基于多年的鐵路運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。他們?yōu)殍F路的所有測量參數(shù)設(shè)置了邊界，否則可能會發(fā)生緊急情況。應(yīng)該注意的是，確保適當(dāng)控制鐵軌狀況的最大問題與火車經(jīng)過時(shí)的影響有關(guān)。鐵路運(yùn)輸是運(yùn)輸旅客和貨物的最具成本效益的方式之一。因此，世界上發(fā)展中國家的鐵路上的交通量正在穩(wěn)定增長[3-4]。由于鐵路狀態(tài)的許多變化與開采區(qū)的交通強(qiáng)度直接相關(guān)，因此在最流行的地區(qū)，這些參數(shù)的故障率最近已顯著增加。例如，這些因素包括軌道缺陷的出現(xiàn)和發(fā)展。即使是現(xiàn)在，為了在密集操作區(qū)域中進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，還需要使用實(shí)驗(yàn)車每兩個月進(jìn)行一次測量[5]。

應(yīng)當(dāng)注意的是，根據(jù)說明，這些不規(guī)則行為的性質(zhì)會顯著影響沿路徑段的安全移動速度[6]。這是由于其一定程度的發(fā)展會導(dǎo)致事故。例如，如果在諸如波紋（波長為2.5-25.0cm的波狀磨損）之類的參數(shù)中僅檢測到超出1毫米，則速度限制為140 km/h。 如果在此段上進(jìn)行修整（磨削）之前，該缺陷的深度達(dá)到3 mm，則將速度限制一直嚴(yán)格到40 km/h。在某些情況下（對于特別嚴(yán)重超出軌道維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的情況），軌道部分可能會完全關(guān)閉，直到進(jìn)行維修為止。影響交通安全并因此限制可能的速度的另一個重要因素是機(jī)車本身的狀況。

考慮到機(jī)車車輛狀態(tài)的困難在于，首先，在維護(hù)過程中要對其進(jìn)行控制。同時(shí)，機(jī)車旅執(zhí)行的程序（通常歸結(jié)為外部外觀檢查）具有最大的規(guī)律性。 大約每月一次進(jìn)行更嚴(yán)格的維護(hù)：在這里可以使用專用設(shè)備（儀表，超聲設(shè)備等）。例如，在一個月內(nèi)，車輪缺陷的發(fā)展可能非常嚴(yán)重，因此在旅途中可能會出現(xiàn)問題。在這種情況下，限速的責(zé)任直接落在駕駛員身上，必須經(jīng)常在缺乏數(shù)據(jù)測量信息時(shí)做出此決定。

2 ?機(jī)車運(yùn)動的能效

機(jī)車的能效主要與其推進(jìn)機(jī)械的運(yùn)行有關(guān)。目前已經(jīng)很好地描述了這種機(jī)器本身和許多其他系統(tǒng)的操作性質(zhì)：存在具有不同程度的理想化和詳細(xì)程度的數(shù)學(xué)模型[7]。在任何情況下，為了使火車運(yùn)動，機(jī)車必須以一定的速度產(chǎn)生一定的推進(jìn)力。那時(shí)，由于車輪與軌道的相互作用而產(chǎn)生了推進(jìn)力，因此對其增加的限制是對牽引力的需求[8]。因此，最大可能的推進(jìn)力取決于機(jī)車的重量及其機(jī)輪與鋼軌之間的附著系數(shù)。該系數(shù)取決于許多因素。為了增加它，例如可以使用打磨。

對推進(jìn)力的限制會導(dǎo)致兩種主要的工作模式：

（1） 在一定速度下，推進(jìn)力幾乎不變（接近最大值），功率增加（加速過程）;

（2） 在加速到高速后，功率變得恒定，并且推進(jìn)力發(fā)生雙曲線變化（機(jī)車的推進(jìn)力與速度的乘積保持不變）。

為了確保推進(jìn)性能接近理想，柴油機(jī)車上使用了各種類型的變速器（電動，液壓，機(jī)械），用于將扭矩從發(fā)動機(jī)傳遞到機(jī)車車輪。帶有電力傳輸?shù)牟裼蜋C(jī)車顯示最接近理想推進(jìn)性能特征結(jié)果。考慮到相當(dāng)快的加速，機(jī)車在平坦地形上的主要工作發(fā)生在恒定切向力區(qū)域。

鑒于以上所述，我們可以得出結(jié)論，以恒定速度接近其最大值的機(jī)車的運(yùn)動是最節(jié)能的。因此，影響效率降低的因素是加速度和減速度以及高低的差異。應(yīng)注意，加速度和制動可能與鐵軌布局及其狀態(tài)有關(guān)，出于安全原因，必須放慢速度。如果作為能效的標(biāo)準(zhǔn)，除了移動速度的值之外，我們還考慮了以穩(wěn)定速度行駛的路段的數(shù)量，并根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)組織機(jī)車的移動，那么我們需要系統(tǒng)支持駕駛員選擇運(yùn)動模式。該系統(tǒng)應(yīng)既包含從可用來源獲得的軌道狀況的先驗(yàn)信息（圖紙位置，診斷行程的先前結(jié)果），也應(yīng)包含來自機(jī)車及軌道診斷系統(tǒng)的信息。

3 集成式診斷系統(tǒng)

分配給診斷系統(tǒng)以集成到機(jī)車中的任務(wù)是：

（1） 監(jiān)視機(jī)車的當(dāng)前狀態(tài)，并發(fā)出有關(guān)其系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)元件可能發(fā)生故障的信號;

（2） 監(jiān)視列車經(jīng)過的路段的當(dāng)前狀態(tài);

（3） 在軌道部分識別列車的當(dāng)前位置，并向駕駛員顯示;

（4） 考慮有關(guān)行進(jìn)路段狀況的可用先驗(yàn)信息以及當(dāng)前行程的診斷數(shù)據(jù)，以制定有關(guān)速度的措施。

應(yīng)該說，許多機(jī)車系統(tǒng)的狀態(tài)已經(jīng)受到監(jiān)視（駕駛員從測量設(shè)備獲取的有關(guān)其狀態(tài)的某些信息）。但是，應(yīng)該注意的是，僅在以下情況下，才可以監(jiān)測車輪對缺陷的發(fā)展（軸裂紋，軸箱部件，車輪），軸承滾動表面的磨削以及車輪滾動表面上的缺陷的出現(xiàn)保養(yǎng)。這意味著內(nèi)置的診斷系統(tǒng)應(yīng)提供在旅行期間監(jiān)視上述因素的可能性，并監(jiān)視在維護(hù)日期之間旅行的情況的發(fā)展。

解決該問題的方法可能是控制機(jī)車轉(zhuǎn)向架各個點(diǎn)的振動水平和頻率，就像已經(jīng)針對各種物體所進(jìn)行的操作。在這種情況下，可能的手段之一是在關(guān)注點(diǎn)附近安裝微機(jī)械加速度計(jì)。

圖1顯示了從此類傳感器安裝在汽車上時(shí)獲得的信號頻譜的大致視圖。以下，作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，展示了作者開發(fā)的InerTrack鐵路診斷系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)。 圖中所示的光譜是從微機(jī)械加速度計(jì)的讀數(shù)中獲得的，這些加速度計(jì)的測量軸為垂直方向，測量范圍為±35g。這些加速度計(jì)作為慣性測量模塊（IMU）的一部分，安裝在汽車轉(zhuǎn)向架之一的軸箱上。圖中所示的振幅譜對應(yīng)于安裝了IMU1，IMU2，IMU3的車輪通過相對平坦的軌道部分（無接縫或缺陷）并且安裝了IMU4的車輪沿軌道截面滾動的瞬間，軌道在滾動表面上包含缺陷。

確定鐵軌通過部分的當(dāng)前狀態(tài)是一項(xiàng)極其困難的任務(wù)。當(dāng)前，實(shí)驗(yàn)室車承擔(dān)了這種診斷領(lǐng)域的主要負(fù)擔(dān)。它們每個都包括大量復(fù)雜而昂貴的測量系統(tǒng)。 因此，不可能將機(jī)車轉(zhuǎn)換成這種汽車的模擬物（就傳感器的組成，受控參數(shù)的數(shù)量和準(zhǔn)確性而言）。解決的方案如下：

（1） 僅監(jiān)視變化最快的鐵路參數(shù)（在使用專用設(shè)備的連續(xù)測量之間可能會發(fā)生重大變化）;

（2） 使用低精度傳感器，前提是它們安裝在沿軌道的特定部分行駛的大量列車上（在這種情況下，可以通過回歸分析獲得相當(dāng)準(zhǔn)確的發(fā)展預(yù)測）。

軌道參數(shù)可以分為多個組，其中包括軌道的幾何參數(shù)（軌距，曲率和垂直對齊，一個軌道相對于另一軌道的高程等）和軌道缺陷。反過來，鋼軌缺陷又分為內(nèi)部缺陷和表面缺陷。當(dāng)前，使用磁力或超聲波探傷儀（用于內(nèi)部缺陷）來發(fā)現(xiàn)鐵軌缺陷。這些系統(tǒng)對移動速度和安裝位置有很大的限制，并且目前的形式無法安裝在定期運(yùn)行的火車上。同時(shí)，關(guān)于此類缺陷，當(dāng)前的診斷措施允許保持路徑的令人滿意的狀態(tài)。在監(jiān)視軌道的表面缺陷的領(lǐng)域中出現(xiàn)了另一種情況。其中大多數(shù)是通過手動方式檢測和測量的。但是，有研究提出了通過在車輪與軌道接觸點(diǎn)附近安裝慣性傳感器來檢測和測量它們的可能性。這樣的系統(tǒng)既便宜又緊湊，這表明可以在本文提出的概念框架內(nèi)使用它們。

圖2顯示了在缺陷通過軋制表面期間從慣性傳感器接收到的信號的近似形式。所示圖表對應(yīng)于InerTrack系統(tǒng)中包含的垂直加速度計(jì)的讀數(shù)。當(dāng)汽車從三個IMU以160 km/h的速度行駛時(shí)接收到信號：IMU1和IMU2安裝在汽車的一側(cè)（前輪上的IMU2），而IMU3安裝在汽車的另一側(cè)，在同一側(cè)輪對作為IMU1。應(yīng)注意IMU1和IMU2信號圖中右側(cè)脈沖的相似性質(zhì)-它對應(yīng)于滾動表面缺陷的通過（傳感器信號的延遲是由于車輪之間的距離引起的）等于2.4 m。IMU1信號中周期性重復(fù)的脈沖（周期為3.0 m）也清晰可見。IMU3信號中存在相同的脈沖串，但不太明顯。這些波動對應(yīng)于安裝了IMU1的車輪胎面表面上的不平整。顯示了將傳感器信號中的這兩種爆裂原因分開的可能性，這使得可以同時(shí)診斷車輪和軌道的滾動表面狀態(tài)。

當(dāng)前，主要通過專用的軌道車來控制軌道的幾何形狀?，F(xiàn)有的大多數(shù)解決方案都涉及使用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）來測量這些參數(shù)，從而可以控制列車的運(yùn)動和方向（通常與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)集成以提高準(zhǔn)確性），以及軌道頭的光學(xué)掃描儀成對安裝在列車的三個部分中。SINS本身和由一對掃描儀組成的每個測量部分的成本都很高。應(yīng)該注意的是，當(dāng)使用其他結(jié)構(gòu)和算法解決方案時(shí)，有一種方法只允許使用一個測量部分。但是，避免使用SINS是很困難的。

使用地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種可能的方法，既可以確保對軌道的特定部分進(jìn)行地理配準(zhǔn)，又可以考慮有關(guān)該部分狀態(tài)的先驗(yàn)信息（先前收到的信息）。在這種情況下，列車所覆蓋的路段的診斷結(jié)果由各種儀表（專用貨車和類似的嵌入式系統(tǒng)）執(zhí)行，形成了帶有地理標(biāo)簽的電子數(shù)據(jù)庫。來自該數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)既可以用于顯示路段上的當(dāng)前狀況，也可用于與當(dāng)前段落中的測量結(jié)果以進(jìn)行聯(lián)合的處理。通過這種方法，可以大大降低安裝在機(jī)車上作為嵌入式診斷系統(tǒng)一部分的SINS的精度要求。使用從GIS中獲取的，用于鐵路橫穿線段的數(shù)據(jù)作為中線（空間中位置的中線的變化）的參考，可以“抵消”慣性傳感器讀數(shù)中累積的誤差變化緩慢。上述測量方案以路徑的航向和曲率變化為例，是從IMU的方位微機(jī)械陀螺儀（臺車運(yùn)動）的讀數(shù)（相對于從SINS方位激光陀螺儀滑架運(yùn)動獲得的中線），如圖3所示。

使用GIS時(shí)的重要因素是列車與地圖上位置的精確綁定。這在移動過程中以及在形成電子地圖本身的過程中都是很重要的（需要知道某個缺陷的位置）。解決這個問題的方法可能是使用專用的導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵軌上使用。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是里程表，其誤差模型可以描述為：

根據(jù)式（3），使用來自所有可用來源的信息來校正里程表讀數(shù)，其中可能是來自衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，SINS的數(shù)據(jù)以及來自GIS的先驗(yàn)信息。使用先驗(yàn)信息的一個示例可以是關(guān)于軌道接頭位置的知識。 IMU可以高精度地檢測它們的通過，從而提供有關(guān)火車在地圖上位置的知識。

4 ?結(jié)論

本文分析了改變確保安全和節(jié)能鐵路交通的方法的可能性。當(dāng)前情況是從沿鐵軌各部分可能的速度以及這些速度的現(xiàn)有限制的角度提出的，得出的結(jié)論是，路段的行駛模式和狀態(tài)監(jiān)控不應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行。 考慮一種可能的方法來形成機(jī)車的節(jié)能駕駛標(biāo)準(zhǔn)：除了實(shí)際速度外，火車的加速和減速也很重要，提出了一種嵌入式診斷系統(tǒng)的概念，該概念著重于支持駕駛員做出有關(guān)高速模式下的決策。 提出了一種在這種診斷系統(tǒng)中選擇信息處理的組成，位置和基本原理的方法。

參考文獻(xiàn)

[1] Bjerklund E.， Ohman M. Stability of High Speed Train under Aerodynamic Excitations. Masters Thesis in Solid and Fluid Mechanics. Department of Applied Mechanics， Division of Dynamics and Division of Fluid Mechanics[J]， Chalmers University of Technology， Sweden. Master's Thesis 2009，03（1）：54.

[2] Balagin O. V.， Chulkov A. V.， Balagin D. V.， Yakushin R. Yu. Mathematical modeling of the technical operation of autonomous locomotives[J]. Molodoy ucheny， 2017， 4（1）： 3-7.

[3] 董翔， 宋陽， 等. 基于電力電子轉(zhuǎn)換器可靠性的調(diào)查[J]. IEEE工業(yè)應(yīng)用交易， 2011， 47（1）：1441-1451.

[4] 楊儀， 劉函， 等. 基于高頻調(diào)節(jié)信號的車輛到電網(wǎng)控制調(diào)節(jié)[J]. 現(xiàn)代電源控制系統(tǒng)， 2018， 3（5）：1-8.

[5] Bokhman E. D.， Boronahin А. M.， Filatov Yu. V.， Larionov D. Yu.， Podgornaya L. N.， Shalymov R. V. Inertial System for Railway Track Diagnostics. Proc. on Symp[J]. Inertial Sensors and Systems， 2012， 9（17）：1-20.

[6] O. V. Melnichenko and D. A. Yagovkin， “IGBT-Employing Reversible Power Converter for AC-Fed Tractive Rolling Stock Regenerative Brake Mode[J]. Electric Drive in Transport and Industry，2013，1（5）：191–192.

[7] 劉召， 張光， 等. 電力機(jī)車最大附著力控制仿真模型[J]. 2007年IEEE自動化與物流國際會議， 2007， 1（10）：1704-1708.

[8] Korolev P.G.， Kostyrya V.A.， Kuk S.A.， Mikus O.A. Assessment of defects of the railroad track. The study of the criterion. Mezhdunarodnaya konferentsiya po myagkim vychisleniyam izmereniyam[J].International Conference on Soft Computing and Measurement， 2018， 1（3）：85-88.

作者簡介：焦靜波（1988- ），男，教師，碩士研究生，研究方向：電力機(jī)車電機(jī)及安全運(yùn)行。Email：2728966033@qq.com.