1 引言

鐵路運(yùn)輸具有環(huán)保性、可靠性、安全性和舒適性，這是乘客選擇鐵路出行的重要原因。而除車輛本身之外，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施（如軌道、道岔等）的健康狀況是決定鐵路運(yùn)輸安全性和舒適性的關(guān)鍵因素。因此，有必要通過使用專門的軌道檢測車或者采取人工線路巡檢的方式對軌道進(jìn)行定期檢查。然而，上述兩種方式均難以實(shí)現(xiàn)對軌道狀態(tài)的每日或每周連續(xù)跟蹤監(jiān)測，原因在于：軌道檢測車價(jià)格昂貴，而且行駛速度相較普通列車偏低，檢測時(shí)會影響線路的正常運(yùn)營；人工線路巡檢會導(dǎo)致線路區(qū)間封閉，此外，人員在軌道上巡檢作業(yè)還會有安全風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述問題、避免對線路的常規(guī)運(yùn)營造成影響，鐵路公司近年來的常規(guī)做法是為普通運(yùn)營車輛加裝傳感器，以便在其運(yùn)行過程中采集相關(guān)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對軌道更頻繁、更實(shí)時(shí)的監(jiān)測。然而，加裝傳感器通常既昂貴又耗時(shí)，而且傳感器的加裝和連接是否會對車輛安全運(yùn)行產(chǎn)生影響尚有待驗(yàn)證。

隨著智能手機(jī)的不斷發(fā)展，可通過為其配備強(qiáng)大且多樣的傳感器，實(shí)現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的記錄和處理。2017年，有人首次提出將智能手機(jī)應(yīng)用于軌道狀態(tài)監(jiān)測。如今，智能手機(jī)進(jìn)一步發(fā)展，已成為現(xiàn)有軌道檢測手段的一種靈活、便利、廉價(jià)的補(bǔ)充。瑞士聯(lián)邦鐵路公司（SBB）與西門子交通公司合作，將相關(guān)解決方案應(yīng)用到軌道日常檢測中，取得了非常好的效果。下面將具體介紹其應(yīng)用情況。

2 Railigent —— 解決方案的基礎(chǔ)

Railigent是西門子交通數(shù)字化應(yīng)用套件，其中包含諸如軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序，以及開發(fā)數(shù)字服務(wù)、提供和運(yùn)營相關(guān)平臺等的數(shù)字化解決方案。該套件可智能地應(yīng)用來自鐵路系統(tǒng)（包括鐵路車輛及諸如集中聯(lián)鎖裝置、道岔、平交道口等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施）的數(shù)據(jù)并將獲得的信息呈現(xiàn)在應(yīng)用程序中，以供鐵路運(yùn)營商、維護(hù)人員等查詢使用。通過獲取、分析上述數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)的早期故障檢測，Railigent套件可進(jìn)一步提高鐵路系統(tǒng)的可用性，改進(jìn)操作流程，縮短列車在站點(diǎn)停留的時(shí)間，優(yōu)化運(yùn)營成本。

基于智能手機(jī)的軌道狀態(tài)監(jiān)測解決方案由2個(gè)要素組成：用于收集和發(fā)送數(shù)據(jù)的智能手機(jī)應(yīng)用程序，以及用于分析數(shù)據(jù)和向用戶呈現(xiàn)信息的Railigent平臺。其中，智能手機(jī)應(yīng)用程序?yàn)榧稍赗ailigent套件中的軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序，其安裝在智能手機(jī)上，可以在列車行駛過程中記錄來自智能手機(jī)傳感器（如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）傳感器、加速度傳感器和陀螺儀等）的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)與更多的外部信息相結(jié)合（如通過特殊接口集成的、來自O(shè)penStreetMap的地圖素材），以優(yōu)化其鐵路基礎(chǔ)設(shè)施故障檢測功能，然后將上述所有信息從智能手機(jī)安全地傳輸?shù)絉ailigent平臺；Railigent平臺作為中央數(shù)據(jù)存儲、處理平臺，可對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以獲得軌道狀況相關(guān)的信息并檢測異常情況，然后以行動建議的形式將數(shù)據(jù)處理結(jié)果可視化，其為此解決方案的基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序功能示意圖

所用的智能手機(jī)為安裝iOS或Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)，被設(shè)置在駕駛室中用于數(shù)據(jù)采集。其應(yīng)與車輛的縱軸平行設(shè)置以避免因車輛和智能手機(jī)坐標(biāo)系的偏差影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且應(yīng)對其進(jìn)行固定以使其位置保持不變。軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序可在每次檢測行車開始時(shí)對其定位和配置自動進(jìn)行調(diào)整和糾正，如檢查基本定位參數(shù)和操作條件（即智能手機(jī)在車內(nèi)的位置、車輛狀況、數(shù)據(jù)存儲位置等），以確保后續(xù)數(shù)據(jù)評估的正確性和多次檢測結(jié)果的可比性；上述步驟完成后，則立即開始數(shù)據(jù)記錄。

Railigent平臺負(fù)責(zé)對智能手機(jī)傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以監(jiān)測乘客乘坐舒適度。乘坐舒適度用于評估乘客在列車旅程中的舒適程度，是反映軌道狀況和乘客滿意度的重要指標(biāo)。軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序根據(jù)DIN EN 12299-2009《鐵路應(yīng)用 乘客乘坐舒適性 測量和評估》標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮來自智能手機(jī)的加速度、定位數(shù)據(jù)以及來自O(shè)penStreetMap的地圖信息，確定乘客的乘坐舒適度，然后在地圖上將其可視化呈現(xiàn)，并進(jìn)行從非常舒適”（淺綠色）到非常不舒適”（深綠色）的顏色編碼（圖2）?；诖?，Railigent平臺在分析乘客乘坐舒適度時(shí)便可以輕松識別出乘坐不舒適的顯著路段，從而指導(dǎo)相關(guān)人員進(jìn)行更有針對性的軌道維保規(guī)劃和實(shí)施工作。如果乘坐不舒適的情況總是發(fā)生在同一個(gè)地方，算法會在此處標(biāo)注一個(gè)集群（圖2中的藍(lán)色圓圈）。根據(jù)集群擴(kuò)大的情況，結(jié)合軌道狀況隨時(shí)間推移的惡化趨勢分析，即可確定該路段軌道需要進(jìn)行維保。

圖2 利用集群評估乘客乘坐舒適度

3 測試行車

為驗(yàn)證軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序的可用性，開發(fā)人員選定伯爾尼和圣莫里斯之間約120 km的線路（為標(biāo)準(zhǔn)軌距線路）作為測試線路，將安裝該程序的智能手機(jī)搭載在SBB的軌道檢測車上開展行車測試。測試列車為3輛編組，由控制車、軌道檢測車和機(jī)車組成，長度71 m，質(zhì)量186 t，最高速度140 km/h。測試時(shí)間為1天，列車在上述線路上往返2 次。

測試中采用3部安裝軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序的三星Galaxy S20智能手機(jī)。手機(jī)被放置在列車內(nèi)的不同位置：控制車和機(jī)車的駕駛室，以及軌道檢測車的轉(zhuǎn)向架上方（圖3）。

圖3 智能手機(jī)在車輛中的設(shè)置情況

測試過程表明，軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序可以在列車起動幾分鐘內(nèi)進(jìn)入工作狀態(tài)，而且無需對車輛系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)和調(diào)試；在采集數(shù)據(jù)后，會將其以大小適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)包的形式發(fā)送至Railigent平臺；數(shù)據(jù)的安全傳輸在Railigent平臺對智能手機(jī)設(shè)備完成必要的身份驗(yàn)證后進(jìn)行。測試行車期間，該程序共采集了3.2 GB的數(shù)據(jù)。通過對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，Railigent平臺可將乘坐舒適性等相關(guān)結(jié)論以易于理解的方式在Web應(yīng)用程序中可視化呈現(xiàn)。

與軌道檢測車的專業(yè)測量技術(shù)相比，開發(fā)人員在測試期間更關(guān)注智能手機(jī)的數(shù)據(jù)采集和檢測效果。軌道檢測車的高性能加速度傳感器數(shù)據(jù)用于與智能手機(jī)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究。測試結(jié)果證明，來自智能手機(jī)和軌道檢測車加速度傳感器的數(shù)據(jù)具有良好的定性可比性（圖4）。通過分析乘坐舒適性，Railigent平臺識別出8處異常并將其歸因于基礎(chǔ)設(shè)施缺陷、車輛磨損及駕駛行為偏差。

圖4 來自智能手機(jī)和軌道檢測車加速度傳感器的數(shù)據(jù)定性比較

4 結(jié)論與展望

軌道狀態(tài)評估是一項(xiàng)人力及技術(shù)成本非常高的活動。為解決這一問題需要一種廉價(jià)、連續(xù)和微創(chuàng)的監(jiān)測手段。軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序安裝在標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)中，可在常規(guī)運(yùn)營的不同鐵路車輛上使用，可根據(jù)需要持續(xù)監(jiān)測軌道狀態(tài)和乘客乘坐舒適度。這使鐵路基礎(chǔ)設(shè)施公司能夠?qū)崟r(shí)了解其線路狀況并在正確時(shí)間采取維護(hù)措施，也使鐵路運(yùn)營商可以評估乘客的乘坐舒適度并對其進(jìn)行改善。此外，軌道監(jiān)測智能手機(jī)應(yīng)用程序還適用于計(jì)算曲線半徑所對應(yīng)的外軌超高，但為保證計(jì)算所得參數(shù)的可靠性，還需要對算法進(jìn)行優(yōu)化，提高其計(jì)算的準(zhǔn)確度。除軌道監(jiān)測之外，開發(fā)人員還有使用該解決方案評估車輪狀況的初步考慮，為此需解決智能手機(jī)放置位置的問題?？偠灾?，該解決方案具有進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的潛力。