李 洋 俞璞涵 麻全周

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心, 100081, 北京;2.天津智能軌道交通研究院有限公司, 301700, 天津∥第一作者, 副研究員)

近年來(lái),我國(guó)城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱“城軌”)運(yùn)營(yíng)里程不斷增加,針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施綜合、高效的檢測(cè)需求愈加迫切[1]。基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)指標(biāo)反映列車行車安全與平穩(wěn)能力,高精度的指標(biāo)判別能力已成為相關(guān)技術(shù)服務(wù)、智能運(yùn)維、裝備制造行業(yè)的一致性追求。

在高速鐵路領(lǐng)域,已經(jīng)形成包括小型檢測(cè)系統(tǒng)、固定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車載綜合系統(tǒng)在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施綜合檢測(cè)技術(shù)體系,其中車載綜合系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)的有效手段[2-5]。

與高速鐵路不同,城軌檢測(cè)列車運(yùn)行速度較低,可將檢測(cè)與巡檢系統(tǒng)集成一體。由中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司牽頭研制的城軌綜合檢測(cè)車搭載了車輛、土建、線路、供電、通號(hào)等多專業(yè)檢測(cè)與巡檢系統(tǒng)。但隨著檢測(cè)裝備的智能化、綠色化升級(jí)以及檢測(cè)技術(shù)的突破進(jìn)步,當(dāng)前綜合檢測(cè)車的里程定位能力難以滿足多類檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析以及系統(tǒng)間數(shù)據(jù)耦合分析的需要。為提升北京地鐵19號(hào)線新型綜合檢測(cè)車的數(shù)據(jù)分析能力,研究了車載動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)高精度里程賦值方法,設(shè)計(jì)了車載綜合里程同步系統(tǒng),為各系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)提供了統(tǒng)一、精確的里程信息。

1 車載綜合里程同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

城軌綜合檢測(cè)車通過(guò)搭載綜合里程同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度里程賦值。車載綜合里程同步系統(tǒng)由軌枕計(jì)數(shù)模塊、時(shí)空同步模塊和車載綜合管控系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理模塊組成。車載綜合里程同步系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。其中:軌枕計(jì)數(shù)模塊采集軌枕編號(hào)信息,并發(fā)送至?xí)r空同步模塊;時(shí)空同步模塊接收車下軸端編碼器信息、電子標(biāo)簽閱讀器信息和軌枕編號(hào)信息,結(jié)合軌枕臺(tái)賬和偏移校準(zhǔn)算法自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前里程,并將里程信息和由NTP(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)對(duì)時(shí)獲取的時(shí)間信息一并發(fā)送至車載綜合管控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊;數(shù)據(jù)處理模塊具有預(yù)處理功能,將接收到的檢測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)間里程進(jìn)行結(jié)合與校準(zhǔn)。此外,編碼器在當(dāng)前城軌綜合檢測(cè)車上為輪軌力、軌道幾何等系統(tǒng)提供脈沖觸發(fā)信號(hào),控制采集裝置的啟動(dòng),因此同步將脈沖信號(hào)差分至各檢測(cè)專業(yè)。

圖1 車載綜合里程同步系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

車載綜合里程同步系統(tǒng)的整體工作流程如圖2所示。在系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí),數(shù)據(jù)處理模塊檢測(cè)并發(fā)送統(tǒng)一對(duì)時(shí)指令,全列綜合檢測(cè)車檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)間為當(dāng)前北京時(shí)間,校準(zhǔn)后在單次采集中保持超低時(shí)間誤差。當(dāng)時(shí)空同步模塊掃描到始發(fā)站電子標(biāo)簽或數(shù)據(jù)處理模塊的里程值達(dá)到預(yù)設(shè)里程時(shí),車輛開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。時(shí)空同步模塊將軌枕計(jì)數(shù)模塊的軌枕編號(hào)等信息換算為里程值,結(jié)合從編碼器、電子標(biāo)簽閱讀器等設(shè)備獲取的多類里程信息進(jìn)行校準(zhǔn),得到精確里程、時(shí)間等信息。同時(shí),數(shù)據(jù)處理模塊接收檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)、時(shí)間、原有里程等信息,利用線性差分將精確里程覆蓋原有里程,實(shí)時(shí)獲得數(shù)據(jù)與精確里程的映射關(guān)系,達(dá)到里程賦值的效果。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)標(biāo)記后的里程進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)管理,以支撐后續(xù)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析。

圖2 車載綜合里程同步系統(tǒng)工作流程圖

2 車載綜合里程同步系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源里程定位技術(shù)

2.1.1 基于編碼器的定位技術(shù)

編碼器的本質(zhì)為速度傳感器,當(dāng)其做定位信號(hào)源時(shí),可將角位移換算為電信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)[6]。城軌領(lǐng)域通常使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、每秒脈沖數(shù)高的增量式編碼器,該類編碼器安裝在綜合檢測(cè)車的車輪軸端位置,其換算里程的原理為將編碼器提供的脈沖信號(hào)換算為車輪轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)數(shù),結(jié)合車輪輪徑計(jì)算出車輪累積轉(zhuǎn)動(dòng)的距離,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車定位。但由于增量式編碼器僅在啟動(dòng)時(shí)單次尋零,且車輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損導(dǎo)致輪徑值發(fā)生變化,編碼器里程在每轉(zhuǎn)中均存在極小的記錄偏差且會(huì)持續(xù)累積;同時(shí)在列車運(yùn)行過(guò)程中,車輪可能出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或滑行等情況[7]。上述情況將導(dǎo)致脈沖數(shù)換算里程的方法出現(xiàn)偏差,且該偏差隨列車運(yùn)行里程的增加而增加,因此僅采用基于速度編碼器的定位方法在較長(zhǎng)段線路上進(jìn)行采集作業(yè)時(shí)定位精度較低。

2.1.2 地面標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)

地面標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)基于非接觸式射頻識(shí)別,通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)讀取目標(biāo)對(duì)象的唯一編碼,并解析相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通信。整個(gè)過(guò)程無(wú)須人工干預(yù),且可工作于惡劣環(huán)境[8]。車載綜合里程同步系統(tǒng)通過(guò)連通車下安裝的閱讀器天線,對(duì)包含絕對(duì)里程信息的地面電子標(biāo)簽信息進(jìn)行讀寫,以達(dá)到定位目的。

閱讀器天線在列車行駛中掃描到定位點(diǎn)標(biāo)簽時(shí),得到絕對(duì)里程信息并在數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。然而,電子標(biāo)簽?zāi)芊癫贾眉捌洳贾脭?shù)量需符合城軌線路運(yùn)營(yíng)公司要求,通常其布置的密度很低。此外,標(biāo)簽信息讀取的靈敏度容易受特殊天氣與環(huán)境影響。因此,里程精確定位的實(shí)現(xiàn)需將地面標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)與其他方法結(jié)合使用。

2.1.3 點(diǎn)式應(yīng)答器定位技術(shù)

點(diǎn)式應(yīng)答器定位技術(shù)通常用于高速鐵路,在城軌列車上使用情況偏少。應(yīng)用該技術(shù)時(shí)需要在車上安裝應(yīng)答器感應(yīng)天線,實(shí)時(shí)讀取點(diǎn)式應(yīng)答器數(shù)據(jù)并聯(lián)合數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出里程值。但該技術(shù)在城軌線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段無(wú)法使用[9]。

應(yīng)答器將按照一定間隔安裝于軌道之間,當(dāng)列車通過(guò)應(yīng)答器上方時(shí),通過(guò)應(yīng)答器接收天線完成對(duì)應(yīng)答器內(nèi)信息的讀取,通過(guò)相關(guān)里程信息完成對(duì)列車的定位。基于點(diǎn)式應(yīng)答器的定位方法具有在應(yīng)答器附近定位精度高、自動(dòng)區(qū)分車輛上下行、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),但定位頻率低,安裝和維護(hù)成本高,使用限制條件較多。

2.1.4 車輛信號(hào)系統(tǒng)定位轉(zhuǎn)接技術(shù)

城軌車輛本身是具有多類承載定位信息的系統(tǒng),如TCMS(列車控制和管理系統(tǒng))、ATC(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)等。以TCMS為例,該系統(tǒng)記錄車輛設(shè)備狀態(tài)和故障數(shù)據(jù),并在綜合檢測(cè)車司機(jī)室的屏幕上顯示,輔助司機(jī)實(shí)時(shí)掌握車輛運(yùn)行狀況[10],同時(shí)感應(yīng)列車自身速度并將其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為里程信息?，F(xiàn)有城軌綜合檢測(cè)車選用TCMS控制和管理列車運(yùn)行。在不影響列控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)工作的情況下,可由TCMS分發(fā)一路帶有里程數(shù)據(jù)的信息至車載綜合里程同步系統(tǒng)所在的交換網(wǎng)絡(luò),由里程同步系統(tǒng)抓取TCMS報(bào)文并提取里程信息實(shí)現(xiàn)定位感知。TCMS可提供實(shí)時(shí)、連續(xù)且無(wú)累計(jì)誤差的里程信息,但整體精度較低,只能作為備用定位方式。

2.1.5 軌枕識(shí)別技術(shù)

軌枕計(jì)數(shù)模塊通過(guò)距離傳感器獲取開(kāi)始檢測(cè)后的軌道部件狀態(tài)信息,如軌枕、扣件、道床、排水溝等。綜合檢測(cè)車行駛過(guò)程中,軌枕計(jì)數(shù)模塊每檢測(cè)到1根軌枕的扣件,即向時(shí)空同步模塊發(fā)送1個(gè)“1”信號(hào),且信號(hào)將連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)送直到檢測(cè)任務(wù)停止。

時(shí)空同步模塊接收軌枕計(jì)數(shù)模塊的信號(hào)并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為軌枕編號(hào),以確定列車自有效檢測(cè)開(kāi)啟后經(jīng)過(guò)的軌枕數(shù)量,結(jié)合線路軌枕臺(tái)賬信息、軌枕數(shù)量及其相應(yīng)里程的映射關(guān)系和校準(zhǔn)偏移值,計(jì)算出列車距地面觸發(fā)電子標(biāo)簽后的超高精度里程,如圖3所示。

圖3 軌枕里程計(jì)算原理框圖

城軌綜合檢測(cè)車軌枕計(jì)數(shù)模塊傳感器采樣頻率約為32 kHz,縱軸方向分辨率達(dá)到0.001 5 mm。圖4為列車運(yùn)行速度為120 km/h時(shí)我國(guó)5類常用型號(hào)扣件高度隨里程變化曲線。由圖4可見(jiàn):該模塊能夠明顯區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)采集時(shí)是否對(duì)應(yīng)軌枕扣件,并同時(shí)可將采集數(shù)據(jù)換算成高度曲線;WJ2型和WJ5型扣件的高度曲線在低谷處波動(dòng)較大,究其原因是這兩種型號(hào)的軌道扣件為有砟軌道扣件。

a) WJ2型扣件

相較電子標(biāo)簽、應(yīng)答器等的定位方法,基于軌枕識(shí)別技術(shù)的定位方法具有信號(hào)密度高的優(yōu)勢(shì)。相較編碼器的定位方法,后者不產(chǎn)生累積里程誤差,保證里程偏差始終不超過(guò)相鄰兩根軌枕的間距。

2.2 里程信號(hào)優(yōu)先級(jí)

鑒于車載綜合里程同步系統(tǒng)需要整合統(tǒng)一的里程信息,通過(guò)對(duì)不同定位信號(hào)源進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排列,確定主信號(hào)源,并利用次信號(hào)源對(duì)主信號(hào)源進(jìn)行校準(zhǔn)。

按照城軌綜合檢測(cè)車長(zhǎng)距離行車下的定位精度排序,從高到低依次是點(diǎn)式應(yīng)答器定位信息和電子標(biāo)簽信息(并列)、軌枕識(shí)別得到的里程信息、編碼器計(jì)算得到的里程信息、TCMS等車輛信號(hào)系統(tǒng)提供的里程信息。各類定位方式的優(yōu)先級(jí)分析如下:

1) 點(diǎn)式應(yīng)答器和電子標(biāo)簽定位方式提供的里程信息代表絕對(duì)位置,精度極高,但密度很低,用于在特定位置校準(zhǔn)其他定位信號(hào)。

2) 軌枕識(shí)別方法提供的里程數(shù)據(jù)精度和密度均很高,可作為綜合檢測(cè)車?yán)锍藤x值的主要方式。

3) 編碼器提供的里程數(shù)據(jù)精度略低于軌枕識(shí)別方法,但密度極高且含有速度信息,可作為綜合檢測(cè)車?yán)锍虡?biāo)記賦值的輔助方法。

4) 車輛信號(hào)系統(tǒng)提供的里程數(shù)據(jù)精度一般,密度較高,相比其他定位方式無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

因此,車載綜合里程同步系統(tǒng)的里程校準(zhǔn)算法應(yīng)圍繞軌枕識(shí)別得到的里程展開(kāi)修正,在點(diǎn)式應(yīng)答器或電子標(biāo)簽位置利用絕對(duì)位置信息進(jìn)行里程校準(zhǔn),同時(shí)在兩根軌枕之間的位置利用編碼器的極高密度和速度信息進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3 里程修正和校準(zhǔn)算法

軌枕計(jì)數(shù)信號(hào)作為主要里程信號(hào)源,直接影響綜合檢測(cè)車的數(shù)據(jù)同步精度?？蓮淖R(shí)別誤差補(bǔ)償、細(xì)化相鄰軌枕間距等方向提升該定位技術(shù)的準(zhǔn)確性。

2.3.1 結(jié)合軌枕臺(tái)賬修正里程

軌枕臺(tái)賬包含軌枕根數(shù)與線路里程的關(guān)聯(lián)信息。為減少軌枕扣件丟失、漏檢造成的誤差,提出如下修正思路:

1) 我國(guó)城軌常用混凝土枕的配置標(biāo)準(zhǔn)為1 667根/km,相鄰軌枕間距約為0.6 m。設(shè)定軌枕間距范圍為0.5～0.7 m,若超過(guò)1.0 m未檢測(cè)出軌枕扣件的,默認(rèn)中間扣件丟失或漏檢,應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)插入1根軌枕的功能。

2) 將不足0.35 m的間隔視為檢測(cè)誤差,應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減去1根軌枕的功能。

3) 兩站之間的軌枕采集數(shù)量與軌枕臺(tái)賬具有偏差的,應(yīng)實(shí)現(xiàn)在站點(diǎn)處自動(dòng)同步里程的功能。

2.3.2 結(jié)合斷鏈臺(tái)賬修正里程

斷鏈臺(tái)賬可關(guān)聯(lián)城軌線路圖紙上具有的所有長(zhǎng)短鏈及其里程信息,不連續(xù)的里程表示可能在軌枕數(shù)量換算里程時(shí)引起誤差。車載綜合里程同步系統(tǒng)在里程換算時(shí)將里程全部轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù),避免長(zhǎng)短鏈里程標(biāo)造成的誤差,實(shí)現(xiàn)斷鏈處智能換算里程功能。

2.3.3 里程校準(zhǔn)算法

由于軌枕計(jì)數(shù)模塊與檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生點(diǎn)之間存在位置差異,且部分檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生頻率高于軌枕計(jì)數(shù)模塊定位數(shù)據(jù)的產(chǎn)生頻率,因此提出軌枕里程矯正思路:通過(guò)位置標(biāo)定消除各系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)源與軌枕計(jì)數(shù)模塊數(shù)據(jù)源的位置差;利用頻率更高的編碼器速度值,對(duì)每?jī)筛壵碇g的距離進(jìn)行線性差分計(jì)算,得到區(qū)間內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的精確里程?；谲壵碛?jì)數(shù)方法的里程校準(zhǔn)算法示意圖如圖5所示。

注:x2為某一采集到的軌枕里程,x1為x2對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)前1根的軌枕里程,x3為x2對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)后1根的軌枕里程;t1、t2、t3分別為x1、x2、x3處軌枕采集時(shí)間;t0為欲校準(zhǔn)的高頻率檢測(cè)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生時(shí)間;x0為t0處產(chǎn)生數(shù)據(jù)的里程。

則校準(zhǔn)里程x0的計(jì)算公式如下:

x0=x2+v(t0-t2)-l

式中:

v——t0處編碼器上報(bào)速度;

l——軌枕計(jì)數(shù)模塊傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)采集裝置的間距。

2.4 里程賦值技術(shù)研究

通過(guò)對(duì)里程信號(hào)優(yōu)先級(jí)的研究,以及對(duì)精確里程的修正校準(zhǔn),多類定位信號(hào)可實(shí)現(xiàn)整合與統(tǒng)一輸出,并作為里程值標(biāo)記的基準(zhǔn)。

里程賦值技術(shù)可用于數(shù)據(jù)綜合分析展示前的預(yù)處理階段。該技術(shù)的原理為車載綜合里程同步系統(tǒng)解析每條動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)后,將信息準(zhǔn)確、格式統(tǒng)一的里程值替換檢測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)自帶的低精度、具有格式差異的里程值。

該技術(shù)的應(yīng)用需要對(duì)車載綜合里程同步系統(tǒng)具有將各類里程值的格式統(tǒng)一為浮點(diǎn)數(shù)里程戳的程序。在檢測(cè)作業(yè)開(kāi)始前,車載綜合里程同步系統(tǒng)應(yīng)發(fā)送“校正所有系統(tǒng)的時(shí)間”指令到檢測(cè)系統(tǒng),由于車上各系統(tǒng)均有主機(jī)設(shè)備,采用精度超高的電子時(shí)鐘,保證時(shí)間在校準(zhǔn)后2 h內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差在毫秒級(jí),此時(shí)認(rèn)為車載綜合里程同步系統(tǒng)與各檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)鐘保持對(duì)齊狀態(tài)。因此,在里程賦值進(jìn)程中,可通過(guò)查詢“檢測(cè)數(shù)據(jù)采集的瞬時(shí)時(shí)間”,并使用該時(shí)刻下車載綜合里程同步系統(tǒng)的“已校準(zhǔn)里程”覆蓋原有檢測(cè)數(shù)據(jù)里程,完成里程標(biāo)記賦值。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用軌枕識(shí)別、多源里程定位及里程賦值等技術(shù),提出了一種適用于城軌綜合檢測(cè)車的精確里程賦值方法。該方法兼容車輛信號(hào)系統(tǒng)定位信號(hào)、編碼器脈沖信號(hào)、電子標(biāo)簽信號(hào)、軌枕計(jì)數(shù)模塊信號(hào)等多通道信號(hào)輸入,達(dá)到統(tǒng)一、高精度的里程信息輸出賦值效果,實(shí)現(xiàn)了高精度、高密度、抗干擾、成本可控的車載動(dòng)態(tài)綜合檢測(cè)里程數(shù)據(jù)同步功能,滿足了同里程斷面下多類檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析與關(guān)聯(lián)指標(biāo)耦合分析需求,進(jìn)而可有效指導(dǎo)城軌基礎(chǔ)設(shè)施病害溯源及日常維保工作。