吳賽甲、竇鵬、舒叢叢

(1.天津津鐵城市軌道交通工程有限公司，天津 300000；2.天津新譽德泰技術(shù)有限公司，天津 300000）

1 技術(shù)背景

軌行區(qū)的安全對于高鐵、地鐵等電客車的安全運行具有非常重要的意義。目前，常使用光源相機、線陣相機、激光雷達等對軌行區(qū)的軌面、道床和水溝進行信息采集、分析，從而獲得軌面、道床和水溝的狀況[1]。然而，由于電客車軌道的分布通常并不是嚴(yán)格意義上的在同一水平面內(nèi)，導(dǎo)致安裝在電客車底部的光源相機、線陣相機、激光雷達等會隨電客車運行而出現(xiàn)偏斜的問題；再加上運行過程中軌面受電客車運動摩擦影響，致使軌面、道床和水溝的溫度升高，產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，從而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，現(xiàn)有技術(shù)中通常將光源相機、線陣相機、激光雷達等直接安裝在電客車靠近車頭的位置，而在車頭還有與應(yīng)答器進行配合的應(yīng)答器處理設(shè)備，致使車頭處的重力加大，同時也使車頭處的風(fēng)阻增大[2]。

針對上述問題，本文提供一種新型電客車車載軌行區(qū)全斷面巡檢系統(tǒng)，結(jié)合液氫和硅脂的降溫作用使軌面受車輪摩擦發(fā)熱的影響進一步減少，同時利用陀螺儀配合控制模塊的設(shè)計減少車頭處的重力、降低車頭處的風(fēng)阻。該系統(tǒng)解決了在采集電客車車載軌行區(qū)軌面、道床和水溝信息時，軌道不能保持水平以及摩擦發(fā)熱對分析結(jié)果的影響。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所提出的新型電客車車載軌行區(qū)全斷面巡檢系統(tǒng)主要由巡檢組件、車載主機和GPS 定位模塊組成。其中，巡檢組件是核心部件，用于對軌面、道床、水溝進行實時信息采集，并將信息采集的結(jié)果以及GPS 定位模塊的定位信息通過車載主機發(fā)送至地面數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。巡檢組件結(jié)構(gòu)的正面和背面分別如圖1 和

圖1 巡檢組件結(jié)構(gòu)的正面

圖2 巡檢組件結(jié)構(gòu)的背面

另外，熱成像儀、激光雷達固定于外箱的下側(cè)壁，上板在寬度方向的側(cè)面固定有位于熱成像儀前側(cè)的降溫噴頭，其內(nèi)部設(shè)有容納硅脂的空腔，外側(cè)設(shè)有擋板，可以防止氫氣攜帶的硅脂顆粒對線陣相機的記錄過程產(chǎn)生干擾。同時，利用導(dǎo)管連接降溫噴頭和液氫罐。激光雷達、熱成像儀、光源相機、線陣相機、陀螺儀、GPS 定位模塊和制動器等與上板下側(cè)面的控制模塊電氣連接[3]。

全斷面巡檢系統(tǒng)如圖3 所示，車載主機帶有外箱和上板，外箱的內(nèi)壁之間有橫梁固定連接，上板的上側(cè)面安裝有液氫罐和伺服電機，液氫罐上設(shè)置有電磁閥，電磁閥與控制模塊電性連接。伺服電機在轉(zhuǎn)子的尾端處設(shè)置有制動器。上板下側(cè)面固定有連接板、陀螺儀和控制模塊，連接板和橫梁活動連接。

圖3 全斷面巡檢系統(tǒng)

3 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

巡檢系統(tǒng)工作時，在電客車啟動前2s 打開液氫罐連接的電磁閥，液氫罐內(nèi)的氫氣經(jīng)過導(dǎo)管到達噴頭時，在導(dǎo)管內(nèi)壁處產(chǎn)生吸力，利用毛細通道將外殼內(nèi)的硅脂吸入導(dǎo)管內(nèi)，在氫氣的攜帶下從噴頭噴出；在電客車快速駛過時，兩側(cè)產(chǎn)生的吸力將隨氫氣噴出的硅脂粒吸到軌面上；熱成像儀配合線陣相機和光源相機，記錄到硅脂落到軌面時軌面的溫度變化，控制模塊將線陣相機、光源相機和熱成像儀記錄的信息傳送至地面數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，并推送至分析終端，從而得到軌面變形、磨損情況。利用硅脂顆粒的落點信息，結(jié)合在分析終端建立的軌面三維模型，進一步對軌面的變形和磨損進行確定。其間，由于氫氣以及硅脂顆粒的降溫作用，使軌面受車輪摩擦發(fā)熱的影響進一步減少。在此過程中，外箱底部設(shè)置的電子標(biāo)簽定位裝置與電客車前進路徑上的電子標(biāo)簽配合進行定位，即可知軌面在電客車前進方向的哪個位置發(fā)生變形、磨損。同時，還能實現(xiàn)實時識別鋼軌傷損、聯(lián)結(jié)零件缺失、移位、道床和水溝異物入侵、道床裂紋、道岔病害等軌行區(qū)病害以及關(guān)鍵位置圖像抓取。

如果陀螺儀配合控制模塊發(fā)現(xiàn)上板偏斜，則控制模塊快速根據(jù)偏斜角度控制伺服電機轉(zhuǎn)動，使螺旋錐的表面對橫梁的壓緊狀態(tài)發(fā)生改變，轉(zhuǎn)軸兩端的螺旋錐即可使橫梁帶動外箱偏轉(zhuǎn)，從而回到水平位置。

巡檢系統(tǒng)的相關(guān)檢測參數(shù)如表1 所示。根據(jù)相關(guān)檢測參數(shù)進行圖像采集，以實時識別軌行區(qū)病害及抓取關(guān)鍵位置圖像，將病害圖片及線路信息發(fā)送到車輛段的服務(wù)器，在服務(wù)器進行二次識別并精細分類，將最終篩選的病害信息推送到客戶端及移動端。服務(wù)器可同時接入多種檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)統(tǒng)一管理和服務(wù)，以便在電客車運行期間及時發(fā)現(xiàn)外在隱患，保證車廂的安全并為后續(xù)維修提供數(shù)據(jù)支持。同時。在巡檢組件水平狀態(tài)下進行巡檢以及配合氫氣和硅脂的降溫作用，確保軌面記錄更加清晰。

表1 巡檢系統(tǒng)的相關(guān)檢測參數(shù)

4 系統(tǒng)應(yīng)用

將所設(shè)計的車載軌道巡檢系統(tǒng)應(yīng)用于天津地鐵4號線，車載軌道巡檢采集程序如圖4 所示，可以實時采集圖像和線路信息，保存和壓縮原始圖像，為病害識別提供數(shù)據(jù)支持。

圖4 車載軌道巡檢采集程序

巡檢識別程序界面如圖5 所示，界面可以顯示實時識別的時間結(jié)果和識別通道、采集的各通道圖像，標(biāo)記病害并發(fā)送給傳輸程序。圖6 中的圖像報告很好地驗證了巡檢識別界面的積水和異物侵限情況。其他各項參數(shù)也可以很好地得到驗證。

圖5 巡檢識別程序界面

圖6 圖像報告

利用該系統(tǒng)可以對4 號線沿線各站的病害信息進行仔細檢查。分析得到的數(shù)據(jù)結(jié)果清晰地顯示出病害類型，以及是在哪一站出現(xiàn)的問題，利于提前清除病害，減少電客車運行過程出現(xiàn)風(fēng)險的概率，極大地保證乘客的生命安全，同時解放大量的人力，避免夜間工作帶來的各種問題。此外，巡檢系統(tǒng)還可以有效地發(fā)現(xiàn)更多被忽略的病害信息。

5 結(jié)論

綜上所述，通過將新型電客車車載軌行區(qū)全斷面巡檢系統(tǒng)的檢測模塊安裝在天津地鐵4 號線電客車上進行研究，得出以下結(jié)論：

一是該系統(tǒng)可以對全斷面進行巡視、記錄圖像、實時識別軌行區(qū)病害及抓取關(guān)鍵位置圖像，有效地指導(dǎo)維修作業(yè)，保障運營安全。

二是可以實現(xiàn)人員成本的縮減。

三是可為后續(xù)軌道巡檢系統(tǒng)的研究提供新的思路。