地铁车辆在线安全检测及管理系统

    朱茂之 朱日华  潘丽莎

系统概述

    地铁运营资产管理系统是以计算机通信和数据库技术为基础的管理信息系统，它的一个很重要组成部分是车辆在线安全检测及管理系统。广州复旦奥特科技股份有限公司以多年积累的计算机信息集成技术及铁路车辆动态检测技术为基础，研究建立系统的总体结构、功能配置、接口规划，以及在整个运营资产管理系统中的定位。
车辆在线安全检测系统是地铁资产管理系统下的一个分支子系统。资产管理系统应采用流行的多层体系结构，通过先进的系统结构来保证系统的先进、实用、扩展安全等特性。系
    统结构如下：

 
 
                           系统结构图
系统的总体设计应实现系统的兼容性、可扩展性，并满足铁路及地铁行业相关规范要求，系统设计主要依据以下原则：
(a) 满足系统测量精度之要求；
(b) 满足现场线路限界及安全的要求；
(c) 保证系统可靠工作；
(d)考虑系统的可维护性及安装、调试、维护的便捷；
(e)建立数据采集及信号分析系统的开发平台，通过局域网实现网络数据通讯、共享、报警功能。

    系统功能配置针对车辆运行的关键因素设计，在不影响地铁正常运行的前提下，利用先进成熟技术实时跟踪监测各种反映运行车辆主要安全性能的特征信息，对这些信息进行综合分析处理，及时报出影响车辆安全运行的故障，预报可能产生故障的隐患。根据不同的对象特征，设计不同的监测模式，并建立统一、标准的数据采集、信息管理平台，作为地铁

运营资产管理系统的核心部分投入运行

主要研究内容

    地铁车辆在线安全检测系统设置了五项主要车辆运行状态在线检测功能：1）车号自动识别；2）平轮探测；3）轴承温度检测；4）走行部故障声音检测；5）轮对外形尺寸检测。为保证系统的可维护性、兼容性、可扩展性，实现子系统的有效融合，达到综合诊断的要求，系统将利用集成技术，建立车辆安全在线检测系统的软硬件平台，实现与运营资产管理系统的标准接口。同时为地面设备的状态检测和故障诊断留有数据接口。

    该项目研究定位于应用技术研究，即对于底层检测技术将尽量采用成熟技术，但必须满足硬件平台的规范和要求，系统的研究开发主要集中在以下方面。

（1）系统软硬件平台设计、选型及应用开发。系统的软硬件平台是系统功能实现的基础环境，对系统的技术性能具有非常重要的影响，应采用功能齐备、技术成熟、符合工业标准的设备建立系统平台。根据行业内成功经验，我们将采用美国NI(National Instrument)公司模块作为系统硬件平台，以LabVIEW软件作为系统软件平台，并在此基础上进行系统应用功能开发。系统平台的开发研究是基于模块化、标准化的需要，保证系统的兼容性、可扩展性，设计的系统平台有：信号处理前置平台、数据采集及处理平台、数据管理平台等。
（2）预告警模式及其应用。铁路行业内为检测技术装备的运用，都制定了相应的技术规程，为这类技术装备在地铁行业的运用提供了指导，应在此基础上结合地铁车辆的实际运行条件及检修作业流程，制定出符合地铁运行需要的预、告警模式及作业计划。
（3）系统接口。轨道车辆早期故障诊断分析系统可以作为一独立系统运行，但为充分发挥其对于运营资产动态监测的意义，就应该把它作为运营资产管理系统中一子系统对待，系统接口的研究并不完全在于接口的定义和标准，更重要的是数据报表传送后对管理和作业流程的整合。
（4）故障诊断。电器、机械设备的状态检测和故障诊断是融合多种技术的前沿科学，系统利用热像分析技术、振动频谱特征分析及小波技术，进行机器的故障诊断，如不平衡、不对中、松动、共振、轴承故障等。
（5）监测数据库的建立及运用。建立各被测设备的测点数据库及测量定义，建立树形结构的故障数据库。系统具备自学习能力，对发生故障前的各种数据进行统计分析，通过与实际设备状态比较，不断自动修正相关参数，提高系统的故障识别能力。
（6）远程实时监测功能。任一通道的频谱、时域波形、趋势等均可在系统中实时显示、检测，通过监测网络进行远程监测和诊断。将来自离线系统的机组振动、以及在线系统的信息都存放在统一数据库中。在网络中任何被授权人员都可随时查看、分析和诊断机组状态，如趋势图、频谱图、时域波形图、频率趋势图等。
（7）相关软件开发.数据采集软件、接口软件、车轮状态分析软件、振动分析软件、数据库管理软件、图象处理软件等。

技术原理

车辆平轮探测

    列车踏面故障形态主要有擦伤和剥离两种，是由于车辆紧急制动时闸瓦抱死车轮或因制动系统缓解不良，使车轮在轨面上产生滑行而造成的。形成平轮后就会引起踏面局部范围曲率半径的变化，列车运行时车轮与钢轨出现周期性冲击，较大的冲击载荷作用于车辆和轨道零部件上，会加速轴承等零部件的疲劳损伤，直接威胁行车安全。车轮踏面由于擦伤和剥离形成平轮是比较常见的轮对故障，故障车轮与钢轨的相互作用是一种典型的冲击激励过程，振动测试技术发展得较为成熟，专用的新型振动传感器完全可以满足现场使用要求，振动冲击测量是基于弹性波理论的信号测量手段，应用的技术原理有：

利用振动冲击信号分析技术获取平轮特征信息；
利用特征自相关分析技术进行故障识别及平轮定位；
运用自适应动态数据修正技术进行数据处理。

    平轮探测仪数据分析用的平轮特征信息是靠振动传感器获取的，采用的振动传感器为压电式加速度传感器，内藏电荷放大器，并且运用了ICP技术。最小测量平轮深度0.2mm，报告兑现率可达95％以上。
红外轴温检测：

轴承是车辆很重要的运行部件，在列车运行过程中由于磨损、质量缺陷等原因会产生轴承运行状况的恶化，导致轴承温升，进一步恶化轴承的运行条件。如果列车持续运行而不能及时发现、处理，这种危险的温升会产生燃轴、切轴等恶性事故。

红外测温原理及特点：物体表面辐射的能量与其表面绝对温度Ｔ的四次方成正比，因此，检测特定红外波段的辐射能量，可得到物体的温度。利用这一原理制成的设备即是红外测温设备。红外测温的最大特点在于可以实现非接触温度测量。

最初的目标辐射产生的红外传感器电压U1，考虑温漂的影响，需要按照背景红外辐射参数（T0、U0）进行数字调零，公式如下：
T=T0+K（U1-U0）

其中K为放大器放大系数。

红外轴温探测装置的轨边传感器有：车轮传感器、红外轴温探测器、环温传感器等，红外轴温探测器受轴箱热辐射并转换成电信号，当列车通过时，红外轴温探测器对轴箱进行扫描，获取轴温信号。根据不同的标准判别发生的热轴故障，并按照微热、强热、激热三个等级预报热轴。系统测量精度可达±3℃。

噪音检测：

    车辆运行都伴随着运动噪声的产生，而噪声的强度和特征与车辆结构，特别是走行部件的结构有密切关系。因此车辆运行过程中，噪声检测和评价是车辆故障监测的重要技术手段，轮对踏面故障、转向架或轮对裂纹、减振器松动、轮对失圆以及轴承故障、受电弓故障等车辆部件故障均会引起噪声强度或噪声频谱结构的变化。

    车辆运行噪声检测和评价系统的研究及运用，不仅使车辆运行的噪声参数定量化、数据化，而且可以综合评价车辆的结构特性，及时发现车辆运行故障，将会为车辆高效、高质量安全运行提供技术保障。

    系统频率响应范围为20Hz～20KHz，动态范围：20dB ～140dB ，测量精度：±1dB，系统能及时发现声音状态的突变，给出各频点以车辆轮对位置为横坐标的声强图，并能通过频域分析定出故障原因及故障位置。报警应分为三种：状态突变、接近声强限度及接近超过声强限度。
轮对外形尺寸检测

    铁路技术管理规程对轮对各部尺寸都有严格规定，一旦超限，将会直接影响结构强度和定位能力，威胁行车安全，甚至造成脱轨、颠覆等恶性事故。轮对尺寸检测系统利用高精度激光位移测量技术综合测量轮缘高度、轮缘厚度，车轮直径及踏面磨耗，同时得出同轮对轮径差，同转向架轮径差，同一车辆轮径差等轮对尺寸参数。车轮直径测量精度：±1mm，轮缘高度测量精度：±0.3mm，轮缘厚度测量精度：±0.3mm。

车号自动识别：

    车号识别采用非接触式的IC卡读卡技术，由控制主机通过安装在路轨中间的微波天线向电子标签发出读卡微波信号，当列车运行到微波的有效辐射空间范围内，电子标签获得特定信息能量的微波辐射后，将微波能量转化存储为足够标签工作所需的电能，然后向控制主机发送存储在标签EEPROM的列车标识信息。工作频率范围：902～928MHz

系统结构

系统结构图如下：

    从上图可以看出，系统主要由三个主要部分构成：轨边传感器、现场探测站及管理系统，轨边传感器实现测量物理量与电信号的转换，现场探测站由前置机和数据采集工作站构成，管理系统分为站台服务器和控制中心服务器组成，实现系统统一的管理及信息发布。

发展现状

    在中国各大城市中，已有北京、天津、上海、广州修建了地铁，为保证地铁运输的安全、高效，国内的几家地铁公司对地铁系统的安全运行要求越来越重视。近年来为适应铁路高速、重载的发展需要，许多成熟的高新技术在铁路行业得到广泛应用，诸如卫星定位技术，二、三代红外线轴温探测技术，各种探伤技术，轴承故障无损检测技术，噪音分析等等，都在确保行车安全方面发挥了重要作用。地铁车辆在线安全检测系统将基于这些成熟使用的技术和设备的基础上实施。

目前，国内的铁路车辆在线检测系统普遍运用的有：
1） 车号自动识别系统；
2） 轮对踏面平轮检测装置；
3） 红外轴温探测系统等。

大力发展的技术装备有：
1） 闸瓦磨耗检测；
2） 轮对外形尺寸检测；
3） 受电弓接触状态检测；
4） 轮对动态探伤技术等。

    这类技术装备在路内已经基本成形，并逐步得到运用。而在地铁部门，北京地铁、上海地铁都安装了平轮探测装置，广州地铁一号线招标研发的车辆安全在线监测系统包含四项检测功能：车号自动识别、平轮探测、轴承及车钩温度检测、行走部及受电弓噪声检测，并利用系统集成技术，建立了车辆检测系统的软硬件平台。
（作者：广州复旦奥特科技股份有限公司；广州地下铁道总公司运营事业总部）