铁路TWDS技术发展与数据融合探讨

张帆 覃杰 钟文建

摘 要：介绍了国内铁路运维基础装备-列车“5T”在线安全检测系统之一： TWDS—货车轮对尺寸动态检测系统；描述”5T”系统的可能关联发展路径，着重论述尚未推广应用的“TWDS”的走行部安全监测重要性；轮对尺寸测量与转向架三维姿态误差关系及与“5T”其它系统的关联性、先导性，可能的数据融合应用与在线安全检测管理系统的发展方向。

关键词：5T；轴温；数据融合

中图分类号：F259.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）24-0054-02

1 TWDS动态测量重要性与轮对故障机理探讨

TWDS目前尚未广泛在货运线普及应用是因为技术难度和轮对尺寸测量可以由人工停车测量实现两个原因造成的。铁路动车库、城市地铁成功应用是因为较好的应用环境所决定，但应用仍存在一些有待解决的技术问题，所以认知轮对尺寸动态检测长期测量稳定性和认识作为列车安全动态监测必要性是有现实意义的[1]。

1.1 TWDS测量方法与测量误差产生机理

1.1.1 测量方法应得到工程实践的时间考验

TADS货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统前后十多年研发案例：美国TTCI研究院和澳大利亚VIPAC公司解决了探测时间长、信号不稳定、受邻轴干扰等问题；在计算机硬件和软件方面有了突破性进展。轮对尺寸动态检测自2004年以来分别在北京局廊坊站、南京地铁1#、高铁动车库等得到了研发与应用推广，目前已经历了15年时间考验，已成为城市地铁、高铁动车库标准配置的运维重要基础装备。TWDS经历了发展三个主要阶段：第一阶段2004-2008年为针对现场环境建立测量理论模型和传感器选型、现场试验（轮径测量精度在5mm水平）；第二阶段2009-2013年研究现场测量误差主要原因与现场工艺装备（轮径测量精度在2mm水平）；第三阶段2014-2018年研究系统输入参数溯源校正与大数据远程校核（轮径精度小于1mm）。

1.1.2 轮对尺寸系统设计、运用与测量主要问题

轮对尺寸的测量精度要求较高，比如轮经要求0.5mm，相对误差为0.06%，而轮缘厚度、QR值测量又受其关联影响，所以比较其它在线系统会在设计、运用和测量方面会存在一些问题。

1.1.3 测量主要方法

光截图像法，又称光切法，是机器视觉中一种经常使用的方法[2]。光截图像技术采用线状激光作为投射光源，面阵CCD相机作为采集设备利用激光三角测量技术，实现物体的二维尺寸测量，应用多在入库段并需要建设专用检测棚，满足15公里/h速度以下运用条件。

激光位置位移技术采用激光高速对射、位移测量技术，通过激光位置、位移传感器的专门结构设计，测量求得轮对顶点圆半径和轮对踏面曲线，应用主要在地铁正线出入站。

1.2 测量误差产生机理

安装位置。其一，多数地铁安装位置设计选择了车辆段出入库段：过车数据量降低了一个数量级导致数据平滑滤波处理的困难，这是因为数量不足转化为测量质量下降的典型例子。其二，由于线路长设计多车辆段与停车场情况下导致由于转向架引起的故障车辆漏检漏测（多数设计狭义理解尺寸测量，下面还会详细描述）。其三，是车辆段入库段速度低，往往设计了停车等信号准入、小弯道、道岔、和有碴无碴过渡区等，由于启停、转向架菱形、刚度不平顺引起的振动均会产生测量轮对边缘时因瞬间抖动失准。作者研究、跟踪了十多个案例，其中两个表现不理想的均为设计于入库段，证明了认为速度低可以测量准确的理解存在片面性。

测量校准。其一，多数厂家均采用了静态标定+结果校准方法，但现场对测量是多输入、多输出的非线性系统，不能满足结果修正条件尤其是误差控制要求严格的轮径误差和关联性影响。其二，应用过程发现普遍存在校准周期短，镟修后一段时间就不准情况，是由于轮对在动力学原因影响下会产生缓慢的如轴向位移、转向菱形变化而导致测量偏离。

镟床比对。其一，镟床由于传感方式会存在系统和随机误差，往往基层工作人员不理解导致了比对工作难度增加。其二，镟床工作状况为准静态，而在线系统是动态测量，产生一定程度差异是必然的，应借鉴国外对在线检测系统通常是分辨力、和重复性指标要求而弱化准确度要求。

2 数据运用问题及原因分析

TWDS轮对数据运用产生主要问题表现为测量误差不确定性，表现为检测过程、检测环境研究问题：货运线昼夜温差几十度对传感器的温漂影响与测量基础、轨道的变形对传感器影响；灰尘、雨天等影响；由于动力学原因产生比地铁大的转向平衡、轴向位移、径向跳动问题影响使如何建修正模型是未知因素，如此严重影响了TWDS进一步应用推广。

为认识走行部动力安全预警重要性与轴承故障关联性，提供货车轮对研究相关资料：“1.5轮对圆周磨耗严重-在检修C76、C80型敞车中，发现车轮踏面圆周磨耗较严重，其中最大的达12mm；…轮径差较大，最大差达10mm。”“1.6轴承退卸比例高-在C76、C80型车辆检修中，轴承外观检查发现轴承异音、卡滞以及游隙超限故障较多。经大秦线调研…故障退卸率已超过12%”。综上，轮径差是轴承异常多发原因之一，而走行部三维姿态失衡会导致轮径差增大。

广州北车辆段货运线TWDS案例见《表1踏面磨耗与轴向位移研究结论》与《表2扣修统计》：（数据来源广北车辆段TWDS数据库）。

踏面磨耗与轴向位移数据研究结论：踏面磨耗超限统计-轴向位移大个数占比82%。

3 在线系统数据融合度分析

在线数据融合度分析着重研究TWDS系统与TADS—货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统、THDS—红外线轴温探测系統；TPDS—货车运行状态地面安全监测系统的关联性，以上系统又可统称为轮对动态检测系统，这在国内部分城市地铁已经实现了集成检测的统一管理平台。

3.1 在线系统的关联性与关联度因子

坐标系定义：X向为列车运动方向；Y向平行轨面垂直于运动方向，Z向垂直于轨平面。

轮对在线检测系统关联性主要由测量中间参数-轴向位移、顶点圆、转向平衡、径向跳动、车速等决定。轴向位移：其物理意义列车质量中心线与钢轨中心线的偏离。与振动最大值、轴承早期故障相关，当加速、刹车等强激励条件下擦伤轮对或轴承早期故障轮对会比正常轮轨振动大几倍，当列车匀速运动、轻载等弱激励条件时，相关性弱容易漏判。表征为轴承中心y向偏离轮对基背大样本中心差值除以轴心至轨面距离，这样轮对寿命周期直径变化不会影响统一的安全尺度评价指标。

3.2 转向架三维姿态物理解析

径向跳动。其物理意义一是轮对滚动圆不圆度（多边形）；二是轴承或转向架因素引起的测量波动。往往用于镟修周期四个阶段的故障识别：如镟修前振动异常，镟修后振动恢复正常排除轴承故障。较短时间又相对其它轮缓慢增大，怀疑转向架、轮轴、驱动轻度失配，镟修前后振动、温度正常，但径向跳动异常不变，怀疑轴承、转向架失配。

轴向位移。物理学的基本定律阐明产生位移需要力，动车驱动是通过轮对作用于钢轨而获得反作用力。当轮对左右侧存在“大小轮”工况下，列车轴向位移方向总是趋于克服大小轮的不平衡而缓慢变化，另外从不平衡产生转动惯量导致了轴向力也可解析。刹车时，运行轮对差大的轮对受到制动力，破坏了轮轨动平衡并由于较小轮侧轮缘密贴钢轨摩擦产生了极大振动。

转向平衡。实践在货运直线段测量仍发现较多转向平衡问题：超30mm占比0.5%，反映转向架失配情况即轴垂直线与运行方向的夹角为30/1800约1°，这产生磨耗不规则情况和影响弯道时安全性。

4 TWDS在线系统发展趋势与未来发展

铁路客货建设运营的迅猛发展产生智能运维先进概念即状态修、预测、预防、高效、简约；需要创新和技术进步来实现TWDS系统向更高层次智能化阶段目标发展，在线检测技术关键：设计标准制订；在线检测安装位置；与“5T”其它系统关联性指标定义与表示方法等。

参考文献

[1]覃杰.货车轮对尺寸动态检测系统（TWDS）研制技术报告.项目评审证书 广铁科委[2017]111号.

[2]王露.轮对尺寸在线动态检测技术及镟轮决策研究[D].南京理工大學.硕士学位论文，2017，01.