城市轨道交通车辆轴温在线非接触检测技术进展

文/符泰然 史聪灵 李建 孟迎潮 杨臧健

城市轨道交通是城市公共交通的主干线，城市轨道交通运营安全是城市公共安全的重要组成部分。车辆作为城市轨道交通运营的核心设备，车辆走行部的轴箱轴承、转向架等关键部件的状态是事关运营安全的重要因素。车辆高速行进过程中，摩擦效应会使轴承发热，当轴承出现磨损、缺陷或装配不当等故障时，摩擦急剧增加，致使轴承区域热量聚集，轴承温度会显著升高，引发热轴，严重的情况下会造成热切轴、燃轴，将给运营行车带来潜在的重大危险。因此，发展轨道交通车辆轴温在线检测技术具有必要而迫切的需求，通过车辆轴承温度动态测量，实现热轴实时精确预警，避免运行车辆车轴过热，预防车辆热轴所引发的侧翻及脱轨等重大安全风险。以此为研究背景，本文将对车辆轴温在线非接触检测技术的研究现状进行概述，并介绍本研究团队在该方向取得的相关研究进展。

车辆轴温检测技术的发展历程

车辆轴温检测技术发展最早源自铁路列车安全运输的需求，铁路列车轴温探测系统已在美国、德国、法国以及我国铁路运营系统中得到应用。温度测量传感器是铁路列车轴温探测系统的构成核心，传感器技术发展牵引着轴温探测系统的不断迭代更新，已从传统的接触式测量模式发展到非接触式红外测量模式，从低响应时间的热电传感器过渡到具有更快响应时间及测量灵敏度的光电传感器，从中低速列车探测发展至高速列车探测。

随着高速、重载铁路的大规模跨越式发展，对铁路列车轴温探测系统的热轴预报准确率、系统维护性等技术指标提出了更高要求，高精度传感器技术也并不能保障实际运营环境中的列车轴温探测系统的可靠准确测量，因此，基于现有传感器技术，如何从测量方法层面有效提高高速、重载铁路列车轴温探测系统的综合测量水平是未来发展的重要方向。

铁路列车轴温探测系统的应用发展，为城市轨道交通车辆轴温检测提供了很好的技术借鉴，但相比于长途、重载、高速铁路列车，城市轨道交通机车在车辆、行车环境、运营管理等方面存在显著差异，车辆轴温在线检测技术应用具有其自身特点与技术难点，相关现状分析如下。

传统接触式测温技术的缺点

与铁路列车探测不同，城市轨道交通车辆轴温检测主要采用接触式测温技术，在车辆轴箱上安装接触式轴温指示贴或者温度传感器标签，当车辆回库后由检测人员读取轴温指示贴的数据并记录轮轴温度信息，或者采用微波射频识别技术，现场读取传感器标签的车轴温度信息、车号信息等，动态显示车轴温度情况。接触式测温技术应用存在不可忽视的缺点，车辆每个轴箱上需逐一安装测温指示贴或标签传感器，恶劣环境下的接触式传感器工作状态维护与校准标定工作量会非常繁琐，极大增加了机车车辆的运行维护成本，而且每个轴箱上的单个接触式温度测点会使温度检测系统存在很大的热轴误判风险。

红外轴温测量技术的难点

红外轴温测量技术目前并未在城市轨道交通领域广泛应用，相比于接触式测温技术，红外测温技术具有非接触、测量响应快等技术特点，适用于高速运动目标温度的动态测量，将是城市轨道交通车辆轴温检测的优势技术之一。但传统红外辐射测温技术，亦或是铁路列车轴温红外测试技术，在应用于城市轨道交通的轴温度检测中存在若干关键技术挑战：

一是城市轨道交通采用的是面向客运承载、中高速运行（最高运行速度不大于150 km/h）的机车车辆，车辆热轴风险看似要小于重载、高速铁路列车，但城市轨道交通车辆具有更密集的行车间隔以及较长的运营时间，在本质上并未降低对轴温预报预警的精度要求。基于非接触式测量原理的红外轴温测量系统，将面临着频繁启停或超长时运行的系统可靠性、高速采集过程产生的大数据流传输与分析等关键技术难题。

二是城市轨道交通地下线路的行车环境为地下密闭空间，红外轴温测量系统需要布置在隧道轨行区道床区域，以实现到达列车的轮轴辨识与温度非接触检测，然而隧道轨行区的结构振动、高温/高湿度、电磁干扰、金属粉尘（列车钢轮与钢轨摩擦导致）等环境因素，将严重影响红外轴温测量系统的测量精度与使用寿命。且隧道轨行区内布置的仪器装置通常不具备日常维护保养的条件，工作于恶劣环境下的红外轴温测量系统如何保障温度测量的高精度与高可靠性，则成为另一关键技术难题。

三是红外辐射测温精度受物体表面发射率及测量光路辐射干扰的极大影响，物体表面发射率与物体结构、组分、表面状态、温度、波长等诸多因素密切相关，实际物体发射率的不确定性与复杂性，是辐射温度准确测量的主要难点。而对于地下空间中的车辆轮轴轴箱测试而言，实际恶劣环境下的轴箱表面发射率未知性的影响将更为凸显，环境空间中弥散的超细金属粉尘也将对测量光路造成显著的测量干扰，现有轴温红外测试技术中对此并没有很好的解决方案。如何从测量方法层面解决发射率未知性及辐射干扰的影响也是另一关键技术难题之一，发展先进的测量方法将是提高测量轴温检测系统测量水平的重要技术途径。

某地铁线路列车的车辆轮轴轴箱温度测量结果图

红外轴温测量技术的新进展

针对于城市轨道交通车辆轴温在线测量的需求以及现有技术应用的局限性，本研究团队在国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等资助下，基于机车车辆、行车环境、运营管理等多因素相结合的研究思路，立足于方法创新，带动技术突破，发明了分布式多光谱测量的轨道交通车辆轴温测试新方法、新技术和新装备。

第一，针对于恶劣环境下轮轴轴箱表面测量干扰性与发射率未知性的难点问题，研究建立了基于分布式/多光谱融合的轴温非接触测量方法，发展了红外多光谱辐射测温优化算法，采用多点区域与多光谱相融合的测量方式，通过红外多光谱通道辐射强度测量，实现了环境干扰以及表面未知/变化辐射物性情形下的高速运动物体多点目标的非接触温度反演，解决了长时工作条件下，轮轴辐射物性变化给辐射温度准确测量造成的难点问题，从测量方法原理层面提高轴温非接触测量精度。

第二，开展中低温目标红外光谱辐射特性参数测试与表征研究，为车辆轮轴辐射温度测量与光谱优化选择提供了基础数据支撑。

第三，研发了基于红外多光谱融合测量、高通量辐射成像、高速高频传感器集成设计的地铁轮轴非接触式测温技术与装置，重点解决了窄光谱波段内的多光谱红外辐射弱信号的高速高通量采集关键技术难题。

第四，建立了基于双温度参考黑体（是辐射传热学里面一个基本概念，代表具有最大发展及吸收辐射能力的理想物体）的原位在线辐射温度快速标定与校准方法，实现长时运行状态下的红外多光谱辐射测温装置的高精度在线原位标定，减小了环境金属粉尘等测温装置光学窗口的污染影响，以保障恶劣环境下测温装置的高精度测量。

第五，研发了由红外多光谱辐射测温装置、在线温度定标与校准单元、环境状态监测单元、车辆/轮轴信号辨识单位等构成的轮轴温度综合测量系统，具有测量/定标/待机等功能，构建了轮轴温度测量系统无人值守工作模式。

以某地铁线路2 01 9年4 月2 0日21：59：15 进站列车为例，布置于该线路隧道轨行区的轮轴温度综合测量系统，在列车进站时自动辨识列车进站信号，开始启动测量，实时获得了列车运行状态下的24 组车轮轮轴轴箱温度差分布（如上图所示），热轴温差的预警值为40℃，当温差达到40℃，轮轴温度综合测量系统将给出预警信号传递至控制指挥中心。

本研究成果解决了地铁轨旁非接触轴温关键技术难题，为车辆轴温非接触测量提供了一种先进的综合测试技术，以有效保障车辆行车安全，减小地铁机车运行维护成本，是公共安全检测技术领域的重要技术进展。城市轨道交通轴温非接触式检测方法、技术和装备，目前已在某地铁线路进行工程应用示范，未来将具有更大的推广应用前景。[本文作者史聪灵、李建，单位系中国安全生产科学研究院交通安全研究所；符泰然、孟迎潮、杨臧健，单位系清华大学。本文得到国家自然科学基金项目（51622403），中国安全生产科学研究院基本科研业务费专项（2019JBKY12、2019JBKY02），中国安全生产科学研究院“万人计划”入选人才特殊支持经费项目（WRJH201801）等项目资助，作者在此表示感谢。]