哈尔滨局集团公司超偏载检测安全预警装置设计与应用对策

(中国铁路哈尔滨局集团有限公司 货运部，黑龙江 哈尔滨 150006)

目前国内外现有的铁路货运计量安全检测装置，如轨道衡、超偏载仪等对现场实际安装标准要求较高，其中钢轨、轨枕、线路长度、线路坡度、地基承受力、货车通过速度等都有着严格的要求，安装标准与造价较高，导致小型货运站场及铁路专用线难以安装此类设备，从而使铁路运输存在超偏载检测盲点，造成一定的安全隐患。因此，中国铁路哈尔滨局集团有限公司(以下简称“哈尔滨局集团公司”)设计研发超偏载检测安全预警装置，可以有效解决各个装车站散装货物超偏载安全检测问题，确保货物运输安全。

1 铁路超偏载检测装置现状

1.1 现状分析

哈尔滨局集团公司现有货运计量安全检测装置123 台，其中轨道衡91 台，超偏载检测装置32 台，分布在16 个站段78 个装车站。哈尔滨局集团公司管辖范围内有货运站252 个，其中散装货物装车站有226 个。为了强化设备维修质量，确保设备的运用稳定，哈尔滨局集团公司完成管内所有联网货运计量安全检测设备车站级服务器上移至哈尔滨局集团公司信息所机房进行统一管理，杜绝因货运计量安全检测设备车站服务器故障导致数据无法上传问题。2020 年，哈尔滨局集团公司更新、改造、大修货运计量安全检测设备。新建东佳木斯、宾西、牡丹江(2 台)超偏载检测装置4 台，新建龙镇、牙克石、尚志轨道衡3 台；更新滨江超偏载检测装置1 台，更新煤田轨道衡1 台，纳入中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”) 3 级联网；对伊敏、海拉尔北、扎兰屯、嫩江、富裕、冯屯、碾子山站7 台轨道衡进行大修，增强货物超偏载安全检测技防能力。尽管如此，现有超偏载检测装置不能满足所有装车站的安全计量检测要求，许多散装货物装车量较大的货运站没有条件安装轨道衡，安全监控仅凭人来卡控，时有超偏载情况发生，不能有效保证运输安全。

（1）安装位置不合理。因历史原因，哈尔滨局集团公司管内大部分超偏载检测装置当初的安装目的是为了控制本站装车，安装的位置在站内而并非进出站咽喉，所检测车列大部分为本站装车，由于安装位置原因，调车作业通过的次数较多，与确报信息匹配率较低。通常一个货运站只能安装一处轨道衡，货场接发货车需要通过轨道衡进行测量，加之调车作业频繁，影响运输效率。

（2）环境影响较为突出。哈尔滨局集团公司地处北方，冬季气候恶劣，计量安全检测设备传感器易出现结冰现象，影响数据的准确性。虽然2020 年入冬前已组织维修维护人员对货运计量安全检测设备安装了防冻垫，但是仍有14 台超偏载检测装置因位置原因无法安装防冻垫，必须随时关注和检查传感器状态，避免春融期间昼化夜冻，影响传感器的性能。

（3）设备管理质量偏低。哈尔滨局集团公司管内已有20 台超偏载检测装置、26 台轨道衡超过3 年大修期限，目前设备老化严重，故障率较高。部分车站对计量安全检测设备使用不够重视，不能按照要求进行设备周检工作，无周检记录，存在冬季除雪不及时的现象，在管理上重视不足。

超偏载检测安全预警装置是可以预防货车超载、偏载、偏重的安全预警设备，当发现超偏载信息时，可以实现直接定位到问题车辆的位置，并提供历史车辆与报警情况的数据查询等。研究设计超偏载检测安全预警装置，可以测量并保存货车通过设备时的行驶方向、速度及每个车轮的重量等信息，判断货车经过设备时是否存在超载、偏载、偏重，保障货物装载安全。设计时应综合考虑各类站场安装环境的适应性、安装方式简单方便、功耗低等要素，以解决现有超偏载检测装置成本高、安装不能覆盖全部装车站及影响运输效率的现实问题[1]。

1.2 设备组成

超偏载检测安全预警装置由测重传感器、数据采集单元、超偏载检测软件等组成。超偏载检测安全预警装置组成示意图如图1 所示。

（1）测重传感器。测重传感器是桥平衡式低频信号传感器，当车辆通过测重传感器时，车轮的重力使钢轨产生了应力变化，作用在测重传感器上，产生车重低频信号，该信号经过降噪、滤波、放大等处理后输出到下一级处理。

图1 超偏载检测安全预警装置组成示意图Fig.1 Composition of safety warning device for out-of-gauge and shift loading detection

（2）数据采集单元。数据采集单元采用32 位浮点微控制器作为主控CPU，实时控制子系统采用 TI的 32 位 C28x 浮点CPU，具有 100 MHz 的信号处理性能。数据采集单元接收侧重传感器获取的车重低频信号，并输出信号的幅频特性，采用数字低通滤波器进行高频滤波，滤掉高频干扰，保留真实低频有效测重信号，有效测重信号通过数据采集单元的CAN 接口发送到通信转换盒，由通信转换盒将CAN总线数据转换为TCP/IP 协议数据，通过局域网络上传给上位机的超偏载软件进行分析处理。

（3）超偏载检测软件。超偏载检测软件接收到有效测重信号后，依据信号幅值的大小等信息计算列车通过速度，根据前后转向架的距离及车体间的间距及各车轮位置的逻辑关系，分析出每辆车各轴的轴重，从而计算出前转向架重量、后转向架重量和车辆的总重。超偏载检测软件可以将查询、调零、配置等通信数据通过TCP/IP 协议发送到通信转换盒，由通信转换盒将数据以CAN 总线方式发送到测重数据采集单元[2]。

1.3 检测流程

超偏载检测安全预警装置采用多任务多线程的方式实现数据通信、数据处理、数据分析和数据保存的功能。通过TCP/IP 协议读取或设置信号采集单元的信息。当无车测量时，软件会对测重传感器组进行实时查询，可通过发送调零设置命令，对传感器组的零点数据进行设置，防止测重传感器的信号幅值漂移，避免因测量数据偏差较大而导致的误报警。当待测车辆通过时，超偏载检测软件接收到的测重数据，即对数据进行分箱处理，不同测重传感器数据分组存放，根据获取数据的先后时间判断来车方向与车辆实时速度。车辆通过后进行轴数计算，按照轴信息数据分析生成车辆信息，并计算出车辆的测重信息。依据报警门限值，对车辆信息进行分析和数据保存，如有报警信息，将报警详细信息以不同颜色分类显示提示，供现场作业监控人员参考。超偏载检测安全预警装置检测流程如图2 所示。

2 超偏载检测安全预警装置功能模块设计

2.1 功能模块

2.1.1 测重信号处理

图2 超偏载检测安全预警装置检测流程图Fig.2 Inspection process of out-of-gauge and shift loading inspection safety warning device

测重传感器采用桥平衡低频信号传感器，当车辆通过测重传感器时，车轮的重力使钢轨产生了应力变化，作用在测重传感器上，产生车重低频信号，该信号经过降噪、滤波、放大等处理后输出到下一级处理。由于测重传感器的测重信号是由钢轨受到重力后产生的微量形变产出的，而钢轨的受力形变量还要受到很多因素的影响，其中包括环境的温湿度及车辆的运行速度等。

环境的温湿度对于测重信号幅值有一定影响。在不同的温湿度环境下，钢轨的受力形变量是不同的。在车辆测量过程中，当经过轮轴较多后，由于摩擦生热的原理，钢轨的温度也会随之不断升高。根据这一特性，添加了环境温湿度监测，可根据环境状态的变化对数据进行修正，进而提高测量的精确度。

车辆的运行速度对于测重信号幅值的影响是最大的。同等质量的轮轴经过的速度不同，其测重信号的幅值也不同。速度越大，测重信号幅值就越大。测量车辆通行中前后转向架的实时速度也是非常重要的。同侧钢轨上安装的测重传感器位置相距1 m，可根据2 组测重头的距离与轴数据产生时间差计算列车通过实时速度，利用实时速度计算得出的测重数据准确度更高[3]。

2.1.2 智能校准

受大数据与人工智能的启发，在计轴时，引入了智能校验的理念。智能校准是在4 组测重头之间相互比较，互相学习的过程，包含横向校准与纵向校准2 个方面。横向校准，即钢轨两边同一位置的测重头(如测重头1 与测重头3，或者测重头2 与测重头4)计算所得轴数应相等，可进行横向轴数的校准。在校准过程中，发现丢失轴时，可根据丢失数据轴的纵向相邻轴将丢失数据找回[4]。纵向校准，待测车辆整车通过时，即一侧钢轨上的测重头(如测重头1 与测重头2，或者测重头3 与测重头4)计算所得轴数应相等，可进行纵向校准。在校准过程中，发现丢失轴时，可根据丢失数据轴的横向相邻轴将丢失数据找回。智能校准示意图如图3 所示[5]。

2.1.3 报警功能

根据铁路货运计量安全检测设备运用管理规则对超偏载检测报警功能进行设置。针对超载、偏载、偏重3 类分别定义一般和严重两级报警。当检测数据大于货车容许载重量5 t，但未达到严重程度的为一般超载，大于货车容许载重量10 t 为严重超载；当货物总重心投影距车辆纵中心线距离大于100 mm 为一般偏载，货物总重心投影距车辆纵中心线距离大于150 mm 为严重偏载；当货车两转向架承受重量之差大于10 t 为一般偏重，货车两转向架承受重量之差大于15 t 为严重偏重。超偏载检测两级报警定义如表1所示[6]。

表1 超偏载检测两级报警定义表Tab.1 Two-level alarm definition for out-of-gauge and shift loading detection

2.2 应用管理对策

为加强和规范超偏载检测安全预警装置运用管理，发挥设备的安全监控和防范作用，依据《中华人民共和国铁路法》《中华人民共和国计量法》《铁路安全管理条例》等法律法规和国铁集团有关规定，制定了《哈尔滨局集团公司货运计量安全检测设备运用管理实施细则》。遵循主管负责、逐级负责、专业管理、预防为主的基本原则，规范超偏载检测安全预警装置运用管理。

2.2.1 日常应用管理

（1）明确责任分工。哈尔滨局集团公司货运部应充分利用超偏载检测安全预警装置及时掌握管内超偏载报警车动态，并纳入每日交班内容。对严重超偏载报警车，日常超偏载盯控人员、装卸车质量主管人员和设备运用管理主管人员应加强沟通和协作，按责任分工加强原因分析、跟踪处理过程，并指定专人3 日内反馈给上级管理部门。

图3 智能校准示意图Fig.3 Schematic diagram of intelligent calibration

（2）规范设备联网。申请纳入联网应用的超偏载检测安全预警装置应是已经过首检合格并在检定有效期内的设备；在提交联网申请时，应同时附设备首检或周期检定合格证明、设备测点名称，集团公司货运部以局电或局函形式报国铁集团货运部。

（3）加强数据保管。加强对数据和有关资料保管，原始数据保存至少3 年，有关检修维护记录保存至少1 年。

（4）强化日常考核。哈尔滨局集团公司货运部负责制定并动态优化超偏载检测安全预警装置设备运用考核指标，定期组织对站段货运计量系统及相关计量安全检测设备运用质量进行考核和通报。

（5）严肃问题追责。哈尔滨局集团公司组织管内各站段制定设备调试和日常维护管理办法，不得擅自屏蔽、过滤、修改检测数据，不得影响正常检测工作，对引起安全问题得不到及时发现甚至导致事故的将严格追究责任[7]。

2.2.2 信息系统维护

将超偏载检测装置、轨道衡纳入到集团公司货运安全信息管理系统，充分利用货运计量系统和设备运用管理电子化台账的大数据分析作用，找出问题多发的设备，加强日常盯控，畅通维修渠道，减少设备故障影响。

（1）建立管理制度。应按照《信息系统安全等级保护基本要求》三级要求进行管理，制定并落实系统服务器安全、操作安全、应用软件管理、系统数据管理、业务数据管理、计算机病毒防范、应急处置等方面的安全管理制度，保证系统运行安全和数据安全。

（2）加强服务器管控。应将超偏载检测安全预警装置服务器统一放置在集团公司信息技术所及站段计算机房内，并由其管理。机房应提供充足的不间断电源容量，保证服务器7×24 h 不间断工作。机房建设应符合国家相关标准，服务器、监控终端计算机禁止安装无关的软件和硬件。

（3）及时更新信息。检定完成后或检衡车重量发生变化时，集团公司质监所应及时通过货运计量系统更新超偏载检测安全预警装置有关信息。

（4）规范故障定级。因计算机设备硬件故障、软件故障和违反规定操作、安全防范措施不力、技术设备不良及其他原因,造成货运计量系统设备损坏、信息泄漏、毁损、丢失，影响本系统正常运行，对运输生产造成损失的，均列为本系统运行故障。

（5）优化用户管理。应在保证系统信息安全、保密、简化流程、提高用户调整的工作效率的前提下，对超偏载检测安全预警装置进行用户配置。用户配置工作应结合机构调整、人员变动等情况同步及时完成，不得影响正常监控工作。

2.2.3 应急预案构建

（1）明确责任主体。各使用单位应制定超偏载检测安全预警装置发生各类故障时的应急预案，明确应急处置责任主体和安全保障具体措施，保证应急处置统一指挥，处置有序、高效。

（2）完善处理流程。各使用单位除按设备故障规定流程办理外，应及时向集团公司货运部、质监所、信息技术所报告，报告内容包括：车站、地点、故障发生时间、概况、原因初步判断、处置情况等。集团公司质监所在发现或接到故障报告后应立即进行故障分析和处理，确保在最短时间内恢复正常使用。一般故障应在24 h 内修复，如设备损坏严重，应及时启动小修或大修程序，确保在最短时间内恢复正常使用[8]。

3 结束语

随着铁路货运装车品类繁杂，装车量逐年上升，对货物装载质量提出新的要求，同时也对装载安全检测能力提出更高的挑战。超偏载检测安全预警装置的设计研发有效解决了货物超偏载检测盲点问题，通过现场实验验证，能够满足现场安全预警卡控需要，能够实现现场监控、数据分析、问题报警等功能，实现散装货物装载进行全天候、全方位、全过程的安全检测监控，有效保障铁路货物装载安全，提高铁路运输生产效率。