轨道安全状态在线监测系统在地铁中的应用

张明宏

（大连地铁运营有限公司，辽宁大连 116000）

随着城市地铁高速发展，客流量日益加大，地铁车辆对轨道的破坏作用加大，可以用于养护维修作业的列车间隔时间越来越短。为了保证轨道线路稳定、具有良好的作业状态，必须加强对轨道的养护、修维，采用现代化轨道检测系统提供的高精度数据指导维修作业。文章研究稳定性在线监测技术和稳定性检测设备的开发。

1 检测系统主要功能

（1）系统可以确保转向架的运行稳定性，在构架安装横向加速度传感器，实时检测横向加速度及其变化频率和幅度，出现蛇形失稳时及时报警。

（2）车辆动力学方面，在转向机及车体加装加速度传感器，在车体加装光纤陀螺传感器，构建悬挂参数在线辨识系统，实时检测悬挂系统的弹簧、减振器健康状况，实时监测列车运行姿态，为列车的运营安全和状态修提供数据支撑。

（3）平稳性和舒适度方面，车体安装三向加速度传感器，对列车运行平稳性及舒适度进行评价，间接评价列车动力学性能。

（4）轨道长波及短波不平顺时，对轴箱和构架加装加速度传感器，监测列车的轨道长波（轨向、高低）和短波（波磨），为轨道维护维修提供依据。

（5）系统具有控制功能，能够预置或随时更改检测线路和起始位置，具有启动、暂停、运行、复位功能，预留人工干预功能。

（6）系统具有定位功能，采用速度传感器结合线路数据库信息进行定位，提供速度及线路特征信息。

（7）系统具有数据回放与分析功能，通过数据回放分析缺陷进行标记，输出相应报表。

（8）系统采用四相编码器，可以实时对速度、运行方向进行监控。设备运行状态由软件进行监控，电压相对初始值有较大变化时提示报警。

（9）轨道图像采用动态图像采集、状态监控、里程数据同步、大数据量存储。

（10）系统支持图像回放功能，可以满足人工对图像的回放功能，通过看图分析轨枕及道床裂纹等缺陷并进行标记，输出相应报表。

（11）系统界面采用易操作的Windows风格，设计美观合理、层次清楚、功能齐全，全中文操作，支持扩展英文界面。

（12）计算机软件实现标准化，兼容性强，方便用户操作。

2 检测装置工作条件

检测装置工作条件[1]如表1所示。

表1 检测装置工作条件

设备可以在地下、地面及高架线路上运行。现场使用环境温度为-25～+40 ℃。停放库内设有采暖设备。

3 系统组成

稳定性检测技术主要包括参数在线辨识模型、参数与稳定性的关系模型、稳定性的自动识别模型；稳定性监测设备主要有感知传感器的配置与安装、监测设备的硬件系统、监测设备的软件系统。

在线监测技术及设备开发系统[2]如图1所示。

图1 在线监测技术及设备开发系统

4 检测装置组成

4.1 硬件部分

轨道几何在线检测装置的硬件由车底和车内两部分设备组成，车底设备包括钢轨几何参数检测模块、车体加速检测模块、扣件智能识别检测模块和里程定位模块，车内设备包括数据处理模块、4G网络数据发送模块、定位接收模块及其他模块等。

检测系统硬件结构如图2所示。轨检梁安装位置[3]如图3所示。

图2 检测系统硬件结构

图3 轨检梁安装位置

（1）钢轨几何参数检测模块。

采用2D激光测量技术、国际通用的惯性基准原理等先进技术，对轨道几何状态进行检测，保证测量参数的准确性和精度。

（2）车体加速检测模块。

采用进口加速度计，对车体横向摆动和车体垂向振动进行检测。

（3）扣件智能识别检测模块。

扣件智能识别检测模块能够对轨道扣件部分进行高清成像检测，记录沿线所有高清数据，提供后期图像分析、查看、故障保存及导出功能，通过一定的缺陷自动识别技术，为现场的数据分析提供帮助。

（4）里程定位模块。

里程定位模块主要用于检测数据定位，检测钢轨几何参数超限及扣件缺陷时，精确定位异常点位置。

（5）数据处理模块。

数据处理模块用于各模块数据的采集、处理、存储、数据融合等操作。

车内设备安装如图4所示。

图4 车内设备安装

（6）4G网络数据发送模块。

车载局域网采用1 000 M网络交换机进行数据交互，协议采用国际通用的TCP/IP通信协议。使用3G/4G无线网络将异常信息通过无线传输模块（需配备无线传输模块功能）发送至远程终端。

无线模块数据传输如图5所示。

图5 无线模块数据传输

4.2 软件系统

软件系统采用界面简单、操作方便的Windows风格，界面设计简单、条理清晰、功能齐全。

（1）计算机系统。系统使用Windows操作系统。

（2）数据在线采集软件。采用工控机的数据采集系统进行数据采集，显示并存储数据样本原始波形。

（3）数据分析软件。数据处理软件主要用于后台检测数据分析，能够实现检测数据曲线回放、曲线的放大缩小、扣件高清图像的分析及缺陷图像的保存，可以生成检测数据报表、Excel文件等。

（4）轨道几何参数检测效果如图6所示。

图6 轨道几何参数检测效果

5 检测系统主要检测参数

系统可以实现对轨距、高低、轨向、钢轨冲击、轴箱加速度、车体舒适度以及晃车等参数的动态在线监测。

系统主要参数[4]如表2所示。

表2 系统主要参数

6 结语

列车的状态监测装置主要包括走行系统、动力系统、乘载系统的安全监测。走行系统的安全等级最高，主要包括轨道、轮对、构架和悬挂系统，走行系统主要进行运动稳定性监测。运动蛇行失稳可能诱发高速列车脱轨等重大安全事故，实时、准确在线监测走行系统的运动稳定性是确保高速列车安全运行的关键技术。列车运行稳定性检测技术、列车运行姿态、悬挂状态参数监测技术和悬挂参数与稳定性的力学的有机融合，将新的稳定性监测技术植入监测仪器，形成监测设备，可以准确、可靠地实现列车在不同服役阶段悬挂参数退变的走行系统稳定性监测。