重載鐵路綜合檢測列車和數據綜合分析系統(tǒng)

彭麗宇，陶凱，黎國清

(1．朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北肅寧062350;2．中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081)

重載鐵路綜合檢測列車和數據綜合分析系統(tǒng)

彭麗宇1，陶凱2，黎國清2

(1．朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北肅寧062350;2．中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081)

針對重載鐵路維護檢測工作的實際情況，以朔黃鐵路為例，闡述重載鐵路綜合檢測列車的關鍵技術及地面數據綜合分析技術。朔黃鐵路綜合檢測列車采用先進、科學的檢測技術，對線路軌道、道床、路基、牽引供電、通信、信號、周邊環(huán)境中影響列車運行安全的技術指標和相關信息進行實時檢測，并具有時空同步定位、大容量數據傳輸和數據綜合分析功能，對于綜合評價基礎設施服役狀態(tài)，科學指導重載鐵路基礎設施養(yǎng)護維修發(fā)揮了重要作用。

重載鐵路;檢測列車;綜合檢測;數據分析

重載鐵路由于荷載大和列車密度大，對線路維護檢測提出了更高的要求，不僅維護檢測的工作量日益增大，而且技術要求也越來越高。傳統(tǒng)的線路維護檢測方式和技術已很難適應當前鐵路的發(fā)展，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

國外重載運輸發(fā)達的國家對重載鐵路的檢修觀念側重于預防性保養(yǎng)。在狀態(tài)檢測方面，美國、加拿大等國家采用軌道檢查車和鋼軌探傷車，對軌道幾何形態(tài)、鋼軌磨耗、鋼軌傷損進行檢查;采用車載新型探地雷達裝置檢查路基病害。在養(yǎng)護維修方面，采用大型養(yǎng)路機械進行綜合維修、鋼軌打磨，并采用涂油技術降低輪軌磨耗，保證線路質量狀態(tài)。

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相聯，東至河北省黃驊市黃驊港口貨場，正線總長585 km，是我國西煤東運第2大通道。隨著朔黃鐵路運量的迅速增長，為滿足高密度、大運量的運輸要求，滿足朔黃鐵路運營維護的需求，亟需探索更有效、更全面的檢測方式，緩解繁忙運輸與線路維護檢測之間的矛盾，并對設備動態(tài)質量狀態(tài)進行綜合分析，提升運營維護管理和技術水平，保障重載列車高密度安全平穩(wěn)運行。

1 朔黃鐵路綜合檢測列車關鍵技術

朔黃鐵路綜合檢測列車是一列裝有專用檢測設備，對線路軌道、道床、路基、牽引供電、通信、信號、周邊環(huán)境中影響列車運行安全的技術指標和相關信息進行實時檢測，并具有時空同步定位、大容量數據傳輸和綜合分析處理功能的檢測車，采用3輛編組，檢測速度80 km/h，最高運行速度120 km/h。綜合檢測列車及其功能系統(tǒng)如圖1、圖2所示。綜合檢測列車已經應用于新建重載線路基礎設施的聯調聯試、綜合試驗和運營期間周期性檢測。綜合檢測列車能夠綜合利用線路天窗，極大提高線路檢測效率，緩解維修天窗不足與運輸任務繁重之間的矛盾。

圖1 朔黃鐵路綜合檢測列車

圖2 朔黃鐵路綜合檢測列車功能系統(tǒng)

1.1 綜合系統(tǒng)

綜合系統(tǒng)由列車數據網絡、同步定位系統(tǒng)和環(huán)境視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成，主要實現檢測車的精確定位，發(fā)布檢測車統(tǒng)一的速度、時鐘和里程信息，對列車運行前后方環(huán)境晝夜實時監(jiān)測。綜合系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 綜合系統(tǒng)結構

1.1.1 列車數據網絡

列車數據網絡選用工業(yè)級千兆網管型2層主干以太網交換機和3層交換機搭建，3層交換機支持環(huán)網冗余協議，與各車的2層主干交換機組成冗余環(huán)網，環(huán)網都擁有高達1 000 M光纖帶寬的通訊能力，滿足全車數據傳輸。

1.1.2 同步定位系統(tǒng)

同步定位系統(tǒng)為全車不同斷面的檢測系統(tǒng)提供同步采集信號、精確里程定位信息等，包括空間同步子系統(tǒng)及時空校準子系統(tǒng)2部分。其中，空間同步子系統(tǒng)將安裝在軸頭的光電編碼器所產生的距離脈沖信號通過空間同步傳輸通道傳輸給分布在全車不同車廂內的各檢測系統(tǒng)，可作為檢測系統(tǒng)的采樣觸發(fā)和距離計算的信號源;時空校準子系統(tǒng)將整車各檢測系統(tǒng)計算機的系統(tǒng)時鐘與GPS時鐘精確同步，為各檢測系統(tǒng)計算機提供實時、準確的線路里程信息。

1.1.3 環(huán)境視頻監(jiān)視系統(tǒng)

環(huán)境視頻監(jiān)視系統(tǒng)對列車運行環(huán)境進行實時視頻監(jiān)視。

1.2 軌道幾何狀態(tài)檢測技術

軌道幾何檢測系統(tǒng)采用慣性測量原理、捷聯式結構和非接觸測量方法，應用圖像處理技術、陀螺平臺、數字濾波、計算機實時數據處理等高新技術，可測量軌距、軌向、高低、曲率、水平(超高)以及長波長高低、軌向等軌道幾何不平順參數。軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)結構如圖4所示。使用激光攝像系統(tǒng)測量鋼軌相對于檢測梁的橫向和縱向位移;使用加速度計、陀螺、位移計等多種傳感器測量車體和檢測梁的姿態(tài)變化。將需要檢測的位移、速度、加速度等物理量轉換為相應的電模擬信號，通過信號轉接及監(jiān)視單元輸入到信號處理單元。信號處理單元將信號放大和模擬濾波處理后再經過信號轉接及監(jiān)視單元輸入到數據采集和處理計算機。該計算機對輸入模擬信號進行A/D模數轉換、存儲、數字濾波、修正以及補償處理，經過綜合運算，合成得到所需軌道幾何參數，并在其顯示器上實時顯示軌道幾何波形圖。

圖4 軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)結構

1.3 接觸網檢測技術

朔黃鐵路綜合檢測列車接觸網檢測系統(tǒng)由弓網動態(tài)作用參數及接觸線幾何參數檢測子系統(tǒng)組成。

1.3.1 接觸式檢測

接觸式檢測用于檢測弓網動態(tài)作用參數，即測量受電弓與接觸導線之間的垂直接觸力、硬點(受電弓弓頭的加速度)、拉出值(根據力傳感器信號計算)、接觸導線高度以及受電弓基座處的加速度，同時也對受電弓運行環(huán)境進行監(jiān)測和采集。接觸式檢測系統(tǒng)結構如圖5所示。

系統(tǒng)需對受電弓進行改造，在2個滑板底部與支持機構間共安裝4個應變式壓力傳感器測量滑板支持機構對滑板的反作用力，即弓網接觸壓力。在靜止狀態(tài)下作用力即為滑板與接觸線間接觸壓力。在動態(tài)下還需對由滑板加速度引起的慣性力和滑板受到的空氣動力進行修正，以提高接觸壓力測量精度。

圖5 接觸式檢測系統(tǒng)結構

1.3.2 非接觸式檢測

非接觸式檢測原理為三角測量方法。將攝像機安裝在可固定于任何車輛上的抗扭曲光學軌道上。調節(jié)攝像機，以使其視野覆蓋接觸網所在平面并處于最佳角度，并且覆蓋整個測量區(qū)域?？赏ㄟ^分析圖像信號計算接觸線與4個攝像機位置之間的角度，并利用三角關系計算接觸線位置。非接觸式檢測系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6 非接觸式檢測系統(tǒng)結構

1.4 超聲波鋼軌探傷技術

采用超聲波探測鋼軌傷損，通過系統(tǒng)配備的4個A型探輪和2個B型探輪，能夠檢測鋼軌中不同位置和不同取向的傷損。探輪及聲束如圖7所示。

圖7 探輪及聲束示意

當探輪中的壓電晶體(晶片)受到高電壓脈沖激勵之后，會按照自身固有的振動頻率振動，比如2.25 MHz。如果這個振動被引入到鋼軌中，將會在鋼軌中傳播。一旦鋼軌中存在缺陷或空洞，部分超聲波能量將被反射回來，反射回來的能量被晶片接收后即為回波。

各種不同的超聲晶片得到的回波在超聲換能器中被轉化成電信號，再經過模擬處理、數字處理、空間轉換、傷損識別，最終在顯示控制計算機上以B型(探輪)圖顯示出來，完成鋼軌不同部位、不同形態(tài)傷損的檢測過程。超聲檢測系統(tǒng)傷損數據處理流程如圖8所示。

圖8 傷損數據處理流程

1.5 道床路基檢測技術

探地雷達要得到高質量的數據，必須克服鋼軌，尤其是混凝土軌枕的干擾。為此，采用了多通道高速掃描探地雷達系統(tǒng)，以通道間的發(fā)射時間延遲來消除干擾。通道之間的發(fā)射時間延遲是由控制單元控制，即第1通道發(fā)射信號，第1通道接收回波信號;接下來第2通道發(fā)射信號，第2通道接收回波信號;再接下來第3通道發(fā)射信號，第3通道接收回波信號，如此循環(huán)。

鐵路線路路基多通道高速掃描探地雷達系統(tǒng)由發(fā)射天線、接收天線、控制單元和工控數據采集計算機(含A/D轉換)組成，如圖9所示。配套的數據采集軟件能夠進行數據采集、顯示、存儲和回放。

圖9 多通道高速掃描探地雷達系統(tǒng)結構

2 重載鐵路檢測數據綜合分析技術

重載鐵路主要特點是列車密度大和車輛軸重大，軌道結構承受較大的動態(tài)荷載，軌道幾何狀態(tài)的平順性也不容易保持;而路基道床病害增多會導致線路的不平順性加劇，產生更大的動態(tài)荷載，加速鋼軌傷損的產生。同時軌道幾何的不平順還可能引起弓網受流狀態(tài)的惡化，甚至有可能在耦合作用下導致弓網安全性指標超限。

針對重載鐵路的運輸和維護特點，對路基道床、鋼軌傷損和軌道幾何狀態(tài)檢測數據進行綜合分析，判別各種病害產生的原因及其關聯性，從而提出綜合性評價指標;并對軌道幾何狀態(tài)與弓網受流性能、接觸線動態(tài)幾何參數之間的關聯性進行研究，準確發(fā)現問題根源，科學指導養(yǎng)護維修。

2.1 檢測數據管理模式

根據軌道幾何檢測、接觸網檢測、路基道床狀態(tài)檢測、鋼軌傷損檢測等各類非結構化檢測數據的特點，結合朔黃鐵路動態(tài)檢測的日常檢測業(yè)務管理規(guī)定，研究多專業(yè)動態(tài)檢測數據的統(tǒng)一接口和整合存儲管理機制，以保證多種檢測數據關聯分析的需要，利用數據倉庫技術為建立穩(wěn)定、高效的檢測數據管理平臺提供技術保證。

2.2 檢測數據綜合分析技術

1)軌道幾何、路基道床、鋼軌傷損檢測數據關聯性綜合分析

在積累一定時期的檢測數據的基礎上，結合運量、氣候等因素，研究朔黃鐵路路基沉降、道床狀態(tài)惡化的特點及規(guī)律。同時對軌道幾何、路基沉降、道床狀態(tài)以及鋼軌傷損檢測數據進行綜合分析，建立關聯分析模型，摸索重載鐵路軌道質量綜合性評價方法和指標，利用關聯分析模型進行仿真計算，開展專項試驗研究進行驗證，提出朔黃鐵路總體評價管理建議值。

2)接觸網和軌道幾何檢測數據關聯性綜合分析

軌道幾何不平順有可能影響弓網受流性能和弓網間的動態(tài)作用，在特殊線路條件下幅值較大的軌道幾何不平順甚至有可能導致受電系統(tǒng)的故障;對于綜合檢測列車而言，軌道幾何狀態(tài)的變化也會影響到接觸網的動態(tài)檢測結果。這就要求在進行接觸網系統(tǒng)質量評價和制定維修方案時，除了對接觸網動態(tài)檢測波形進行歷史對比分析和結合弓網接觸視頻進行分析外，還必須對接觸網狀態(tài)不良處所的軌道幾何不平順狀態(tài)進行綜合分析。

在獲得大量檢測數據、現場復核數據和維修作業(yè)數據的基礎上，通過建立接觸網幾何、受流性能與軌道幾何狀態(tài)的關聯關系模型，研究其相關性，提出綜合分析方法和相關指標，并通過實測和專項試驗進行驗證。

3)鋼軌傷損綜合分析

鋼軌傷損除了由于疲勞應力作用造成的內部核傷外，鋼軌表面也會受到接觸應力的作用而產生裂紋，形成軌面?zhèn)麚p，在受到銹蝕等作用下有可能發(fā)展成重傷，影響行車安全。通過對鋼軌表面擦傷檢測系統(tǒng)的鋼軌表面?zhèn)麚p數據的積累和深入分析，結合探傷車檢測數據、探傷儀檢測數據、人工檢查觀測數據，摸索在朔黃鐵路運營及氣候條件下鋼軌表面?zhèn)麚p、鋼軌磨耗、鋼軌內部傷損的發(fā)生、發(fā)展變化規(guī)律，為鋼軌打磨、修理、更換等維修決策提供支持。

4)軌道大值病害成因綜合分析

大值病害是指有可能影響運營安全的設備不良狀態(tài)，比如大幅值的軌道不平順和鋼軌內部傷損，如果不能及時發(fā)現和有效處理，則可能引起非常嚴重的后果。為了提高運營安全性，除了加強檢測環(huán)節(jié)對于大值病害的識別和對已發(fā)現的大值病害的作業(yè)管理外，還要結合歷史檢測數據、相關項目檢測數據和靜態(tài)檢查數據進行綜合分析，確定引起大值病害的真正原因，有針對性地提出整治處理建議，才能有效地指導現場維修，避免大值病害頻繁發(fā)生。

3 結論

1)綜合檢測列車應用在重載鐵路上，可以綜合同步采集軌道、路基、接觸網、通信、信號等數據，周期性獲取重載線路的基礎設施狀態(tài)檢測數據，并基于此綜合評估重載鐵路基礎設施服役狀態(tài)，科學指導養(yǎng)護維修，提高軌道養(yǎng)護維修效率。周期性的檢測可以實現預防性修理，進行資源的合理化配置，實現鐵路的經濟化維修。

2)重載鐵路周期性檢測工作是一項綜合性的系統(tǒng)工程，大量數據的挖掘分析勢必對重載鐵路設計、施工、養(yǎng)護維修等各方面優(yōu)化改進產生重要的影響。為此，建立地面檢測數據綜合分析處理中心，整合存儲和管理綜合檢測列車、鋼軌探傷車、軌道檢查車、電務試驗車等動態(tài)檢測數據，為綜合分析重載鐵路的狀態(tài)研究提供數據基礎。

3)基于最新的軌道結構理論研究和線路養(yǎng)護維修經驗，深入挖掘各類非結構化檢測數據，綜合評估設備質量狀態(tài)，為養(yǎng)護維修決策提供數據支持，一方面提高維修作業(yè)效率和減少工作量，最大程度地減少對運輸組織的干擾;另一方面經濟、有效地檢測和消除重載線路各種病害，確保設備質量狀態(tài)安全可靠，并且處于可修復的“彈性”范圍內。

［1］何華武．高速鐵路運行安全檢測監(jiān)測與監(jiān)控技術［J］．中國鐵路，2013(3):1-7．

［2］李海浪，王衛(wèi)東，康洪軍，等．CRH380B-002高速綜合檢測列車總體架構設計［J］．鐵道建筑，2014(2):109-112．

［3］國際重載協會．國際重載鐵路最佳應用指南-線路施工與運營維修［M］．北京:中國鐵道出版社，2011．

［4］中國鐵道科學研究院．基于軌檢數據的軌道狀態(tài)預測和維修輔助決策方法的研究［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2009．

［5］魏世斌，劉伶萍，趙延峰，等．GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)［J］．鐵道建筑，2011(11):98-101．

［6］侯衛(wèi)星，劉剛，康熊．0號高速綜合檢測列車［M］．北京:中國鐵道出版社，2010．

Comprehensive Inspection Train and Data Comprehensive Analysis System of Heavy Haul Railway

PENG Liyu1，TAO Kai2，LI Guoqing2
(1．Shuohuang Railway Development Co．，Ltd．，Suning Hebei 062350，China; 2．Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to the actual situation of the heavy haul railway maintenance and inspection work，the key technologies and ground data comprehensive analysis of comprehensive inspection train in heavy haul railway were discussed by taking Shuohuang railway as an example．T he comprehensive inspection train in Shuohuang railway uses advanced and scientific inspection technologies，which could realize real-time detection for technical indexes and related informations which affect the train operation safety in the condition of track，ballast bed，subgrade，traction power supply，communication，signal and surrounding environment，and has the functions of spatial and temporal synchronization，large capacity data transmission and data comprehensive analysis．T he comprehensive inspection train plays a very important role for the comprehensive evaluation of the infrastructure service status and the scientific guidance for the maintenance and repair of heavy haul railway infrastructure．

Heavy haul railway;Inspection train;Comprehensive inspection;Data analysis

U239．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．29

1003-1995(2016)12-0109-05

(責任審編周彥彥)

2016-06-20;

2016-09-08

國家國際科技合作專項項目(2015DFA81780);中國鐵道科學研究院基金(2015YJ092)

彭麗宇(1979—)，男，博士研究生。