鐵路客車故障軌旁圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TVDS)統(tǒng)型機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)用

肖 齊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

隨著我國(guó)鐵路客運(yùn)能力的不斷提高，鐵路客車運(yùn)用安全保障工作變得越來越復(fù)雜。增開直達(dá)列車，客車編組停站減少，交路延長(zhǎng)，使列檢保證區(qū)段隨之延長(zhǎng)，責(zé)任范圍變大。此外，車站站臺(tái)高度的提升，盤型制動(dòng)系統(tǒng)、列車裙板的引入，使得列車隱蔽部件增多?？蛙嚾霂?kù)檢車時(shí)間縮短，所有上述因素都使得鐵路客車運(yùn)用安全監(jiān)控面臨極大挑戰(zhàn)。

為解決上述問題，2014年中國(guó)鐵路總公司印發(fā)了《車輛專業(yè)安全監(jiān)控技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》[1]。但目前既有TVDS設(shè)備種類繁多，且工作原理、主要零部件安裝接口及性能參數(shù)均存在較大差異，造成鐵路運(yùn)用部門運(yùn)用維護(hù)困難，并且備品備件種類多，增加了使用維護(hù)成本。同時(shí)，《規(guī)劃》中明確提出了車輛安全監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展目標(biāo)。TVDS設(shè)備為適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求，應(yīng)具備統(tǒng)一的設(shè)備功能、數(shù)據(jù)接口和用戶界面。同年，《中國(guó)鐵路總公司關(guān)于明確鐵路車輛專用檢修設(shè)備管理有關(guān)工作的通知》(鐵總運(yùn)〔2014〕331號(hào))對(duì)路網(wǎng)設(shè)備提出統(tǒng)型要求。因此，需對(duì)TVDS設(shè)備開展統(tǒng)型設(shè)計(jì)。

1 TVDS統(tǒng)型機(jī)設(shè)計(jì)原則

TVDS統(tǒng)型機(jī)需要適應(yīng)全路聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的要求，注重鐵路局使用效果、考慮技術(shù)發(fā)展方向、兼顧采納各廠家設(shè)備優(yōu)點(diǎn)和有利于降低成本為原則，統(tǒng)一設(shè)備功能、統(tǒng)一報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口、統(tǒng)一安裝條件、統(tǒng)一用戶界面，采用結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件互換，提高設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度。具體要求有：

(1)設(shè)備應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備需能夠達(dá)到原理統(tǒng)一，接口一致，允許互換。這樣可以方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員維護(hù)維修工作，方便設(shè)備備品備件采購(gòu)和管理；

(2)設(shè)備應(yīng)具備高標(biāo)準(zhǔn)圖像采集功能，即優(yōu)質(zhì)的攝像頭和科學(xué)合理的攝像頭與補(bǔ)償光源配合，確保全路運(yùn)用過程中拍攝圖像清晰，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確；

(3)設(shè)備應(yīng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠適應(yīng)東北地區(qū)冰雪天氣，適應(yīng)西北地區(qū)風(fēng)沙天氣，適應(yīng)南方地區(qū)大水條件，適應(yīng)未安裝集便器客車通過條件等；

(4)設(shè)備應(yīng)保證產(chǎn)品質(zhì)量，具備設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)備自修復(fù)和遠(yuǎn)程維護(hù)功能，減少人員上道維修。

2 技術(shù)要求

(1)使用環(huán)境

在表1所列使用環(huán)境條件下，TVDS統(tǒng)型設(shè)備應(yīng)能正常工作。

表1 TVDS統(tǒng)型設(shè)備使用環(huán)境

(2)主要技術(shù)參數(shù)

適應(yīng)客車速度/(km·h-1)： 5～160。

圖像傳輸時(shí)間/min： 列車通過后≤2。

服務(wù)器及存儲(chǔ)容量：探測(cè)站原始采集信息及圖像保存不少于30天。

車輛方位識(shí)別：能自動(dòng)識(shí)別客車1、2位端，1、2位側(cè)以及運(yùn)行方向的左、右側(cè)。

3 主要結(jié)構(gòu)及性能

TVDS系統(tǒng)主要包含軌旁設(shè)備與機(jī)房設(shè)備。軌旁設(shè)備主要是圖像采集硬件系統(tǒng)，按照模塊化設(shè)計(jì)理念，將圖像采集系統(tǒng)整合成3個(gè)獨(dú)立箱體，分別是2個(gè)側(cè)箱和1個(gè)底箱，每個(gè)箱內(nèi)包含線陣相機(jī)和補(bǔ)償光源。機(jī)房設(shè)備主要是圖像處理和存儲(chǔ)，采用通用工控機(jī)和通用信息接口實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。

3.1 軌旁設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)

(1) 線陣相機(jī)

線陣相機(jī)安裝于軌內(nèi)及鋼軌兩側(cè)，線陣相機(jī)布局示意圖如圖1所示。線陣相機(jī)安裝位置如圖2所示。

圖1 鐵路客車故障軌旁圖像檢測(cè)系統(tǒng)(TVDS)相機(jī)布局示意圖

圖2 鐵路客車故障軌旁圖像檢測(cè)系統(tǒng)(TVDS)相機(jī)安裝位置示意圖

圖3 相機(jī)盒燕尾槽安裝方式

線陣相機(jī)及鏡頭參數(shù)見表2，使用壽命(累計(jì)工作時(shí)間)≥2 500 h。

表2 線陣相機(jī)及鏡頭參數(shù)

(2) 補(bǔ)償光源

圖像采集模塊中補(bǔ)償光源采用紅外線性激光光源，光源采用光纖耦合輸出方式設(shè)計(jì)，由激光器、光纖、鏡頭3部分構(gòu)成，各個(gè)補(bǔ)償光源功率相同、接口一致，可任意互換。如圖4所示。

圖4 光纖耦合式紅外線性激光光源

底中相機(jī)采用2套光源同時(shí)進(jìn)行光照補(bǔ)償，其余每個(gè)相機(jī)配備1套補(bǔ)償光源。補(bǔ)償光源陣列照度應(yīng)滿足圖像清晰可辨的要求，燈光顏色不應(yīng)使機(jī)車司機(jī)發(fā)生誤判，具體技術(shù)參數(shù)如下：

光源類型：光纖耦合式紅外線性激光光源；

光纖類型：SMA905鎧裝光纖跳線；

發(fā)光波長(zhǎng)：808 nm；

開啟/關(guān)斷時(shí)間：≤1 s；

7.1.5噴藥劑休眠期噴灑1～2次石硫合劑，對(duì)危害果樹的多種介殼蟲、紅蜘蛛以及蘋果腐爛病等病具有顯著的預(yù)防和治療效果。

供電電壓：DC 15 V；

工作電流：≤6 A；

使用壽命(累計(jì)工作時(shí)間)：≥2 500 h。

各相機(jī)配套補(bǔ)償光源出光發(fā)散角如表3：

表3 相機(jī)補(bǔ)償光源出光發(fā)散角度表

3.2 機(jī)房設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)房整體布局示意如圖5所示：

機(jī)房設(shè)備均采用集成模塊式設(shè)計(jì)，采用通用標(biāo)準(zhǔn)或中國(guó)鐵路總公司統(tǒng)型子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間均獨(dú)立設(shè)計(jì)，設(shè)備接口一致，可通用互換。如圖6所示。各子系統(tǒng)設(shè)備共同安裝于一個(gè)控制機(jī)柜內(nèi)，圖7為控制機(jī)柜布置圖。

圖5 機(jī)房整體布局示意圖

圖6 機(jī)房主要設(shè)備

1-智能磁鋼處理裝置；2-控制箱；3-液晶KVM切換器；4-3#圖像采集計(jì)算機(jī)；5-2#圖像采集計(jì)算機(jī)；6-4#圖像采集計(jì)算機(jī)；7-車輛信息采集計(jì)算機(jī)；8-車號(hào)智能跟蹤裝置；9-信號(hào)防雷。圖7 控制機(jī)柜布局圖

4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

4.1 防塵

由于采用線陣相機(jī)作為拍攝單元，采用紅外線性激光光源作為光照補(bǔ)償系統(tǒng)，保護(hù)箱體可以實(shí)現(xiàn)窄縫取景，如圖8所示。當(dāng)列車通過、保護(hù)門開啟時(shí)，除相機(jī)取景口外，箱體的其他部位仍處于近封閉狀態(tài)，有效防止了沙塵等異物進(jìn)入箱體污染相機(jī)取景窗，影響圖片采集質(zhì)量。

取景窗上表面安裝有大功率除塵風(fēng)機(jī)，可在保護(hù)門打開時(shí)同步開啟，有效防止沙塵等落在取景窗表面，如圖9所示。

4.2 防冰雪

TVDS設(shè)備箱體在采用了窄縫取景，有效防止冰雪進(jìn)入箱體的同時(shí)，為保證在冰雪覆蓋時(shí)設(shè)備工作正常，沉箱保護(hù)門采用了耐低溫低速永磁直流力矩電機(jī)，結(jié)合平行拐臂結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了平動(dòng)開門的方式，如圖10所示。

圖8 取景窗實(shí)物圖

圖9 線陣相機(jī)取景窗及除塵風(fēng)機(jī)

圖10 沉箱保護(hù)門開閉實(shí)物圖

采用平動(dòng)開門方式，當(dāng)箱體表面被冰雪覆蓋后，能夠有效防止在保護(hù)門開啟時(shí)，箱蓋上的積雪掉入箱體內(nèi)部。保護(hù)門驅(qū)動(dòng)采用的是低速永磁直流力矩電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)矩大，經(jīng)測(cè)試，當(dāng)保護(hù)門上表面載荷為75 kg時(shí)，保護(hù)門可正常開啟和關(guān)閉。

通過上述措施的實(shí)施，可以保證TVDS設(shè)備在北方高寒地區(qū)的惡劣環(huán)境下正常應(yīng)用。

4.3 排水

為適應(yīng)南方多雨或地勢(shì)低洼等使用環(huán)境，軌邊箱體的線陣相機(jī)和補(bǔ)償光源鏡頭均采用密閉結(jié)構(gòu)，同時(shí)沉箱底部設(shè)有排水孔，通過安裝排水管使箱體內(nèi)不會(huì)積水。

對(duì)于雨量較大或自然排水不暢等情況，TVDS設(shè)備還可以選配強(qiáng)排水系統(tǒng)，在沉箱內(nèi)安裝有排水泵和水位傳感器，當(dāng)箱體內(nèi)積水超過水位傳感器時(shí)，排水泵將自動(dòng)啟動(dòng)，對(duì)箱體內(nèi)積水進(jìn)行強(qiáng)排。

4.4 防雷

TVDS系統(tǒng)采用了探測(cè)站綜合防雷系統(tǒng)，配備信號(hào)

防雷和電源防雷設(shè)備。采用的綜合防雷措施，包括等電位連接、綜合布線及屏蔽、共用接地系統(tǒng)及配套的防雷性能自動(dòng)檢測(cè)設(shè)施。防雷接地電阻小于4 Ω。

5 運(yùn)用效果

截至2016年底，全路建設(shè)完成鐵路客車動(dòng)態(tài)檢車室34個(gè)，新建TVDS探測(cè)站統(tǒng)型設(shè)備231套。2016年12月，全路日均過車5 600～5 800列次，全路共計(jì)發(fā)現(xiàn)故障6 000余例。TVDS統(tǒng)型機(jī)得到全路推廣應(yīng)用，統(tǒng)型技術(shù)方案安全可靠，能夠適用于全路各種環(huán)境、各種線路條件下的安全監(jiān)測(cè)工作，運(yùn)用效果良好。

[1] 中國(guó)鐵路總公司.車輛專業(yè)安全監(jiān)控技術(shù)發(fā)展規(guī)劃,運(yùn)輛管理函[2014]427號(hào)[Z].