城市軌道交通車輛軸溫在線非接觸檢測技術(shù)進展

文/符泰然 史聰靈 李建 孟迎潮 楊臧健

城市軌道交通是城市公共交通的主干線，城市軌道交通運營安全是城市公共安全的重要組成部分。車輛作為城市軌道交通運營的核心設(shè)備，車輛走行部的軸箱軸承、轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部件的狀態(tài)是事關(guān)運營安全的重要因素。車輛高速行進過程中，摩擦效應(yīng)會使軸承發(fā)熱，當(dāng)軸承出現(xiàn)磨損、缺陷或裝配不當(dāng)?shù)裙收蠒r，摩擦急劇增加，致使軸承區(qū)域熱量聚集，軸承溫度會顯著升高，引發(fā)熱軸，嚴重的情況下會造成熱切軸、燃軸，將給運營行車帶來潛在的重大危險。因此，發(fā)展軌道交通車輛軸溫在線檢測技術(shù)具有必要而迫切的需求，通過車輛軸承溫度動態(tài)測量，實現(xiàn)熱軸實時精確預(yù)警，避免運行車輛車軸過熱，預(yù)防車輛熱軸所引發(fā)的側(cè)翻及脫軌等重大安全風(fēng)險。以此為研究背景，本文將對車輛軸溫在線非接觸檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行概述，并介紹本研究團隊在該方向取得的相關(guān)研究進展。

車輛軸溫檢測技術(shù)的發(fā)展歷程

車輛軸溫檢測技術(shù)發(fā)展最早源自鐵路列車安全運輸?shù)男枨?，鐵路列車軸溫探測系統(tǒng)已在美國、德國、法國以及我國鐵路運營系統(tǒng)中得到應(yīng)用。溫度測量傳感器是鐵路列車軸溫探測系統(tǒng)的構(gòu)成核心，傳感器技術(shù)發(fā)展?fàn)恳S溫探測系統(tǒng)的不斷迭代更新，已從傳統(tǒng)的接觸式測量模式發(fā)展到非接觸式紅外測量模式，從低響應(yīng)時間的熱電傳感器過渡到具有更快響應(yīng)時間及測量靈敏度的光電傳感器，從中低速列車探測發(fā)展至高速列車探測。

隨著高速、重載鐵路的大規(guī)模跨越式發(fā)展，對鐵路列車軸溫探測系統(tǒng)的熱軸預(yù)報準(zhǔn)確率、系統(tǒng)維護性等技術(shù)指標(biāo)提出了更高要求，高精度傳感器技術(shù)也并不能保障實際運營環(huán)境中的列車軸溫探測系統(tǒng)的可靠準(zhǔn)確測量，因此，基于現(xiàn)有傳感器技術(shù)，如何從測量方法層面有效提高高速、重載鐵路列車軸溫探測系統(tǒng)的綜合測量水平是未來發(fā)展的重要方向。

鐵路列車軸溫探測系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，為城市軌道交通車輛軸溫檢測提供了很好的技術(shù)借鑒，但相比于長途、重載、高速鐵路列車，城市軌道交通機車在車輛、行車環(huán)境、運營管理等方面存在顯著差異，車輛軸溫在線檢測技術(shù)應(yīng)用具有其自身特點與技術(shù)難點，相關(guān)現(xiàn)狀分析如下。

傳統(tǒng)接觸式測溫技術(shù)的缺點

與鐵路列車探測不同，城市軌道交通車輛軸溫檢測主要采用接觸式測溫技術(shù)，在車輛軸箱上安裝接觸式軸溫指示貼或者溫度傳感器標(biāo)簽，當(dāng)車輛回庫后由檢測人員讀取軸溫指示貼的數(shù)據(jù)并記錄輪軸溫度信息，或者采用微波射頻識別技術(shù)，現(xiàn)場讀取傳感器標(biāo)簽的車軸溫度信息、車號信息等，動態(tài)顯示車軸溫度情況。接觸式測溫技術(shù)應(yīng)用存在不可忽視的缺點，車輛每個軸箱上需逐一安裝測溫指示貼或標(biāo)簽傳感器，惡劣環(huán)境下的接觸式傳感器工作狀態(tài)維護與校準(zhǔn)標(biāo)定工作量會非常繁瑣，極大增加了機車車輛的運行維護成本，而且每個軸箱上的單個接觸式溫度測點會使溫度檢測系統(tǒng)存在很大的熱軸誤判風(fēng)險。

紅外軸溫測量技術(shù)的難點

紅外軸溫測量技術(shù)目前并未在城市軌道交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，相比于接觸式測溫技術(shù)，紅外測溫技術(shù)具有非接觸、測量響應(yīng)快等技術(shù)特點，適用于高速運動目標(biāo)溫度的動態(tài)測量，將是城市軌道交通車輛軸溫檢測的優(yōu)勢技術(shù)之一。但傳統(tǒng)紅外輻射測溫技術(shù)，亦或是鐵路列車軸溫紅外測試技術(shù)，在應(yīng)用于城市軌道交通的軸溫度檢測中存在若干關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)：

一是城市軌道交通采用的是面向客運承載、中高速運行（最高運行速度不大于150 km/h）的機車車輛，車輛熱軸風(fēng)險看似要小于重載、高速鐵路列車，但城市軌道交通車輛具有更密集的行車間隔以及較長的運營時間，在本質(zhì)上并未降低對軸溫預(yù)報預(yù)警的精度要求?；诜墙佑|式測量原理的紅外軸溫測量系統(tǒng)，將面臨著頻繁啟?；虺L時運行的系統(tǒng)可靠性、高速采集過程產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)流傳輸與分析等關(guān)鍵技術(shù)難題。

二是城市軌道交通地下線路的行車環(huán)境為地下密閉空間，紅外軸溫測量系統(tǒng)需要布置在隧道軌行區(qū)道床區(qū)域，以實現(xiàn)到達列車的輪軸辨識與溫度非接觸檢測，然而隧道軌行區(qū)的結(jié)構(gòu)振動、高溫/高濕度、電磁干擾、金屬粉塵（列車鋼輪與鋼軌摩擦導(dǎo)致）等環(huán)境因素，將嚴重影響紅外軸溫測量系統(tǒng)的測量精度與使用壽命。且隧道軌行區(qū)內(nèi)布置的儀器裝置通常不具備日常維護保養(yǎng)的條件，工作于惡劣環(huán)境下的紅外軸溫測量系統(tǒng)如何保障溫度測量的高精度與高可靠性，則成為另一關(guān)鍵技術(shù)難題。

三是紅外輻射測溫精度受物體表面發(fā)射率及測量光路輻射干擾的極大影響，物體表面發(fā)射率與物體結(jié)構(gòu)、組分、表面狀態(tài)、溫度、波長等諸多因素密切相關(guān)，實際物體發(fā)射率的不確定性與復(fù)雜性，是輻射溫度準(zhǔn)確測量的主要難點。而對于地下空間中的車輛輪軸軸箱測試而言，實際惡劣環(huán)境下的軸箱表面發(fā)射率未知性的影響將更為凸顯，環(huán)境空間中彌散的超細金屬粉塵也將對測量光路造成顯著的測量干擾，現(xiàn)有軸溫紅外測試技術(shù)中對此并沒有很好的解決方案。如何從測量方法層面解決發(fā)射率未知性及輻射干擾的影響也是另一關(guān)鍵技術(shù)難題之一，發(fā)展先進的測量方法將是提高測量軸溫檢測系統(tǒng)測量水平的重要技術(shù)途徑。

某地鐵線路列車的車輛輪軸軸箱溫度測量結(jié)果圖

紅外軸溫測量技術(shù)的新進展

針對于城市軌道交通車輛軸溫在線測量的需求以及現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用的局限性，本研究團隊在國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目等資助下，基于機車車輛、行車環(huán)境、運營管理等多因素相結(jié)合的研究思路，立足于方法創(chuàng)新，帶動技術(shù)突破，發(fā)明了分布式多光譜測量的軌道交通車輛軸溫測試新方法、新技術(shù)和新裝備。

第一，針對于惡劣環(huán)境下輪軸軸箱表面測量干擾性與發(fā)射率未知性的難點問題，研究建立了基于分布式/多光譜融合的軸溫非接觸測量方法，發(fā)展了紅外多光譜輻射測溫優(yōu)化算法，采用多點區(qū)域與多光譜相融合的測量方式，通過紅外多光譜通道輻射強度測量，實現(xiàn)了環(huán)境干擾以及表面未知/變化輻射物性情形下的高速運動物體多點目標(biāo)的非接觸溫度反演，解決了長時工作條件下，輪軸輻射物性變化給輻射溫度準(zhǔn)確測量造成的難點問題，從測量方法原理層面提高軸溫非接觸測量精度。

第二，開展中低溫目標(biāo)紅外光譜輻射特性參數(shù)測試與表征研究，為車輛輪軸輻射溫度測量與光譜優(yōu)化選擇提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

第三，研發(fā)了基于紅外多光譜融合測量、高通量輻射成像、高速高頻傳感器集成設(shè)計的地鐵輪軸非接觸式測溫技術(shù)與裝置，重點解決了窄光譜波段內(nèi)的多光譜紅外輻射弱信號的高速高通量采集關(guān)鍵技術(shù)難題。

第四，建立了基于雙溫度參考黑體（是輻射傳熱學(xué)里面一個基本概念，代表具有最大發(fā)展及吸收輻射能力的理想物體）的原位在線輻射溫度快速標(biāo)定與校準(zhǔn)方法，實現(xiàn)長時運行狀態(tài)下的紅外多光譜輻射測溫裝置的高精度在線原位標(biāo)定，減小了環(huán)境金屬粉塵等測溫裝置光學(xué)窗口的污染影響，以保障惡劣環(huán)境下測溫裝置的高精度測量。

第五，研發(fā)了由紅外多光譜輻射測溫裝置、在線溫度定標(biāo)與校準(zhǔn)單元、環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測單元、車輛/輪軸信號辨識單位等構(gòu)成的輪軸溫度綜合測量系統(tǒng)，具有測量/定標(biāo)/待機等功能，構(gòu)建了輪軸溫度測量系統(tǒng)無人值守工作模式。

以某地鐵線路2 01 9年4 月2 0日21：59：15 進站列車為例，布置于該線路隧道軌行區(qū)的輪軸溫度綜合測量系統(tǒng)，在列車進站時自動辨識列車進站信號，開始啟動測量，實時獲得了列車運行狀態(tài)下的24 組車輪輪軸軸箱溫度差分布（如上圖所示），熱軸溫差的預(yù)警值為40℃，當(dāng)溫差達到40℃，輪軸溫度綜合測量系統(tǒng)將給出預(yù)警信號傳遞至控制指揮中心。

本研究成果解決了地鐵軌旁非接觸軸溫關(guān)鍵技術(shù)難題，為車輛軸溫非接觸測量提供了一種先進的綜合測試技術(shù)，以有效保障車輛行車安全，減小地鐵機車運行維護成本，是公共安全檢測技術(shù)領(lǐng)域的重要技術(shù)進展。城市軌道交通軸溫非接觸式檢測方法、技術(shù)和裝備，目前已在某地鐵線路進行工程應(yīng)用示范，未來將具有更大的推廣應(yīng)用前景。[本文作者史聰靈、李建，單位系中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院交通安全研究所；符泰然、孟迎潮、楊臧健，單位系清華大學(xué)。本文得到國家自然科學(xué)基金項目（51622403），中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費專項（2019JBKY12、2019JBKY02），中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院“萬人計劃”入選人才特殊支持經(jīng)費項目（WRJH201801）等項目資助，作者在此表示感謝。]