輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警技術(shù)研究

田德柱 段培勇 李旭偉 謝錦妹

（1.軌道交通系統(tǒng)測試國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

近年來，國內(nèi)研制開發(fā)的輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)如鐵道貨車超偏載檢測裝置、車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（Truck Performance Detecting System，TPDS）等實(shí)現(xiàn)了對(duì)全路貨車裝載狀態(tài)，車輛車輪踏面損傷、運(yùn)行狀態(tài)（動(dòng)力性能）的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，為保障貨物運(yùn)輸安全、車輛運(yùn)行安全、指導(dǎo)車輛造修等提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。截至2018年底，全路已有各類輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)1 300余套投入使用，其自身的設(shè)備狀態(tài)直接關(guān)系到檢測數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響鐵路的運(yùn)輸安全。在當(dāng)前設(shè)備檢修必須采取“天窗修”的大背景下，由于無法提前預(yù)知設(shè)備異常狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)間較長，制約了系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮。因此，建立一種輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警平臺(tái)十分必要。本文以車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）為對(duì)象，通過計(jì)算、通信、控制等技術(shù)，對(duì)其設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警技術(shù)進(jìn)行研究。

1 TPDS設(shè)備簡介

TPDS是利用設(shè)在軌道結(jié)構(gòu)中的測試系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測通過車輛的輪軌間連續(xù)垂向力和橫向力，根據(jù)橫向力、減載率、脫軌系數(shù)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，在聯(lián)網(wǎng)分析處理的基礎(chǔ)上，綜合評(píng)判車輛運(yùn)行狀態(tài)［1］。其主要功能是識(shí)別運(yùn)行狀態(tài)不良的車輛（蛇行失穩(wěn)）、識(shí)別車輪踏面損傷（擦傷、剝離、失圓等）、檢測車輛超載和偏載情況，實(shí)現(xiàn)車輛全生命周期監(jiān)控，為車輛的安全運(yùn)行提供保障，同時(shí)為指導(dǎo)車輛的設(shè)計(jì)制造、養(yǎng)護(hù)維修提供數(shù)據(jù)支撐［2］。

TPDS設(shè)備（圖1）包括：室外測試平臺(tái)、二維板式傳感器和剪力傳感器、接線箱、車號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置；室內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀、測試主機(jī)、測點(diǎn)服務(wù)器、UPS電源等。

圖1 TPDS設(shè)備

2 設(shè)備狀態(tài)影響因素分析

TPDS為24 h實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行狀態(tài)是保證檢測數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的不良或異常將導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)誤差放大、重復(fù)性變差甚至誤報(bào)警，直接影響鐵路運(yùn)輸組織。反之，通過對(duì)檢測數(shù)據(jù)，尤其是對(duì)不良數(shù)據(jù)、誤報(bào)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以反向查找設(shè)備狀態(tài)異常的環(huán)節(jié)和因素。通過對(duì)全路150余套TPDS設(shè)備大量檢測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合系統(tǒng)研制及現(xiàn)場多年檢修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備異常狀態(tài)及其影響因素進(jìn)行分析。

2.1 測試平臺(tái)安裝線路狀態(tài)

TB/T 3339—2013《鐵道車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）探測設(shè)備》［3］規(guī)定，測試平臺(tái)安裝線路軌距允許偏差為-1 mm～+3 mm，方向不平順不大于4 mm，高低不平順不大于3 mm，測試平臺(tái)中心線與線路實(shí)際中心線誤差不大于3 mm，安裝后測試平臺(tái)范圍內(nèi)不得有吊板現(xiàn)象。

TPDS是通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測輪軌間連續(xù)作用力實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)判。輪軌間作用力及其特性直接受車輛狀態(tài)、運(yùn)行線路狀態(tài)的影響。測試平臺(tái)安裝線路靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)的變化會(huì)直接影響車輛的運(yùn)行狀態(tài)，從而增加對(duì)車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)評(píng)判的干擾。例如線路高低不平順、三角坑、剛度的局部差異會(huì)引起車輛運(yùn)行過程中垂向振動(dòng)（點(diǎn)頭、浮沉）幅度的增大；線路軌距變化、方向不平順、動(dòng)態(tài)三角坑會(huì)引起車輛運(yùn)行過程中橫向振動(dòng)（側(cè)擺、側(cè)滾）幅度的增大。以某測點(diǎn)設(shè)備實(shí)際檢測數(shù)據(jù)為例，由于測試平臺(tái)安裝線路存在方向不平順、動(dòng)態(tài)三角坑問題，導(dǎo)致車輛通過時(shí)發(fā)生側(cè)滾，造成左右偏載數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，總體誤差偏大。車輛發(fā)生側(cè)滾時(shí)輪載的原始波形如圖2所示，可知，兩側(cè)輪重發(fā)生交替變化，說明車體通過時(shí)存在明顯的側(cè)滾現(xiàn)象。

圖2 車輛發(fā)生側(cè)滾時(shí)輪載的原始波形

2.2 設(shè)備硬件工作狀態(tài)

二維板式傳感器和剪力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、車號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置和不間斷電源（UPS）是TPDS設(shè)備硬件的重要組成部分，其良好的工作狀態(tài)是整套設(shè)備正常運(yùn)行的前提和保證。

2.2.1 傳感器

二維板式傳感器和剪力傳感器是TPDS設(shè)備的核心部件。二維板式傳感器可同時(shí)監(jiān)測輪軌作用的垂向力和橫向力，垂向力和橫向力之間的信號(hào)干擾比例須嚴(yán)格控制在容許范圍內(nèi)（不大于1%）。通過高強(qiáng)度螺栓將其固定在測試平臺(tái)的特制軌枕上，每根軌枕安裝2只，共計(jì)20只。剪力傳感器用于監(jiān)測鋼軌在輪載下所受的剪力，其輸出信號(hào)與二維板式傳感器輸出信號(hào)合成后可以得到完整的輪軌作用力和波形特征。通過專用支架將其固定在鋼軌上，每股鋼軌6對(duì)，共計(jì)12對(duì)。

傳感器主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成，利用電阻應(yīng)變片變形時(shí)其電阻也隨之改變的原理工作［4］。衡量傳感器工作狀態(tài)的主要指標(biāo)為準(zhǔn)確度和靈敏度，TB/T 3339—2013要求二維板式傳感器垂向力準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1%，橫向力準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2%，靈敏度應(yīng)一致，且具有互換性。但在現(xiàn)場實(shí)際使用過程中，受溫度、濕度、腐蝕性物質(zhì)等復(fù)雜環(huán)境及過電壓、過電流和自身使用壽命的影響，傳感器的工作狀態(tài)會(huì)發(fā)生趨劣性變化直至徹底損壞。除瞬時(shí)過電壓、過電流會(huì)直接導(dǎo)致傳感器損壞外，多數(shù)損壞情況是從量變到質(zhì)變的過程。其不良工作狀態(tài)主要表現(xiàn)為零點(diǎn)漂移、跳變過大、信號(hào)干擾、靈敏度下降、輸出滿量程等，反映在檢測數(shù)據(jù)上會(huì)導(dǎo)致車輛總重、偏載、踏面沖擊當(dāng)量、橫向力測量誤差放大，進(jìn)而產(chǎn)生誤報(bào)數(shù)據(jù)。某一通道壓力傳感器損壞時(shí)采集的波形如圖3所示?？梢?，個(gè)別傳感器的損壞會(huì)造成車輛總重偏輕，左右偏載誤差放大。

圖3 壓力傳感器損壞時(shí)采集的波形

2.2.2 數(shù)據(jù)采集儀

數(shù)據(jù)采集儀一方面負(fù)責(zé)對(duì)傳感器供電，另一方面負(fù)責(zé)完成對(duì)傳感器信號(hào)的調(diào)理放大、濾波、偏移糾正、A/D轉(zhuǎn)換以及與測試主機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)檢測信號(hào)的全自動(dòng)處理［5］。一般通過觀察放大倍數(shù)、輸出線性度偏差和A/D轉(zhuǎn)換評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集儀的工作狀態(tài)，影響其工作狀態(tài)的主要因素有外部輸入過電壓、過電流，電子元器件自身使用壽命等。

2.2.3 車號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置

車號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置通過微波反射調(diào)制方式可自動(dòng)識(shí)別安裝在機(jī)車車輛上的標(biāo)簽信息，自動(dòng)判別被識(shí)別和未被識(shí)別標(biāo)簽的機(jī)車或車輛在列車中的位置，自動(dòng)識(shí)別列車車次、標(biāo)簽安裝端位等信息［6］。設(shè)備狀態(tài)不良會(huì)出現(xiàn)標(biāo)簽信息丟失、重復(fù)或整列不能識(shí)別的情況，從而導(dǎo)致TPDS檢測數(shù)據(jù)集成時(shí)發(fā)生匹配錯(cuò)誤或無法匹配。影響其工作狀態(tài)的主要因素有微波射頻裝置輸出功率衰減、電壓駐波比狀態(tài)異常、串口通訊狀態(tài)異常等。

2.2.4 不間斷電源

為保證TPDS設(shè)備24 h正常運(yùn)行，TB/T 3339—2013要求設(shè)備應(yīng)配備不間斷電源，其電源容量不應(yīng)小于3 kVA，供電時(shí)間應(yīng)大于8 h。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，不間斷電源將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給設(shè)備使用，此時(shí)不間斷電源能夠?qū)﹄妷哼^高或過低提供保護(hù)；當(dāng)市電中斷（停電）時(shí)，不間斷電源通過逆變器切換轉(zhuǎn)換的方法向設(shè)備繼續(xù)供應(yīng)220 V交流電，使設(shè)備維持一段時(shí)間的正常工作。影響不間斷電壓工作狀態(tài)的主要因素有電池電量、逆變器功能、電源主機(jī)狀態(tài)等。

2.3 監(jiān)測軟件運(yùn)行狀態(tài)

監(jiān)測軟件主要負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)信息的采集、計(jì)算、分析、集成及上傳［7］，是整套系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。TPDS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放、設(shè)備標(biāo)定及測試等各項(xiàng)功能均由監(jiān)測軟件實(shí)現(xiàn)，包括本文研究的內(nèi)容最終也需要通過對(duì)監(jiān)測軟件的二次開發(fā)來完成。

監(jiān)測軟件運(yùn)行在TPDS系統(tǒng)的測試主機(jī)上，其工作狀態(tài)可能會(huì)受測試主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)問題或病毒入侵的影響，出現(xiàn)執(zhí)行文件出錯(cuò)或操作失敗等問題；在采集、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、分析數(shù)據(jù)的過程中，監(jiān)測軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異常檢測數(shù)據(jù)的識(shí)別功能。因此，有必要對(duì)監(jiān)測軟件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄和識(shí)別。

3 研究路線及關(guān)鍵技術(shù)

以研制開發(fā)輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警平臺(tái)為目標(biāo)，在對(duì)設(shè)備狀態(tài)影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題采用系統(tǒng)調(diào)研、既有系統(tǒng)現(xiàn)狀分析、預(yù)警評(píng)估方法研究、試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方式達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。預(yù)警技術(shù)研究路線如圖4所示。

圖4 預(yù)警技術(shù)研究路線

3.1 自檢信息內(nèi)容

為全面、系統(tǒng)地監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)影響設(shè)備狀態(tài)的因素將測試主機(jī)上傳至上級(jí)服務(wù)器的日志文件（自檢信息）分為4類：定時(shí)消息日志文件、過車過程中軟件及檢測數(shù)據(jù)狀態(tài)日志文件、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息日志文件和日?qǐng)?bào)表日志文件。日志文件具體內(nèi)容主要分為設(shè)備狀態(tài)分類碼和設(shè)備狀態(tài)編碼2部分，設(shè)備狀態(tài)分類碼是對(duì)所關(guān)注的關(guān)鍵部件（狀態(tài)）進(jìn)行分類編碼，而設(shè)備狀態(tài)編碼是對(duì)每類部件進(jìn)行具體狀態(tài)的編碼。以定時(shí)消息日志文件為例，其狀態(tài)分類碼見表1。

表1 狀態(tài)分類碼

3.2 預(yù)警評(píng)估方法

通過對(duì)各類日志文件（自檢信息）的統(tǒng)計(jì)，提取關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，從狀態(tài)信息、異常數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)精度等方面對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備不良狀態(tài)的智能預(yù)警。具體評(píng)估方法如下。

1）設(shè)備故障部位的及時(shí)報(bào)警。設(shè)備狀態(tài)自檢信息定時(shí)上報(bào)每類部件的狀態(tài)信息值，對(duì)每類部件設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)閾值，當(dāng)其狀態(tài)信息值達(dá)到閾值時(shí)，認(rèn)為該部件處于失效狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警展示。傳感器是設(shè)備的核心部件，也是容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，因此對(duì)其實(shí)際工作狀態(tài)須要重點(diǎn)關(guān)注。從日?qǐng)?bào)表日志文件中提取每日檢測車輛數(shù)，統(tǒng)計(jì)當(dāng)日經(jīng)過設(shè)備的車軸總數(shù)，按照每個(gè)車軸沖擊1次累加計(jì)算傳感器受沖擊次數(shù)，與傳感器的理論使用壽命對(duì)比，當(dāng)沖擊次數(shù)達(dá)到或超過理論使用壽命時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

2）異常數(shù)據(jù)分析。通過對(duì)比檢測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)值，可以初步判斷該列車檢測數(shù)據(jù)的有效性，再結(jié)合設(shè)備狀態(tài)自檢信息，可綜合評(píng)價(jià)設(shè)備的具體工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行預(yù)警提示。

3）檢測精度統(tǒng)計(jì)分析。針對(duì)系統(tǒng)的垂向力檢測精度，可以從2方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：①對(duì)機(jī)車重量進(jìn)行對(duì)比分析。鑒于機(jī)車重量變化范圍小，相對(duì)穩(wěn)定，所以通過對(duì)一定時(shí)期內(nèi)同一類型機(jī)車的檢測重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可分析出該測點(diǎn)的相對(duì)檢測精度。②通過采集檢衡砝碼車數(shù)據(jù)，與其對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，可計(jì)算出更加準(zhǔn)確的系統(tǒng)檢測精度。

3.3 檢衡砝碼車標(biāo)準(zhǔn)值接入方式

檢衡砝碼車每年按照國家軌道衡計(jì)量站年度檢定計(jì)劃在全路范圍內(nèi)運(yùn)行，其標(biāo)準(zhǔn)值在自身標(biāo)定有效期（1年）內(nèi)保持不變［8］。若不具備自動(dòng)接入檢衡砝碼車標(biāo)準(zhǔn)值的條件，可以通過與國家軌道衡計(jì)量站建立溝通機(jī)制，及時(shí)獲取檢衡砝碼車標(biāo)準(zhǔn)值變動(dòng)情況，在預(yù)警平臺(tái)定期錄入更新。

4 預(yù)警平臺(tái)開發(fā)

預(yù)警平臺(tái)是面向“國鐵集團(tuán)-鐵路局集團(tuán)公司-探測站”三級(jí)架構(gòu)的設(shè)備狀態(tài)發(fā)布和預(yù)警系統(tǒng)，為設(shè)備維護(hù)單位的檢修工作提供了技術(shù)支撐。預(yù)警平臺(tái)服務(wù)器部署在鐵路專用網(wǎng)內(nèi)，定時(shí)接收測試主機(jī)生成的設(shè)備狀態(tài)自檢信息日志文件，對(duì)報(bào)文進(jìn)行解密、解析并入庫，為管理人員提供設(shè)備狀態(tài)預(yù)警、監(jiān)控、查詢分析、統(tǒng)計(jì)評(píng)判等服務(wù)。預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖5。

預(yù)警平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，平臺(tái)由測試主機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)庫和WEB服務(wù)器組成。平臺(tái)總體技術(shù)架構(gòu)遵循基于3層架構(gòu)的MVC開發(fā)模式［9］，構(gòu)成靈活和易于擴(kuò)展的應(yīng)用架構(gòu)，見圖6。

預(yù)警平臺(tái)使用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)［10］，將設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的各個(gè)屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行展示（圖7）。

圖5 預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖6 預(yù)警平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

圖7 預(yù)警平臺(tái)展示界面

5 結(jié)語

對(duì)輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警技術(shù)的研究及平臺(tái)的開發(fā)，可大幅降低輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的超前、實(shí)時(shí)預(yù)判，有效縮短設(shè)備故障時(shí)間，為設(shè)備維護(hù)單位提供有力技術(shù)支撐。但其良好的預(yù)判效果必須建立在對(duì)大量日志文件（自檢信息）統(tǒng)計(jì)分析和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，因此需要對(duì)預(yù)警的評(píng)估方法和機(jī)制策略進(jìn)行不斷地改進(jìn)和完善，最終才能實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的智能、高效預(yù)警。