哈爾濱局集團(tuán)公司超偏載檢測安全預(yù)警裝置設(shè)計與應(yīng)用對策

(中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司 貨運(yùn)部，黑龍江 哈爾濱 150006)

目前國內(nèi)外現(xiàn)有的鐵路貨運(yùn)計量安全檢測裝置，如軌道衡、超偏載儀等對現(xiàn)場實際安裝標(biāo)準(zhǔn)要求較高，其中鋼軌、軌枕、線路長度、線路坡度、地基承受力、貨車通過速度等都有著嚴(yán)格的要求，安裝標(biāo)準(zhǔn)與造價較高，導(dǎo)致小型貨運(yùn)站場及鐵路專用線難以安裝此類設(shè)備，從而使鐵路運(yùn)輸存在超偏載檢測盲點，造成一定的安全隱患。因此，中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司(以下簡稱“哈爾濱局集團(tuán)公司”)設(shè)計研發(fā)超偏載檢測安全預(yù)警裝置，可以有效解決各個裝車站散裝貨物超偏載安全檢測問題，確保貨物運(yùn)輸安全。

1 鐵路超偏載檢測裝置現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀分析

哈爾濱局集團(tuán)公司現(xiàn)有貨運(yùn)計量安全檢測裝置123 臺，其中軌道衡91 臺，超偏載檢測裝置32 臺，分布在16 個站段78 個裝車站。哈爾濱局集團(tuán)公司管轄范圍內(nèi)有貨運(yùn)站252 個，其中散裝貨物裝車站有226 個。為了強(qiáng)化設(shè)備維修質(zhì)量，確保設(shè)備的運(yùn)用穩(wěn)定，哈爾濱局集團(tuán)公司完成管內(nèi)所有聯(lián)網(wǎng)貨運(yùn)計量安全檢測設(shè)備車站級服務(wù)器上移至哈爾濱局集團(tuán)公司信息所機(jī)房進(jìn)行統(tǒng)一管理，杜絕因貨運(yùn)計量安全檢測設(shè)備車站服務(wù)器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法上傳問題。2020 年，哈爾濱局集團(tuán)公司更新、改造、大修貨運(yùn)計量安全檢測設(shè)備。新建東佳木斯、賓西、牡丹江(2 臺)超偏載檢測裝置4 臺，新建龍鎮(zhèn)、牙克石、尚志軌道衡3 臺；更新濱江超偏載檢測裝置1 臺，更新煤田軌道衡1 臺，納入中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡稱“國鐵集團(tuán)”) 3 級聯(lián)網(wǎng)；對伊敏、海拉爾北、扎蘭屯、嫩江、富裕、馮屯、碾子山站7 臺軌道衡進(jìn)行大修，增強(qiáng)貨物超偏載安全檢測技防能力。盡管如此，現(xiàn)有超偏載檢測裝置不能滿足所有裝車站的安全計量檢測要求，許多散裝貨物裝車量較大的貨運(yùn)站沒有條件安裝軌道衡，安全監(jiān)控僅憑人來卡控，時有超偏載情況發(fā)生，不能有效保證運(yùn)輸安全。

（1）安裝位置不合理。因歷史原因，哈爾濱局集團(tuán)公司管內(nèi)大部分超偏載檢測裝置當(dāng)初的安裝目的是為了控制本站裝車，安裝的位置在站內(nèi)而并非進(jìn)出站咽喉，所檢測車列大部分為本站裝車，由于安裝位置原因，調(diào)車作業(yè)通過的次數(shù)較多，與確報信息匹配率較低。通常一個貨運(yùn)站只能安裝一處軌道衡，貨場接發(fā)貨車需要通過軌道衡進(jìn)行測量，加之調(diào)車作業(yè)頻繁，影響運(yùn)輸效率。

（2）環(huán)境影響較為突出。哈爾濱局集團(tuán)公司地處北方，冬季氣候惡劣，計量安全檢測設(shè)備傳感器易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。雖然2020 年入冬前已組織維修維護(hù)人員對貨運(yùn)計量安全檢測設(shè)備安裝了防凍墊，但是仍有14 臺超偏載檢測裝置因位置原因無法安裝防凍墊，必須隨時關(guān)注和檢查傳感器狀態(tài)，避免春融期間晝化夜凍，影響傳感器的性能。

（3）設(shè)備管理質(zhì)量偏低。哈爾濱局集團(tuán)公司管內(nèi)已有20 臺超偏載檢測裝置、26 臺軌道衡超過3 年大修期限，目前設(shè)備老化嚴(yán)重，故障率較高。部分車站對計量安全檢測設(shè)備使用不夠重視，不能按照要求進(jìn)行設(shè)備周檢工作，無周檢記錄，存在冬季除雪不及時的現(xiàn)象，在管理上重視不足。

超偏載檢測安全預(yù)警裝置是可以預(yù)防貨車超載、偏載、偏重的安全預(yù)警設(shè)備，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超偏載信息時，可以實現(xiàn)直接定位到問題車輛的位置，并提供歷史車輛與報警情況的數(shù)據(jù)查詢等。研究設(shè)計超偏載檢測安全預(yù)警裝置，可以測量并保存貨車通過設(shè)備時的行駛方向、速度及每個車輪的重量等信息，判斷貨車經(jīng)過設(shè)備時是否存在超載、偏載、偏重，保障貨物裝載安全。設(shè)計時應(yīng)綜合考慮各類站場安裝環(huán)境的適應(yīng)性、安裝方式簡單方便、功耗低等要素，以解決現(xiàn)有超偏載檢測裝置成本高、安裝不能覆蓋全部裝車站及影響運(yùn)輸效率的現(xiàn)實問題[1]。

1.2 設(shè)備組成

超偏載檢測安全預(yù)警裝置由測重傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、超偏載檢測軟件等組成。超偏載檢測安全預(yù)警裝置組成示意圖如圖1 所示。

（1）測重傳感器。測重傳感器是橋平衡式低頻信號傳感器，當(dāng)車輛通過測重傳感器時，車輪的重力使鋼軌產(chǎn)生了應(yīng)力變化，作用在測重傳感器上，產(chǎn)生車重低頻信號，該信號經(jīng)過降噪、濾波、放大等處理后輸出到下一級處理。

圖1 超偏載檢測安全預(yù)警裝置組成示意圖Fig.1 Composition of safety warning device for out-of-gauge and shift loading detection

（2）數(shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元采用32 位浮點微控制器作為主控CPU，實時控制子系統(tǒng)采用 TI的 32 位 C28x 浮點CPU，具有 100 MHz 的信號處理性能。數(shù)據(jù)采集單元接收側(cè)重傳感器獲取的車重低頻信號，并輸出信號的幅頻特性，采用數(shù)字低通濾波器進(jìn)行高頻濾波，濾掉高頻干擾，保留真實低頻有效測重信號，有效測重信號通過數(shù)據(jù)采集單元的CAN 接口發(fā)送到通信轉(zhuǎn)換盒，由通信轉(zhuǎn)換盒將CAN總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)，通過局域網(wǎng)絡(luò)上傳給上位機(jī)的超偏載軟件進(jìn)行分析處理。

（3）超偏載檢測軟件。超偏載檢測軟件接收到有效測重信號后，依據(jù)信號幅值的大小等信息計算列車通過速度，根據(jù)前后轉(zhuǎn)向架的距離及車體間的間距及各車輪位置的邏輯關(guān)系，分析出每輛車各軸的軸重，從而計算出前轉(zhuǎn)向架重量、后轉(zhuǎn)向架重量和車輛的總重。超偏載檢測軟件可以將查詢、調(diào)零、配置等通信數(shù)據(jù)通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送到通信轉(zhuǎn)換盒，由通信轉(zhuǎn)換盒將數(shù)據(jù)以CAN 總線方式發(fā)送到測重數(shù)據(jù)采集單元[2]。

1.3 檢測流程

超偏載檢測安全預(yù)警裝置采用多任務(wù)多線程的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)保存的功能。通過TCP/IP 協(xié)議讀取或設(shè)置信號采集單元的信息。當(dāng)無車測量時，軟件會對測重傳感器組進(jìn)行實時查詢，可通過發(fā)送調(diào)零設(shè)置命令，對傳感器組的零點數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，防止測重傳感器的信號幅值漂移，避免因測量數(shù)據(jù)偏差較大而導(dǎo)致的誤報警。當(dāng)待測車輛通過時，超偏載檢測軟件接收到的測重數(shù)據(jù)，即對數(shù)據(jù)進(jìn)行分箱處理，不同測重傳感器數(shù)據(jù)分組存放，根據(jù)獲取數(shù)據(jù)的先后時間判斷來車方向與車輛實時速度。車輛通過后進(jìn)行軸數(shù)計算，按照軸信息數(shù)據(jù)分析生成車輛信息，并計算出車輛的測重信息。依據(jù)報警門限值，對車輛信息進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)保存，如有報警信息，將報警詳細(xì)信息以不同顏色分類顯示提示，供現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控人員參考。超偏載檢測安全預(yù)警裝置檢測流程如圖2 所示。

2 超偏載檢測安全預(yù)警裝置功能模塊設(shè)計

2.1 功能模塊

2.1.1 測重信號處理

圖2 超偏載檢測安全預(yù)警裝置檢測流程圖Fig.2 Inspection process of out-of-gauge and shift loading inspection safety warning device

測重傳感器采用橋平衡低頻信號傳感器，當(dāng)車輛通過測重傳感器時，車輪的重力使鋼軌產(chǎn)生了應(yīng)力變化，作用在測重傳感器上，產(chǎn)生車重低頻信號，該信號經(jīng)過降噪、濾波、放大等處理后輸出到下一級處理。由于測重傳感器的測重信號是由鋼軌受到重力后產(chǎn)生的微量形變產(chǎn)出的，而鋼軌的受力形變量還要受到很多因素的影響，其中包括環(huán)境的溫濕度及車輛的運(yùn)行速度等。

環(huán)境的溫濕度對于測重信號幅值有一定影響。在不同的溫濕度環(huán)境下，鋼軌的受力形變量是不同的。在車輛測量過程中，當(dāng)經(jīng)過輪軸較多后，由于摩擦生熱的原理，鋼軌的溫度也會隨之不斷升高。根據(jù)這一特性，添加了環(huán)境溫濕度監(jiān)測，可根據(jù)環(huán)境狀態(tài)的變化對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，進(jìn)而提高測量的精確度。

車輛的運(yùn)行速度對于測重信號幅值的影響是最大的。同等質(zhì)量的輪軸經(jīng)過的速度不同，其測重信號的幅值也不同。速度越大，測重信號幅值就越大。測量車輛通行中前后轉(zhuǎn)向架的實時速度也是非常重要的。同側(cè)鋼軌上安裝的測重傳感器位置相距1 m，可根據(jù)2 組測重頭的距離與軸數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間差計算列車通過實時速度，利用實時速度計算得出的測重數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度更高[3]。

2.1.2 智能校準(zhǔn)

受大數(shù)據(jù)與人工智能的啟發(fā)，在計軸時，引入了智能校驗的理念。智能校準(zhǔn)是在4 組測重頭之間相互比較，互相學(xué)習(xí)的過程，包含橫向校準(zhǔn)與縱向校準(zhǔn)2 個方面。橫向校準(zhǔn)，即鋼軌兩邊同一位置的測重頭(如測重頭1 與測重頭3，或者測重頭2 與測重頭4)計算所得軸數(shù)應(yīng)相等，可進(jìn)行橫向軸數(shù)的校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中，發(fā)現(xiàn)丟失軸時，可根據(jù)丟失數(shù)據(jù)軸的縱向相鄰軸將丟失數(shù)據(jù)找回[4]?？v向校準(zhǔn)，待測車輛整車通過時，即一側(cè)鋼軌上的測重頭(如測重頭1 與測重頭2，或者測重頭3 與測重頭4)計算所得軸數(shù)應(yīng)相等，可進(jìn)行縱向校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中，發(fā)現(xiàn)丟失軸時，可根據(jù)丟失數(shù)據(jù)軸的橫向相鄰軸將丟失數(shù)據(jù)找回。智能校準(zhǔn)示意圖如圖3 所示[5]。

2.1.3 報警功能

根據(jù)鐵路貨運(yùn)計量安全檢測設(shè)備運(yùn)用管理規(guī)則對超偏載檢測報警功能進(jìn)行設(shè)置。針對超載、偏載、偏重3 類分別定義一般和嚴(yán)重兩級報警。當(dāng)檢測數(shù)據(jù)大于貨車容許載重量5 t，但未達(dá)到嚴(yán)重程度的為一般超載，大于貨車容許載重量10 t 為嚴(yán)重超載；當(dāng)貨物總重心投影距車輛縱中心線距離大于100 mm 為一般偏載，貨物總重心投影距車輛縱中心線距離大于150 mm 為嚴(yán)重偏載；當(dāng)貨車兩轉(zhuǎn)向架承受重量之差大于10 t 為一般偏重，貨車兩轉(zhuǎn)向架承受重量之差大于15 t 為嚴(yán)重偏重。超偏載檢測兩級報警定義如表1所示[6]。

表1 超偏載檢測兩級報警定義表Tab.1 Two-level alarm definition for out-of-gauge and shift loading detection

2.2 應(yīng)用管理對策

為加強(qiáng)和規(guī)范超偏載檢測安全預(yù)警裝置運(yùn)用管理，發(fā)揮設(shè)備的安全監(jiān)控和防范作用，依據(jù)《中華人民共和國鐵路法》《中華人民共和國計量法》《鐵路安全管理條例》等法律法規(guī)和國鐵集團(tuán)有關(guān)規(guī)定，制定了《哈爾濱局集團(tuán)公司貨運(yùn)計量安全檢測設(shè)備運(yùn)用管理實施細(xì)則》。遵循主管負(fù)責(zé)、逐級負(fù)責(zé)、專業(yè)管理、預(yù)防為主的基本原則，規(guī)范超偏載檢測安全預(yù)警裝置運(yùn)用管理。

2.2.1 日常應(yīng)用管理

（1）明確責(zé)任分工。哈爾濱局集團(tuán)公司貨運(yùn)部應(yīng)充分利用超偏載檢測安全預(yù)警裝置及時掌握管內(nèi)超偏載報警車動態(tài)，并納入每日交班內(nèi)容。對嚴(yán)重超偏載報警車，日常超偏載盯控人員、裝卸車質(zhì)量主管人員和設(shè)備運(yùn)用管理主管人員應(yīng)加強(qiáng)溝通和協(xié)作，按責(zé)任分工加強(qiáng)原因分析、跟蹤處理過程，并指定專人3 日內(nèi)反饋給上級管理部門。

圖3 智能校準(zhǔn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of intelligent calibration

（2）規(guī)范設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。申請納入聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的超偏載檢測安全預(yù)警裝置應(yīng)是已經(jīng)過首檢合格并在檢定有效期內(nèi)的設(shè)備；在提交聯(lián)網(wǎng)申請時，應(yīng)同時附設(shè)備首檢或周期檢定合格證明、設(shè)備測點名稱，集團(tuán)公司貨運(yùn)部以局電或局函形式報國鐵集團(tuán)貨運(yùn)部。

（3）加強(qiáng)數(shù)據(jù)保管。加強(qiáng)對數(shù)據(jù)和有關(guān)資料保管，原始數(shù)據(jù)保存至少3 年，有關(guān)檢修維護(hù)記錄保存至少1 年。

（4）強(qiáng)化日?？己?。哈爾濱局集團(tuán)公司貨運(yùn)部負(fù)責(zé)制定并動態(tài)優(yōu)化超偏載檢測安全預(yù)警裝置設(shè)備運(yùn)用考核指標(biāo)，定期組織對站段貨運(yùn)計量系統(tǒng)及相關(guān)計量安全檢測設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量進(jìn)行考核和通報。

（5）嚴(yán)肅問題追責(zé)。哈爾濱局集團(tuán)公司組織管內(nèi)各站段制定設(shè)備調(diào)試和日常維護(hù)管理辦法，不得擅自屏蔽、過濾、修改檢測數(shù)據(jù)，不得影響正常檢測工作，對引起安全問題得不到及時發(fā)現(xiàn)甚至導(dǎo)致事故的將嚴(yán)格追究責(zé)任[7]。

2.2.2 信息系統(tǒng)維護(hù)

將超偏載檢測裝置、軌道衡納入到集團(tuán)公司貨運(yùn)安全信息管理系統(tǒng)，充分利用貨運(yùn)計量系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)用管理電子化臺賬的大數(shù)據(jù)分析作用，找出問題多發(fā)的設(shè)備，加強(qiáng)日常盯控，暢通維修渠道，減少設(shè)備故障影響。

（1）建立管理制度。應(yīng)按照《信息系統(tǒng)安全等級保護(hù)基本要求》三級要求進(jìn)行管理，制定并落實系統(tǒng)服務(wù)器安全、操作安全、應(yīng)用軟件管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理、計算機(jī)病毒防范、應(yīng)急處置等方面的安全管理制度，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全和數(shù)據(jù)安全。

（2）加強(qiáng)服務(wù)器管控。應(yīng)將超偏載檢測安全預(yù)警裝置服務(wù)器統(tǒng)一放置在集團(tuán)公司信息技術(shù)所及站段計算機(jī)房內(nèi)，并由其管理。機(jī)房應(yīng)提供充足的不間斷電源容量，保證服務(wù)器7×24 h 不間斷工作。機(jī)房建設(shè)應(yīng)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)器、監(jiān)控終端計算機(jī)禁止安裝無關(guān)的軟件和硬件。

（3）及時更新信息。檢定完成后或檢衡車重量發(fā)生變化時，集團(tuán)公司質(zhì)監(jiān)所應(yīng)及時通過貨運(yùn)計量系統(tǒng)更新超偏載檢測安全預(yù)警裝置有關(guān)信息。

（4）規(guī)范故障定級。因計算機(jī)設(shè)備硬件故障、軟件故障和違反規(guī)定操作、安全防范措施不力、技術(shù)設(shè)備不良及其他原因,造成貨運(yùn)計量系統(tǒng)設(shè)備損壞、信息泄漏、毀損、丟失，影響本系統(tǒng)正常運(yùn)行，對運(yùn)輸生產(chǎn)造成損失的，均列為本系統(tǒng)運(yùn)行故障。

（5）優(yōu)化用戶管理。應(yīng)在保證系統(tǒng)信息安全、保密、簡化流程、提高用戶調(diào)整的工作效率的前提下，對超偏載檢測安全預(yù)警裝置進(jìn)行用戶配置。用戶配置工作應(yīng)結(jié)合機(jī)構(gòu)調(diào)整、人員變動等情況同步及時完成，不得影響正常監(jiān)控工作。

2.2.3 應(yīng)急預(yù)案構(gòu)建

（1）明確責(zé)任主體。各使用單位應(yīng)制定超偏載檢測安全預(yù)警裝置發(fā)生各類故障時的應(yīng)急預(yù)案，明確應(yīng)急處置責(zé)任主體和安全保障具體措施，保證應(yīng)急處置統(tǒng)一指揮，處置有序、高效。

（2）完善處理流程。各使用單位除按設(shè)備故障規(guī)定流程辦理外，應(yīng)及時向集團(tuán)公司貨運(yùn)部、質(zhì)監(jiān)所、信息技術(shù)所報告，報告內(nèi)容包括：車站、地點、故障發(fā)生時間、概況、原因初步判斷、處置情況等。集團(tuán)公司質(zhì)監(jiān)所在發(fā)現(xiàn)或接到故障報告后應(yīng)立即進(jìn)行故障分析和處理，確保在最短時間內(nèi)恢復(fù)正常使用。一般故障應(yīng)在24 h 內(nèi)修復(fù)，如設(shè)備損壞嚴(yán)重，應(yīng)及時啟動小修或大修程序，確保在最短時間內(nèi)恢復(fù)正常使用[8]。

3 結(jié)束語

隨著鐵路貨運(yùn)裝車品類繁雜，裝車量逐年上升，對貨物裝載質(zhì)量提出新的要求，同時也對裝載安全檢測能力提出更高的挑戰(zhàn)。超偏載檢測安全預(yù)警裝置的設(shè)計研發(fā)有效解決了貨物超偏載檢測盲點問題，通過現(xiàn)場實驗驗證，能夠滿足現(xiàn)場安全預(yù)警卡控需要，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、問題報警等功能，實現(xiàn)散裝貨物裝載進(jìn)行全天候、全方位、全過程的安全檢測監(jiān)控，有效保障鐵路貨物裝載安全，提高鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)效率。