鐵路貨車輪對(duì)運(yùn)用狀態(tài)綜合檢測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王 昊 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京東車輛段

1 引言

隨著中國(guó)鐵路的快速發(fā)展，現(xiàn)行的鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)（5T系統(tǒng)）主要是用于檢查運(yùn)行車輛的軸溫、軸承早期故障、列車超偏載以及車輛側(cè)部底部故障等情況，對(duì)車輪狀況的檢查內(nèi)容僅限于踏面擦傷、剝離的預(yù)報(bào)，但是由于缺少踏面缺陷的實(shí)際圖像，無(wú)法查看踏面損傷的具體情況。另外對(duì)運(yùn)行車輛車輪輪緣厚度、輪緣垂直磨耗、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距、踏面圓周磨耗、輪輞厚度等外形尺寸參數(shù)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，這就需要在進(jìn)行車輛技術(shù)作業(yè)時(shí)投入大量的人力對(duì)車輪狀態(tài)進(jìn)行人工檢查，大大影響運(yùn)輸效率和車輛運(yùn)行質(zhì)量。

在輪對(duì)外形尺寸檢測(cè)檢測(cè)方面，國(guó)外已研究多年并已有成熟系統(tǒng)在使用。但大部分輪對(duì)尺寸檢測(cè)設(shè)備只能在列車低速狀態(tài)下（低于30 km/h），實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)車輪輪緣寬度、輪緣高度等參數(shù)的檢測(cè)，如何實(shí)現(xiàn)在列車高速運(yùn)行狀態(tài)下仍然可以準(zhǔn)確的檢測(cè)輪對(duì)尺寸一直是貨物列車運(yùn)用的難題。

隨著科技的發(fā)展，激光圖像采集測(cè)量以及高速相機(jī)圖片處理技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛且成熟，我們根據(jù)其原理研究出鐵路貨車輪對(duì)運(yùn)用狀態(tài)綜合檢測(cè)系統(tǒng)，采用激光圖像檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)高速車輪輪對(duì)尺寸和踏面的在線檢測(cè)。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

檢測(cè)系統(tǒng)主要由安裝在軌道兩側(cè)的12 個(gè)激光線光源和CMOS 相機(jī)組成外形尺寸測(cè)量單元，10 組CCD 相機(jī)組成踏面圖像單元。外形尺寸測(cè)量單元利用激光圖像測(cè)量技術(shù)，將內(nèi)側(cè)和外側(cè)激光以不同角度投射到車輪踏面，并在車輪踏面上形成完整的激光輪廓線，將相機(jī)與光入射方向成一定角度拍攝車輪外形光截曲線，經(jīng)圖像采集、處理獲得車輪外形尺寸。踏面圖像單元通過(guò)布置在軌道外側(cè)CCD 相機(jī)組對(duì)通過(guò)的踏面進(jìn)行圖像采集，通過(guò)數(shù)字圖像采集、邊緣檢測(cè)和模式設(shè)別得到合成后的踏面圓周圖像。

外形尺寸檢測(cè)單元中，由激光線光源、相機(jī)及被測(cè)對(duì)象組成三角測(cè)量（如圖1），多個(gè)激光線光源和相機(jī)共同構(gòu)成了多個(gè)三角測(cè)量單元。為了有效得到快速通過(guò)車輛的踏面激光輪廓線，在車輪前后側(cè)冗余布置了三角測(cè)量單元（如圖2）。

圖1 三角測(cè)量單元

圖2 多組三角測(cè)量單元

踏面圖像檢測(cè)單元主要由布置在軌道兩側(cè)的10 組CCD相機(jī)組成，其中CCD 相機(jī)、補(bǔ)償光源和控制系統(tǒng)集成在同一個(gè)檢測(cè)單元中，測(cè)量單元體積較小，安裝簡(jiǎn)便（如圖3）。

圖3 踏面圖像軌旁布局

外形尺寸檢測(cè)單元采用箱體式設(shè)計(jì)，相機(jī)和激光線光源通過(guò)玻璃窗口獲取外界圖像，從而保證箱體的密封性，能夠有效的防水、防塵，箱體外側(cè)設(shè)計(jì)有自動(dòng)保護(hù)罩，待機(jī)狀態(tài)下，保護(hù)罩處于關(guān)閉狀態(tài)。踏面圖像檢測(cè)單元同樣設(shè)計(jì)有自動(dòng)保護(hù)罩，在檢測(cè)狀態(tài)下，保護(hù)罩自動(dòng)打開(kāi)，待機(jī)狀態(tài)下，保護(hù)罩關(guān)閉，保護(hù)其內(nèi)部相機(jī)和補(bǔ)償光源。

2.2 數(shù)據(jù)分析處理方法

對(duì)外形尺寸檢測(cè)單元采集的數(shù)據(jù)處理，主要由三部分完成：

第一步，通過(guò)軟件自動(dòng)采集標(biāo)定塊的圖像。開(kāi)始采集后，標(biāo)定塊（如圖4）以固定間隔距離從開(kāi)始位置移動(dòng)到停止位置，在每個(gè)固定間隔位置軟件采集表標(biāo)定塊的圖像。

圖4 標(biāo)定裝置及采集圖像

第二步，從所有采集到的圖像中進(jìn)行標(biāo)定線的識(shí)別。軟件顯示所有位置的采集圖像，根據(jù)霍夫變換理論提取出所有標(biāo)定線。

第三步，提取出所有標(biāo)定線的交叉點(diǎn)，完成像素到實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換。軟件會(huì)選取所有所需的交叉點(diǎn)，并根據(jù)之前標(biāo)定塊移動(dòng)的固定間隔距離，對(duì)所有交叉點(diǎn)進(jìn)行距離標(biāo)示，所有交叉點(diǎn)完成距離標(biāo)示后進(jìn)行像素點(diǎn)對(duì)實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換。

3 硬件組成及安裝

綜合檢測(cè)系統(tǒng)需安裝6 組車輪狀態(tài)傳感器，其中距離檢測(cè)中心區(qū)域50 m 前后各安裝一組進(jìn)線和離線車輪狀態(tài)傳感器，用于檢測(cè)貨車進(jìn)入和離開(kāi)檢測(cè)區(qū)（如圖5）。檢測(cè)中心區(qū)域布置四組車輪狀態(tài)傳感器，用于控制采集系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

圖5 系統(tǒng)布局圖示意圖

外形尺寸檢測(cè)單元在特殊預(yù)應(yīng)力混凝土枕上安裝，需要對(duì)既有線路軌枕進(jìn)行更換，根據(jù)工務(wù)部門線路管理要求以及正線軌旁設(shè)備安裝規(guī)定，按照550 mm、700 mm、550 mm 的間距連續(xù)布置4 根特制枕。完成安裝后，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到車輛進(jìn)線信號(hào)，系統(tǒng)從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，車輛到達(dá)各檢測(cè)區(qū)域時(shí)，保護(hù)罩自動(dòng)打開(kāi)，觸發(fā)激光，同時(shí)照相機(jī)采集車輪圖像。軌邊探測(cè)站內(nèi)的分析處理服務(wù)器會(huì)自動(dòng)分析采集到的輪對(duì)數(shù)據(jù)，通過(guò)既有鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)，將分析得到的檢測(cè)結(jié)果，上傳至列檢監(jiān)控服務(wù)器并在 BS 報(bào)表中顯示。在檢測(cè)到車輛離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域后，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉保護(hù)罩，并重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一列車到來(lái)。（如圖6所示）

圖6 系統(tǒng)檢測(cè)流程簡(jiǎn)圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

鐵路貨車輪對(duì)運(yùn)用狀態(tài)綜合檢測(cè)系統(tǒng)于2019 年底在中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)公司南京東車輛段京滬線（南京東）上行正線開(kāi)始安裝，2020年完成調(diào)試并開(kāi)始試運(yùn)行。

4.1 輪對(duì)數(shù)據(jù)檢測(cè)報(bào)警準(zhǔn)確性

我們對(duì)綜合檢測(cè)系統(tǒng)自2021 年1 月1 日至2021 年6 月25日的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其對(duì)通過(guò)南京東車輛段上行場(chǎng)各型鐵路貨車如C70、P65、P70、X70、NX70、JSQ6 等車種車型的貨車輪對(duì)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)貨運(yùn)列車6 213 列，其中，綜合檢測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證性試運(yùn)行階段檢測(cè)列車1 788 列，正常使用階段檢測(cè)列車4 425 列，全部共檢測(cè)貨運(yùn)列車編組315 053 編組、輪對(duì)1 260 212對(duì)。

系統(tǒng)應(yīng)用期間共計(jì)預(yù)報(bào)超出設(shè)定報(bào)警門限的數(shù)據(jù)384條，經(jīng)人工復(fù)核系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差在±0.5 mm以內(nèi)的數(shù)據(jù)355條，準(zhǔn)確率為92.45%，同時(shí)查出超出運(yùn)用限度并進(jìn)行扣車處理的問(wèn)題輪對(duì)有8次，均為踏面圓周磨耗超限輪對(duì)。

4.2 系統(tǒng)與環(huán)境適應(yīng)性情況

檢測(cè)系統(tǒng)使用情況穩(wěn)定，完全滿足在正線高速戶外環(huán)境下的使用要求，尤其是經(jīng)歷了從低溫、雨雪到暑期的高溫環(huán)境下的全天候戶外使用考驗(yàn)。通過(guò)實(shí)際的檢測(cè)案例與人工檢測(cè)對(duì)比，驗(yàn)證了系統(tǒng)原理的正確性、技術(shù)的先進(jìn)性和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試運(yùn)行期間線路旁既有設(shè)備為TFDS、THDS設(shè)備及其各自自有的鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證對(duì)既有線路運(yùn)營(yíng)無(wú)影響及與線路旁既有設(shè)備不會(huì)相互干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路貨車輪對(duì)運(yùn)用狀態(tài)綜合檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)利用激光圖像采集測(cè)量以及高速相機(jī)圖片處理技術(shù)，能夠?qū)\(yùn)行中的貨車輪對(duì)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，有效判定踏面圓周磨耗、輪緣厚度、輪輞厚度、輪緣垂直磨耗等參數(shù)是否超出運(yùn)用要求的限度，能夠及早發(fā)現(xiàn)車輪踏面損傷及外形尺寸超限，解決了大量人工檢查輪對(duì)影響列車檢車效率的問(wèn)題。

新運(yùn)規(guī)中到達(dá)列車人機(jī)分工人工檢查范圍和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)較原有的要求做了較大的改進(jìn)，但受制于車輛輪對(duì)的自動(dòng)檢查技術(shù)手段，依然規(guī)定對(duì)車輪輪緣垂直磨耗，內(nèi)側(cè)缺損，踏面擦傷、剝離、局部凹下、缺損、圓周磨耗，輪緣厚度，輪輞厚度，輪輞缺損進(jìn)行人工檢查。綜合檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用后可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)檢查，不再需要人工檢查，既能提高檢查質(zhì)量，又能減少列檢作業(yè)人員，提高列車檢查效率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，全路推廣使用后可以為鐵路貨車列檢作業(yè)方式改革特別是到達(dá)列車作業(yè)方式的進(jìn)一步改革提供裝備技術(shù)保障，在鐵路貨車檢修、鐵路貨車運(yùn)輸方面的“降本、提質(zhì)、增效”上發(fā)揮極大的作用。