新型電客車車載軌行區(qū)全斷面巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳賽甲、竇鵬、舒叢叢

(1.天津津鐵城市軌道交通工程有限公司，天津 300000；2.天津新譽(yù)德泰技術(shù)有限公司，天津 300000）

1 技術(shù)背景

軌行區(qū)的安全對(duì)于高鐵、地鐵等電客車的安全運(yùn)行具有非常重要的意義。目前，常使用光源相機(jī)、線陣相機(jī)、激光雷達(dá)等對(duì)軌行區(qū)的軌面、道床和水溝進(jìn)行信息采集、分析，從而獲得軌面、道床和水溝的狀況[1]。然而，由于電客車軌道的分布通常并不是嚴(yán)格意義上的在同一水平面內(nèi)，導(dǎo)致安裝在電客車底部的光源相機(jī)、線陣相機(jī)、激光雷達(dá)等會(huì)隨電客車運(yùn)行而出現(xiàn)偏斜的問(wèn)題；再加上運(yùn)行過(guò)程中軌面受電客車運(yùn)動(dòng)摩擦影響，致使軌面、道床和水溝的溫度升高，產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，從而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，現(xiàn)有技術(shù)中通常將光源相機(jī)、線陣相機(jī)、激光雷達(dá)等直接安裝在電客車靠近車頭的位置，而在車頭還有與應(yīng)答器進(jìn)行配合的應(yīng)答器處理設(shè)備，致使車頭處的重力加大，同時(shí)也使車頭處的風(fēng)阻增大[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提供一種新型電客車車載軌行區(qū)全斷面巡檢系統(tǒng)，結(jié)合液氫和硅脂的降溫作用使軌面受車輪摩擦發(fā)熱的影響進(jìn)一步減少，同時(shí)利用陀螺儀配合控制模塊的設(shè)計(jì)減少車頭處的重力、降低車頭處的風(fēng)阻。該系統(tǒng)解決了在采集電客車車載軌行區(qū)軌面、道床和水溝信息時(shí)，軌道不能保持水平以及摩擦發(fā)熱對(duì)分析結(jié)果的影響。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所提出的新型電客車車載軌行區(qū)全斷面巡檢系統(tǒng)主要由巡檢組件、車載主機(jī)和GPS 定位模塊組成。其中，巡檢組件是核心部件，用于對(duì)軌面、道床、水溝進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集，并將信息采集的結(jié)果以及GPS 定位模塊的定位信息通過(guò)車載主機(jī)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。巡檢組件結(jié)構(gòu)的正面和背面分別如圖1 和

圖1 巡檢組件結(jié)構(gòu)的正面

圖2 巡檢組件結(jié)構(gòu)的背面

另外，熱成像儀、激光雷達(dá)固定于外箱的下側(cè)壁，上板在寬度方向的側(cè)面固定有位于熱成像儀前側(cè)的降溫噴頭，其內(nèi)部設(shè)有容納硅脂的空腔，外側(cè)設(shè)有擋板，可以防止氫氣攜帶的硅脂顆粒對(duì)線陣相機(jī)的記錄過(guò)程產(chǎn)生干擾。同時(shí)，利用導(dǎo)管連接降溫噴頭和液氫罐。激光雷達(dá)、熱成像儀、光源相機(jī)、線陣相機(jī)、陀螺儀、GPS 定位模塊和制動(dòng)器等與上板下側(cè)面的控制模塊電氣連接[3]。

全斷面巡檢系統(tǒng)如圖3 所示，車載主機(jī)帶有外箱和上板，外箱的內(nèi)壁之間有橫梁固定連接，上板的上側(cè)面安裝有液氫罐和伺服電機(jī)，液氫罐上設(shè)置有電磁閥，電磁閥與控制模塊電性連接。伺服電機(jī)在轉(zhuǎn)子的尾端處設(shè)置有制動(dòng)器。上板下側(cè)面固定有連接板、陀螺儀和控制模塊，連接板和橫梁活動(dòng)連接。

圖3 全斷面巡檢系統(tǒng)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

巡檢系統(tǒng)工作時(shí)，在電客車啟動(dòng)前2s 打開液氫罐連接的電磁閥，液氫罐內(nèi)的氫氣經(jīng)過(guò)導(dǎo)管到達(dá)噴頭時(shí)，在導(dǎo)管內(nèi)壁處產(chǎn)生吸力，利用毛細(xì)通道將外殼內(nèi)的硅脂吸入導(dǎo)管內(nèi)，在氫氣的攜帶下從噴頭噴出；在電客車快速駛過(guò)時(shí)，兩側(cè)產(chǎn)生的吸力將隨氫氣噴出的硅脂粒吸到軌面上；熱成像儀配合線陣相機(jī)和光源相機(jī)，記錄到硅脂落到軌面時(shí)軌面的溫度變化，控制模塊將線陣相機(jī)、光源相機(jī)和熱成像儀記錄的信息傳送至地面數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，并推送至分析終端，從而得到軌面變形、磨損情況。利用硅脂顆粒的落點(diǎn)信息，結(jié)合在分析終端建立的軌面三維模型，進(jìn)一步對(duì)軌面的變形和磨損進(jìn)行確定。其間，由于氫氣以及硅脂顆粒的降溫作用，使軌面受車輪摩擦發(fā)熱的影響進(jìn)一步減少。在此過(guò)程中，外箱底部設(shè)置的電子標(biāo)簽定位裝置與電客車前進(jìn)路徑上的電子標(biāo)簽配合進(jìn)行定位，即可知軌面在電客車前進(jìn)方向的哪個(gè)位置發(fā)生變形、磨損。同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)識(shí)別鋼軌傷損、聯(lián)結(jié)零件缺失、移位、道床和水溝異物入侵、道床裂紋、道岔病害等軌行區(qū)病害以及關(guān)鍵位置圖像抓取。

如果陀螺儀配合控制模塊發(fā)現(xiàn)上板偏斜，則控制模塊快速根據(jù)偏斜角度控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺旋錐的表面對(duì)橫梁的壓緊狀態(tài)發(fā)生改變，轉(zhuǎn)軸兩端的螺旋錐即可使橫梁帶動(dòng)外箱偏轉(zhuǎn)，從而回到水平位置。

巡檢系統(tǒng)的相關(guān)檢測(cè)參數(shù)如表1 所示。根據(jù)相關(guān)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行圖像采集，以實(shí)時(shí)識(shí)別軌行區(qū)病害及抓取關(guān)鍵位置圖像，將病害圖片及線路信息發(fā)送到車輛段的服務(wù)器，在服務(wù)器進(jìn)行二次識(shí)別并精細(xì)分類，將最終篩選的病害信息推送到客戶端及移動(dòng)端。服務(wù)器可同時(shí)接入多種檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和服務(wù)，以便在電客車運(yùn)行期間及時(shí)發(fā)現(xiàn)外在隱患，保證車廂的安全并為后續(xù)維修提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)。在巡檢組件水平狀態(tài)下進(jìn)行巡檢以及配合氫氣和硅脂的降溫作用，確保軌面記錄更加清晰。

表1 巡檢系統(tǒng)的相關(guān)檢測(cè)參數(shù)

4 系統(tǒng)應(yīng)用

將所設(shè)計(jì)的車載軌道巡檢系統(tǒng)應(yīng)用于天津地鐵4號(hào)線，車載軌道巡檢采集程序如圖4 所示，可以實(shí)時(shí)采集圖像和線路信息，保存和壓縮原始圖像，為病害識(shí)別提供數(shù)據(jù)支持。

圖4 車載軌道巡檢采集程序

巡檢識(shí)別程序界面如圖5 所示，界面可以顯示實(shí)時(shí)識(shí)別的時(shí)間結(jié)果和識(shí)別通道、采集的各通道圖像，標(biāo)記病害并發(fā)送給傳輸程序。圖6 中的圖像報(bào)告很好地驗(yàn)證了巡檢識(shí)別界面的積水和異物侵限情況。其他各項(xiàng)參數(shù)也可以很好地得到驗(yàn)證。

圖5 巡檢識(shí)別程序界面

圖6 圖像報(bào)告

利用該系統(tǒng)可以對(duì)4 號(hào)線沿線各站的病害信息進(jìn)行仔細(xì)檢查。分析得到的數(shù)據(jù)結(jié)果清晰地顯示出病害類型，以及是在哪一站出現(xiàn)的問(wèn)題，利于提前清除病害，減少電客車運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率，極大地保證乘客的生命安全，同時(shí)解放大量的人力，避免夜間工作帶來(lái)的各種問(wèn)題。此外，巡檢系統(tǒng)還可以有效地發(fā)現(xiàn)更多被忽略的病害信息。

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)將新型電客車車載軌行區(qū)全斷面巡檢系統(tǒng)的檢測(cè)模塊安裝在天津地鐵4 號(hào)線電客車上進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

一是該系統(tǒng)可以對(duì)全斷面進(jìn)行巡視、記錄圖像、實(shí)時(shí)識(shí)別軌行區(qū)病害及抓取關(guān)鍵位置圖像，有效地指導(dǎo)維修作業(yè)，保障運(yùn)營(yíng)安全。

二是可以實(shí)現(xiàn)人員成本的縮減。

三是可為后續(xù)軌道巡檢系統(tǒng)的研究提供新的思路。