關(guān)于不落輪鏇智能牽引對位系統(tǒng)的研究

杜新偉，石曉飛，肖亞運，楊大順

（中國鐵路廣州局集團有限公司 廣州動車段，1.高級工程師，2、3、4.工程師，廣東 廣州 511483）

0 引言

動車組在運行一段里程后，輪對表面會存在磨損、缺陷，嚴重時影響動車組運行安全和品質(zhì)，輪對定期鏇修是消除踏面缺陷的一種防范措施。動車組約每運行25 萬公里就要鏇修一次，每列動車組每年平均要進行至少3次全列鏇輪作業(yè)和3次臨修作業(yè)，鏇修作業(yè)頻次高。當動車組進行鏇修作業(yè)時，需要公鐵兩用車拖動動車組對位，每完成一次鏇修定位都需要1名公鐵兩用車司機、1名鏇輪工、1名庫外車尾聯(lián)防等3人共同配合完成。

現(xiàn)有的多人協(xié)同配合的動車組對位模式，對位效率低、作業(yè)環(huán)境惡劣等弊端是制約鏇輪產(chǎn)能的主要因素。因此開發(fā)一套自動化、智能化的牽引對位系統(tǒng)，建立新型的智能牽引對位作業(yè)模式成為在動車組鏇修作業(yè)中亟待解決的問題。

1 傳統(tǒng)牽引對位作業(yè)現(xiàn)狀

在動車組開展鏇修作業(yè)時，每完成一個轉(zhuǎn)向架輪對的鏇修作業(yè)時，就需要公鐵車司機啟動公鐵兩用車拖動動車組開展輪對對位工作，確保輪對準確停止在鏇輪設(shè)備的驅(qū)動輪夾持頂起區(qū)域。一個標準動車組有16 個轉(zhuǎn)向架，對于雙軸鏇輪機，至少要開展牽引對位作業(yè)16次（單軸鏇輪機32次），才能完成整組鏇輪作業(yè)。每開展一次牽引對位作業(yè)耗時約在12 分鐘左右，一個標準組對位作業(yè)平均耗時190 分鐘。由于每個轉(zhuǎn)向架輪對（包含牽引對位時間）鏇修作業(yè)時間平均約60 分鐘，即平均每個小時就需要開展人工牽引對位工作。一個標準組鏇輪作業(yè)需要16 小時作業(yè)，此期間內(nèi)公鐵車司機和后端防護人員不能離開，需要隨時候命開展牽引對位工作，另外，對位作業(yè)期間需要鏇輪工、公鐵車司機、車組后端防護人員集中精力互控應(yīng)答對位，若對位作業(yè)中注意力不集中，存在一次對位不成功，需二次對位的情況。

人工對位時需要公鐵兩用車司機從待命地領(lǐng)取公鐵車鑰匙后走到公鐵車停放位置，后端防護人員從待命地走到車組后端監(jiān)護位置。一個標準動車組長約220米，一列長編動車組長約430米，因此公鐵兩用車基本停放在鏇輪庫外。一旦動車組鏇修作業(yè)任務(wù)下發(fā)，為不影響動車組檢修生產(chǎn)計劃，即使存在雨雪冰凍、高溫日曬等惡劣環(huán)境時，公鐵車司機也要步行到公鐵兩用車停放位置、動車組尾端防護人員也要走到相應(yīng)位置開展牽引對位和監(jiān)護工作。

2 智能牽引對位系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為解決現(xiàn)有對位模式的弊端，提高設(shè)備的智能化，建立一套鏇輪作業(yè)智能牽引對位系統(tǒng)開展牽引對位工作，系統(tǒng)主要由圖像數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)處理執(zhí)行器、監(jiān)控中心、安全防護模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)有圖像、車號、粗定位、精定位等數(shù)據(jù)采集模塊，可根據(jù)系統(tǒng)需求采集所需的數(shù)據(jù)，為后續(xù)對位算法提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心用于存儲及運算所采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)可以按不同的車型車號及對應(yīng)日期進行歸檔分類，方便日后的追溯和歷史信息查閱。

2.3 數(shù)據(jù)處理執(zhí)行器

系統(tǒng)通過對應(yīng)接口信息調(diào)用數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器進行算法運算，從而得出結(jié)果信息發(fā)至執(zhí)行器。執(zhí)行器根據(jù)算法結(jié)果進行調(diào)用公鐵車的控制指令執(zhí)行公鐵車對位控制。

2.4 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心可通過監(jiān)控平臺上查看到各重要監(jiān)控點的動態(tài)視頻信息。當執(zhí)行自動對位時，可通過監(jiān)控平臺查看各重要監(jiān)控點的當前狀況，可有效起到實時多點防護的功能。

2.5 安全防護模塊

安全防護是自動對位必不可少的防護措施，系統(tǒng)采用多道安全防護，可確保自動對位的安全性。有重點監(jiān)控防護、異物遮擋保護、移動區(qū)域保護、脫軌保護、硬性超限保護、物理隔離保護、超時保護、數(shù)據(jù)驗證保護、心跳保護。

3 智能牽引對位系統(tǒng)功能

3.1 自動牽引對位

通過在公鐵車安裝遠程控制模塊，在鏇輪機床安裝粗對位采集模塊、精對位采集模塊及車廂信息采集模塊，車輪采集軟件可結(jié)合自動車號識別軟件精準確認車廂轉(zhuǎn)向架信息，有效執(zhí)行粗定位控制，高運力的算法服務(wù)器可在最短時間內(nèi)位精準定位實時輸送有效的距離信息，精對位采集模塊根據(jù)反饋信息實現(xiàn)高效的精準定位?？蓪崿F(xiàn)正向或逆向的下一臨近轉(zhuǎn)向架自動牽引對位作業(yè)，亦可指定任意位置的轉(zhuǎn)向架，實現(xiàn)智能化對位功能。

3.2 實時場景監(jiān)控

在公鐵車和動車組對位可能經(jīng)過的區(qū)域安裝監(jiān)控攝像頭，擬定為安全防護區(qū)。攝像頭的監(jiān)控圖像可實時回傳到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心通過監(jiān)控展示平臺同步顯示各個監(jiān)控關(guān)鍵點的動態(tài)信息。鏇修工人在操作自動對位時，可方便的查看監(jiān)控展示平臺各個重要監(jiān)控點的實時動態(tài)。當發(fā)現(xiàn)有異常情況時，可通過操作臺控制公鐵車停止下來，也可通過急停按鈕快速制止公鐵車繼續(xù)移動。

3.3 語音播報警示

通過安裝高分貝的語音播報器，當公鐵車移動時，語音播報器開始警示，提醒周邊人員注意安全。在對位系統(tǒng)未被啟動時，操作人員在監(jiān)控平臺看到保護區(qū)有其他人員時，也可通過語音播報系統(tǒng)提醒人員離開。

3.4 無線網(wǎng)絡(luò)及無線控制

無線網(wǎng)絡(luò)和無線控制使用不同種類的網(wǎng)絡(luò)方式，實現(xiàn)物料層的隔離效果。監(jiān)控視頻通過有線及無線兩種方式向數(shù)據(jù)中心回傳數(shù)據(jù)流。近距離傳輸使用交換機進行數(shù)據(jù)交互，遠距離的網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)橋傳播，可節(jié)省布線成本，也可有效降低故障率的發(fā)生。無線網(wǎng)絡(luò)具有自診斷功能，當出現(xiàn)與監(jiān)控中心無法聯(lián)通時，將會自動執(zhí)行重啟功能。為保證安全控制，公鐵車的遠程控制采用專用的無線協(xié)議，有效防止外來入侵者對無線信號的入侵。在控制信息交互上也采用邏輯交互鎖，錯誤的交互邏輯指令會觸發(fā)入侵保護程序，系統(tǒng)將強制鎖定控制源的有效性，有效提升安全防護等級。

3.5 全過程信息存檔

采用信息化系統(tǒng)控制系統(tǒng)，將行車視頻、操作員操作日志、設(shè)備動作日志、采集數(shù)據(jù)等信息進行歸類存檔，形成方便查閱的后臺數(shù)據(jù)。后臺數(shù)據(jù)可根據(jù)車型、車號、日期等相關(guān)信息，快速索引出對應(yīng)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)便利化。

3.6 多層安全防護

公鐵車四個角落和公鐵車操作臺分別安裝急停按鈕，按鈕被按下時公鐵車緊急停車。地標定位，開展行車區(qū)域保護，超出行車區(qū)域觸發(fā)緊急制動。無線控制系統(tǒng)給公鐵兩用車發(fā)送心跳包，公鐵兩用車收不到心跳信息時，觸發(fā)緊急停車。公鐵兩用車配備前行超聲波雷達探測系統(tǒng)，行車前方10 米內(nèi)一旦發(fā)現(xiàn)有影響行車安全的人和物時觸發(fā)自動報警和停車。防越位行車，公鐵兩用車安裝有雙重機械式限位保護開關(guān)，一旦觸發(fā)，將會機械式觸發(fā)切斷公鐵兩用車控制電源，公鐵兩用車緊急停車。為防止意外行車，系統(tǒng)接入了鏇輪機互鎖信號，鏇輪機作業(yè)時，系統(tǒng)行車無效。

4 智能牽引對位原理

不落輪鏇修自動牽引對位系統(tǒng)的安裝部署如圖2 所示。其中1 表示第一對位組件，2 表示第二對位組件，3 表示軌道，4 表示公鐵兩用車，5 表示輪對，6 表示動車組，其中1 和2 為一組對位組件，兩組對位組件分別安裝在軌道兩側(cè)。

圖2 對位示意圖

為實現(xiàn)公鐵兩用車拖動動車組可以沿不同方向移動，軌道兩側(cè)的兩組對位組件在設(shè)計上采用互鎖邏輯，即當位于軌道3左側(cè)的對位組件1和對位組件2 處于工作狀態(tài)時，位于軌道3 右側(cè)的對位組件1 和對位組件2 處于關(guān)閉狀態(tài)，反之亦然。為了實現(xiàn)自動化精準定位，避免人為操作產(chǎn)生的誤差，對位組件和公鐵兩用車均與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)控制公鐵兩用車的行駛速度［1］。系統(tǒng)具體對位原理歸納為3點。

（1）在開展鏇修作業(yè)前，公鐵兩用車與動車組連掛完成后，公鐵車司機將動車組拉到鏇床附近的起點位置，將公鐵車的操作模式切換為遙控器模式，拔出控制鑰匙，公鐵兩用車拖動動車組沿軌道向第一對位組件1和第二對位組件2靠近。

（2）當對位組件1 檢測到靠近的輪對時，控制系統(tǒng)發(fā)出公鐵兩用車減速的信號，實現(xiàn)車組的粗定位［1］。對位組件2 中的RGB 高清相機，選擇抗蛇行減振器的圖像數(shù)據(jù)輸入控制系統(tǒng)作為模板，使公鐵兩用車4 減速。當輪對接近對位組件2 時，RGB 高清相機捕捉到抗蛇行減振器的圖像時，對抗蛇行減振器的位移進行跟蹤，通過控制公鐵兩用車使抗蛇行減振器停止在預(yù)設(shè)的位置上，從而完成了輪對的精準對位。

（3）車組完成精準對位后，旋輪工開展旋修作業(yè)，當完成1 個轉(zhuǎn)向架中輪對的鏇修作業(yè)后，旋輪工在web 端上點擊一鍵啟動公鐵兩用車，重復(fù)步驟（2）和步驟（3）的動作，直到完成所有輪對的鏇修作業(yè)。

5 智能牽引對位系統(tǒng)優(yōu)勢

5.1 提高牽引對位工作效率

傳統(tǒng)人工對位作業(yè)需要10分鐘～15分鐘，自動對位作業(yè)僅需要一名鏇輪工一鍵點擊下一個轉(zhuǎn)向架位置即可，耗時僅需60秒至110秒，單次牽引對位作業(yè)耗時相比人工對位作業(yè)降低90%，鏇修耗時由原來的每標準組18 小時，降低至每標準組12 小時，作業(yè)效率提升33%。

5.2 減少輔助作業(yè)人員、提高勞效

原鏇輪作業(yè)，作業(yè)人員需要4 人，即2 名鏇輪工、1 名公鐵車司機、1 名地勤機械師。使用智能化牽引對位系統(tǒng)后，無需再配備兩名輔助作業(yè)人員（1名公鐵車司機+1 名地勤機械師），僅1 名鏇輪工使用自動化對位系統(tǒng)開展對位操作即可，且無需再耗神互控應(yīng)答對位，在提高一次對位作業(yè)準確率的同時，減少了輔助作業(yè)人員，提升了作業(yè)勞效。

5.3 改善作業(yè)環(huán)境

使用智能化牽引對位系統(tǒng)后，創(chuàng)新實現(xiàn)了全天候牽引對位作業(yè)，無需受外界惡劣環(huán)境影響，作業(yè)人員隨時開展牽引對位作業(yè)，改善了輔助人員作業(yè)環(huán)境。

6 結(jié)束語

目前該動車組不落輪鏇作業(yè)智能牽引對位系統(tǒng)已開發(fā)完成，在廣州局集團公司廣州動車段正式投入使用。已完成自動牽引對位265 列動車組，成功對位5050 次，一次對位準確率達99.8%。該系統(tǒng)的成功投入使用，提高了一次對位準確率和鏇輪作業(yè)整體效率，達到了減員增效的目的。