轨道线路状态在线巡检系统在地铁列车上的应用

鹿金梅 周杰 朱亚军

杭州杭港地铁五号线有限公司 浙江 杭州 3 10023

摘要：本文首先调查了地铁运营时轨道维护施工内容与计划、列车运营计划和轨道线路状态在线巡检系统在轨道交通中的应用现状，以此为背景，研究在电客车上安装轨道线路状态在线巡检系统的可行性，进而提出相关的功能需求，构建车载轨道线路状态在线巡检系统的配置及设计要求，通过与车辆系统的接口设计，实现巡检系统在电客车上安装与使用。车载轨道线路状态在线巡检系统经过静、动态调试和自学习，重复率和准确率已达到预期目标，交付最终用户使用，在国内首次验证了该系统的功能性和实用性，并为后续运营系统性的智能运维提供数据支持。

关键词：轨道线路在线巡检系统、轨道维护、车辆接口设计

1.应用背景

随着城市化建设的发展，地铁已经成为了一座城市交通发展的风向标。随着地铁新增线路陆续开通，客流量不断增加，行车间隔不断缩小，地铁列车车轮对钢轨冲击振动频率增加，钢轨及扣件系统的伤损裂化和疲劳断裂等轨道线路病害日益严重。钢轨的轨头剥离掉块、鱼鳞伤、表面擦伤、裂纹伤等伤损如未得到即时有效修复，将形成钢轨断裂，可能造成列车脱轨的严重后果。

现今地铁运营单位多采用安装在轨道工程车上的轨道状态在线巡检装置执行轨道线路巡查，需要施工负责人值守和辨识缺陷，施工环境较差、作业窗口短，检修周期长，如深圳地铁、厦门地铁、武汉地铁、西安地铁等，缺乏快速、准确的定位病害及分析病害的自动化手段，难以大幅提高轨道线路检修频次和改善人员作业环境，且随着智能运维系统的研发推广，也需接入自动化程度高的轨道线路巡查系统。

轨道状态在线巡检系统在不影响列车载客使用的前提下进行车载设计，即可解决这一难题。该系统通过采用机器视觉技术结合图像处理、模式识别的方法，利用图像来识别轨道线路病害并进行记录，具备无人值守、全天候检测能力，远程传输缺陷信息，及时指导地铁轨道线路检修与维护。

2.车载巡检系统装车可行性分析

2.1系统组成

车载轨道线路状态在线巡检系统（以下简称车载巡检系统）安装于地铁运营列车上，如图1所示，其硬件设备主要分为车内设备及车底设备两部分组成。其中车内设备主要由供电管理模块（电源箱）、数据分析处理模块（主机箱）组成；车底设备包含数据采集模块及综合定位模块等。

图 1 车载巡检系统组成

电源箱集成了多组开关电源及相关控制电路板，通过从车辆获取DC110V电源，经DC-DC电源转换，为车载巡检系统装置各个模块提供所需的供电电源。

数据分析处理模块主要由高性能专业计算机及配套软件组成，主要用于完成数据的采集、存储，和对采集数据的实时分析与处理。该模块嵌入多张控制主板，可满足多任务实时分析处理的要求，其具备对轨道缺陷进行智能识别，并保存缺陷信息功能。该功能基于机器视觉理论，设计图像分析算法及智能专家系统，建立专家识别系统代替人工对目标状态进行识别。

数据采集模块安装于车体底部正下方，该模块主要由LED光源模块、相机模块、RFID电子标签阅读器、悬挂梁体等组成，如图2所示。

图 2数据采集模块示意图

2.2工作原理

车载巡检系统采用非接触式检测方式采集，高清相机对轨道联结件、钢轨区域进行连续扫描拍摄。通过高速采集卡动态采集图像传感器的数据，并将经过预处理的数据与定位数据一起传送给数据处理单元。

图 3 车载巡检系统检测原理图

检测原理如图3所示，高亮度LED光源阵列照射被测区域，相机阵列获取该区域丰富细节，再通过高速的采集卡将动态采集图像数据与定位数据相互关联后实时传送给数据存储与处理单元。装置采用高性能图像处理单元实现了对钢轨及其部件缺陷实时检测，并通过专用通讯传输通道将缺陷信息上传至地面终端设备。

2.3车载巡检系统技术要求

车载巡检系统在载客的高速运行列车上使用，其性能指标如下表1所示。

表 1 功能指标及性能要求

3车载巡检系统功能设计及与车辆接口设计

3.1系统功能设计

图 4车载巡检系统拓扑图

车载巡检系统拓扑图如图4所示，其具有以下功能：

1. 启停功能：系统通过启停控制单元能够实现钢轨及其部件在线检测系统的自动启动与停止。

2. 定位功能：采用速度传感器、电子标签等设备并结合线路数据库信息进行定位，并给出速度及特征信息。

3. 图像采集：动态图像采集、状态监控、里程数据同步、大数据量存储、缺陷数据记录。

4. 在线识别功能：在车辆运行中能够实现对钢轨扣件缺失及钢轨表面擦伤的实时识别。

5. 实时报警：在车辆运行中能够实现对钢轨扣件缺失及钢轨表面擦伤的实时提示。

6. 缺陷传输：能够实现将实时识别缺陷图像及报警信息无线传输至地面终端。

7. 地面服务：提供缺陷展示、确认的功能以及报表输出和打印功能。

3.2与车辆机械接口

由上文2.1可知，车载轨道状态在线巡检系统由车内及车底两部分组成。车底的部分即图像数据采集模块，由两个相机模块、4个光源模块和一个电子标签及集线盒等组成，集成在一根横梁上，不需要在车辆厂组装，能够直接吊挂在车体结构上。

吊挂梁纵向依照5g、横向依照3g、垂向依照3g的冲击加速度进行计算，得到梁体最大变形量为0. 47mm，最大应力为79Mp<185Mp，满足强度要求，如图所示5、6所示。

图 5 吊挂梁变形量及应力分析

系统装置在第三方通过冲击振动试验，满足标准IEC 61373要求。

经底架空间校核，图像数据采集模块安装后，满足设备维护空间的要求，在车辆轮廓线内并通过限界门验证。

3.3与车辆电气接口

车载巡检系统车内部分包含电源箱、数据分析主机（CPCI）及线缆敷设。根据3.1系统功能设计，车辆为该系统提供DC110V电源及过流保护，与网络系统通信进行故障诊断与显示，经车地通信网络进行轨道线路缺陷数据传输。

由于列车电气柜空间限制，1台3U标准电源机箱安装在M1车电气柜，1套3U标准上架式机箱即CPCI主机箱安装在M2车电气柜，系统接线图如图6所示，CPCI主机箱及电源箱均采用前面板出线，机箱外壳均有接地保护。

图 6 车载巡检系统接线图

4.数据传输与调试

4.1数据传输

车载巡检系统采用非接触式检测方式采集，高清相机对轨道联结件、钢轨区域进行连续扫描拍摄，通过算法智能识别技术，实现轨道扣件等部件缺陷的在线检测，完成线路故障信息的在线提取，所得的缺陷数据，通过有线网络连接并发送到PIS车载交换机，经车地无线传输至地面服务器端，如图7所示，通过IP地址配置，实现数据安全管理。

图 7缺陷数据实时传输网络示意图

地面服务终端接收到车载端发送的数据后，将按预定的格式进行解析，缺陷上报数据通过弹窗等方式进行预警提示。

4.2功能调试与使用

车载巡检系统安装在地铁列车上，随电客车一起交付至车辆段，在完成静调，上试车线完成动调，确认系统功能完备后，上正线调试，在轨道维修单位的协作下，完成缺陷模拟。检测结果如下图9、10所示。

图 8 地面服务器缺陷报警

图 9扣件及轨面缺陷识别

车载巡检系统在使用时，先期在人工辨识干预下，剔除误报，通过系统的自学习，迭代更新数据库，降低误报率，提高准确性和重复性。

5应用展望

车载巡检系统采用无人值守模式，列车载客运营期间同步完成线路检测，快速、有效获取当前线路状态，及时反馈线路病害信息，达到线路状态实时监测的目的。可以预见，车载巡检系统与智能运维的集成，每日、每月、每季度输出运维管理业务数据，结合具体线路特征，甚至预测线路轨道缺陷进行预防性维护，实现运营安全可视化管理。