本篇工程師論文提出了動(dòng)車組車載運(yùn)行環(huán)境安全監(jiān)測方案。《交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)》主要刊載道路與鐵道工程、載運(yùn)工具運(yùn)用工程、交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理、交通信息工程與控制等領(lǐng)域高水平的學(xué)術(shù)論文和重大工程實(shí)踐項(xiàng)目;主要讀者對象為國內(nèi)外交通運(yùn)輸領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員及大專院校相關(guān)專業(yè)的師生。

　　既有的高速鐵路安全保障系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)全線路的監(jiān)控，本文提出了車載運(yùn)行環(huán)境安全檢測系統(tǒng)的研究方案，實(shí)現(xiàn)了對線路狀態(tài)、接觸網(wǎng)狀態(tài)、輪軌接觸狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。該系統(tǒng)利用高速攝像技術(shù)采集軌道線路狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)軌道線路狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測，為動(dòng)車組的安全運(yùn)行提供預(yù)告信息;同時(shí)收集的線路數(shù)據(jù)能夠?yàn)楹罄m(xù)輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系和作用規(guī)律的研究提供幫助，還能為軌道線路的維護(hù)提供預(yù)警信息。

　　關(guān)鍵詞：動(dòng)車組;安全檢測系統(tǒng);接觸網(wǎng);輪軌;高速攝像技術(shù)

　　由于落石、山洪、甚至人為因素可能導(dǎo)致異物侵入，一旦高速運(yùn)行中的動(dòng)車組遇到線路障礙會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，本文提出了車載運(yùn)行環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究方案，實(shí)現(xiàn)對線路狀態(tài)、接觸網(wǎng)狀態(tài)、輪軌接觸狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

　　1 設(shè)計(jì)思路

　　目前動(dòng)車組主要是通過對動(dòng)車組行車安全相關(guān)設(shè)備加裝各式傳感器，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)車組自身報(bào)軸、熱軸、滑行、橫向晃動(dòng)等異常狀態(tài)的監(jiān)測和控制。這些監(jiān)控裝置在一定程度上確保了列車的安全運(yùn)行。然而，對與動(dòng)車組運(yùn)行安全和品質(zhì)密切相關(guān)的接觸網(wǎng)、軌道狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等沒有進(jìn)行監(jiān)控，導(dǎo)致無法早期發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)、軌道等環(huán)境的異常狀態(tài)。同時(shí)在鐵路沿線建立一套全線路監(jiān)控系統(tǒng)成本高、施工復(fù)雜、建設(shè)周期長、維護(hù)困難，至今未實(shí)現(xiàn)對線路狀態(tài)、接觸網(wǎng)狀態(tài)、輪軌接觸狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，車載運(yùn)行環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)的提出解決了以上問題。

　　2 系統(tǒng)原理及構(gòu)架

　　(1)原理概述。高速智能化動(dòng)車組將建立線上線下全方位檢測系統(tǒng)，其中車載運(yùn)行環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)屬于智能化動(dòng)車組的線上檢測系統(tǒng)的一種，重點(diǎn)研究利用高速攝像技術(shù)對軌道與線路狀態(tài)、接觸網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)對列車運(yùn)行安全的影響因素與作用規(guī)律，研究軌道狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測方法，從而進(jìn)一步分析車輛運(yùn)行狀態(tài)，以全方位獲取車輛運(yùn)行安全狀態(tài)為目的，建立動(dòng)車組自感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線診斷與預(yù)告。

　　(2)系統(tǒng)架構(gòu)。動(dòng)車組車載運(yùn)行環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)由線路狀態(tài)檢測裝置、接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測裝置、輪軌狀態(tài)檢測裝置、車載復(fù)示終端組成，分別對線路狀態(tài)、接觸網(wǎng)狀態(tài)、輪軌狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將異常信息發(fā)送到車載復(fù)示終端進(jìn)行報(bào)警提示。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)還可設(shè)置一套動(dòng)車組線上檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸接口，通過無線網(wǎng)絡(luò)提供自動(dòng)下載車載檢測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)線下異常信息的處理。

　　3 主要系統(tǒng)裝置

　　(1)線路狀態(tài)檢測裝置。線路狀態(tài)檢測裝置由超遠(yuǎn)距離紅外成像模組和遠(yuǎn)距離可見光成像模組組成，采用可見光攝像機(jī)和熱成像攝像機(jī)結(jié)合的方式，空氣質(zhì)量較好時(shí)主要依靠可見光攝像機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高清晰成像。熱成像用來探測熱源性目標(biāo)或者是不明顯的人員和動(dòng)物類目標(biāo);雨雪天氣時(shí)主要依靠熱成像攝像機(jī)監(jiān)視，現(xiàn)有技術(shù)可自動(dòng)識(shí)別3km以外的線路狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)預(yù)警提示。

　　1)遠(yuǎn)距離可見光成像模組。在自然光照明被動(dòng)成像測量條件下，由于各種背景輻射的影響，限制了成像系統(tǒng)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像測量和精確跟蹤能力。采用激光主動(dòng)照明的方式，對遠(yuǎn)、小、暗目標(biāo)或其局部進(jìn)行照明，可以減小背景輻射的影響，提高系統(tǒng)對遠(yuǎn)距離、小、暗目標(biāo)的精確跟蹤和清晰成像能力。

　　2)超遠(yuǎn)距離紅外成像模組。大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對 3～5微米和8～14微米的熱紅外線卻是透明的。同樣在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見光的波長短，克服障礙的能力差，但紅外線的波長較長，既有 8～14um的熱成像儀(圖2)，穿透雨、霧的能力較高，因此仍可以正常觀測目標(biāo)。

　　(2)接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測裝置。接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測裝置由全景監(jiān)控相機(jī)、接觸網(wǎng)懸掛裝置狀態(tài)檢測相機(jī)、遠(yuǎn)距離接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測相機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)以下功能：

　　1)采集動(dòng)車組運(yùn)行前方環(huán)境全景圖像，記錄運(yùn)行環(huán)境信息;

　　2)采集動(dòng)車組前方接觸網(wǎng)懸掛裝置狀態(tài)，自動(dòng)識(shí)別接觸網(wǎng)支柱桿號(hào)、接觸網(wǎng)吊臂結(jié)構(gòu)狀態(tài)，形成一桿一檔的記錄;

　　3)采集動(dòng)車組前方接觸網(wǎng)狀態(tài)，自動(dòng)識(shí)別卡扣脫落、異物懸掛等異常情況。

　　系統(tǒng)可提供自動(dòng)降弓控制接口(圖3)，在發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)發(fā)出降弓信號(hào)，根據(jù)動(dòng)車組運(yùn)行速度計(jì)算，越過危險(xiǎn)區(qū)域后發(fā)出升弓信號(hào)，恢復(fù)正常行駛。

　　(3)輪軌狀態(tài)檢測裝置。輪軌狀態(tài)檢測裝置由高速高清工業(yè)相機(jī)、補(bǔ)光裝置、防護(hù)機(jī)構(gòu)組成。安裝在動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的前后方，可自動(dòng)檢測輪軌接觸關(guān)系、扣件表面和軌道板的外觀狀態(tài)，同時(shí)能夠根據(jù)圖像分析出輪軌間隙、轉(zhuǎn)向架沖角、橫向偏移等車輛運(yùn)行參數(shù)，為進(jìn)一步的輪軌沖擊狀態(tài)分析提供依據(jù)。

　　高速工業(yè)相機(jī)滿足高速下成像效果，可達(dá)到10微秒以下的曝光時(shí)間，同時(shí)輔以高亮頻閃光源，確保在低曝光時(shí)間下的圖像亮度。采用高清高分辨率工業(yè)相機(jī)，每幀圖像可覆蓋1/4車輪，如圖4所示，可適應(yīng)車速達(dá)到432km/h要求。為減小高速運(yùn)行過程中的風(fēng)阻，采用流線型防護(hù)機(jī)構(gòu)，相機(jī)透射窗口采用弧形玻璃設(shè)計(jì)，在玻璃上加上自清潔納米涂層，避免灰塵、臟污對成像的影響。

　　系統(tǒng)通過拍攝的圖像，可自動(dòng)分析輪緣與鋼軌的相對位置關(guān)系，可以計(jì)算出輪軌間隙、轉(zhuǎn)向架沖角、橫向偏移等動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如圖5所示，為進(jìn)一步的輪軌沖擊狀態(tài)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

　　4 結(jié)語

　　車載運(yùn)行環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)重點(diǎn)是利用高速攝像技術(shù)采集軌道與線路狀態(tài)、接觸網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)信息，一方面研究軌道線路狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測方法，實(shí)現(xiàn)對線路異常狀態(tài)在線診斷，并將診斷結(jié)果傳遞到車載終端，為動(dòng)車組的安全運(yùn)行提供預(yù)告信息;另一方面，通過搜集到的數(shù)據(jù)指導(dǎo)后續(xù)輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系和作用規(guī)律的研究，同時(shí)還能為軌道線路的維護(hù)提供預(yù)警信息。