工程师论文动车组车载运行环境安全监测

　　本篇工程师论文提出了动车组车载运行环境安全监测方案。《交通运输工程学报》主要刊载道路与铁道工程、载运工具运用工程、交通运输规划与管理、交通信息工程与控制等领域高水平的学术论文和重大工程实践项目;主要读者对象为国内外交通运输领域的科研人员、工程技术人员及大专院校相关专业的师生。

　　既有的高速铁路安全保障系统无法实现全线路的监控，本文提出了车载运行环境安全检测系统的研究方案，实现了对线路状态、接触网状态、轮轨接触状态的实时在线监测。该系统利用高速摄像技术采集轨道线路状态信息，实现轨道线路状态实时检测，为动车组的安全运行提供预告信息;同时收集的线路数据能够为后续轮轨关系、弓网关系和作用规律的研究提供帮助，还能为轨道线路的维护提供预警信息。

　　关键词：动车组;安全检测系统;接触网;轮轨;高速摄像技术

　　由于落石、山洪、甚至人为因素可能导致异物侵入，一旦高速运行中的动车组遇到线路障碍会导致灾难性的后果，本文提出了车载运行环境安全监测系统的研究方案，实现对线路状态、接触网状态、轮轨接触状态的实时在线监测。

　　1 设计思路

　　目前动车组主要是通过对动车组行车安全相关设备加装各式传感器，实现对动车组自身报轴、热轴、滑行、横向晃动等异常状态的监测和控制。这些监控装置在一定程度上确保了列车的安全运行。然而，对与动车组运行安全和品质密切相关的接触网、轨道状态、环境状态等没有进行监控，导致无法早期发现接触网、轨道等环境的异常状态。同时在铁路沿线建立一套全线路监控系统成本高、施工复杂、建设周期长、维护困难，至今未实现对线路状态、接触网状态、轮轨接触状态的实时在线监测，车载运行环境安全监测系统的提出解决了以上问题。

　　2 系统原理及构架

　　(1)原理概述。高速智能化动车组将建立线上线下全方位检测系统，其中车载运行环境安全监测系统属于智能化动车组的线上检测系统的一种，重点研究利用高速摄像技术对轨道与线路状态、接触网系统状态对列车运行安全的影响因素与作用规律，研究轨道状态实时检测方法，从而进一步分析车辆运行状态，以全方位获取车辆运行安全状态为目的，建立动车组自感知网络系统，实现在线诊断与预告。

　　(2)系统架构。动车组车载运行环境安全监测系统由线路状态检测装置、接触网状态检测装置、轮轨状态检测装置、车载复示终端组成，分别对线路状态、接触网状态、轮轨状态进行实时检测，并将异常信息发送到车载复示终端进行报警提示。系统架构如图1所示。

　　系统还可设置一套动车组线上检测系统的数据传输接口，通过无线网络提供自动下载车载检测数据，指导线下异常信息的处理。

　　3 主要系统装置

　　(1)线路状态检测装置。线路状态检测装置由超远距离红外成像模组和远距离可见光成像模组组成，采用可见光摄像机和热成像摄像机结合的方式，空气质量较好时主要依靠可见光摄像机监控，实现高清晰成像。热成像用来探测热源性目标或者是不明显的人员和动物类目标;雨雪天气时主要依靠热成像摄像机监视，现有技术可自动识别3km以外的线路状态，发现异常时自动预警提示。

　　1)远距离可见光成像模组。在自然光照明被动成像测量条件下，由于各种背景辐射的影响，限制了成像系统对远距离目标成像测量和精确跟踪能力。采用激光主动照明的方式，对远、小、暗目标或其局部进行照明，可以减小背景辐射的影响，提高系统对远距离、小、暗目标的精确跟踪和清晰成像能力。

　　2)超远距离红外成像模组。大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对 3～5微米和8～14微米的热红外线却是透明的。同样在雨、雾等恶劣的气候条件下，由于可见光的波长短，克服障碍的能力差，但红外线的波长较长，既有 8～14um的热成像仪(图2)，穿透雨、雾的能力较高，因此仍可以正常观测目标。

　　(2)接触网状态检测装置。接触网状态检测装置由全景监控相机、接触网悬挂装置状态检测相机、远距离接触网状态检测相机组成，实现以下功能：

　　1)采集动车组运行前方环境全景图像，记录运行环境信息;

　　2)采集动车组前方接触网悬挂装置状态，自动识别接触网支柱杆号、接触网吊臂结构状态，形成一杆一档的记录;

　　3)采集动车组前方接触网状态，自动识别卡扣脱落、异物悬挂等异常情况。

　　系统可提供自动降弓控制接口(图3)，在发现危险时发出降弓信号，根据动车组运行速度计算，越过危险区域后发出升弓信号，恢复正常行驶。

　　(3)轮轨状态检测装置。轮轨状态检测装置由高速高清工业相机、补光装置、防护机构组成。安装在动车组转向架的前后方，可自动检测轮轨接触关系、扣件表面和轨道板的外观状态，同时能够根据图像分析出轮轨间隙、转向架冲角、横向偏移等车辆运行参数，为进一步的轮轨冲击状态分析提供依据。

　　高速工业相机满足高速下成像效果，可达到10微秒以下的曝光时间，同时辅以高亮频闪光源，确保在低曝光时间下的图像亮度。采用高清高分辨率工业相机，每帧图像可覆盖1/4车轮，如图4所示，可适应车速达到432km/h要求。为减小高速运行过程中的风阻，采用流线型防护机构，相机透射窗口采用弧形玻璃设计，在玻璃上加上自清洁纳米涂层，避免灰尘、脏污对成像的影响。

　　系统通过拍摄的图像，可自动分析轮缘与钢轨的相对位置关系，可以计算出轮轨间隙、转向架冲角、横向偏移等动车组转向架运动参数，如图5所示，为进一步的轮轨冲击状态分析提供数据依据。

　　4 结语

　　车载运行环境安全监测系统重点是利用高速摄像技术采集轨道与线路状态、接触网系统状态信息，一方面研究轨道线路状态实时检测方法，实现对线路异常状态在线诊断，并将诊断结果传递到车载终端，为动车组的安全运行提供预告信息;另一方面，通过搜集到的数据指导后续轮轨关系、弓网关系和作用规律的研究，同时还能为轨道线路的维护提供预警信息。