动车组轮载平衡智能检测系统的研制

李俊鹏，张正普，姜 利

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

动车组轮载平衡智能检测系统的研制

李俊鹏，张正普，姜 利

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

针对动车组轮载平衡不能自动调整的问题，提出一种完整的智能检测方案。介绍系统总体设计思路、主要功能、网络架构和软硬件构成，并对系统实现过程和技术关键进行重点阐述。

动车组；智能检测；轮载荷平衡

动车组轮载平衡不能像传统机车车辆那样自动调整，需要获得左右车轮载重进而人工调整，保证偏载限制到一定范围之内。开发一款智能、高效、准确稳定的动车组轮载平衡智能检测系统（以下简称：系统）显得尤为重要。

1 系统实现过程

动车组轮载平衡智能检测系统从信息化系统自动获取动车组到发计划、基础数据等，支持自动执行和人工操作两种模式，利用传感器感知认知机理，构建了一种基于ACT-R认知机构的智能检测系统，测量时无需人工操作，自动检测出通过（动态）或停靠（静态）传感器的动车组轮载平衡。系统通过高速数据采集模块进行数据采样，采用特定算法进行数据处理、数据萃取，并进行智能分析与判别，实现最终数据显示与储存，得到生产工艺中调整轮载平衡的直接依据数据，还提供庞大的报表系统，通过数据库对历史数据挖掘进行统计与分析，为管理层提供决策，并将数据纳入信息化系统统一管理；通过专用的标定设备，保证系统能长期稳定工作。

1.1 系统总体思路

系统采用3层分布式应用体系，由接口层、应用服务层、设备层3层构成，如图1所示。接口层完成与动车组管理信息系统的数据交换；应用服务层包括轮载平衡检测业务应用服务器、管理和监控终端等，其中轮载平衡检测业务服务器作为整个系统的核心，支持和管理多台检测终端设备，可挂接多台管理监控终端；检测终端设备包括检测平台和操作平台，可以完成数据采集、分析及处理、智能判别等相关功能。

图1 系统总体结构

1.2 网络架构

系统一般采用铁路局集中模式进行部署，在铁路站、段设置整列动态检测和静态单辆检测终端设备，在铁路局设置数据库服务器，两套数据库服务器组成了数据库群集，通过群集来实现数据库的双机热备，承担了所有下辖动车段轮载平衡检测业务的数据存储及数据处理服务，以双链路连接铁路局车辆系统核心交换机，采用光纤通道接口与磁盘阵列连接；应用服务器组合成应用服务器集群，将所有下辖站、段的应用处理服务全部集中管控，应用服务器通过信息化网络连接信息化接口服务器，实现与信息化系统的数据交互；采用负载均衡器实现业务均衡处理，保证了系统的高可靠性和高安全性，系统网络架构如图2所示。

图2 系统网络架构

1.3 软件设计

系统主要由终端设备机内软件、应用服务软件、管理监控软件和信息化系统接口软件组成，如图3所示。各组成部分模块化设计，各司其职，独立完成本职工作，具有良好安全性和伸缩性，易于维护，便于应用扩展。

图3 系统软件结构

终端设备机内软件采集所测转向架4个车轮施加到两侧短轨式传感器的压力，分别测出每个车轮载荷，再根据采集到的波形和轨迹，利用相应算法，计算出轮重、轴重、转向架重、整车重、以及轮重差等数据，并将数据传输到服务器。该软件采用VS2010开发，其集成开发环境（IDE）简单明了，对界面化的操作很强大，数据库相关控制也比较方便。

应用服务软件是整套系统的核心，负责整个系统的接入访问控制，是检测设备与信息化系统提供沟通的桥梁和通道，提供系统数据库的操作接口，便于数据的记录、查询和管理。

应用服务软件采用Java的Web模式开发的人机交互界面，这种图形化界面方式简单直观，使用者易于接受，容易上手操作。数据库采用SQL Server 2008，可对数据进行查询、搜索、同步、报告和分析等操作。

管理监控软件负责整个系统运行状态的监视和控制，同时负责系统内各种业务数据的设置和管理，信息化系统接口软件是信息化系统对外提供的一套标准访问接口服务，该服务不仅降低了外部系统执行信息化业务的复杂程度，同时也确保了信息化系统自身的安全。为了便于开发和维护，管理监控软件和信息化系统接口软件均采用Java开发。

1.4 硬件设计

系统硬件部分由机械承载部分、高精度传感器总成、高速数据采集模块、标定设备4大模块及附属结构组成。

1.4.1 机械承载部分

机械承载部分采用有两条纵向梁的框架式轨道测试平台，如图4所示。使结构的整体性和抗扭曲性能大幅提高，消除了人为的轨道不平顺影响，并把各种轨道不平顺减少到最低限度，尽可能地提高了系统的稳定性，从而保证了检测系统的可靠性。

图4 机械承载部分

1.4.2 传感器

系统采用的传感器是一个广义的采集终端总成，包括狭义的传感器、调理电路及机械构件，如图5所示。其采集部分设计在内部，有良好的电气防护等级，外观尺寸与普通钢轨一致，完全与普通钢轨衔接。传感器的有效测量长度需比动车组轮对周长长，保证轮对一周均经过检测。传感器直接在机械承载部分上安装，不需要任何限位机构，结构简单、安装方便，避免了由限位装置产生的误差。比起国外相关产品结构复杂，甚至难以在室外安装，传感器对场地的要求较低，布置灵活。

图5 传感器总成图

1.4.3 高速数据采集模块

高速数据采集模块采用虚拟仪器领域中具有代表性的图形化编程平台Lab View，如图6所示。数据采集模块将传感器输入过来的电压模拟信号，经过放大、滤波等一系列处理，转为能被计算机识别的数字信号，通过外设部件互联标准（PCI）接口与上位机实现通信。

图6 数据采集模块编程界面

1.4.4 标定设备

为了让系统稳定可靠地工作，需要每隔一定时间（一般不低于1年）对系统进行一次标定，检验传感器总成、通道及数据采集模块的状态。根据系统运行的情况，现有的标定方式均不能满足需要，在借鉴相关领域检验标定方式的基础上，研制出一种新式的标定方法，即采用液压对比装置和标定砝码车，使用“传感器1轮对1传感器”的方式，按照计量流程对设备逐一进行检验，最终完成系统要求范围内的标定，如图7所示。

图7 标定设备

系统对刚性轨道结构的平直度、长度及轨道水平高度差、轨距严格要求，并在检测区两侧一定距离（由动车组定距和轴距决定）处设置防偏护轨，尽量减少列车震动及前后车辆对正在检测的车辆造成的影响，共同保证动态检测时的检测精度。

2 系统主要功能

动车组轮载平衡智能检测系统不仅能保障动车组的运行安全，成为现代化交通体系的重要推动力量，为民众出行提供便捷的服务支持，而且完善研发试验服务基地、领域平台及工作站三位一体工作体系，进一步提升研发实验服务基地的服务能力，具体功能如下。

2.1 高精度高效检测

整列动态检测和单辆静态检测系统精度均优于国内外相关行业标准。高精度检测是高效率调整动车组轮载平衡的关键，是动车组安全运行的保障。整列动态检测无需动车组解体便可以进行轮载平衡检测，简化了检修工艺，节省了为检测轮载平衡而进行的动车组解编、组编的人力物力，提高了工作效率。

2.2 智能化评判

对需调整位置及尺寸进行智能综合报警评判。针对机车车辆轮载荷可能受其联挂车辆影响，根据长期的数据及经验积累，建立专家经验知识库，利用数据挖掘和专家系统技术，按照铁路总公司报警评判标准，结合车型、速度、报警分布等因素对需调整位置及尺寸进行智能综合报警评判。

2.3 追溯管理

各铁路局、站段检测数据共享对相关车辆全程把握。同列动车组从出厂到检修，每次调整前后的轮载平衡数据可共享并追溯管理，对其进行全程跟踪，把握其生命周期中的各种状态，作为领导层决策的依据。

2.4 第三方服务

构建一套检定平台及标准为相关产品进行检定服务。依托国家高速铁路重点实验室，在中国铁道科学研究院东郊实验基地建立一个检定平台，并拥有专用的检验设备，经过国家认可委认定，为诸如超偏检验车、大功率机车称重台提供检定服务。

3 结束语

系统已在长春客车股份等主机厂，北京、上海、广州等动车基地布置安装，已有逾千余列不同型号（包括CRH1、CRH2、CRH3、CRH4等）、不同编组(包括8编组、16编组等)的动车组以不同的牵引方式（包括公铁两用车牵引、大功率机车牵引、自动力牵引）通过安装在不同轨道结构（包括整体道床和轨道桥）上的系统的检验。这些列车在本系统的保障下，重新回到铁路干线，以时速200 km～380 km的速度为乘客提供便捷、安全、舒适的旅行环境。

[1]张正普，康增建，李 明，王 冰.动车组轮重检测设备的研制[J].铁道技术监督，2011（9）.

[2]张志昂．称重设备在武汉动车组检修基地应用方式的探讨[J].铁路计算机应用，2011，20（6）.

[3]董 燕，胡玲玲. 称重传感器温度零点自动测试系统的设计[J].衡器，2009（3）.

[4]康增建.动车组轮缘承力称重传感器的研究[J].中国铁路，2010（5）.

责任编辑 方 圆

Development of Wheel Load Balancing Intelligent Detection System for EMU

LI Junpeng, ZHANG Zhengpu, JIANG Li
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

Aiming at the problem of EMU wheel load balancing non-automatic adjustment, the paper put forward a kind of integrated intelligent detection scheme, introduced the general idea, main functions, the network architecture, the composing of software and hardware, expounded the process of system’s implementation and key technologies.

Electric Multiple Unit(EMU); intelligent detection; wheel load balance

U266.2∶TP39

A

1005-8451（2015）08-0012-04

2014-12-04

李俊鹏，工程师；张正普，助理研究员。