车辆运行安全监测设备综合检测车技术方案研究的新进展*

肖 齐， 于卫东， 陈 刚， 张 勇， 陆 航， 田光荣

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081；2 中国铁路上海局集团有限公司 车辆部， 上海 200071)

1 研究背景

车辆运行安全监测设备是保障铁路车辆行车安全的重要手段，以地面和车载的监控方式，建设有轴温探测、高速摄像、力学检测、声学诊断等探测站设备7 000余台(套)，为铁路客车、货车、动车组的行车安全建立了盖覆全路主要干线的、比较完善的车辆安全监控系统(5T)。种类繁多且数量庞大的探测站设备广泛分布在全路各条铁路正线上，这对设备状态的日常维护和监管提出了更高要求。

早在2000年初，为解决数千台铁道车辆红外线轴温探测设备(以下简称THDS设备)运行质量、测温精度的动态诊断问题，原铁道部组织研制了红外线检测车，以定期巡检的运用模式，对运行沿线设置的THDS设备进行实时技术指标检测、设备运行状态评判。该运用模式一直沿用至今，每年中国铁路总公司会组织全路范围内的动态联检工作，对THDS设备进行统一检测和评分，对提高THDS设备的准确率、兑现率起到积极作用。

2016年随着车辆运行安全监控系统的全面发展和以高速动车组为载体加装轨道、弓网、通信、信号、轮轨动力学检测设备的高速综合检测列车成功案例，中国铁路总公司组织开展了车辆运行安全监测设备综合检测车技术方案研究，拟在红外线检测车的基础上，增加铁道车辆滚动轴承故障轨边声学诊断系统探测设备(以下简称TADS设备)、铁道货车故障轨边图像检测系统探测设备(以下简称TFDS设备)、铁路客车故障轨旁图像检测系统探测站设备(以下简称TVDS设备)、铁路车辆安全监控系统(以下简称TCDS设备)和铁路车号自动识别系统(以下简称AEI设备)的运行状态、测量精度的检测功能。并对红外线检测车基于GPS的里程信息不可靠等问题进行技术升级。从而使每年的动态联检工作能够全面检测车辆运行安全监测设备，不断提升车辆运行安全维护管理水平，保障铁路运输安全。

2 综合检测车功能简介

综合检测车的检测功能包括THDS、TADS、TFDS、TVDS、TCDS设备和AEI设备状态和监测精度的监测，对应的检测单元包括THDS轴温检测单元、TFDS/TVDS图像检测单元、TADS声学检测单元、TCDS车载安全检测单元和AEI车号检测单元。各检测单元主要有车上和车下设备组成，车下设备的整体布局如图1所示。

1-1轴；2-2轴；3-目标体；4-音箱；5-模拟轴箱；6-模拟车轮；7-高清日夜型网络摄像机；8-3轴；9-4轴；10-方位尺；11-模拟轴4；12-模拟轴3；13-线阵相机；14-模拟轴2；15-模拟轴1；16-AEI接收天线；17-有源电子标签。图1 综合检测车车下检测单元布置示意图

2.1 THDS检测单元

综合检测车THDS检测单元是通过车载模拟轴箱、模拟车轮、方位尺的方法检测和评价THDS设备测温精度、探测角度等关键参数。THDS检测单元由车上和车下两部分组成，车下包括4根模拟轴(8个模拟轴箱、8个模拟车轮)和2个探头方位尺；车上包括主控计算机系统、测控硬件系统等。THDS检测单元安装位置如图2所示。

2.2 TF/TVDS检测单元

综合检测车在底部和侧下部设置规范目标体，通过TFDS、TVDS探测站设备对车载目标体探测图像的拍摄，实现拍摄角度、图像清晰度、对比度等性能指标的检测。TF/TVDS检测单元是由车下目标体和地面图像评判系统构成，车下目标体分别安装在检测车底部和侧部，目标体上设置立体、镂空等易识别的规范几何体(如图3所示)。地面评判软件设置在综合检测车监控中心服务器，将对TFDS、TVDS探测站设备对车载目标体拍摄的图片进行自动评价。TF/TVDS检测单元安装位置如图4所示。

1-1轴；2-2轴；3-模拟轴箱；4-模拟车轮；5-方位尺；6-3轴；7-4轴；8-模拟轴4；9-模拟轴3；10-模拟轴2；11-模拟轴1。图2 THDS检测单元安装位置示意图

1-1轴；2-2轴；3-目标体；4-3轴；5-4轴；6-模拟轴4；7-模拟轴3；8-模拟轴2；9-模拟轴1。图4 TF/TVDS检测目标体安装位置示意图

2.3 TADS检测单元

综合检测车TADS检测单元将通过播放固定频率声音和标准故障轴承模拟声音，通过TADS探测站设备采集的声音特性分析结果与检测单元发送的声音特性进行对比的方法，实现对TADS探测站设备的采集频率、频偏等技术指标的动态检测。TADS检测单元主要由车上设备、车下设备两部分组成。车上设备包括主控计算机、音频效果器、音频功放；车下设备包括声音播放器。TADS检测设备安装位置如图5所示。

1-1轴；2-2轴；3-音箱；4-3轴；5-4轴；6-模拟轴4；7-模拟轴3；8-模拟轴2；9-模拟轴1。图5 TADS检测单元声音播放器安装位置示意图

2.4 TCDS检测单元

综合检测车TCDS检测单元是通过TCDS检测单元主机定时向TCDS系统发送模拟数据，检测TCDS系统发送数据的完整性和准确性、TCDS系统记录数据的完整性和准确性，并记录模拟数据传输的时间节点信息。TCDS检测单元由KAX1车厢级主机、TCKZ-110-I制动监测车厢级主机、转换开关和线缆等组成。

2.5 AEI检测单元

综合检测车AEI检测单元通过车载有源电子标签和检测接收天线，对运行线路上安装的AEI设备(含5T智能跟踪装置)的工作状态进行在线实时检测，采用检测车上、车下综合评判的方法，实现对AEI设备射频性能指标、标签解析状态和计轴判辆状态的动态检测。AEI检测单元由车上和车下设备两部分组成。车上设备包括主控计算机、车载综合处理装置、无线接收天线；车下设备包括电子标签(支持FSK编码和客车标签采用的FM0编码协议的电子标签)、AEI检测接收天线。AEI检测设备安装位置如图6所示。

1-1轴；2-2轴；3-有源电子标签；4-AEI接收天线；5-3轴；6-4轴。图6 AEI检测单元安装位置示意图

3 时空单元技术研究

时空单元主要为综合检测车检测平台提供实时、准确的时间、里程、速度信息，向各检测单元统一发布列车运行速度、里程和时钟信息，实现综合检测车各检测单元时间同步、里程同步。各检测单元可根据综合检测车运行中的实时位置，及时开机、设定温度、声音等操作，确保通过探测站设备时能够及时检测。并为检测数据综合分析奠定基础。

红外线检测车的时空定位是依靠车载GPS系统获取时间、速度和经纬度信息，但当红外线检测车运行至隧道或山区时，受制于GPS定位精度，信号强度和海拔变化等问题，时空信息不可靠一致困扰着部分THDS探测站设备的检测工作。本课题在研究过程中，提出了如下3种时空单元实现方法。

3.1 定位同步系统

定位同步系统是利用时间校准服务器、空间同步装置为综合检测车各检测单元提供实时、准确的时间、里程、速度等信息及脉冲信号。

时空校准单元由车外和车内设备组成。车外包括轴端光电编码器、时间GPS天线、定位GPS天线、RFID阅读器；车内包括RFID阅读器，机柜内安装空间同步处理单元、时间校准服务器、里程精确定位服务器、串口服务器[1]。

3.1.1空间同步系统

空间同步子系统提供计距脉冲信号，用于其他各检测系统的脉冲出发、实时速度计算和里程累加计算，如图7所示。

3.1.2时空校准系统

时空校准子系统分为精确时间校准系统和里程精确定位系统两部分，其中，精确时间校准系统通过全车局域网向检测车内其他检测系统实时发布时间信息，里程精确定位系统向车内其他检测系统实时发布里程修正信息，如图8所示。

图7 空间同步处理系统框图

(1)精确时间校准系统

在整车局域网的主干网中，配置基于精密时钟协议的GPS时间同步服务器作为整车的基础时钟源。各检测系统只需要将工作站及计算机中安装时间校准客户端软件即可与GPS时钟同步。

由于这些工作站及计算机均接入整车局域网，时间同步服务器与各工作站计算机即可通过时间校准软件基于车载局域网进行实时的时间同步，使其一直保持在一个精度范围之内。通过网络时间协议(NTP)的保障，各工作站计算机可通过时间同步服务器实现毫秒级的时间校准。时间同步服务器的时钟源由GPS授时方式提供[2]。

(2)里程精确定位系统

由里程同步服务器接收GPS和射频电子标签信息，结合光电编码器脉冲信号，以光电编码器脉冲信号为基准信号，在铁路沿线安装电子标签，平时主要以电子标签的信息为主，利用电子标签信息进行里程修正,如图9所示[3]。并通过GPS记录里程信息，建立里程数据库，作为电子标签的备用信息，可自动切换到GPS。里程同步服务器将这些信息通过里程同步网络以RS422/485协议传输给各检测系统，各检测系统安装有RS422/485接口板，接收这些实时信息[4]。>

图8 时空校准系统框图

里程同步网络实时传送里程数据流，如图10所示。

图9 线路电子标签及检测车内设备安装示意图

图10 里程同步网络数据流程图

3.1.3可行性分析

定位同步系统的优点有：

(1) 环境适用性强

系统采用高速RFID技术实现的高速里程精确定位，克服了以往定位系统易受山谷、隧道、桥梁等地理环境影响的缺点，只要在需要识别的线路特征点预设电子标签，即可准确定位该特征点。

(2) 抗干扰能力强

系统专门针对铁路行业设计，电子标签防护等级达到IP67，工作温度可达-40 ℃～60 ℃，并且能够在大功率电磁环境中正常工作，不会受到发动机点火或其他铁路电子设备产生的电磁波干扰的影响。

(3) 定位精度高

系统采用基于高频光电编码器和精确时间同步技术开发的里程修正定位模型，使整个系统在定位点处达到1 m以内的精度。

目前，全国高速铁路均已安装电子标签，当动车组列车高速通过电子标签时，系统会根据实时车速、车辆行驶状态等参数，结合系统延时计算出列车里程位置，对车内其他系统进行里程修正[5]。因此该方法广泛应用于高速铁路综合检测动车组车上。另外朔黄铁路沿线安装完成电子标签后，集成轨道检测、接触网检测、通信检测等功能于一身的朔黄铁路综合检测车也采用了定位同步系统进行时空校准[6]。

但目前铁路客车运行的普速铁路沿线绝大部分未安装电子标签，因此综合检测车在连挂客车运行过程中，没有电子标签为综合检测车进行里程修正，综合检测车仅能通过GPS修正里程信息。如果要充分发挥该设备的技术特点，需要在既有普速铁路沿线，特别是各交路道口等重点交叉口处安装电子标签，保证综合检测车驶入某一线路或运行一段时间后，能够通过沿线电子标签进行里程修正。该项工作需要资金和时间的投入，短期内暂无法实现。

3.2 机车LKJ数据

机车牵引运行过程中，机车车载的LKJ列车运行监控记录装置能够准确记录列车运行状况。随着机车车辆信息融合工作的不断深入，担当机车与被牵引的整列客车的信息交互有望通过有线连接的方式连成一个整体，即通过机车车载6A系统与铁路客车车载安全监控系统(TCDS)的有线连接，客车TCDS列车级主机将能够通过6A系统，获取机车LKJ关于列车实时速度，运行线别、里程、公里标和时间信息。综合检测车TCDS检测单元在综合检测车上设备有车厢级TCDS监控主机，并已经联入全列的TCDS列车级主机，因此综合检测车将能够实时获取来自牵引机车关于列车实时速度，运行线别、里程、公里标和时间的完整信息。

该方法充分利用了既有资源，不需要任何硬件的投入，获取信息没有任何延时，是最经济最合理的方案。但该方法受制于机车与车辆信息传输通道的建立，截至目前，尚有相当数量的和谐型机车不具备与25T/25K/25G型客车有线连接功能。随着机车车辆信息融合工作的不断推进，该方法可在短期内实现。

3.3 机车CMD数据

机车牵引运行过程中，机车车载的机车远程监测与诊断系统(CMD系统)从LKJ系统获取了机车安全信息，包括司机号、信号机、车站、公里标、列车管压力、进出站等信息，同时获取了机车定位信息，包括经纬度、海拔、速度、时间信息，以及TCMS采集的机车状态信息和6A系统采集的机车检测信息。CMD系统将TCMS、6A、LKJ、机车履历数据及处理后的相关信息进行记录，并确保事件分析时数据的同步性及一致性(如图11所示)。CMD系统实时数据采用3G/4G/北斗等无线传输技术，实现了车地数据通信，车载LDP通过3G/4G每10 s一包、北斗1 min一包的频率下发数据至CMD地面综合应用系统[7]。

图11 CMD机车车载子系统架构

综合检测车基于无线数据传输单元，通过专用通讯协议，可从CMD地面综合应用系统中获取列车速度，运行线别、里程、公里标和时间信息，并通过4G网络传输到综合检测车上。该方法数据交路为机车→地面→综合检测车，存在一定的延时。同时因为CMD无线传输是每10 s一包，因此是间断数据。综合检测车仅可以利用该方式不断修正时空位置。

该方法充分利用了既有资源，不需要任何硬件的投入，但获取信息不连续，有一定延时，可作为机车车辆信息融合实现前的过度方案。

4 结束语

当前，车辆运行安全监控系统正向着信息化、智能化快速发展，随着数据量的不断攀升，联网应用系统功能也在同步扩展和完善。特别是自2018年起随着机车车辆信息融合、资源共享的不断推进，数据来源更加丰富，综合检测车功能的实现途径向着多元化发展。例如针对铁道车辆运行品质轨边动态监测系统探测设备(TPDS)的垂向力动态检测的功能需求，综合检测车TPDS检测单元测量精度有限且综合检测车转向架改造、传感器安装方案复杂，并具有一定的行车安全隐患。随着全路各联网应用系统的融合，砝码车运行数据可随时被综合检测车地面监控中心调取和分析，能够满足TPDS探测站设备垂向力的检测需求。又例如综合检测车时空同步功能，随着机辆信息融合的推进，可以从间断、延迟的地面数据到实时连续的机车数据分阶段实现。

车辆运行安全监测设备综合检测车的研发是从实际运用需求出发，针对各被检测对象的数据要求，并针对既有检测车发现的一些现实问题重点突破，提供了多种解决方案。该技术方案的研究将是一个不断发展，不断完善的过程，向智能全面，经济高效的技术方式发展。