新型电客车车载轨行区全断面巡检系统设计

吴赛甲、窦鹏、舒丛丛

(1.天津津铁城市轨道交通工程有限公司，天津 300000；2.天津新誉德泰技术有限公司，天津 300000）

1 技术背景

轨行区的安全对于高铁、地铁等电客车的安全运行具有非常重要的意义。目前，常使用光源相机、线阵相机、激光雷达等对轨行区的轨面、道床和水沟进行信息采集、分析，从而获得轨面、道床和水沟的状况[1]。然而，由于电客车轨道的分布通常并不是严格意义上的在同一水平面内，导致安装在电客车底部的光源相机、线阵相机、激光雷达等会随电客车运行而出现偏斜的问题；再加上运行过程中轨面受电客车运动摩擦影响，致使轨面、道床和水沟的温度升高，产生热胀冷缩现象，从而影响分析结果的准确性。因此，现有技术中通常将光源相机、线阵相机、激光雷达等直接安装在电客车靠近车头的位置，而在车头还有与应答器进行配合的应答器处理设备，致使车头处的重力加大，同时也使车头处的风阻增大[2]。

针对上述问题，本文提供一种新型电客车车载轨行区全断面巡检系统，结合液氢和硅脂的降温作用使轨面受车轮摩擦发热的影响进一步减少，同时利用陀螺仪配合控制模块的设计减少车头处的重力、降低车头处的风阻。该系统解决了在采集电客车车载轨行区轨面、道床和水沟信息时，轨道不能保持水平以及摩擦发热对分析结果的影响。

2 系统结构

所提出的新型电客车车载轨行区全断面巡检系统主要由巡检组件、车载主机和GPS 定位模块组成。其中，巡检组件是核心部件，用于对轨面、道床、水沟进行实时信息采集，并将信息采集的结果以及GPS 定位模块的定位信息通过车载主机发送至地面数据中心服务器。巡检组件结构的正面和背面分别如图1 和

图1 巡检组件结构的正面

图2 巡检组件结构的背面

另外，热成像仪、激光雷达固定于外箱的下侧壁，上板在宽度方向的侧面固定有位于热成像仪前侧的降温喷头，其内部设有容纳硅脂的空腔，外侧设有挡板，可以防止氢气携带的硅脂颗粒对线阵相机的记录过程产生干扰。同时，利用导管连接降温喷头和液氢罐。激光雷达、热成像仪、光源相机、线阵相机、陀螺仪、GPS 定位模块和制动器等与上板下侧面的控制模块电气连接[3]。

全断面巡检系统如图3 所示，车载主机带有外箱和上板，外箱的内壁之间有横梁固定连接，上板的上侧面安装有液氢罐和伺服电机，液氢罐上设置有电磁阀，电磁阀与控制模块电性连接。伺服电机在转子的尾端处设置有制动器。上板下侧面固定有连接板、陀螺仪和控制模块，连接板和横梁活动连接。

图3 全断面巡检系统

3 系统实现原理

巡检系统工作时，在电客车启动前2s 打开液氢罐连接的电磁阀，液氢罐内的氢气经过导管到达喷头时，在导管内壁处产生吸力，利用毛细通道将外壳内的硅脂吸入导管内，在氢气的携带下从喷头喷出；在电客车快速驶过时，两侧产生的吸力将随氢气喷出的硅脂粒吸到轨面上；热成像仪配合线阵相机和光源相机，记录到硅脂落到轨面时轨面的温度变化，控制模块将线阵相机、光源相机和热成像仪记录的信息传送至地面数据中心服务器，并推送至分析终端，从而得到轨面变形、磨损情况。利用硅脂颗粒的落点信息，结合在分析终端建立的轨面三维模型，进一步对轨面的变形和磨损进行确定。其间，由于氢气以及硅脂颗粒的降温作用，使轨面受车轮摩擦发热的影响进一步减少。在此过程中，外箱底部设置的电子标签定位装置与电客车前进路径上的电子标签配合进行定位，即可知轨面在电客车前进方向的哪个位置发生变形、磨损。同时，还能实现实时识别钢轨伤损、联结零件缺失、移位、道床和水沟异物入侵、道床裂纹、道岔病害等轨行区病害以及关键位置图像抓取。

如果陀螺仪配合控制模块发现上板偏斜，则控制模块快速根据偏斜角度控制伺服电机转动，使螺旋锥的表面对横梁的压紧状态发生改变，转轴两端的螺旋锥即可使横梁带动外箱偏转，从而回到水平位置。

巡检系统的相关检测参数如表1 所示。根据相关检测参数进行图像采集，以实时识别轨行区病害及抓取关键位置图像，将病害图片及线路信息发送到车辆段的服务器，在服务器进行二次识别并精细分类，将最终筛选的病害信息推送到客户端及移动端。服务器可同时接入多种检测系统，实现统一管理和服务，以便在电客车运行期间及时发现外在隐患，保证车厢的安全并为后续维修提供数据支持。同时。在巡检组件水平状态下进行巡检以及配合氢气和硅脂的降温作用，确保轨面记录更加清晰。

表1 巡检系统的相关检测参数

4 系统应用

将所设计的车载轨道巡检系统应用于天津地铁4号线，车载轨道巡检采集程序如图4 所示，可以实时采集图像和线路信息，保存和压缩原始图像，为病害识别提供数据支持。

图4 车载轨道巡检采集程序

巡检识别程序界面如图5 所示，界面可以显示实时识别的时间结果和识别通道、采集的各通道图像，标记病害并发送给传输程序。图6 中的图像报告很好地验证了巡检识别界面的积水和异物侵限情况。其他各项参数也可以很好地得到验证。

图5 巡检识别程序界面

图6 图像报告

利用该系统可以对4 号线沿线各站的病害信息进行仔细检查。分析得到的数据结果清晰地显示出病害类型，以及是在哪一站出现的问题，利于提前清除病害，减少电客车运行过程出现风险的概率，极大地保证乘客的生命安全，同时解放大量的人力，避免夜间工作带来的各种问题。此外，巡检系统还可以有效地发现更多被忽略的病害信息。

5 结论

综上所述，通过将新型电客车车载轨行区全断面巡检系统的检测模块安装在天津地铁4 号线电客车上进行研究，得出以下结论：

一是该系统可以对全断面进行巡视、记录图像、实时识别轨行区病害及抓取关键位置图像，有效地指导维修作业，保障运营安全。

二是可以实现人员成本的缩减。

三是可为后续轨道巡检系统的研究提供新的思路。