梁晨 ，涂英輝 ，歐森火 ，陳輝

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所，北京 100085）

0 引言

高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施呈典型層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，列車輪軌荷載直接作用到軌道結(jié)構(gòu)，并以能量、荷載、變形和振動(dòng)等方式向下部各層結(jié)構(gòu)傳遞。受列車速度、鋼軌橫向彎曲、垂向荷載偏載和軌道不平順等因素影響，輪軌間的動(dòng)力作用呈現(xiàn)不同特點(diǎn)，主要評價(jià)指標(biāo)為輪軌垂向力和輪軌橫向力。其中，輪軌垂向力指車輪在平行于鋼軌斷面對稱軸方向作用于鋼軌的力；輪軌橫向力指車輪在軌道橫向、垂直于鋼軌斷面對稱軸作用在鋼軌上的力[1]。

目前，輪軌力檢測主要分為連續(xù)輪軌力檢測和間斷輪軌力檢測2種類型[2]。連續(xù)輪軌力檢測目的在于識別車輪扁疤等車輪不良狀態(tài)，系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)需要成區(qū)段的將普通扣件更換為測力扣件系統(tǒng)，施工量較大且造價(jià)較高。間斷輪軌力檢測系統(tǒng)可識別列車通過時(shí)輪軌作用峰值，目的在于統(tǒng)計(jì)分析大量輪軌力作用荷載分布規(guī)律，只需安裝少量傳感器即可進(jìn)行系統(tǒng)搭建，造價(jià)較低[3]，在此主要針對間斷輪軌力監(jiān)測系統(tǒng)開展分析。

目前，我國鐵路移動(dòng)裝備和基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營現(xiàn)狀已發(fā)生了較大變化，蒸汽機(jī)車已退出歷史舞臺，牽引機(jī)車主要采用內(nèi)燃機(jī)車或電力機(jī)車，高速鐵路運(yùn)營速度進(jìn)一步提升[4]。隨著列車類型日益豐富和運(yùn)營速度不斷提升，需對軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)開展廣泛監(jiān)測以獲取海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，為軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供支撐。通過基于云平臺的高速鐵路輪軌力地面智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究分析，提出輪軌力地面智能監(jiān)測方案，將既有人工檢測分析的數(shù)據(jù)處理方式改進(jìn)為機(jī)器自動(dòng)處理，為軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)大數(shù)據(jù)的建立提供支撐。

1 前端傳感單元安裝方法

國內(nèi)外軌道測試輪軌力通常是以粘貼在鋼軌上的應(yīng)變片作為傳感元件，基于剪力法測試輪軌力作用下的當(dāng)量應(yīng)變，進(jìn)而根據(jù)標(biāo)定換算輪軌力的大小。該系統(tǒng)前端傳感單元安裝方法基于TB/T 2489—2016《輪軌橫向力和垂向力地面測試方法》，其中應(yīng)變片粘貼在相鄰鋼軌支點(diǎn)之間中心線左右對稱斷面的鋼軌兩側(cè)中和軸上，以及距離軌底邊緣20 mm處軌底上表面上[5]，現(xiàn)場情況見圖1。

圖1 前端傳感單元安裝方法

2 輪軌力智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架

云平臺輪軌力智能監(jiān)測系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上由前端傳感及數(shù)據(jù)處理單元、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸單元、遠(yuǎn)程監(jiān)測中心和終端用戶等4個(gè)結(jié)構(gòu)組成（見圖2），分布在各個(gè)現(xiàn)場的單個(gè)檢測點(diǎn)組成現(xiàn)場子系統(tǒng)，多個(gè)現(xiàn)場子系統(tǒng)通過專用網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成一個(gè)樹狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 云平臺輪軌力智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 前端數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測系統(tǒng)前端主要包括測試傳感器和數(shù)據(jù)處理單元，其中前端傳感器主要進(jìn)行荷載參數(shù)傳感，數(shù)據(jù)處理單元對傳感器采集的電壓模擬信號進(jìn)行數(shù)字量轉(zhuǎn)換，并開展智能處理和分析。由于前端傳感器主要應(yīng)用電阻傳感器，具體安裝方法依據(jù)TB/T 2489—2016《輪軌橫向力和垂向力地面測試方法》執(zhí)行。因此，數(shù)據(jù)處理單元是系統(tǒng)應(yīng)用核心，放置在道旁設(shè)備機(jī)柜內(nèi)，現(xiàn)場應(yīng)用情況見圖3。

圖3 前端數(shù)據(jù)處理單元設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用

2.2.1 硬件電路方案

現(xiàn)場測試系統(tǒng)設(shè)備主機(jī)的硬件電路主要包括核心CPU模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、邏輯控制模塊、A/D采集模塊及A/D調(diào)度模塊和存儲(chǔ)模塊等，硬件電路方案見圖4。

圖4 智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路總體方案

核心CPU模塊基于ARM920T內(nèi)核開發(fā)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)度。該模塊同時(shí)與上位機(jī)通訊，接收上位機(jī)發(fā)出的指令并將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，離線采樣時(shí)將數(shù)據(jù)存入SD卡。

數(shù)據(jù)處理模塊基于TMS320C6713 DSP芯片開發(fā)，可同時(shí)執(zhí)行8條指令。該模塊負(fù)責(zé)從A/D采集模塊得到數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和傅里葉變化等算法處理，最后將處理完的數(shù)據(jù)傳給核心CPU模塊。

邏輯控制模塊主要作用為搭建出各種組合時(shí)序電路，從而對多路采集通道進(jìn)行控制。

A/D調(diào)理模塊的作用為實(shí)現(xiàn)多種傳感器使用的匹配及輸入信號的選擇，包括實(shí)現(xiàn)AC輸入（隔直流）、DC輸入（交直流均通過）、ICP輸入（針對ICP傳感器）和應(yīng)變等多種方式。

2.2.2 數(shù)字濾波算法設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波的意義在于將敏感分量從復(fù)合信號中分離出來，采用數(shù)值計(jì)算的方法來增大信號的信噪比，降低背景噪聲干擾[6]。由于前端數(shù)據(jù)處理單元安裝在鐵路沿線，周邊電磁環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備用電工頻干擾嚴(yán)重。為克服上述不利影響，分別設(shè)計(jì)了頻域和時(shí)域數(shù)字濾波器進(jìn)行信號的濾波處理[7]。

頻域?yàn)V波器根據(jù)輪軌力信號和干擾在頻域上的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，對采集信號在頻域進(jìn)行1 kHz低通和50 Hz及其倍頻帶阻濾波處理，降低信號高頻和工頻干擾。時(shí)域?yàn)V波器根據(jù)信號和干擾在時(shí)域上的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，對輸入信號以褶積和迭代方式進(jìn)行數(shù)字處理以實(shí)現(xiàn)濾波要求。

2.2.3 波形基線修正算法設(shè)計(jì)

溫度漂移和電磁環(huán)境干擾和輸出非線性等因素都會(huì)造成波形基線移動(dòng)。信號波形的基線修正也稱為信號數(shù)據(jù)的趨勢項(xiàng)消除，信號數(shù)據(jù)中的趨勢項(xiàng)可能是畸變引起的信號基線移動(dòng)，也可能是一種相對可用主頻信號較低的噪聲干擾頻率，由于這種較低的頻率成分會(huì)嚴(yán)重影響信號分析精度，并在相關(guān)功率譜分析中出現(xiàn)較大畸變，因此需要予以消除[8]。

系統(tǒng)按照偏差平方和最小的原則選取擬合曲線，采取最小二乘法求取趨勢項(xiàng)后進(jìn)行趨勢項(xiàng)消除。相對于使用數(shù)字高通濾波器的基線濾除方法，該方法可減少干擾信號對低頻成分的影響，進(jìn)而減少對輪軌力波形幅值特別是輪軌橫向力波形幅值的影響，使識別的輪軌力峰值更接近真實(shí)值[9]。

2.3 云平臺網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)據(jù)中心服務(wù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心服務(wù)系統(tǒng)采用多層次模式架構(gòu)，具體分為數(shù)據(jù)邏輯層、數(shù)據(jù)操作層業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)采集終端將采集的設(shè)備信息、測點(diǎn)參數(shù)及采集數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)服務(wù)寫入數(shù)據(jù)庫，終端客戶通過網(wǎng)絡(luò)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫存放采集數(shù)據(jù)、采集終端采集型號和連接IP等信息，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)框架見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.3.2 功能模塊接口設(shè)計(jì)

模塊接口采用HTTP通信協(xié)議，接口命令類型包括數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)調(diào)用、數(shù)據(jù)交互和狀態(tài)交互等，交互命令分別見表1—表3。

表1 數(shù)據(jù)采集命令表

表2 數(shù)據(jù)交互命令表

表3 狀態(tài)交互命令表

2.3.3 云平臺設(shè)計(jì)

輪軌力智能監(jiān)測系統(tǒng)交互界面包括首頁信息概述、詳細(xì)查詢、結(jié)果統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)置等交互模塊，主界面見圖6。

圖6 基于云平臺的輪軌力智能監(jiān)測系統(tǒng)交互界面

首頁信息概述頁面可查閱測試工點(diǎn)最新一趟列車通過后的監(jiān)測結(jié)果概覽，由線路名稱、通過時(shí)間、通過速度、編組信息、通過列車輪對數(shù)、報(bào)警信息和輪軌力最大值等信息。

詳細(xì)查詢頁面可對特定時(shí)間內(nèi)所有通過列車的詳細(xì)信息進(jìn)行查詢，并可對選定參數(shù)最值進(jìn)行簡單統(tǒng)計(jì)分析，掌握輪軌力等動(dòng)態(tài)參數(shù)隨時(shí)間變化情況。

統(tǒng)計(jì)分析頁面可對列車輪軌力和安全參數(shù)開展統(tǒng)計(jì)分析，掌握上述測試參數(shù)在不同閾值范圍的分布規(guī)律。

系統(tǒng)設(shè)置頁面可對前端傳感單元相關(guān)信息進(jìn)行在線設(shè)置，包括通道采樣內(nèi)容、采樣頻率、標(biāo)定值和地理位置等。

3 智能監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證

現(xiàn)場傳感器安裝完成和標(biāo)定后，通過監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)置模塊，對投入采集設(shè)備的應(yīng)用地點(diǎn)、采樣頻率、通道數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)端口和相關(guān)描述等進(jìn)行設(shè)置，并設(shè)置相關(guān)監(jiān)測通道閾值，待測試量超過設(shè)置閾值后，自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，設(shè)置界面見圖7。數(shù)據(jù)采集后，依據(jù)橋路和標(biāo)定值的設(shè)置結(jié)果，對采集應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行物理量的自動(dòng)計(jì)算。

圖7 采集設(shè)備參數(shù)信息設(shè)置界面

2019年，在某高鐵線上進(jìn)行了設(shè)備樣機(jī)為期一年的試用[10]，以驗(yàn)證設(shè)備穩(wěn)定性?，F(xiàn)場測點(diǎn)布置于平面曲線上，曲線半徑9 000 m，實(shí)設(shè)超高90 mm。設(shè)備樣機(jī)應(yīng)用期間，共監(jiān)測列車2 600余趟，累計(jì)測試有效輪對數(shù)166 644個(gè)，剔除異常值后剩余輪對數(shù)164 324個(gè)，測試地點(diǎn)輪軌力統(tǒng)計(jì)分布情況見圖8。

通過監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用，初步獲取曲線上動(dòng)車組輪軌荷載譜分布狀況。系統(tǒng)獲得大量監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，設(shè)備應(yīng)用期間內(nèi)設(shè)備樣機(jī)工作較為穩(wěn)定。

圖8 曲線上股鋼軌（左軌）輪軌垂向力頻數(shù)分布

4 結(jié)束語

輪軌力及其衍生的脫軌系數(shù)、輪對減載率和輪軸橫向力等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)是表征軌道動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)的重要參數(shù)，掌握輪軌力等軌道動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)變化情況對了解移動(dòng)設(shè)施和固定設(shè)施服役狀態(tài)具有重要作用?；趥鞲屑夹g(shù)、虛擬儀器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新融合，把云端服務(wù)器作為信息處理和控制中心，通過專用網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳到云服務(wù)器中心，經(jīng)過服務(wù)器虛擬儀器軟件的分析處理得出結(jié)論并發(fā)出控制和警告命令，命令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)終端用戶以及時(shí)進(jìn)行軌道設(shè)施狀態(tài)查詢和養(yǎng)護(hù)，實(shí)現(xiàn)地面輪軌力檢測由人控向機(jī)控轉(zhuǎn)變?；谠破脚_的高速鐵路輪軌力智能監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輪軌力的在線采集、自動(dòng)分析、自動(dòng)上傳和智能展示等功能，系統(tǒng)的運(yùn)用可為高鐵運(yùn)營服務(wù)提供基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)監(jiān)測信息并提升高速鐵路信息化和智能化水平，同時(shí)累積的大量輪軌作用數(shù)據(jù)可為基礎(chǔ)設(shè)施新型部件設(shè)計(jì)提供依據(jù)。