動車組輪載平衡智能檢測系統(tǒng)的研制

李俊鵬，張正普，姜 利

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

動車組輪載平衡智能檢測系統(tǒng)的研制

李俊鵬，張正普，姜 利

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

針對動車組輪載平衡不能自動調(diào)整的問題，提出一種完整的智能檢測方案。介紹系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路、主要功能、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和軟硬件構(gòu)成，并對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程和技術(shù)關(guān)鍵進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

動車組；智能檢測；輪載荷平衡

動車組輪載平衡不能像傳統(tǒng)機(jī)車車輛那樣自動調(diào)整，需要獲得左右車輪載重進(jìn)而人工調(diào)整，保證偏載限制到一定范圍之內(nèi)。開發(fā)一款智能、高效、準(zhǔn)確穩(wěn)定的動車組輪載平衡智能檢測系統(tǒng)（以下簡稱：系統(tǒng)）顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程

動車組輪載平衡智能檢測系統(tǒng)從信息化系統(tǒng)自動獲取動車組到發(fā)計(jì)劃、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，支持自動執(zhí)行和人工操作兩種模式，利用傳感器感知認(rèn)知機(jī)理，構(gòu)建了一種基于ACT-R認(rèn)知機(jī)構(gòu)的智能檢測系統(tǒng)，測量時(shí)無需人工操作，自動檢測出通過（動態(tài)）或?？浚o態(tài)）傳感器的動車組輪載平衡。系統(tǒng)通過高速數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采用特定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)萃取，并進(jìn)行智能分析與判別，實(shí)現(xiàn)最終數(shù)據(jù)顯示與儲存，得到生產(chǎn)工藝中調(diào)整輪載平衡的直接依據(jù)數(shù)據(jù)，還提供龐大的報(bào)表系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)庫對歷史數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，為管理層提供決策，并將數(shù)據(jù)納入信息化系統(tǒng)統(tǒng)一管理；通過專用的標(biāo)定設(shè)備，保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定工作。

1.1 系統(tǒng)總體思路

系統(tǒng)采用3層分布式應(yīng)用體系，由接口層、應(yīng)用服務(wù)層、設(shè)備層3層構(gòu)成，如圖1所示。接口層完成與動車組管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；應(yīng)用服務(wù)層包括輪載平衡檢測業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器、管理和監(jiān)控終端等，其中輪載平衡檢測業(yè)務(wù)服務(wù)器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，支持和管理多臺檢測終端設(shè)備，可掛接多臺管理監(jiān)控終端；檢測終端設(shè)備包括檢測平臺和操作平臺，可以完成數(shù)據(jù)采集、分析及處理、智能判別等相關(guān)功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)一般采用鐵路局集中模式進(jìn)行部署，在鐵路站、段設(shè)置整列動態(tài)檢測和靜態(tài)單輛檢測終端設(shè)備，在鐵路局設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，兩套數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成了數(shù)據(jù)庫群集，通過群集來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的雙機(jī)熱備，承擔(dān)了所有下轄動車段輪載平衡檢測業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)處理服務(wù)，以雙鏈路連接鐵路局車輛系統(tǒng)核心交換機(jī)，采用光纖通道接口與磁盤陣列連接；應(yīng)用服務(wù)器組合成應(yīng)用服務(wù)器集群，將所有下轄站、段的應(yīng)用處理服務(wù)全部集中管控，應(yīng)用服務(wù)器通過信息化網(wǎng)絡(luò)連接信息化接口服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)與信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；采用負(fù)載均衡器實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)均衡處理，保證了系統(tǒng)的高可靠性和高安全性，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由終端設(shè)備機(jī)內(nèi)軟件、應(yīng)用服務(wù)軟件、管理監(jiān)控軟件和信息化系統(tǒng)接口軟件組成，如圖3所示。各組成部分模塊化設(shè)計(jì)，各司其職，獨(dú)立完成本職工作，具有良好安全性和伸縮性，易于維護(hù)，便于應(yīng)用擴(kuò)展。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

終端設(shè)備機(jī)內(nèi)軟件采集所測轉(zhuǎn)向架4個(gè)車輪施加到兩側(cè)短軌式傳感器的壓力，分別測出每個(gè)車輪載荷，再根據(jù)采集到的波形和軌跡，利用相應(yīng)算法，計(jì)算出輪重、軸重、轉(zhuǎn)向架重、整車重、以及輪重差等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。該軟件采用VS2010開發(fā)，其集成開發(fā)環(huán)境（IDE）簡單明了，對界面化的操作很強(qiáng)大，數(shù)據(jù)庫相關(guān)控制也比較方便。

應(yīng)用服務(wù)軟件是整套系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的接入訪問控制，是檢測設(shè)備與信息化系統(tǒng)提供溝通的橋梁和通道，提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的操作接口，便于數(shù)據(jù)的記錄、查詢和管理。

應(yīng)用服務(wù)軟件采用Java的Web模式開發(fā)的人機(jī)交互界面，這種圖形化界面方式簡單直觀，使用者易于接受，容易上手操作。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、搜索、同步、報(bào)告和分析等操作。

管理監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時(shí)負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的設(shè)置和管理，信息化系統(tǒng)接口軟件是信息化系統(tǒng)對外提供的一套標(biāo)準(zhǔn)訪問接口服務(wù)，該服務(wù)不僅降低了外部系統(tǒng)執(zhí)行信息化業(yè)務(wù)的復(fù)雜程度，同時(shí)也確保了信息化系統(tǒng)自身的安全。為了便于開發(fā)和維護(hù)，管理監(jiān)控軟件和信息化系統(tǒng)接口軟件均采用Java開發(fā)。

1.4 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分由機(jī)械承載部分、高精度傳感器總成、高速數(shù)據(jù)采集模塊、標(biāo)定設(shè)備4大模塊及附屬結(jié)構(gòu)組成。

1.4.1 機(jī)械承載部分

機(jī)械承載部分采用有兩條縱向梁的框架式軌道測試平臺，如圖4所示。使結(jié)構(gòu)的整體性和抗扭曲性能大幅提高，消除了人為的軌道不平順影響，并把各種軌道不平順減少到最低限度，盡可能地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而保證了檢測系統(tǒng)的可靠性。

圖4 機(jī)械承載部分

1.4.2 傳感器

系統(tǒng)采用的傳感器是一個(gè)廣義的采集終端總成，包括狹義的傳感器、調(diào)理電路及機(jī)械構(gòu)件，如圖5所示。其采集部分設(shè)計(jì)在內(nèi)部，有良好的電氣防護(hù)等級，外觀尺寸與普通鋼軌一致，完全與普通鋼軌銜接。傳感器的有效測量長度需比動車組輪對周長長，保證輪對一周均經(jīng)過檢測。傳感器直接在機(jī)械承載部分上安裝，不需要任何限位機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，避免了由限位裝置產(chǎn)生的誤差。比起國外相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，甚至難以在室外安裝，傳感器對場地的要求較低，布置靈活。

圖5 傳感器總成圖

1.4.3 高速數(shù)據(jù)采集模塊

高速數(shù)據(jù)采集模塊采用虛擬儀器領(lǐng)域中具有代表性的圖形化編程平臺Lab View，如圖6所示。數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器輸入過來的電壓模擬信號，經(jīng)過放大、濾波等一系列處理，轉(zhuǎn)為能被計(jì)算機(jī)識別的數(shù)字信號，通過外設(shè)部件互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（PCI）接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊編程界面

1.4.4 標(biāo)定設(shè)備

為了讓系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，需要每隔一定時(shí)間（一般不低于1年）對系統(tǒng)進(jìn)行一次標(biāo)定，檢驗(yàn)傳感器總成、通道及數(shù)據(jù)采集模塊的狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的情況，現(xiàn)有的標(biāo)定方式均不能滿足需要，在借鑒相關(guān)領(lǐng)域檢驗(yàn)標(biāo)定方式的基礎(chǔ)上，研制出一種新式的標(biāo)定方法，即采用液壓對比裝置和標(biāo)定砝碼車，使用“傳感器1輪對1傳感器”的方式，按照計(jì)量流程對設(shè)備逐一進(jìn)行檢驗(yàn)，最終完成系統(tǒng)要求范圍內(nèi)的標(biāo)定，如圖7所示。

圖7 標(biāo)定設(shè)備

系統(tǒng)對剛性軌道結(jié)構(gòu)的平直度、長度及軌道水平高度差、軌距嚴(yán)格要求，并在檢測區(qū)兩側(cè)一定距離（由動車組定距和軸距決定）處設(shè)置防偏護(hù)軌，盡量減少列車震動及前后車輛對正在檢測的車輛造成的影響，共同保證動態(tài)檢測時(shí)的檢測精度。

2 系統(tǒng)主要功能

動車組輪載平衡智能檢測系統(tǒng)不僅能保障動車組的運(yùn)行安全，成為現(xiàn)代化交通體系的重要推動力量，為民眾出行提供便捷的服務(wù)支持，而且完善研發(fā)試驗(yàn)服務(wù)基地、領(lǐng)域平臺及工作站三位一體工作體系，進(jìn)一步提升研發(fā)實(shí)驗(yàn)服務(wù)基地的服務(wù)能力，具體功能如下。

2.1 高精度高效檢測

整列動態(tài)檢測和單輛靜態(tài)檢測系統(tǒng)精度均優(yōu)于國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。高精度檢測是高效率調(diào)整動車組輪載平衡的關(guān)鍵，是動車組安全運(yùn)行的保障。整列動態(tài)檢測無需動車組解體便可以進(jìn)行輪載平衡檢測，簡化了檢修工藝，節(jié)省了為檢測輪載平衡而進(jìn)行的動車組解編、組編的人力物力，提高了工作效率。

2.2 智能化評判

對需調(diào)整位置及尺寸進(jìn)行智能綜合報(bào)警評判。針對機(jī)車車輛輪載荷可能受其聯(lián)掛車輛影響，根據(jù)長期的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)積累，建立專家經(jīng)驗(yàn)知識庫，利用數(shù)據(jù)挖掘和專家系統(tǒng)技術(shù)，按照鐵路總公司報(bào)警評判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合車型、速度、報(bào)警分布等因素對需調(diào)整位置及尺寸進(jìn)行智能綜合報(bào)警評判。

2.3 追溯管理

各鐵路局、站段檢測數(shù)據(jù)共享對相關(guān)車輛全程把握。同列動車組從出廠到檢修，每次調(diào)整前后的輪載平衡數(shù)據(jù)可共享并追溯管理，對其進(jìn)行全程跟蹤，把握其生命周期中的各種狀態(tài)，作為領(lǐng)導(dǎo)層決策的依據(jù)。

2.4 第三方服務(wù)

構(gòu)建一套檢定平臺及標(biāo)準(zhǔn)為相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行檢定服務(wù)。依托國家高速鐵路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在中國鐵道科學(xué)研究院東郊實(shí)驗(yàn)基地建立一個(gè)檢定平臺，并擁有專用的檢驗(yàn)設(shè)備，經(jīng)過國家認(rèn)可委認(rèn)定，為諸如超偏檢驗(yàn)車、大功率機(jī)車稱重臺提供檢定服務(wù)。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)已在長春客車股份等主機(jī)廠，北京、上海、廣州等動車基地布置安裝，已有逾千余列不同型號（包括CRH1、CRH2、CRH3、CRH4等）、不同編組(包括8編組、16編組等)的動車組以不同的牽引方式（包括公鐵兩用車牽引、大功率機(jī)車牽引、自動力牽引）通過安裝在不同軌道結(jié)構(gòu)（包括整體道床和軌道橋）上的系統(tǒng)的檢驗(yàn)。這些列車在本系統(tǒng)的保障下，重新回到鐵路干線，以時(shí)速200 km～380 km的速度為乘客提供便捷、安全、舒適的旅行環(huán)境。

[1]張正普，康增建，李 明，王 冰.動車組輪重檢測設(shè)備的研制[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2011（9）.

[2]張志昂．稱重設(shè)備在武漢動車組檢修基地應(yīng)用方式的探討[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，20（6）.

[3]董 燕，胡玲玲. 稱重傳感器溫度零點(diǎn)自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].衡器，2009（3）.

[4]康增建.動車組輪緣承力稱重傳感器的研究[J].中國鐵路，2010（5）.

責(zé)任編輯 方 圓

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

李俊鵬，工程師；張正普，助理研究員。