城市軌道交通車輛軸溫在線非接觸檢測技術進展

文/符泰然 史聰靈 李建 孟迎潮 楊臧健

城市軌道交通是城市公共交通的主干線，城市軌道交通運營安全是城市公共安全的重要組成部分。車輛作為城市軌道交通運營的核心設備，車輛走行部的軸箱軸承、轉向架等關鍵部件的狀態(tài)是事關運營安全的重要因素。車輛高速行進過程中，摩擦效應會使軸承發(fā)熱，當軸承出現(xiàn)磨損、缺陷或裝配不當?shù)裙收蠒r，摩擦急劇增加，致使軸承區(qū)域熱量聚集，軸承溫度會顯著升高，引發(fā)熱軸，嚴重的情況下會造成熱切軸、燃軸，將給運營行車帶來潛在的重大危險。因此，發(fā)展軌道交通車輛軸溫在線檢測技術具有必要而迫切的需求，通過車輛軸承溫度動態(tài)測量，實現(xiàn)熱軸實時精確預警，避免運行車輛車軸過熱，預防車輛熱軸所引發(fā)的側翻及脫軌等重大安全風險。以此為研究背景，本文將對車輛軸溫在線非接觸檢測技術的研究現(xiàn)狀進行概述，并介紹本研究團隊在該方向取得的相關研究進展。

車輛軸溫檢測技術的發(fā)展歷程

車輛軸溫檢測技術發(fā)展最早源自鐵路列車安全運輸?shù)男枨螅F路列車軸溫探測系統(tǒng)已在美國、德國、法國以及我國鐵路運營系統(tǒng)中得到應用。溫度測量傳感器是鐵路列車軸溫探測系統(tǒng)的構成核心，傳感器技術發(fā)展牽引著軸溫探測系統(tǒng)的不斷迭代更新，已從傳統(tǒng)的接觸式測量模式發(fā)展到非接觸式紅外測量模式，從低響應時間的熱電傳感器過渡到具有更快響應時間及測量靈敏度的光電傳感器，從中低速列車探測發(fā)展至高速列車探測。

隨著高速、重載鐵路的大規(guī)?？缭绞桨l(fā)展，對鐵路列車軸溫探測系統(tǒng)的熱軸預報準確率、系統(tǒng)維護性等技術指標提出了更高要求，高精度傳感器技術也并不能保障實際運營環(huán)境中的列車軸溫探測系統(tǒng)的可靠準確測量，因此，基于現(xiàn)有傳感器技術，如何從測量方法層面有效提高高速、重載鐵路列車軸溫探測系統(tǒng)的綜合測量水平是未來發(fā)展的重要方向。

鐵路列車軸溫探測系統(tǒng)的應用發(fā)展，為城市軌道交通車輛軸溫檢測提供了很好的技術借鑒，但相比于長途、重載、高速鐵路列車，城市軌道交通機車在車輛、行車環(huán)境、運營管理等方面存在顯著差異，車輛軸溫在線檢測技術應用具有其自身特點與技術難點，相關現(xiàn)狀分析如下。

傳統(tǒng)接觸式測溫技術的缺點

與鐵路列車探測不同，城市軌道交通車輛軸溫檢測主要采用接觸式測溫技術，在車輛軸箱上安裝接觸式軸溫指示貼或者溫度傳感器標簽，當車輛回庫后由檢測人員讀取軸溫指示貼的數(shù)據(jù)并記錄輪軸溫度信息，或者采用微波射頻識別技術，現(xiàn)場讀取傳感器標簽的車軸溫度信息、車號信息等，動態(tài)顯示車軸溫度情況。接觸式測溫技術應用存在不可忽視的缺點，車輛每個軸箱上需逐一安裝測溫指示貼或標簽傳感器，惡劣環(huán)境下的接觸式傳感器工作狀態(tài)維護與校準標定工作量會非常繁瑣，極大增加了機車車輛的運行維護成本，而且每個軸箱上的單個接觸式溫度測點會使溫度檢測系統(tǒng)存在很大的熱軸誤判風險。

紅外軸溫測量技術的難點

紅外軸溫測量技術目前并未在城市軌道交通領域廣泛應用，相比于接觸式測溫技術，紅外測溫技術具有非接觸、測量響應快等技術特點，適用于高速運動目標溫度的動態(tài)測量，將是城市軌道交通車輛軸溫檢測的優(yōu)勢技術之一。但傳統(tǒng)紅外輻射測溫技術，亦或是鐵路列車軸溫紅外測試技術，在應用于城市軌道交通的軸溫度檢測中存在若干關鍵技術挑戰(zhàn)：

一是城市軌道交通采用的是面向客運承載、中高速運行（最高運行速度不大于150 km/h）的機車車輛，車輛熱軸風險看似要小于重載、高速鐵路列車，但城市軌道交通車輛具有更密集的行車間隔以及較長的運營時間，在本質上并未降低對軸溫預報預警的精度要求?；诜墙佑|式測量原理的紅外軸溫測量系統(tǒng)，將面臨著頻繁啟?；虺L時運行的系統(tǒng)可靠性、高速采集過程產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)流傳輸與分析等關鍵技術難題。

二是城市軌道交通地下線路的行車環(huán)境為地下密閉空間，紅外軸溫測量系統(tǒng)需要布置在隧道軌行區(qū)道床區(qū)域，以實現(xiàn)到達列車的輪軸辨識與溫度非接觸檢測，然而隧道軌行區(qū)的結構振動、高溫/高濕度、電磁干擾、金屬粉塵（列車鋼輪與鋼軌摩擦導致）等環(huán)境因素，將嚴重影響紅外軸溫測量系統(tǒng)的測量精度與使用壽命。且隧道軌行區(qū)內布置的儀器裝置通常不具備日常維護保養(yǎng)的條件，工作于惡劣環(huán)境下的紅外軸溫測量系統(tǒng)如何保障溫度測量的高精度與高可靠性，則成為另一關鍵技術難題。

三是紅外輻射測溫精度受物體表面發(fā)射率及測量光路輻射干擾的極大影響，物體表面發(fā)射率與物體結構、組分、表面狀態(tài)、溫度、波長等諸多因素密切相關，實際物體發(fā)射率的不確定性與復雜性，是輻射溫度準確測量的主要難點。而對于地下空間中的車輛輪軸軸箱測試而言，實際惡劣環(huán)境下的軸箱表面發(fā)射率未知性的影響將更為凸顯，環(huán)境空間中彌散的超細金屬粉塵也將對測量光路造成顯著的測量干擾，現(xiàn)有軸溫紅外測試技術中對此并沒有很好的解決方案。如何從測量方法層面解決發(fā)射率未知性及輻射干擾的影響也是另一關鍵技術難題之一，發(fā)展先進的測量方法將是提高測量軸溫檢測系統(tǒng)測量水平的重要技術途徑。

某地鐵線路列車的車輛輪軸軸箱溫度測量結果圖

紅外軸溫測量技術的新進展

針對于城市軌道交通車輛軸溫在線測量的需求以及現(xiàn)有技術應用的局限性，本研究團隊在國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目等資助下，基于機車車輛、行車環(huán)境、運營管理等多因素相結合的研究思路，立足于方法創(chuàng)新，帶動技術突破，發(fā)明了分布式多光譜測量的軌道交通車輛軸溫測試新方法、新技術和新裝備。

第一，針對于惡劣環(huán)境下輪軸軸箱表面測量干擾性與發(fā)射率未知性的難點問題，研究建立了基于分布式/多光譜融合的軸溫非接觸測量方法，發(fā)展了紅外多光譜輻射測溫優(yōu)化算法，采用多點區(qū)域與多光譜相融合的測量方式，通過紅外多光譜通道輻射強度測量，實現(xiàn)了環(huán)境干擾以及表面未知/變化輻射物性情形下的高速運動物體多點目標的非接觸溫度反演，解決了長時工作條件下，輪軸輻射物性變化給輻射溫度準確測量造成的難點問題，從測量方法原理層面提高軸溫非接觸測量精度。

第二，開展中低溫目標紅外光譜輻射特性參數(shù)測試與表征研究，為車輛輪軸輻射溫度測量與光譜優(yōu)化選擇提供了基礎數(shù)據(jù)支撐。

第三，研發(fā)了基于紅外多光譜融合測量、高通量輻射成像、高速高頻傳感器集成設計的地鐵輪軸非接觸式測溫技術與裝置，重點解決了窄光譜波段內的多光譜紅外輻射弱信號的高速高通量采集關鍵技術難題。

第四，建立了基于雙溫度參考黑體（是輻射傳熱學里面一個基本概念，代表具有最大發(fā)展及吸收輻射能力的理想物體）的原位在線輻射溫度快速標定與校準方法，實現(xiàn)長時運行狀態(tài)下的紅外多光譜輻射測溫裝置的高精度在線原位標定，減小了環(huán)境金屬粉塵等測溫裝置光學窗口的污染影響，以保障惡劣環(huán)境下測溫裝置的高精度測量。

第五，研發(fā)了由紅外多光譜輻射測溫裝置、在線溫度定標與校準單元、環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測單元、車輛/輪軸信號辨識單位等構成的輪軸溫度綜合測量系統(tǒng)，具有測量/定標/待機等功能，構建了輪軸溫度測量系統(tǒng)無人值守工作模式。

以某地鐵線路2 01 9年4 月2 0日21：59：15 進站列車為例，布置于該線路隧道軌行區(qū)的輪軸溫度綜合測量系統(tǒng)，在列車進站時自動辨識列車進站信號，開始啟動測量，實時獲得了列車運行狀態(tài)下的24 組車輪輪軸軸箱溫度差分布（如上圖所示），熱軸溫差的預警值為40℃，當溫差達到40℃，輪軸溫度綜合測量系統(tǒng)將給出預警信號傳遞至控制指揮中心。

本研究成果解決了地鐵軌旁非接觸軸溫關鍵技術難題，為車輛軸溫非接觸測量提供了一種先進的綜合測試技術，以有效保障車輛行車安全，減小地鐵機車運行維護成本，是公共安全檢測技術領域的重要技術進展。城市軌道交通軸溫非接觸式檢測方法、技術和裝備，目前已在某地鐵線路進行工程應用示范，未來將具有更大的推廣應用前景。[本文作者史聰靈、李建，單位系中國安全生產(chǎn)科學研究院交通安全研究所；符泰然、孟迎潮、楊臧健，單位系清華大學。本文得到國家自然科學基金項目（51622403），中國安全生產(chǎn)科學研究院基本科研業(yè)務費專項（2019JBKY12、2019JBKY02），中國安全生產(chǎn)科學研究院“萬人計劃”入選人才特殊支持經(jīng)費項目（WRJH201801）等項目資助，作者在此表示感謝。]