基于嵌入式診斷系統的機車安全運行研究

摘要 機車控制系統發展的當前階段可以用所有過程的自動化來描述。但是，如果不使用集成到其組成中的信息測量系統，則不可能對控制系統進行時間敏感的適應，以適應鐵軌的當前狀態和機車本身。在這種情況下，配備有這種系統的每個機車不僅成為管理和控制的對象，而且還成為有關軌道狀態的最新信息的來源。本文致力于通過考慮機車車輛和鐵軌的狀態，使用這種內置的診斷系統來解決確保機車安全和節能行駛的問題?？紤]了選擇速度模式以及確定嵌入式診斷系統中信息處理的組成，位置和基本原理的標準。

關鍵詞：安全性能;診斷系統;缺陷性能;能源效率

中圖分類號：TM76 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract ?The current stage of the development of locomotive control systems can be described by the ubiquitous automation of all processes. However， if the information measurement system integrated into its composition is not used， it is impossible to make a time-sensitive adaptation of the control system to the current state of the rail and the locomotive itself. In this case， each locomotive equipped with such a system not only becomes an object of management and control， but also becomes a source of the latest information about the state of the track. This article is dedicated to the use of this built-in diagnostic system to solve the problem of ensuring the safe and energy-saving driving of the locomotive by considering the status of rolling stock and railroad tracks. Considering the selection of speed mode and determining the composition， location and basics of information processing in the embedded diagnostic system Principle of the standard.

Keywords： Safety performance; diagnosis system; defect performance; energy efficiency

鐵路客運和貨運領域的當前特征是交通流量的增加。這導致兩個相互矛盾的問題：一方面，由于軌道和機車車輛上的負載增加，緊急危險增加;另一方面，由于交通密度的增加，找到用于監視軌道設施狀況的時間表間隙變得更加困難。打破這種惡性循環的最有前途的方法之一是使用有機地集成到列車中的移動診斷系統。為了這些目的，最適合的當然是機車。同時，值得一提的是，現代鐵路運輸面臨的另一個與交通集約化有關的問題：形式化不足和人為因素在機車領域的影響。結果，由于運動能量效率的降低，交通安全性降低并且運輸成本增加。在這方面，旨在支持駕駛員并解決鐵路運輸運動的協調控制問題的方法和工具的開發相繼產生。

1 ?鐵路運行速度分析

1.1 ?計劃運行速度

在世界不同國家，可能的鐵路速度差異很大。 此外，一個國家的鐵路網中既可以存在高速路段，也可以存在速度較慢的路段。運動速度與列車和鐵軌本身的適應性有關，通常是針對給定的速度范圍專門設計的。特別是對于高速運動，曲率半徑小的彎道是不可接受的（由于在通過過程中作用在列車上的離心力太大）。在高速路段運行的火車也與低速路段根本不同。僅在明顯的速度超過160 km/h時才完全表現出來的因素之一是空氣阻力，根據列車的形狀（主要是機車），影響運動質量的氣流湍流有所不同[1-2]。

1.2 ?列車運行安全及限速

盡管不同的貨運和客運列車可達到的速度有所不同，但所有這些都有共同的局限性。這些限制是由于需要確保沿當前狀態的已開采軌道沿線運輸的安全性。應該注意的是，鐵軌不是靜止的物體。隨著時間的流逝，由于遭受的影響，它可能會嚴重改變其狀況。

鐵路的結構通常分為上下兩部分。下部包括其基礎床：路基和位于其底部的各種人工結構，如橋梁，管道，隧道等。從壓載層及更高層開始的所有東西都屬于上部結構，包括組裝好的軌道和軌枕，鐵軌的這些組成部分隨時間的變化是由許多因素引起的，例如季節性溫度波動會引起土壤的加熱或凍結，以及鐵軌的長度會發生變化;強烈的降雨導致水土流失;對沿途經過的火車的路徑產生影響。

鐵路發生的變化會使用專門的測量儀器進行定期監控。為此，實驗用車和手動儀表在世界范圍內得到使用。在相關標準中描述了鐵路軌道狀況的所有必需參數，這些標準既基于理論研究，又基于多年的鐵路運營經驗。他們為鐵路的所有測量參數設置了邊界，否則可能會發生緊急情況。應該注意的是，確保適當控制鐵軌狀況的最大問題與火車經過時的影響有關。鐵路運輸是運輸旅客和貨物的最具成本效益的方式之一。因此，世界上發展中國家的鐵路上的交通量正在穩定增長[3-4]。由于鐵路狀態的許多變化與開采區的交通強度直接相關，因此在最流行的地區，這些參數的故障率最近已顯著增加。例如，這些因素包括軌道缺陷的出現和發展。即使是現在，為了在密集操作區域中進行適當的控制，還需要使用實驗車每兩個月進行一次測量[5]。

應當注意的是，根據說明，這些不規則行為的性質會顯著影響沿路徑段的安全移動速度[6]。這是由于其一定程度的發展會導致事故。例如，如果在諸如波紋（波長為2.5-25.0cm的波狀磨損）之類的參數中僅檢測到超出1毫米，則速度限制為140 km/h。 如果在此段上進行修整（磨削）之前，該缺陷的深度達到3 mm，則將速度限制一直嚴格到40 km/h。在某些情況下（對于特別嚴重超出軌道維護標準的情況），軌道部分可能會完全關閉，直到進行維修為止。影響交通安全并因此限制可能的速度的另一個重要因素是機車本身的狀況。

考慮到機車車輛狀態的困難在于，首先，在維護過程中要對其進行控制。同時，機車旅執行的程序（通常歸結為外部外觀檢查）具有最大的規律性。 大約每月一次進行更嚴格的維護：在這里可以使用專用設備（儀表，超聲設備等）。例如，在一個月內，車輪缺陷的發展可能非常嚴重，因此在旅途中可能會出現問題。在這種情況下，限速的責任直接落在駕駛員身上，必須經常在缺乏數據測量信息時做出此決定。

2 ?機車運動的能效

機車的能效主要與其推進機械的運行有關。目前已經很好地描述了這種機器本身和許多其他系統的操作性質：存在具有不同程度的理想化和詳細程度的數學模型[7]。在任何情況下，為了使火車運動，機車必須以一定的速度產生一定的推進力。那時，由于車輪與軌道的相互作用而產生了推進力，因此對其增加的限制是對牽引力的需求[8]。因此，最大可能的推進力取決于機車的重量及其機輪與鋼軌之間的附著系數。該系數取決于許多因素。為了增加它，例如可以使用打磨。

對推進力的限制會導致兩種主要的工作模式：

（1） 在一定速度下，推進力幾乎不變（接近最大值），功率增加（加速過程）;

（2） 在加速到高速后，功率變得恒定，并且推進力發生雙曲線變化（機車的推進力與速度的乘積保持不變）。

為了確保推進性能接近理想，柴油機車上使用了各種類型的變速器（電動，液壓，機械），用于將扭矩從發動機傳遞到機車車輪。帶有電力傳輸的柴油機車顯示最接近理想推進性能特征結果?？紤]到相當快的加速，機車在平坦地形上的主要工作發生在恒定切向力區域。

鑒于以上所述，我們可以得出結論，以恒定速度接近其最大值的機車的運動是最節能的。因此，影響效率降低的因素是加速度和減速度以及高低的差異。應注意，加速度和制動可能與鐵軌布局及其狀態有關，出于安全原因，必須放慢速度。如果作為能效的標準，除了移動速度的值之外，我們還考慮了以穩定速度行駛的路段的數量，并根據該標準組織機車的移動，那么我們需要系統支持駕駛員選擇運動模式。該系統應既包含從可用來源獲得的軌道狀況的先驗信息（圖紙位置，診斷行程的先前結果），也應包含來自機車及軌道診斷系統的信息。

3 集成式診斷系統

分配給診斷系統以集成到機車中的任務是：

（1） 監視機車的當前狀態，并發出有關其系統和結構元件可能發生故障的信號;

（2） 監視列車經過的路段的當前狀態;

（3） 在軌道部分識別列車的當前位置，并向駕駛員顯示;

（4） 考慮有關行進路段狀況的可用先驗信息以及當前行程的診斷數據，以制定有關速度的措施。

應該說，許多機車系統的狀態已經受到監視（駕駛員從測量設備獲取的有關其狀態的某些信息）。但是，應該注意的是，僅在以下情況下，才可以監測車輪對缺陷的發展（軸裂紋，軸箱部件，車輪），軸承滾動表面的磨削以及車輪滾動表面上的缺陷的出現保養。這意味著內置的診斷系統應提供在旅行期間監視上述因素的可能性，并監視在維護日期之間旅行的情況的發展。

解決該問題的方法可能是控制機車轉向架各個點的振動水平和頻率，就像已經針對各種物體所進行的操作。在這種情況下，可能的手段之一是在關注點附近安裝微機械加速度計。

圖1顯示了從此類傳感器安裝在汽車上時獲得的信號頻譜的大致視圖。以下，作為實驗結果，展示了作者開發的InerTrack鐵路診斷系統的傳感器數據。 圖中所示的光譜是從微機械加速度計的讀數中獲得的，這些加速度計的測量軸為垂直方向，測量范圍為±35g。這些加速度計作為慣性測量模塊（IMU）的一部分，安裝在汽車轉向架之一的軸箱上。圖中所示的振幅譜對應于安裝了IMU1，IMU2，IMU3的車輪通過相對平坦的軌道部分（無接縫或缺陷）并且安裝了IMU4的車輪沿軌道截面滾動的瞬間，軌道在滾動表面上包含缺陷。

確定鐵軌通過部分的當前狀態是一項極其困難的任務。當前，實驗室車承擔了這種診斷領域的主要負擔。它們每個都包括大量復雜而昂貴的測量系統。 因此，不可能將機車轉換成這種汽車的模擬物（就傳感器的組成，受控參數的數量和準確性而言）。解決的方案如下：

（1） 僅監視變化最快的鐵路參數（在使用專用設備的連續測量之間可能會發生重大變化）;

（2） 使用低精度傳感器，前提是它們安裝在沿軌道的特定部分行駛的大量列車上（在這種情況下，可以通過回歸分析獲得相當準確的發展預測）。

軌道參數可以分為多個組，其中包括軌道的幾何參數（軌距，曲率和垂直對齊，一個軌道相對于另一軌道的高程等）和軌道缺陷。反過來，鋼軌缺陷又分為內部缺陷和表面缺陷。當前，使用磁力或超聲波探傷儀（用于內部缺陷）來發現鐵軌缺陷。這些系統對移動速度和安裝位置有很大的限制，并且目前的形式無法安裝在定期運行的火車上。同時，關于此類缺陷，當前的診斷措施允許保持路徑的令人滿意的狀態。在監視軌道的表面缺陷的領域中出現了另一種情況。其中大多數是通過手動方式檢測和測量的。但是，有研究提出了通過在車輪與軌道接觸點附近安裝慣性傳感器來檢測和測量它們的可能性。這樣的系統既便宜又緊湊，這表明可以在本文提出的概念框架內使用它們。

圖2顯示了在缺陷通過軋制表面期間從慣性傳感器接收到的信號的近似形式。所示圖表對應于InerTrack系統中包含的垂直加速度計的讀數。當汽車從三個IMU以160 km/h的速度行駛時接收到信號：IMU1和IMU2安裝在汽車的一側（前輪上的IMU2），而IMU3安裝在汽車的另一側，在同一側輪對作為IMU1。應注意IMU1和IMU2信號圖中右側脈沖的相似性質-它對應于滾動表面缺陷的通過（傳感器信號的延遲是由于車輪之間的距離引起的）等于2.4 m。IMU1信號中周期性重復的脈沖（周期為3.0 m）也清晰可見。IMU3信號中存在相同的脈沖串，但不太明顯。這些波動對應于安裝了IMU1的車輪胎面表面上的不平整。顯示了將傳感器信號中的這兩種爆裂原因分開的可能性，這使得可以同時診斷車輪和軌道的滾動表面狀態。

當前，主要通過專用的軌道車來控制軌道的幾何形狀?，F有的大多數解決方案都涉及使用捷聯慣性導航系統（SINS）來測量這些參數，從而可以控制列車的運動和方向（通常與衛星導航系統集成以提高準確性），以及軌道頭的光學掃描儀成對安裝在列車的三個部分中。SINS本身和由一對掃描儀組成的每個測量部分的成本都很高。應該注意的是，當使用其他結構和算法解決方案時，有一種方法只允許使用一個測量部分。但是，避免使用SINS是很困難的。

使用地理信息系統（GIS）是一種可能的方法，既可以確保對軌道的特定部分進行地理配準，又可以考慮有關該部分狀態的先驗信息（先前收到的信息）。在這種情況下，列車所覆蓋的路段的診斷結果由各種儀表（專用貨車和類似的嵌入式系統）執行，形成了帶有地理標簽的電子數據庫。來自該數據庫的數據既可以用于顯示路段上的當前狀況，也可用于與當前段落中的測量結果以進行聯合的處理。通過這種方法，可以大大降低安裝在機車上作為嵌入式診斷系統一部分的SINS的精度要求。使用從GIS中獲取的，用于鐵路橫穿線段的數據作為中線（空間中位置的中線的變化）的參考，可以“抵消”慣性傳感器讀數中累積的誤差變化緩慢。上述測量方案以路徑的航向和曲率變化為例，是從IMU的方位微機械陀螺儀（臺車運動）的讀數（相對于從SINS方位激光陀螺儀滑架運動獲得的中線），如圖3所示。

使用GIS時的重要因素是列車與地圖上位置的精確綁定。這在移動過程中以及在形成電子地圖本身的過程中都是很重要的（需要知道某個缺陷的位置）。解決這個問題的方法可能是使用專用的導航系統在鐵軌上使用。該系統的基礎是里程表，其誤差模型可以描述為：

根據式（3），使用來自所有可用來源的信息來校正里程表讀數，其中可能是來自衛星導航系統，SINS的數據以及來自GIS的先驗信息。使用先驗信息的一個示例可以是關于軌道接頭位置的知識。 IMU可以高精度地檢測它們的通過，從而提供有關火車在地圖上位置的知識。

4 ?結論

本文分析了改變確保安全和節能鐵路交通的方法的可能性。當前情況是從沿鐵軌各部分可能的速度以及這些速度的現有限制的角度提出的，得出的結論是，路段的行駛模式和狀態監控不應獨立進行。 考慮一種可能的方法來形成機車的節能駕駛標準：除了實際速度外，火車的加速和減速也很重要，提出了一種嵌入式診斷系統的概念，該概念著重于支持駕駛員做出有關高速模式下的決策。 提出了一種在這種診斷系統中選擇信息處理的組成，位置和基本原理的方法。

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作者簡介：焦靜波（1988- ），男，教師，碩士研究生，研究方向：電力機車電機及安全運行。Email：2728966033@qq.com.