铁路货车轮对运用状态综合检测系统的研究与应用

王 昊 中国铁路上海局集团有限公司南京东车辆段

1 引言

随着中国铁路的快速发展，现行的铁路车辆运行安全监控系统（5T系统）主要是用于检查运行车辆的轴温、轴承早期故障、列车超偏载以及车辆侧部底部故障等情况，对车轮状况的检查内容仅限于踏面擦伤、剥离的预报，但是由于缺少踏面缺陷的实际图像，无法查看踏面损伤的具体情况。另外对运行车辆车轮轮缘厚度、轮缘垂直磨耗、轮对内侧距、踏面圆周磨耗、轮辋厚度等外形尺寸参数还无法实现自动检测，这就需要在进行车辆技术作业时投入大量的人力对车轮状态进行人工检查，大大影响运输效率和车辆运行质量。

在轮对外形尺寸检测检测方面，国外已研究多年并已有成熟系统在使用。但大部分轮对尺寸检测设备只能在列车低速状态下（低于30 km/h），实现对轮对车轮轮缘宽度、轮缘高度等参数的检测，如何实现在列车高速运行状态下仍然可以准确的检测轮对尺寸一直是货物列车运用的难题。

随着科技的发展，激光图像采集测量以及高速相机图片处理技术的应用越来越广泛且成熟，我们根据其原理研究出铁路货车轮对运用状态综合检测系统，采用激光图像检测方法，实现高速车轮轮对尺寸和踏面的在线检测。

2 研究内容

2.1 系统原理及构成

检测系统主要由安装在轨道两侧的12 个激光线光源和CMOS 相机组成外形尺寸测量单元，10 组CCD 相机组成踏面图像单元。外形尺寸测量单元利用激光图像测量技术，将内侧和外侧激光以不同角度投射到车轮踏面，并在车轮踏面上形成完整的激光轮廓线，将相机与光入射方向成一定角度拍摄车轮外形光截曲线，经图像采集、处理获得车轮外形尺寸。踏面图像单元通过布置在轨道外侧CCD 相机组对通过的踏面进行图像采集，通过数字图像采集、边缘检测和模式设别得到合成后的踏面圆周图像。

外形尺寸检测单元中，由激光线光源、相机及被测对象组成三角测量（如图1），多个激光线光源和相机共同构成了多个三角测量单元。为了有效得到快速通过车辆的踏面激光轮廓线，在车轮前后侧冗余布置了三角测量单元（如图2）。

图1 三角测量单元

图2 多组三角测量单元

踏面图像检测单元主要由布置在轨道两侧的10 组CCD相机组成，其中CCD 相机、补偿光源和控制系统集成在同一个检测单元中，测量单元体积较小，安装简便（如图3）。

图3 踏面图像轨旁布局

外形尺寸检测单元采用箱体式设计，相机和激光线光源通过玻璃窗口获取外界图像，从而保证箱体的密封性，能够有效的防水、防尘，箱体外侧设计有自动保护罩，待机状态下，保护罩处于关闭状态。踏面图像检测单元同样设计有自动保护罩，在检测状态下，保护罩自动打开，待机状态下，保护罩关闭，保护其内部相机和补偿光源。

2.2 数据分析处理方法

对外形尺寸检测单元采集的数据处理，主要由三部分完成：

第一步，通过软件自动采集标定块的图像。开始采集后，标定块（如图4）以固定间隔距离从开始位置移动到停止位置，在每个固定间隔位置软件采集表标定块的图像。

图4 标定装置及采集图像

第二步，从所有采集到的图像中进行标定线的识别。软件显示所有位置的采集图像，根据霍夫变换理论提取出所有标定线。

第三步，提取出所有标定线的交叉点，完成像素到实际距离的转换。软件会选取所有所需的交叉点，并根据之前标定块移动的固定间隔距离，对所有交叉点进行距离标示，所有交叉点完成距离标示后进行像素点对实际距离的转换。

3 硬件组成及安装

综合检测系统需安装6 组车轮状态传感器，其中距离检测中心区域50 m 前后各安装一组进线和离线车轮状态传感器，用于检测货车进入和离开检测区（如图5）。检测中心区域布置四组车轮状态传感器，用于控制采集系统的开启和关闭。

图5 系统布局图示意图

外形尺寸检测单元在特殊预应力混凝土枕上安装，需要对既有线路轨枕进行更换，根据工务部门线路管理要求以及正线轨旁设备安装规定，按照550 mm、700 mm、550 mm 的间距连续布置4 根特制枕。完成安装后，当系统检测到车辆进线信号，系统从待机状态进入工作状态，车辆到达各检测区域时，保护罩自动打开，触发激光，同时照相机采集车轮图像。轨边探测站内的分析处理服务器会自动分析采集到的轮对数据，通过既有铁路数据网，将分析得到的检测结果，上传至列检监控服务器并在 BS 报表中显示。在检测到车辆离开检测区域后，系统自动关闭保护罩，并重新进入待机状态，等待下一列车到来。（如图6所示）

图6 系统检测流程简图

4 系统应用效果

铁路货车轮对运用状态综合检测系统于2019 年底在中国铁路上海局集团公司南京东车辆段京沪线（南京东）上行正线开始安装，2020年完成调试并开始试运行。

4.1 轮对数据检测报警准确性

我们对综合检测系统自2021 年1 月1 日至2021 年6 月25日的检测数据进行了统计，其对通过南京东车辆段上行场各型铁路货车如C70、P65、P70、X70、NX70、JSQ6 等车种车型的货车轮对进行检测。检测货运列车6 213 列，其中，综合检测系统验证性试运行阶段检测列车1 788 列，正常使用阶段检测列车4 425 列，全部共检测货运列车编组315 053 编组、轮对1 260 212对。

系统应用期间共计预报超出设定报警门限的数据384条，经人工复核系统检测数据误差在±0.5 mm以内的数据355条，准确率为92.45%，同时查出超出运用限度并进行扣车处理的问题轮对有8次，均为踏面圆周磨耗超限轮对。

4.2 系统与环境适应性情况

检测系统使用情况稳定，完全满足在正线高速户外环境下的使用要求，尤其是经历了从低温、雨雪到暑期的高温环境下的全天候户外使用考验。通过实际的检测案例与人工检测对比，验证了系统原理的正确性、技术的先进性和检测结果的准确性。试运行期间线路旁既有设备为TFDS、THDS设备及其各自自有的铁路车号自动识别装置，经过验证对既有线路运营无影响及与线路旁既有设备不会相互干扰。

5 结束语

铁路货车轮对运用状态综合检测系统通过利用激光图像采集测量以及高速相机图片处理技术，能够对运行中的货车轮对进行准确的检测，有效判定踏面圆周磨耗、轮缘厚度、轮辋厚度、轮缘垂直磨耗等参数是否超出运用要求的限度，能够及早发现车轮踏面损伤及外形尺寸超限，解决了大量人工检查轮对影响列车检车效率的问题。

新运规中到达列车人机分工人工检查范围和质量标准已经较原有的要求做了较大的改进，但受制于车辆轮对的自动检查技术手段，依然规定对车轮轮缘垂直磨耗，内侧缺损，踏面擦伤、剥离、局部凹下、缺损、圆周磨耗，轮缘厚度，轮辋厚度，轮辋缺损进行人工检查。综合检测系统应用后可以实现系统自动检查，不再需要人工检查，既能提高检查质量，又能减少列检作业人员，提高列车检查效率和劳动生产率，全路推广使用后可以为铁路货车列检作业方式改革特别是到达列车作业方式的进一步改革提供装备技术保障，在铁路货车检修、铁路货车运输方面的“降本、提质、增效”上发挥极大的作用。