铁路车辆轴温探测设备综合监测系统的研究与应用

张少波

摘要：综合监测设备不仅可以节约交通成本，而且可减少维护人员上道作业的次数，确保人身安全，可快速排除故障，且可规范探测站设备维护管理工作，记录故障报警、通知、处理过程，确保运输秩序和行车安全，改变既有的检修维护模式，为实现更科学的状态巡检模式创造条件。现阶段监控车辆安全的红外线轴温探测设备存在系统故障率高、抗干扰能力弱等缺点，都与当前铁路对安全工作的标准有较大的差距。设计车辆轴温智能探测设备综合监测系统，针对探测站的特点实现告警联动、采集数据与视频数据的压缩存储、传输和自动处理，从而达到资源共享，为车辆轴温智能探测系统各级管理人员、维修人员和决策者提供方便、快捷、有效的服务，以解决当前车辆轴温智能探测系统探测站无人值班的远程监控这一重要课题。

关键词：铁路车辆；轴温探测；系统设计

铁路红外轴温探测系统正是通过红外探头采集轴温数据来探测和识别运行列车的问题车轴、防止燃轴和切轴、保障行车安全的重要设施。随着铁路运输的大面积提速、计算机和网络技术的快速发展，现役轴温探测系统在探测设备的热轴兑现率偏低的问题日益凸显，所以对于轴温探测系统来说，加大轴温的探测速度、增强轴温数据的可信度是铁路运输安全的重要课题之一。随着铁路运量的逐年增长，线路上列车运行的密度逐年增大，THDS设备运行的可靠性直接影响到了铁路运输的效率。因此，从提高系统设备可靠性，减少设备故障率、提高设备检测精度，对设备进行持续性的动态检修，减少人力成本的角度上讲，迫切地需要开发出一个相对独立于轴温探测设备的、专门针对其进行综合监测的系统，更广泛地发现轴温探测设备运行过程中的故障，更深入地解决设备存在的各种问题。

一、铁路红外轴温探测的原理

一切温度高于绝对零度（摄氏-273.15 度）的物体都会释放红外辐射能。不同温度的不同物体会释放出不同种类的红外辐射[1]。作为轴温探测的核心，红外线轴温探测器就是利用车轴产生的红外线辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来进行探测的。根据对红外线辐射响应方式的不同，分为热轴温探测器和光子轴温探测器两大类。热轴温探测器是利用热敏电阻吸收红外线辐射而温度变化时其电阻率发生变化的原理，把红外线辐射转换为电压输出,然后根据热靶标定获得到的温度与探头输出电压的对应关系曲线来确定轴箱温度。光子轴温探测器则是利用入射的红外线光子流与探测器材料中的电子直接相互作用，使探测器的电子能量状态发生变化，导致导电性增大（光导型器件）或产生电压（光伏型器件）等电学现象，以此来确定温度。由于热探测器有响应速度较慢的不足，光子轴温探测器微秒量级的时间常数特性使其更为适应目前高速列车的轴温探测。

一般来说，行进中的列车所产生的轴承运转热是比较稳定的，但当轴承内部出现故障时轴承的温度将在短时间内剧烈升高，即轴承损坏程度越高，其产生的热辐射就越大，铁路红外轴温探测正是利用了故障轴承运转温度的这一关系通过探测列车运行中车轴的温度能来及时发现故障轴承的。当列车经过装置在轨边的红外轴温探测器时，探头对每根车轴采集 32 点轴温数据，计算机监测终端对其进行分析，根据温升的大小对轴承运转情况进行正常运转热、微热、强热、激热等级别的划分，从而有效防范燃轴、切轴事故的发生。

二、系统需求

1、轴温探测设备易发故障。通过多年来对车辆轴温智能探测系统进行分析： （1）计轴计辆系统故障。车轮传感器是铁路在线监测设备重要的组成部分，由于种种原因造成结构损坏，甚至被盗，须对车轮传感器进行视频监控；且车轮传感器电路部发生故障，要通过判断1、2、3号车轮传感器输出次数是否相等来检测。（2）轴温探测主机故障。在多数情况下轴温探测主机故障，均由于外界干扰信号冲击，而轴温探测主机“看门狗（Watchdog）”未发挥作用，造成程序运行脱离轨迹而引发的，此时必须关机重新启动系统。（3）室外硬件系统故障。这类故障主要是红外线探头和传输设备故障。也存在探测站红外线探头被破坏，甚至被盗的情况，须对红外线探头进行视频监控。

2、系统设计主要原理

（1）数据采集技术。数据采集系统通常由数据输入通道、数据存储与管理、数据处理和数据输出及显示组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等工作。通常采用多路A/D转换结构，这种方式通常需要同时采集多路数据且用于高速数据采集的情况，使得最高采样频率不会受到影响，并可同时采集多路信号，保持各种信号间的同步关系。数据存储与管理使用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行调用和管理。数据处理就是从采集到的原始数据中，去除干扰信息，从被测物体特性提取反映被测对象特征的重要信息。利用数据的统计分析，便于检索或将数据恢复成原来的物理量形式，形成可输出的形态在输出设备上输出。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示[1]。

（2）网络视频监控技术。相比传统的视频监控，网络监控技术可高效实现远程监控，更便于视频信息的压缩、储存、分析、显示及报警等自动化处理，从而实现无人值守。可利用原有局域网，无需单独布线；采用分布式架构，易安装、易扩展；无需监控中心就可实现同时监控；还可集合监听、广播、报警、远程控制等功能。如图所示。

三、轴温探测设备综合监测系统实践

1、系统部署

（1）室内监控部署：图为红外线轴温探测站示意图，其它监控点室内情况与唐公塔基本相同。室内一共安装1台智能图像监控单元、1台电源分配箱、1套云台摄像机、1台云台控制器、2台交流状态检测器、1 台空调控制器、1 台照明控制器、1 个门态传感器、1台音箱、1台拾音器、2台信号采集器。

（2）室外监控部署：图14为监控点室外监控设计平面图，监控点室外部分主要是架设1根4.5m金属线杆、1套云台摄像机。

2、效果分。车辆轴温智能探测系统综合监测装置对探测设备的硬件及设备输出数据进行全面监测，并能对部分硬件进行远程控制，是对设备检修方式的一场重大变革，经检验此装置有如下效果：

（1）对性检修。综合监控系统通过对信息的处理、分析，可提前掌握设备配件的工作状态，减少设备停机、误报、错报的现象，实现设备的状态检修，提高设备兑现率，保证运输安全。设备故障出现后，对监测中心的数据统计分析后，可以准确判断出现问题的配件，使检修人员不需要对故障进行现场检测，同时直接按照标准作业程序来更换故障配件即可实现修理的目的。传统的检修方式对设备检修人员的个人能力要求很高，同样的故障现象对于不同检修人员可能会采用不同的检修手段，也就会有很多故障不能够在第一时间消除，会产生更多的检修费用，更会对安全生产造成不必要的制约。

（2）实现设备无故障运行。为了对其它监测装置的故障配件和存在故障趋势的配件进行跟踪监测，在设备维修基地安装了一套试验监测装置，在此装置使用一定时期后，配件的故障就会完全处于管理及维修人员的控制之中，不但能让设备的配件最大程度发挥其内在能力，而且还能杜绝意外设备故障的发生，也就实现了设备无故障运行的目的。

本文从轴温探测的重要性和智能探测设备的发展历程出发，指出设备当前在自检功能上的不足和迫切需求，从而引出综合监测系统的设计与实现过程。根据现场要求设计出了整个综合监测系统的构架、划分出了主要的模块，利用数据采集技术、网络技术和通信技术实现整个系统的布局和各个模块的功能，该系统在室内外的具体部署以及系统运作的具体情况、效果分析，最终印证了轴温智能探测设备综合监测系统的功能。

参考文献：

[1] 刘普寅, 张汉江, 吴孟达. 模糊神经网络理论研究综述[J]. 模糊系统与数学,2018, 12(1): 77-87.

[2] 张周锁, 胥永刚, 何正嘉. 新型高速机车轴温监测系统的研究与开发[J]. 西安交通大学学报, 2019, 35(3): 23.

[3] 吴军辉,林开颜,徐立鸿.RS485总线通信避障及其多主发送的研究[J].测控技术,2019,21(8):41-43．