以更低的成本和更高的安全性來(lái)維護公共鐵軌

如今，一種新型的系統化維護方法可以及時(shí)測量、定位和維修鐵路及有軌電車(chē)軌道出現的問(wèn)題。結合成熟的鐵路工程技術(shù)手段和先進(jìn)技術(shù)，包括Blackfin處理器和圖形化系統設計技術(shù)，可改進(jìn)和優(yōu)化公共交通。

在中國，鐵路是普及便捷的交通運輸方式。工業(yè)化、城市化以及公路交通負荷的加重都帶來(lái)了對鐵路貨運及客運的更大需求，此外，尋求一種舒適及安全的交通工具的旅客也不斷增多。政府計劃投資5萬(wàn)億元在2020年前新建4萬(wàn)公里鐵路，這必將進(jìn)一步滿(mǎn)足國內貨運及客運的需求。

從技術(shù)層面來(lái)講，運輸負荷提高就需要更高的列車(chē)速度并縮短停頓間隔，因而也使鐵軌和電車(chē)處于更大的機械應力之下，從而導致不可避免的過(guò)早磨損和惱人甚至危險的故障(圖1)。處理這些應力對鐵路和有軌電車(chē)軌道造成的損害，就需要更加強調監控和維護。ADI公司的Blackfin處理器和NI公司的圖形化可編程LabVIEW技術(shù)在鐵軌檢查系統中扮演著(zhù)核心角色，獲取準確的現場(chǎng)測量數據并將其存儲，以便采取進(jìn)一步行動(dòng)，這樣能延長(cháng)鐵軌的工作壽命，提高公共交通服務(wù)的經(jīng)濟性和可靠性。

圖1：系統化的鐵軌維護理念包括測量、定位和維修鐵軌故障。

鐵軌：揭開(kāi)背后的秘密

當新的鐵路和電車(chē)軌道鋪設好后，在澆注混凝土之前要進(jìn)行正確的軌道位置校驗以確保質(zhì)量。完成安裝后隨著(zhù)時(shí)間的推移，在日常運行中問(wèn)題不可避免地開(kāi)始出現、蔓延。這些問(wèn)題是由車(chē)輪與鐵軌之間的機械接觸應力造成的，這些應力是極為復雜的彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型的一部分，其力學(xué)范圍涉及從列車(chē)的底盤(pán)和負載到鐵路地基。在歐洲，這些問(wèn)題的臨界參數和容差范圍可按照鐵路工程標準進(jìn)行分類(lèi)。鐵路維護的目標是發(fā)現和測量這些問(wèn)題，并使它們保持在可接受的水平。

圖2：鐵軌參數分為軌道幾何形狀、縱向形貌和橫截面三類(lèi)。

軌道幾何形狀

鐵軌的規格或者說(shuō)兩條軌道之間的距離會(huì )影響列車(chē)一側到另一側的運動(dòng)。這種運動(dòng)使車(chē)輪和鐵軌的接觸點(diǎn)不斷移動(dòng)，以使磨損減至最低。

軌道傾斜度的變化會(huì )帶來(lái)?yè)u晃和振動(dòng)。傾斜的缺陷通常由鐵路地基的變形引起，鐵軌表面的起伏不平和孔洞也會(huì )引起傾斜。不過(guò)，有些系統性的傾斜面是必要的，這是為了在進(jìn)入和離開(kāi)彎道時(shí)盡量減少加速對旅客造成的不適。恰當的軌到軌間隔避免了當列車(chē)高速迎面經(jīng)過(guò)時(shí)造成相撞事故的任何可能性。

縱斷面形貌

裂縫和斷裂是最讓人擔心的缺陷之一，因為它們可能會(huì )導致災難性的結果，如脫軌。特征波長(cháng)為20毫米至100毫米的鐵軌波紋起伏在振幅超過(guò)0.05毫米時(shí)會(huì )形成一種煩人的噪聲。另一方面，其波峰為0.3毫米時(shí)，這種振動(dòng)會(huì )對鐵路路基造成不可逆轉的損害。波紋會(huì )沿著(zhù)鐵軌蔓延，在科學(xué)意義上目前還弄不清楚它們是如何產(chǎn)生的。單個(gè)孔洞大多由轉彎或車(chē)輪跳動(dòng)造成，并可用數學(xué)多項式表達。它們是造成有軌電車(chē)線(xiàn)路突然顛簸的罪魁禍首。老舊鐵軌上經(jīng)常發(fā)生有規則的顛簸現象，這歸咎于每18米鐵軌段存在一處焊接接縫。

橫截面

新安裝的鐵軌頭端幾何形狀遵循一個(gè)經(jīng)準確計算的觸點(diǎn)幾何尺寸，這樣可優(yōu)化輪與軌道之間的接觸面。該形狀可用切線(xiàn)和特定的半徑進(jìn)行描述，提供了水平基準，使車(chē)輪能經(jīng)濟、平滑而安全地滾動(dòng)(圖2)。

測量鐵軌

對于系統化和以目標為導向的鐵路維護來(lái)說(shuō)，其關(guān)鍵需求是要全面了解對當前鐵路或電車(chē)軌道網(wǎng)絡(luò )的幾何結構狀態(tài)。這可通過(guò)一種智能的測量策略來(lái)實(shí)現，這種策略是將里程測量結果(測距)、軌道幾何形狀、縱向形貌和橫截面與精確的GPS定位相結合。所有這些參數通過(guò)移動(dòng)測量設備或裝備良好的測量車(chē)輛獲得。測量數據先通過(guò)ADI公司的Blackfin處理器進(jìn)行預處理，最后轉入分析軟件，在電子地圖上實(shí)現后期分析和精確的測量和故障定位(圖3)。

圖3. 測量結果與GPS數據相結合，以確定它們在地理信息系統(GIS)中的精確位置。

軌道幾何形狀

采用精度在0.01毫米范圍內的無(wú)觸點(diǎn)感應傳感技術(shù)進(jìn)行軌距測量?；谲浖腇IR(有限脈沖響應)低通濾波器可抑制高頻噪聲，而隨后的移動(dòng)平均濾波器確保期望為連續值的結果中沒(méi)有“偽峰值”出現。類(lèi)似的方法也應用于傾斜傳感器，工作時(shí)就像一個(gè)電子液位儀，具有± 10 °的角范圍，精確度0.025°以?xún)?。所用的物理原理將頻率范圍限制在1Hz以?xún)取?/P>

測量軌到軌距離需要一套復雜且要求大量運算的浮點(diǎn)算法，以便計算出絕對的水平和垂直距離(圖4)。

在車(chē)輛一側安裝高精度激光束，在1米到5米的距離內其搖晃幅度為± 5°，由Blackfin處理器控制。鄰近鐵軌的測量信號經(jīng)低通和中值濾波，并從極坐標轉換為笛卡爾坐標。在采用模式匹配算法對信號進(jìn)行運算之前，要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理，如矢量旋轉和重采樣。其目的是在鐵路線(xiàn)內找到幾何特征的一個(gè)準確特征矢量。因為鐵路上存在許多障礙物，如石塊或雜草，這個(gè)矢量要采用真實(shí)性檢查器和跟蹤算法進(jìn)行運算，以確保得出可靠和有效的結果。所有這一切都是在實(shí)時(shí)條件下由一個(gè)5Hz循環(huán)完成的。

圖4：測量軌到軌距離(水平和垂直)需要實(shí)時(shí)的高性能數字信號處理算法。