以更低的成本和更高的安全性來維護公共鐵軌

如今，一種新型的系統(tǒng)化維護方法可以及時測量、定位和維修鐵路及有軌電車軌道出現(xiàn)的問題。結(jié)合成熟的鐵路工程技術(shù)手段和先進技術(shù)，包括Blackfin處理器和圖形化系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，可改進和優(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5萬億元在2020年前新建4萬公里鐵路，這必將進一步滿足國內(nèi)貨運及客運的需求。

從技術(shù)層面來講，運輸負荷提高就需要更高的列車速度并縮短停頓間隔，因而也使鐵軌和電車處于更大的機械應(yīng)力之下，從而導(dǎo)致不可避免的過早磨損和惱人甚至危險的故障(圖1)。處理這些應(yīng)力對鐵路和有軌電車軌道造成的損害，就需要更加強調(diào)監(jiān)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(tǒng)中扮演著核心角色，獲取準確的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)并將其存儲，以便采取進一步行動，這樣能延長鐵軌的工作壽命，提高公共交通服務(wù)的經(jīng)濟性和可靠性。

圖1：系統(tǒng)化的鐵軌維護理念包括測量、定位和維修鐵軌故障。

鐵軌：揭開背后的秘密

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

圖2：鐵軌參數(shù)分為軌道幾何形狀、縱向形貌和橫截面三類。

軌道幾何形狀

鐵軌的規(guī)格或者說兩條軌道之間的距離會影響列車一側(cè)到另一側(cè)的運動。這種運動使車輪和鐵軌的接觸點不斷移動，以使磨損減至最低。

軌道傾斜度的變化會帶來搖晃和振動。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引起傾斜。不過，有些系統(tǒng)性的傾斜面是必要的，這是為了在進入和離開彎道時盡量減少加速對旅客造成的不適。恰當(dāng)?shù)能壍杰夐g隔避免了當(dāng)列車高速迎面經(jīng)過時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(dān)心的缺陷之一，因為它們可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的結(jié)果，如脫軌。特征波長為20毫米至100毫米的鐵軌波紋起伏在振幅超過0.05毫米時會形成一種煩人的噪聲。另一方面，其波峰為0.3毫米時，這種振動會對鐵路路基造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。波紋會沿著鐵軌蔓延，在科學(xué)意義上目前還弄不清楚它們是如何產(chǎn)生的。單個孔洞大多由轉(zhuǎn)彎或車輪跳動造成，并可用數(shù)學(xué)多項式表達。它們是造成有軌電車線路突然顛簸的罪魁禍首。老舊鐵軌上經(jīng)常發(fā)生有規(guī)則的顛簸現(xiàn)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經(jīng)準確計算的觸點幾何尺寸，這樣可優(yōu)化輪與軌道之間的接觸面。該形狀可用切線和特定的半徑進行描述，提供了水平基準，使車輪能經(jīng)濟、平滑而安全地滾動(圖2)。

測量鐵軌

對于系統(tǒng)化和以目標為導(dǎo)向的鐵路維護來說，其關(guān)鍵需求是要全面了解對當(dāng)前鐵路或電車軌道網(wǎng)絡(luò)的幾何結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這可通過一種智能的測量策略來實現(xiàn)，這種策略是將里程測量結(jié)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(jié)合。所有這些參數(shù)通過移動測量設(shè)備或裝備良好的測量車輛獲得。測量數(shù)據(jù)先通過ADI公司的Blackfin處理器進行預(yù)處理，最后轉(zhuǎn)入分析軟件，在電子地圖上實現(xiàn)后期分析和精確的測量和故障定位(圖3)。

圖3. 測量結(jié)果與GPS數(shù)據(jù)相結(jié)合，以確定它們在地理信息系統(tǒng)(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(nèi)的無觸點感應(yīng)傳感技術(shù)進行軌距測量。基于軟件的FIR(有限脈沖響應(yīng))低通濾波器可抑制高頻噪聲，而隨后的移動平均濾波器確保期望為連續(xù)值的結(jié)果中沒有“偽峰值”出現(xiàn)。類似的方法也應(yīng)用于傾斜傳感器，工作時就像一個電子液位儀，具有± 10 °的角范圍，精確度0.025°以內(nèi)。所用的物理原理將頻率范圍限制在1Hz以內(nèi)。

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

在車輛一側(cè)安裝高精度激光束，在1米到5米的距離內(nèi)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(zhuǎn)換為笛卡爾坐標。在采用模式匹配算法對信號進行運算之前，要經(jīng)過進一步的處理，如矢量旋轉(zhuǎn)和重采樣。其目的是在鐵路線內(nèi)找到幾何特征的一個準確特征矢量。因為鐵路上存在許多障礙物，如石塊或雜草，這個矢量要采用真實性檢查器和跟蹤算法進行運算，以確保得出可靠和有效的結(jié)果。所有這一切都是在實時條件下由一個5Hz循環(huán)完成的。

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