自動軌道衡偏載檢測、監(jiān)測技術(shù)方案可行性研究

李學(xué)寶，李世林，彭 沖，侯秀林，馬 翔

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081)

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，貿(mào)易量的日益增長對鐵路運(yùn)輸?shù)男枨笤絹碓礁?，也對鐵路運(yùn)輸安全提出了更高要求[1-2]。鐵路貨車超載、偏載是影響鐵路貨運(yùn)安全的主要因素，對運(yùn)輸貨物車輛進(jìn)行高效的超載、偏載檢測成為必需。

自動軌道衡目前一般安裝于鐵路到發(fā)站以及涉及鐵路運(yùn)輸?shù)牡胤狡髽I(yè)專用線，為強(qiáng)制檢定計(jì)量器具，應(yīng)用遍及鐵路、煤炭、冶金、電力、石化等行業(yè)，用于貿(mào)易結(jié)算[3-5]，同時防止車輛超裝或未卸空。鐵道貨車超偏載檢測裝置（以下簡稱超偏載檢測裝置）主要安裝于編組站的進(jìn)出線，用于檢測鐵路貨車運(yùn)輸途中的裝載狀態(tài)[6-7]?，F(xiàn)行的貨運(yùn)車輛檢測模式是發(fā)車源頭自動軌道衡檢測貨車的質(zhì)量，途中編組站超偏載檢測裝置檢測車輛的超載、偏載狀況，需要整裝時到下一站停車進(jìn)行甩車作業(yè)處理，從而對鐵路運(yùn)輸效率產(chǎn)生一定影響。大部分地方企業(yè)未安裝超偏載檢測裝置，當(dāng)企業(yè)車輛掛運(yùn)至裝有超偏載檢測裝置的鐵路檢測點(diǎn)時，偏載問題時有發(fā)生，這就需要地方企業(yè)重新裝車后，再次發(fā)車至檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測，直至裝載狀態(tài)符合相關(guān)要求，耗費(fèi)人力物力；同時超偏載檢測裝置只是計(jì)量安全設(shè)備，不能用于貿(mào)易結(jié)算，部分車站為了兼顧貿(mào)易結(jié)算（或超載復(fù)衡）和偏載檢測需要，會同時安裝自動軌道衡和超偏載檢測裝置，無形中增加了投資成本。

本文對自動軌道衡系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加偏載檢測功能[8-9]，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸安全檢測要求，有利于降低設(shè)備成本。實(shí)現(xiàn)到發(fā)站源頭自動軌道衡檢測貨車的超載、偏載并進(jìn)行處理，途中編組站超偏載檢測裝置進(jìn)行檢測復(fù)核的運(yùn)輸貨物檢測模式，以進(jìn)一步提高裝載質(zhì)量，提高運(yùn)輸效率。建設(shè)一個自動軌道衡網(wǎng)絡(luò)檢測監(jiān)測平臺，將全國范圍內(nèi)的自動軌道衡納入平臺管理，實(shí)現(xiàn)自動軌道衡檢測數(shù)據(jù)監(jiān)測，對于企業(yè)來說，可以從源頭把控超載、偏載問題，對于鐵路運(yùn)輸部門來說，可以全過程監(jiān)測貨物在運(yùn)輸過程中的裝載狀態(tài)，保障運(yùn)輸安全。自動軌道衡網(wǎng)絡(luò)檢測監(jiān)測平臺同時具備自動軌道衡自身運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測功能，實(shí)時監(jiān)測稱重傳感器的碼值狀態(tài)，定時與檢定期間的參數(shù)進(jìn)行對比分析，可以進(jìn)一步提高設(shè)備的可靠性[10]，減少誤報警，節(jié)省人力物力，促進(jìn)運(yùn)輸安全。

1 自動軌道衡結(jié)構(gòu)型式及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)型式劃分

全國目前在用的自動軌道衡有近2 500余臺[11]，按結(jié)構(gòu)型式主要劃分為斷軌自動軌道衡和不斷軌自動軌道衡。按照臺面數(shù)量及結(jié)構(gòu)型式的不同，斷軌自動軌道衡劃分為斷軌單臺面、雙臺面、三臺面自動軌道衡以及長臺面自動軌道衡等，不斷軌自動軌道衡劃分為有梁式、無梁式自動軌道衡等型式[12]。

斷軌自動軌道衡結(jié)構(gòu)相對簡單，采用相應(yīng)數(shù)量的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)稱重。目前斷軌自動軌道衡大部分還是采用多路壓力傳感器輸出信號先合成再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，少數(shù)近年來新生產(chǎn)的斷軌自動軌道衡進(jìn)行了工藝改進(jìn)，采用單路單接的型式。

不斷軌自動軌道衡的傳感器由壓力傳感器和剪力傳感器組成，目前大部分采用的是壓力、剪力傳感器信號分別合成，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的型式。

1.2 工作原理

自動軌道衡一般由基礎(chǔ)、稱重傳感器、承載器、稱重儀表、打印機(jī)等裝置組成，稱重儀表將稱重傳感器輸出的車輛載荷信息進(jìn)行處理，自動轉(zhuǎn)換為質(zhì)量值，從而得出運(yùn)行過程中的車輛或列車的質(zhì)量[13-14]。

自動軌道衡按預(yù)定程序?qū)π羞M(jìn)中的鐵路車輛進(jìn)行稱量，普通鐵路貨車車輛的全部質(zhì)量集中在兩個轉(zhuǎn)向架上，以單臺面斷軌自動軌道衡為例，結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)向架稱量方式，當(dāng)被稱量車輛通過自動軌道衡時，按照車輛運(yùn)行方向，車輛的前后轉(zhuǎn)向架通過自動軌道衡稱重臺面后，系統(tǒng)自動檢測并計(jì)算其質(zhì)量，將兩個轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量之和作為被稱量車輛的質(zhì)量，示意圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架稱量方式的自動軌道衡示意圖

自動軌道衡稱重傳感器輸出信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)后輸入計(jì)算機(jī)，由稱重程序自動進(jìn)行車輛的判別與質(zhì)量的計(jì)算，理論上稱重傳感器輸出數(shù)據(jù)理想波形如圖2所示。圖中F1G1和B2C2之間的數(shù)據(jù)表示車輛的第一個轉(zhuǎn)向架和第二個轉(zhuǎn)向架通過自動軌道衡稱重臺面時，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)記錄的稱重傳感器對應(yīng)輸出數(shù)據(jù)。稱重程序根據(jù)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行兩個轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)段的識別和計(jì)算，從而判別車輛并計(jì)算其質(zhì)量。

圖2 自動軌道衡稱重采樣數(shù)據(jù)理想波形示意圖

由于車輛運(yùn)行過程中的振動、自動軌道衡在稱重時自身的振動以及電氣控制系統(tǒng)受到周圍電磁環(huán)境的影響，實(shí)際的過車數(shù)據(jù)波形含有很多的振動及環(huán)境干擾疊加波形，如圖3所示，需要濾波及平滑處理后方可進(jìn)行車輛判別和質(zhì)量計(jì)算。

圖3 自動軌道衡稱重采樣數(shù)據(jù)實(shí)際波形示意圖

斷軌多臺面自動軌道衡稱重原理與斷軌單臺面自動軌道衡稱重原理類似，不同之處在于整車質(zhì)量是兩個分臺面稱量質(zhì)量的疊加。不斷軌自動軌道衡是在斷軌軌道衡基礎(chǔ)上，將稱量軌和引軌替換為整根鋼軌，消除了斷軌自動軌道衡稱量軌和引軌之間的接縫，將剪力傳感器安裝在稱量軌和引軌相接的位置，用于檢測車輛通過時鋼軌受到的剪切力。列車通過自動軌道衡時壓力傳感器與剪力傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行合成后的波形，與斷軌自動軌道衡傳感器輸出的波形相同[15]，后期車輛判別和質(zhì)量計(jì)算等數(shù)據(jù)處理方式相似，不再贅述。

2 自動軌道衡偏載檢測技術(shù)方案

2.1 技術(shù)原理

自動軌道衡的偏載檢測功能通過檢測貨物車輛的輪重來實(shí)現(xiàn)，且車輛的左右輪重稱重時不相互影響。新安裝的自動軌道衡在設(shè)計(jì)時將機(jī)械秤臺分為左右兩個物理獨(dú)立的稱量區(qū)，并對傳感器進(jìn)行單路連接采樣。使用中的自動軌道衡增加偏載功能，應(yīng)先分析其機(jī)械秤臺結(jié)構(gòu)，將其改造為左右兩個物理獨(dú)立的稱量區(qū)，并對傳感器進(jìn)行單路連接采樣改造。

本文在對現(xiàn)有自動軌道衡機(jī)械結(jié)構(gòu)改造為左右兩個物理獨(dú)立的稱量區(qū)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)分析了自動軌道衡偏載檢測功能，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足使用要求。本文以斷軌單臺面自動軌道衡為例簡要論述改造技術(shù)原理，其他型式的自動軌道衡可參照案例進(jìn)行改造。

斷軌單臺面自動軌道衡用于對裝載固態(tài)貨物鐵路車輛在低速通過時的質(zhì)量測量，其測量區(qū)長度一般為3.6～4.0 m，所用傳感器為4只柱式壓力傳感器。為滿足對車輛總重及偏載信息的測量，首先將傳感器更改為單路單接模式，T1、T2、T3、T4四只傳感器分別連接到多路數(shù)據(jù)采集設(shè)備的CH1、CH2、CH3、CH4輸入端口，且T2、T3組成的稱量區(qū)域與T1、T4組成的稱量區(qū)域相對物理獨(dú)立，如圖4所示。

圖4 斷軌單臺面自動軌道衡示意圖

當(dāng)列車通過自動軌道衡時，計(jì)算機(jī)同時采集四路傳感器的輸出信號，每節(jié)車輛左右兩側(cè)的質(zhì)量分別傳遞到傳感器T1與T2、T3與T4，傳感器輸出波形如圖5所示。

圖5 傳感器輸出波形

將車輛通過測量區(qū)傳感器T2與T3、T1與T4輸出波形合成，分別得到車輛行駛方向轉(zhuǎn)向架左右兩側(cè)質(zhì)量理想輸出波形，如圖6和圖7所示。

圖6 車輛行進(jìn)方向左側(cè)測量區(qū)理想合成波形圖

圖7 車輛行進(jìn)方向右側(cè)測量區(qū)理想合成波形圖

車輛行駛方向左側(cè)4個輪重分別為W11、W12、W13、W14，修正系數(shù)為k1，由圖6所示波形計(jì)算得到：

車輛行駛方向右側(cè)4個輪重分別為W21、W22、W23、W24，修正系數(shù)為k2，由圖7所示波形計(jì)算得到：

上述公式中，修正系數(shù)k1與k2可以由自動軌道衡檢定時計(jì)算得出。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制部分采用高度集成化控制柜設(shè)計(jì)方案，主要由室外機(jī)柜主體、MCU主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信信號模塊、系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控模塊、防雷模塊、電源模塊以及液晶顯示模塊組成[16]。

1）室外機(jī)柜主體由鍍鋅冷軋鋼板制成，表面噴涂室外型塑粉，采用防水和自動溫控設(shè)計(jì)，保證室外復(fù)雜環(huán)境下正常工作；

2）MCU主控模塊控制多路傳感器數(shù)據(jù)同步采集，協(xié)調(diào)各個模塊信息交互；

3）數(shù)據(jù)采集模塊支持傳感器輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換的單路單通道，最多支持16路數(shù)據(jù)采集，支持?jǐn)U展模式，插拔式設(shè)計(jì)；

4）通信信號模塊主要包括各模塊間的通信和機(jī)柜與遠(yuǎn)端服務(wù)器間的通信；

5）系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控模塊采用高精度溫濕度傳感器獲取柜內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并適時控制散熱風(fēng)扇和PTC加熱器以維持柜內(nèi)溫度設(shè)定；

6）防雷模塊分為傳感器防雷和電源防雷兩部分，當(dāng)遇到雷擊時，會將瞬間大電流引入大地釋放掉，保證設(shè)備安全；

7）電源模塊采用高精度自動穩(wěn)壓器（適應(yīng)范圍為 AC 170～250 V），內(nèi)置 8 h 在線式 UPS，支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化管理；

8）液晶顯示模塊可實(shí)時顯示傳感器采集數(shù)據(jù)信息、環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息、異常報警信息等數(shù)據(jù)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

改造后的傳感器數(shù)據(jù)采集方式為單路單接方式，傳感器采集模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對每一路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與狀態(tài)檢測，以“幀”為單位組合同一時刻的各路傳感器數(shù)據(jù)，通過車輛判別模塊與偏載計(jì)算模塊生成車輛裝載狀態(tài)信息。

由于自動軌道衡型式多樣，所采用的傳感器數(shù)量也不相同，因此需要對傳感器種類及數(shù)量進(jìn)行兼容性設(shè)置。系統(tǒng)的傳感器采集模塊接口配置使用傳感器數(shù)量冗余設(shè)計(jì)，能夠滿足各種臺面的傳感器布局。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.4.1 試驗(yàn)方案

選取檢定合格的檢衡車組，對其中名義質(zhì)量值為76 t的檢衡車進(jìn)行設(shè)偏，通過理論計(jì)算獲得偏載理論值[6]。使用檢衡車組對改造后增加偏載檢測功能的斷軌單臺面自動軌道衡和其鄰近的超偏載檢測裝置進(jìn)行試驗(yàn)，以“機(jī)車-84 t-50 t-76 t-68 t-20 t”（第 1 編組）和“機(jī)車-68 t-76 t-50 t-84 t-20 t”（第 2 編組）兩個編組順序分別在選定的自動軌道衡和超偏載檢測裝置上往返10次，之后對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

2.4.2 檢衡車組選取

選取車型車號為 T6DK8 066 310～314 的檢衡車組，對車號為8 066 313的檢衡車進(jìn)行設(shè)偏，設(shè)偏后的砝碼布局圖如圖8所示。

圖8 設(shè)偏后的砝碼布局圖

2.4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

整車稱重是自動軌道衡具備的基本功能，整車稱重?cái)?shù)據(jù)均符合JJG 234—2012《自動軌道衡》檢定規(guī)程要求，本文重點(diǎn)對偏載檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

當(dāng)檢衡車組為第1編組，拉方向時，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 檢衡車組為第1編組，拉方向

當(dāng)檢衡車組為第1編組，推方向時，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 檢衡車組為第1編組，推方向

當(dāng)檢衡車組為第2編組，拉方向時，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 檢衡車組為第2編組，拉方向

當(dāng)檢衡車組為第2編組，推方向時，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 衡車組為第2編組，推方向

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析可以得出：自動軌道衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)和超偏載檢測裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足JJG（鐵道）129—2004《鐵道貨車超偏載檢測裝置》檢定規(guī)程中的檢測數(shù)據(jù)允差要求，前后轉(zhuǎn)向架偏重差變動范圍小于等于400 kg，前后轉(zhuǎn)向架偏重差平均值與理論偏重差之差的絕對值小于500 kg，設(shè)偏轉(zhuǎn)向架偏載率平均值與理論偏載率之差的絕對值小于5%。改造后的自動軌道衡實(shí)現(xiàn)了與超偏載檢測裝置相當(dāng)?shù)臋z測效果，可以滿足現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸安全要求，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從裝車源頭卡控，從運(yùn)輸途中監(jiān)測，提升鐵路運(yùn)輸安全。

3 自動軌道衡網(wǎng)絡(luò)檢測監(jiān)測平臺

建設(shè)自動軌道衡網(wǎng)絡(luò)檢測監(jiān)測平臺，將全國范圍內(nèi)自動軌道衡納入平臺進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)自動軌道衡檢測數(shù)據(jù)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)貨車超載、偏載情況，通過對自動軌道衡的傳感器輸出實(shí)現(xiàn)單路單接后，實(shí)現(xiàn)每只傳感器的狀態(tài)監(jiān)測，同時實(shí)現(xiàn)對自動軌道衡自身運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，提高設(shè)備可靠性[17]。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動軌道衡網(wǎng)絡(luò)檢測監(jiān)測平臺分為三層，即表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層，軟件結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)功能

1）過衡檢測數(shù)據(jù)監(jiān)測

當(dāng)有車輛通過時，自動軌道衡將過衡檢測數(shù)據(jù)及過衡波形數(shù)據(jù)自動上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，稱重?cái)?shù)據(jù)以“輛”為計(jì)數(shù)單位按列存儲，過衡波形以“列”為計(jì)數(shù)單位存儲。過衡波形數(shù)據(jù)在服務(wù)器中以加密文件的形式存儲，文件名稱由自動軌道衡編碼、型式、檢測模式、日期時間等組成，便于檢索。

2）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測

對自動軌道衡的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，重點(diǎn)監(jiān)測稱重傳感器的碼值狀態(tài)。因不同型式自動軌道衡所使用的傳感器種類、型式和數(shù)量不同，通過對主要自動軌道衡生產(chǎn)廠家進(jìn)行調(diào)研，匯總出自動軌道衡型式列表，系統(tǒng)按照自動軌道衡所安裝使用的壓力傳感器與剪力傳感器最大數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。偏離初始碼值閾值時，系統(tǒng)自動聲光報警，同時根據(jù)歷史監(jiān)測大數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析給出設(shè)備保養(yǎng)建議。

3）檢定信息管理

新安裝的自動軌道衡需要進(jìn)行首次檢定且檢定合格才能投入使用，使用中的自動軌道衡每年至少進(jìn)行一次后續(xù)檢定，檢定合格后方可用于貿(mào)易結(jié)算。對每次檢定時的傳感器碼值及過衡波形進(jìn)行存儲，作為日后自動軌道衡狀態(tài)正常與否的重要參考。

4）系統(tǒng)維護(hù)模塊

監(jiān)測平臺的用戶大體分為自動軌道衡用戶、鐵路運(yùn)輸部門、生產(chǎn)廠家、系統(tǒng)管理員等，各用戶之間功能可有重疊，系統(tǒng)需要合理分配各類人員之間的權(quán)限，同時系統(tǒng)要有完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)功能。

4 結(jié)束語

本文通過原理分析、軟硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)驗(yàn)證等方法，針對主要結(jié)構(gòu)型式的自動軌道衡完成了增加偏載檢測功能的技術(shù)改造，可以實(shí)現(xiàn)從發(fā)車源頭對貨車的超載、偏載情況進(jìn)行卡控，在運(yùn)輸途中對裝載狀態(tài)進(jìn)行復(fù)核監(jiān)測，有利于降低鐵路運(yùn)輸成本，提高鐵路運(yùn)輸貨物裝載質(zhì)量和效率，促進(jìn)鐵路運(yùn)輸安全。通過建設(shè)全國自動軌道衡網(wǎng)絡(luò)檢測監(jiān)測平臺，對具備偏載檢測功能的自動軌道衡檢測數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可為鐵路運(yùn)輸部門超偏載治理提供輔助決策，減輕日常設(shè)備維護(hù)工作量，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)提質(zhì)增效”，保障鐵路貨物運(yùn)輸安全。