基于智能手機(jī)的軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案

1 引言

鐵路運(yùn)輸具有環(huán)保性、可靠性、安全性和舒適性，這是乘客選擇鐵路出行的重要原因。而除車(chē)輛本身之外，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施（如軌道、道岔等）的健康狀況是決定鐵路運(yùn)輸安全性和舒適性的關(guān)鍵因素。因此，有必要通過(guò)使用專(zhuān)門(mén)的軌道檢測(cè)車(chē)或者采取人工線路巡檢的方式對(duì)軌道進(jìn)行定期檢查。然而，上述兩種方式均難以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道狀態(tài)的每日或每周連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，原因在于：軌道檢測(cè)車(chē)價(jià)格昂貴，而且行駛速度相較普通列車(chē)偏低，檢測(cè)時(shí)會(huì)影響線路的正常運(yùn)營(yíng)；人工線路巡檢會(huì)導(dǎo)致線路區(qū)間封閉，此外，人員在軌道上巡檢作業(yè)還會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述問(wèn)題、避免對(duì)線路的常規(guī)運(yùn)營(yíng)造成影響，鐵路公司近年來(lái)的常規(guī)做法是為普通運(yùn)營(yíng)車(chē)輛加裝傳感器，以便在其運(yùn)行過(guò)程中采集相關(guān)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道更頻繁、更實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。然而，加裝傳感器通常既昂貴又耗時(shí)，而且傳感器的加裝和連接是否會(huì)對(duì)車(chē)輛安全運(yùn)行產(chǎn)生影響尚有待驗(yàn)證。

隨著智能手機(jī)的不斷發(fā)展，可通過(guò)為其配備強(qiáng)大且多樣的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的記錄和處理。2017年，有人首次提出將智能手機(jī)應(yīng)用于軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)。如今，智能手機(jī)進(jìn)一步發(fā)展，已成為現(xiàn)有軌道檢測(cè)手段的一種靈活、便利、廉價(jià)的補(bǔ)充。瑞士聯(lián)邦鐵路公司（SBB）與西門(mén)子交通公司合作，將相關(guān)解決方案應(yīng)用到軌道日常檢測(cè)中，取得了非常好的效果。下面將具體介紹其應(yīng)用情況。

2 Railigent —— 解決方案的基礎(chǔ)

Railigent是西門(mén)子交通數(shù)字化應(yīng)用套件，其中包含諸如軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序，以及開(kāi)發(fā)數(shù)字服務(wù)、提供和運(yùn)營(yíng)相關(guān)平臺(tái)等的數(shù)字化解決方案。該套件可智能地應(yīng)用來(lái)自鐵路系統(tǒng)（包括鐵路車(chē)輛及諸如集中聯(lián)鎖裝置、道岔、平交道口等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施）的數(shù)據(jù)并將獲得的信息呈現(xiàn)在應(yīng)用程序中，以供鐵路運(yùn)營(yíng)商、維護(hù)人員等查詢(xún)使用。通過(guò)獲取、分析上述數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)的早期故障檢測(cè)，Railigent套件可進(jìn)一步提高鐵路系統(tǒng)的可用性，改進(jìn)操作流程，縮短列車(chē)在站點(diǎn)停留的時(shí)間，優(yōu)化運(yùn)營(yíng)成本。

基于智能手機(jī)的軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案由2個(gè)要素組成：用于收集和發(fā)送數(shù)據(jù)的智能手機(jī)應(yīng)用程序，以及用于分析數(shù)據(jù)和向用戶(hù)呈現(xiàn)信息的Railigent平臺(tái)。其中，智能手機(jī)應(yīng)用程序?yàn)榧稍赗ailigent套件中的軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序，其安裝在智能手機(jī)上，可以在列車(chē)行駛過(guò)程中記錄來(lái)自智能手機(jī)傳感器（如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）傳感器、加速度傳感器和陀螺儀等）的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)與更多的外部信息相結(jié)合（如通過(guò)特殊接口集成的、來(lái)自O(shè)penStreetMap的地圖素材），以?xún)?yōu)化其鐵路基礎(chǔ)設(shè)施故障檢測(cè)功能，然后將上述所有信息從智能手機(jī)安全地傳輸?shù)絉ailigent平臺(tái)；Railigent平臺(tái)作為中央數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理平臺(tái)，可對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以獲得軌道狀況相關(guān)的信息并檢測(cè)異常情況，然后以行動(dòng)建議的形式將數(shù)據(jù)處理結(jié)果可視化，其為此解決方案的基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序功能示意圖

所用的智能手機(jī)為安裝iOS或Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)，被設(shè)置在駕駛室中用于數(shù)據(jù)采集。其應(yīng)與車(chē)輛的縱軸平行設(shè)置以避免因車(chē)輛和智能手機(jī)坐標(biāo)系的偏差影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且應(yīng)對(duì)其進(jìn)行固定以使其位置保持不變。軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序可在每次檢測(cè)行車(chē)開(kāi)始時(shí)對(duì)其定位和配置自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整和糾正，如檢查基本定位參數(shù)和操作條件（即智能手機(jī)在車(chē)內(nèi)的位置、車(chē)輛狀況、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置等），以確保后續(xù)數(shù)據(jù)評(píng)估的正確性和多次檢測(cè)結(jié)果的可比性；上述步驟完成后，則立即開(kāi)始數(shù)據(jù)記錄。

Railigent平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)智能手機(jī)傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以監(jiān)測(cè)乘客乘坐舒適度。乘坐舒適度用于評(píng)估乘客在列車(chē)旅程中的舒適程度，是反映軌道狀況和乘客滿意度的重要指標(biāo)。軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序根據(jù)DIN EN 12299-2009《鐵路應(yīng)用 乘客乘坐舒適性 測(cè)量和評(píng)估》標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮來(lái)自智能手機(jī)的加速度、定位數(shù)據(jù)以及來(lái)自O(shè)penStreetMap的地圖信息，確定乘客的乘坐舒適度，然后在地圖上將其可視化呈現(xiàn)，并進(jìn)行從非常舒適”（淺綠色）到非常不舒適”（深綠色）的顏色編碼（圖2）。基于此，Railigent平臺(tái)在分析乘客乘坐舒適度時(shí)便可以輕松識(shí)別出乘坐不舒適的顯著路段，從而指導(dǎo)相關(guān)人員進(jìn)行更有針對(duì)性的軌道維保規(guī)劃和實(shí)施工作。如果乘坐不舒適的情況總是發(fā)生在同一個(gè)地方，算法會(huì)在此處標(biāo)注一個(gè)集群（圖2中的藍(lán)色圓圈）。根據(jù)集群擴(kuò)大的情況，結(jié)合軌道狀況隨時(shí)間推移的惡化趨勢(shì)分析，即可確定該路段軌道需要進(jìn)行維保。

圖2 利用集群評(píng)估乘客乘坐舒適度

3 測(cè)試行車(chē)

為驗(yàn)證軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序的可用性，開(kāi)發(fā)人員選定伯爾尼和圣莫里斯之間約120 km的線路（為標(biāo)準(zhǔn)軌距線路）作為測(cè)試線路，將安裝該程序的智能手機(jī)搭載在SBB的軌道檢測(cè)車(chē)上開(kāi)展行車(chē)測(cè)試。測(cè)試列車(chē)為3輛編組，由控制車(chē)、軌道檢測(cè)車(chē)和機(jī)車(chē)組成，長(zhǎng)度71 m，質(zhì)量186 t，最高速度140 km/h。測(cè)試時(shí)間為1天，列車(chē)在上述線路上往返2 次。

測(cè)試中采用3部安裝軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序的三星Galaxy S20智能手機(jī)。手機(jī)被放置在列車(chē)內(nèi)的不同位置：控制車(chē)和機(jī)車(chē)的駕駛室，以及軌道檢測(cè)車(chē)的轉(zhuǎn)向架上方（圖3）。

圖3 智能手機(jī)在車(chē)輛中的設(shè)置情況

測(cè)試過(guò)程表明，軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序可以在列車(chē)起動(dòng)幾分鐘內(nèi)進(jìn)入工作狀態(tài)，而且無(wú)需對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)和調(diào)試；在采集數(shù)據(jù)后，會(huì)將其以大小適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)包的形式發(fā)送至Railigent平臺(tái)；數(shù)據(jù)的安全傳輸在Railigent平臺(tái)對(duì)智能手機(jī)設(shè)備完成必要的身份驗(yàn)證后進(jìn)行。測(cè)試行車(chē)期間，該程序共采集了3.2 GB的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，Railigent平臺(tái)可將乘坐舒適性等相關(guān)結(jié)論以易于理解的方式在Web應(yīng)用程序中可視化呈現(xiàn)。

與軌道檢測(cè)車(chē)的專(zhuān)業(yè)測(cè)量技術(shù)相比，開(kāi)發(fā)人員在測(cè)試期間更關(guān)注智能手機(jī)的數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)效果。軌道檢測(cè)車(chē)的高性能加速度傳感器數(shù)據(jù)用于與智能手機(jī)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究。測(cè)試結(jié)果證明，來(lái)自智能手機(jī)和軌道檢測(cè)車(chē)加速度傳感器的數(shù)據(jù)具有良好的定性可比性（圖4）。通過(guò)分析乘坐舒適性，Railigent平臺(tái)識(shí)別出8處異常并將其歸因于基礎(chǔ)設(shè)施缺陷、車(chē)輛磨損及駕駛行為偏差。

圖4 來(lái)自智能手機(jī)和軌道檢測(cè)車(chē)加速度傳感器的數(shù)據(jù)定性比較

4 結(jié)論與展望

軌道狀態(tài)評(píng)估是一項(xiàng)人力及技術(shù)成本非常高的活動(dòng)。為解決這一問(wèn)題需要一種廉價(jià)、連續(xù)和微創(chuàng)的監(jiān)測(cè)手段。軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序安裝在標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)中，可在常規(guī)運(yùn)營(yíng)的不同鐵路車(chē)輛上使用，可根據(jù)需要持續(xù)監(jiān)測(cè)軌道狀態(tài)和乘客乘坐舒適度。這使鐵路基礎(chǔ)設(shè)施公司能夠?qū)崟r(shí)了解其線路狀況并在正確時(shí)間采取維護(hù)措施，也使鐵路運(yùn)營(yíng)商可以評(píng)估乘客的乘坐舒適度并對(duì)其進(jìn)行改善。此外，軌道監(jiān)測(cè)智能手機(jī)應(yīng)用程序還適用于計(jì)算曲線半徑所對(duì)應(yīng)的外軌超高，但為保證計(jì)算所得參數(shù)的可靠性，還需要對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，提高其計(jì)算的準(zhǔn)確度。除軌道監(jiān)測(cè)之外，開(kāi)發(fā)人員還有使用該解決方案評(píng)估車(chē)輪狀況的初步考慮，為此需解決智能手機(jī)放置位置的問(wèn)題?？偠灾摻鉀Q方案具有進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的潛力。