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1、第十三章 货车运行状态地面安全监测系统第一节 货车运行状态地面安全监测系统TPDS一 TPDS的原理 货车运行状态地面安全监测系统TPDS是针对货车空车直线脱轨问题而开发的一种轨边监测系统。利用设在轨道上的检测平台，实时在线监测运行中货车轮轨间的动力学参数，并对其运行状态进行分级评判，在此基础上各TPDS探测站联网识别运行状态不良车辆。通过对运行状态不良车辆预警、追踪、处理，货车运行状态地面安全监测系统TPDS可以减少货车提速后空车脱轨事故的发生。TPDS兼有货车超偏载报警和踏面损伤报警功能。它能识别运行状态不良的车辆；识别车轮踏面损伤；测量车辆装载的超偏载状态。TPDS是利用设在轨道结构中的
2、测试系统对过往车辆进行轮轨力检测，根据检测结果判定车辆的运行状态、超偏载、车轮擦伤等。传统轮轨力测试方法钢轨剪力法，一般有效检测区长度只有300400 mm，行车速度较高时，轮轨间垂直力和横向力的检测精度、车轮踏面擦伤的检测率都很低。TPDS采用移动垂直力测试、板式传感器等新技术，实现了轮轨垂直力和横向力的连续测试，再加上高平顺测试平台、状态不良车辆识别技术、车号自动识别技术等，不但大幅度提高了较高速度条件下垂直力的检测精度，增长了测量区，还可对车轮全周长范围内的踏面擦伤进行检测，提高踏面擦伤的检测率；最重要的是增加了车辆横向性能测试功能。该装置安装在直线段，可准确地识别货车是否蛇行失稳及失稳
3、的严重程度。二 TPDS联网及数据传输TPDS采用分散检测、集中报警、联网运行、信息共享的运行模式，所有探测站联网运行，构成了由铁道部查询中心、铁路局监控中心、分局监测中心，列捡所复示终端、探测站等组成的监测网络。TPDS的联网充分利用了铁路通信网既有网络信道以及铁道部、路局、分局、站段四级机关局域网，构成了一个四级的树型网络，铁道部查询中心、铁路局监控中心、铁路分局监测中心通过接入同级机关局域网，利用TMIS主干网实现互联。传输速率在2Mbs以上。各探测站及各列检复示终端与所属分局中心间的广域网的接入，根据实际情况，提供64 kbs以上传输信道，与最近的通信机械室相联。TPDS采用TCPIP
4、通信协议，系统所有联网节点(中心服务器和监控终端、列检复示终端、探测站服务器和测点机)均按照铁道部统一的IP地址分配原则分配相应的地址。TPDS联网图如图13-1所示。全路TPDS的建设应本着重点突破、干线先行、整体推进的实施原则，先在四纵两横(京沪、京哈、京广、京九、浙赣，陇海、兰新)提速干线上实施，初步构成覆盖全路的网络，布局上要求做到局间互控。在联网形式上要充分体现“分散检测、集中报警、网络监测、信息共享”的基本要求，实现三级联网、三级复示。三级联网就是探测站与分局监测中心联网、分局与路局监控中心联网、路局与铁道部查询中心联网。三级复示为列检所复示、车辆段复示、红外所复示。分局向上数据传
5、输采用办公网，车辆段到分局采用专线，上部线2M，下部线不低于56 k，充分利用既有的网络资源。通过直接有效、布局合理、覆盖全路的安全防范、预警体系的建设，势必大大促进车辆安全防范手段从传统向现代、由人控向机控、由粗放管理向集约管理跨越。图13-1 TPDS联网图三 货车运行状态地面安全监测实现方法与测试原理（一）货车运行状态地面安全监测实现方法1 车辆运行状态识别：通过轮重减载系数、轴横向力/垂直力比值、轴横向力大小及变化特征实现；2 车轮踏面擦伤识别：通过踏面擦伤车轮引起的冲击荷载的大小识别；3 超偏载检测：通过车辆各轮轮载、轴载、转向架荷载大小与分布实现；4 当量累计通过总重：通过列车总重
6、与累计通过列车总重累加得到。（二）测试原理1垂直力测试原理系统采用了“移动垂直力综合检测的方法”（如图13-2）进行轮轨垂直荷载的测量，在现有超偏载装置使用速度(低于40kmh)的条件下，可达到现有超偏载装置的测量精度。在目前货车正线运行速度下，测重相对误差低于3，作为超偏载安全报警装置，其精度是足够的。图13-2垂直力测试原理图2 横向力测试原理 将钢轨视为传递轮轨横向荷载的载体，而在钢轨的支承点上测量钢轨受车辆作用施加在框架结构中轨枕上的作用力大小。根据轮轨作用横向荷载在钢轨上的受力影响线，通过标定获得钢轨支承点处实际承受横向荷载的比例，再依据车轮在测试区的位置，由钢轨支承点处承受横向荷载
7、的组合而得到车轮在整个测试区连续横向荷载及变化情况。车体横向加速度均值与TPDS横向轴力H均值相关。车辆动力学测量系统在60km/h、65km/h、70km/h、75km/h、80km/h五个速度级测量的车体横向加速度的平均值与地面安全监测装置测得同一辆车的横向轴力平均值的相关性见下图13-3，表明两者有很强的相关性，说明TPDS测定动力学横向参数正确反映了车辆的横向动力学性能。图13-3 车体横向加速度均值与横向轴力H均值相关性 3车体横向平稳性指标均值与轴脱轨系数均值相关性 评定车辆横向动力学性能的重要参数是车体的横向平稳性指标，而轴脱轨系数是地面安全监测装置评定车辆状态的重要参数之一。车
8、辆动力学测量系统在60km/h、65km/h、70km/h、75km/h、80km/h五个速度级下，测量的车体横向平稳性指标的平均值与地面安全监测装置测得同一辆车的轴脱轨系数的平均值的相关性，部分试验数据见图13-4。试验表明地面安全监测系统测得横向力/静轴重，与车辆动力学测量系统测量的车体横向平稳性指标有很强的相关性。图13-4 车体横向加速度均值与轴力/静轴重均值相关性图13-5 车体横向加速度均值与Pdynamic/Pstatic均值相关性第二节 TPDS探测站一 探测站设备构成主要构成：测试平台与传感器、车号自动识别装置、测试间、监测工控机、测点服务器、不间断电源、网络设备、雨量计。其
9、中关键部件板式传感器。如图13-6所示。1 测试平台与传感器：平台一套（22根轨枕，A型轨枕6根，B型轨枕16根，间距760mm，台面总长16.72m，轨枕长2.6m。）、传感器一套(8只剪力传感器，没股钢轨4只；12只板式压力传感器，分布在六根B型轨枕上)、接线箱与接线盒、信号电缆。2 车号识别装置：开关磁钢、计轴测速磁钢、天线、电缆。3 测试间与监控机柜：机柜、传感器信号调理单元、测试工控机、测点服务器、不间断电源、车号识别工控机、数据远传单元、防雷箱、隔离电源。图13-6 TPDS探测站示意图二TPDS探测站具有以下功能 数据采集、处理、分析、分发等工作；自动识别机车、车辆、车次、车号、
10、通过速度等；对货车运行状态进行分级评判；识别车轮踏面擦伤；监测车辆总重、轮重，识别车辆超载、偏载；储存原始资料达一年半；探测站运行状况可进行远程监控和管理。三 设备技术指标检测范围：最大轴重25t。识别车辆蛇行运动失稳：车辆运行速度不限。识别车轮踏面擦伤：检测速度20120km/h。重车超载检测准确度：列车以40km/h及以下速度通过时优于5，4060km/h速度通过时优于1，60km/h以上速度时优于3。允许超载：为额定载荷的250%。输出方式：原始数据可存储、报表统计分析，可自动报警、将各种超限数据报告监视部门，检测数据可进行网络传输和共享。输出报告内容：列车通过时间，各种车辆总重、架重、
11、轴重、轮重和轨道当量通过总重，车辆超载和前后、左右偏载，车轮踏面擦伤等级、轴位和轮位，车辆轮重减载率、脱轨系数、横向力及其变化特征，蛇行失稳车辆位置。结合车号识别系统可输出车号。 四 探测站设备工作条件1 对象：符合铁路运输要求、轨距1435mm的各型铁路货车；2 钢轨轨型：50kg/m、60kg/m、75kg/m ； 3 线路条件：符合部颁“车辆运行状态地面安全监测系统设备安装技术条件”；4 工作环境：仪表系统 0+50 湿度85%；测试平台 -40+60 湿度95% 5 电源：AC220V+15%（-20%）, 50Hz； 6 功率消耗：不大于3KVA； 五 设备主要部件1 轨道测试平台(
12、图13-7)2 二维板式传感器(图13-8)3 不打孔式剪力传感器(图13-9) 4 车号识别设备天线与磁钢(图13-10) 5 探测站控制机柜机柜设备配置：显示器，测点服务器，监测工控机，键盘、鼠标，传感器信号调理单元，数据远传单元，雨量计主机，车号识别主机，不间断电源。六 设备电器原理图1传感器监测系统采用两种传感器完成车辆与轨道相互作用的垂直力和水平力测试，即二维板式压力传感器和剪力传感器，两种传感器均为应变式、惠思登全桥自补偿测试电路，二维板式压力传感器输入和输出阻抗均为700，剪力传感器输入和输出阻抗为350。图13-11 压力信号转换成电信号电路图2 二次仪表图13-12 信号转换
13、图监测系统二次仪表完成传感器信号的调理放大、滤波、偏移纠正、信号A/D转换及与计算机通讯。信号放大、滤波和偏移纠正由电位器和集成电路芯片完成，电位器1可调整放大倍数，电位器2可纠正信号偏移。调理后的信号输入A/D转换器，信号A/D转换由板载DSP完成，并按EPP并口通讯协议与计算机通讯。3 设备电气结构图13-13 设备电气结构图1右轨道 2左轨道 3二维板式传感器 4剪力传感器 5放大器 6模数转换器 7接口电路 8计算机 4 传感器编号 图13-14 传感器编号示意图5 机柜中设备连接 高速数据采集仪GCU-100-32与信号处理工控机Advantech IPC610通过高速并口电缆连接；
14、信号处理工控机通过标准串口电缆与车号设备主机连接；信号处理工控机Advantech IPC610通过网卡和网线经交换机或HUB与测点服务器连接；测点服务器通过标准串口电缆与雨量计主机连接；测点服务器通过网卡和网线经交换机或HUB将监测结果传至分局信息管理服务器。 七 测试工控机软件配置探测站工控机完成与采集仪通讯、实时判轴计速计辆、车辆动力学指标计算、超偏载计算、车轮踏面擦伤识别及读取车号，测试结果以文件形式通过网络传递给测点服务器。测试工控机系统为Windows 2000 Professional，监测软件为jcxt.exe，配置参数文件为Parameter.dat，参数文件和测试软件位于计算机D盘damq3目录下，车号实时接收软件为Cpsdemo.exe，位于C:PROGRA1CpsDemo1.1目录下，接收的车号文件存于C:CpsPrep目录下，A/D转换器与计算机接口的驱动程序为720Loader，位于C:WINDAQNT目录下。监测软件jcxt.exe正常工作必须先启动720Loader和Cpsdemo.exe，否则出现错误提示并退出。计算机系统软件配置时已将720Loader、Cpsdemo.exe和jcxt.exe按顺序配置在“开始”“程序”“启动”菜单中。 八 测试工控
