铁路客车故障轨旁图像监测系统(TVDS)统型机设计及运用

肖 齐

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)

随着我国铁路客运能力的不断提高，铁路客车运用安全保障工作变得越来越复杂。增开直达列车，客车编组停站减少，交路延长，使列检保证区段随之延长，责任范围变大。此外，车站站台高度的提升，盘型制动系统、列车裙板的引入，使得列车隐蔽部件增多。客车入库检车时间缩短，所有上述因素都使得铁路客车运用安全监控面临极大挑战。

为解决上述问题，2014年中国铁路总公司印发了《车辆专业安全监控技术发展规划》[1]。但目前既有TVDS设备种类繁多，且工作原理、主要零部件安装接口及性能参数均存在较大差异，造成铁路运用部门运用维护困难，并且备品备件种类多，增加了使用维护成本。同时，《规划》中明确提出了车辆安全监控联网应用的发展目标。TVDS设备为适应联网应用的需求，应具备统一的设备功能、数据接口和用户界面。同年，《中国铁路总公司关于明确铁路车辆专用检修设备管理有关工作的通知》(铁总运〔2014〕331号)对路网设备提出统型要求。因此，需对TVDS设备开展统型设计。

1 TVDS统型机设计原则

TVDS统型机需要适应全路联网运行的要求，注重铁路局使用效果、考虑技术发展方向、兼顾采纳各厂家设备优点和有利于降低成本为原则，统一设备功能、统一报警标准、统一数据接口、统一安装条件、统一用户界面，采用结构模块化设计，实现关键部件互换，提高设备标准化程度。具体要求有：

(1)设备应标准化、模块化设计，不同厂家生产的设备需能够达到原理统一，接口一致，允许互换。这样可以方便现场工作人员维护维修工作，方便设备备品备件采购和管理；

(2)设备应具备高标准图像采集功能，即优质的摄像头和科学合理的摄像头与补偿光源配合，确保全路运用过程中拍摄图像清晰，检测结果准确；

(3)设备应具有良好的环境适应性，能够适应东北地区冰雪天气，适应西北地区风沙天气，适应南方地区大水条件，适应未安装集便器客车通过条件等；

(4)设备应保证产品质量，具备设备状态远程监控，设备自修复和远程维护功能，减少人员上道维修。

2 技术要求

(1)使用环境

在表1所列使用环境条件下，TVDS统型设备应能正常工作。

表1 TVDS统型设备使用环境

(2)主要技术参数

适应客车速度/(km·h-1)： 5～160。

图像传输时间/min： 列车通过后≤2。

服务器及存储容量：探测站原始采集信息及图像保存不少于30天。

车辆方位识别：能自动识别客车1、2位端，1、2位侧以及运行方向的左、右侧。

3 主要结构及性能

TVDS系统主要包含轨旁设备与机房设备。轨旁设备主要是图像采集硬件系统，按照模块化设计理念，将图像采集系统整合成3个独立箱体，分别是2个侧箱和1个底箱，每个箱内包含线阵相机和补偿光源。机房设备主要是图像处理和存储，采用通用工控机和通用信息接口实现模块化设计。

3.1 轨旁设备配置标准

(1) 线阵相机

线阵相机安装于轨内及钢轨两侧，线阵相机布局示意图如图1所示。线阵相机安装位置如图2所示。

图1 铁路客车故障轨旁图像检测系统(TVDS)相机布局示意图

图2 铁路客车故障轨旁图像检测系统(TVDS)相机安装位置示意图

图3 相机盒燕尾槽安装方式

线阵相机及镜头参数见表2，使用寿命(累计工作时间)≥2 500 h。

表2 线阵相机及镜头参数

(2) 补偿光源

图像采集模块中补偿光源采用红外线性激光光源，光源采用光纤耦合输出方式设计，由激光器、光纤、镜头3部分构成，各个补偿光源功率相同、接口一致，可任意互换。如图4所示。

图4 光纤耦合式红外线性激光光源

底中相机采用2套光源同时进行光照补偿，其余每个相机配备1套补偿光源。补偿光源阵列照度应满足图像清晰可辨的要求，灯光颜色不应使机车司机发生误判，具体技术参数如下：

光源类型：光纤耦合式红外线性激光光源；

光纤类型：SMA905铠装光纤跳线；

发光波长：808 nm；

开启/关断时间：≤1 s；

7.1.5喷药剂休眠期喷洒1～2次石硫合剂，对危害果树的多种介壳虫、红蜘蛛以及苹果腐烂病等病具有显著的预防和治疗效果。

供电电压：DC 15 V；

工作电流：≤6 A；

使用寿命(累计工作时间)：≥2 500 h。

各相机配套补偿光源出光发散角如表3：

表3 相机补偿光源出光发散角度表

3.2 机房设备配置标准

机房整体布局示意如图5所示：

机房设备均采用集成模块式设计，采用通用标准或中国铁路总公司统型子系统，各子系统间均独立设计，设备接口一致，可通用互换。如图6所示。各子系统设备共同安装于一个控制机柜内，图7为控制机柜布置图。

图5 机房整体布局示意图

图6 机房主要设备

1-智能磁钢处理装置；2-控制箱；3-液晶KVM切换器；4-3#图像采集计算机；5-2#图像采集计算机；6-4#图像采集计算机；7-车辆信息采集计算机；8-车号智能跟踪装置；9-信号防雷。图7 控制机柜布局图

4 环境适应性设计

4.1 防尘

由于采用线阵相机作为拍摄单元，采用红外线性激光光源作为光照补偿系统，保护箱体可以实现窄缝取景，如图8所示。当列车通过、保护门开启时，除相机取景口外，箱体的其他部位仍处于近封闭状态，有效防止了沙尘等异物进入箱体污染相机取景窗，影响图片采集质量。

取景窗上表面安装有大功率除尘风机，可在保护门打开时同步开启，有效防止沙尘等落在取景窗表面，如图9所示。

4.2 防冰雪

TVDS设备箱体在采用了窄缝取景，有效防止冰雪进入箱体的同时，为保证在冰雪覆盖时设备工作正常，沉箱保护门采用了耐低温低速永磁直流力矩电机，结合平行拐臂结构驱动，实现了平动开门的方式，如图10所示。

图8 取景窗实物图

图9 线阵相机取景窗及除尘风机

图10 沉箱保护门开闭实物图

采用平动开门方式，当箱体表面被冰雪覆盖后，能够有效防止在保护门开启时，箱盖上的积雪掉入箱体内部。保护门驱动采用的是低速永磁直流力矩电机，输出转矩大，经测试，当保护门上表面载荷为75 kg时，保护门可正常开启和关闭。

通过上述措施的实施，可以保证TVDS设备在北方高寒地区的恶劣环境下正常应用。

4.3 排水

为适应南方多雨或地势低洼等使用环境，轨边箱体的线阵相机和补偿光源镜头均采用密闭结构，同时沉箱底部设有排水孔，通过安装排水管使箱体内不会积水。

对于雨量较大或自然排水不畅等情况，TVDS设备还可以选配强排水系统，在沉箱内安装有排水泵和水位传感器，当箱体内积水超过水位传感器时，排水泵将自动启动，对箱体内积水进行强排。

4.4 防雷

TVDS系统采用了探测站综合防雷系统，配备信号

防雷和电源防雷设备。采用的综合防雷措施，包括等电位连接、综合布线及屏蔽、共用接地系统及配套的防雷性能自动检测设施。防雷接地电阻小于4 Ω。

5 运用效果

截至2016年底，全路建设完成铁路客车动态检车室34个，新建TVDS探测站统型设备231套。2016年12月，全路日均过车5 600～5 800列次，全路共计发现故障6 000余例。TVDS统型机得到全路推广应用，统型技术方案安全可靠，能够适用于全路各种环境、各种线路条件下的安全监测工作，运用效果良好。

[1] 中国铁路总公司.车辆专业安全监控技术发展规划,运辆管理函[2014]427号[Z].