自动轨道衡偏载检测、监测技术方案可行性研究

李学宝，李世林，彭 冲，侯秀林，马 翔

(中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所，北京 100081)

0 引 言

随着我国国民经济的飞速发展，贸易量的日益增长对铁路运输的需求越来越高，也对铁路运输安全提出了更高要求[1-2]。铁路货车超载、偏载是影响铁路货运安全的主要因素，对运输货物车辆进行高效的超载、偏载检测成为必需。

自动轨道衡目前一般安装于铁路到发站以及涉及铁路运输的地方企业专用线，为强制检定计量器具，应用遍及铁路、煤炭、冶金、电力、石化等行业，用于贸易结算[3-5]，同时防止车辆超装或未卸空。铁道货车超偏载检测装置（以下简称超偏载检测装置）主要安装于编组站的进出线，用于检测铁路货车运输途中的装载状态[6-7]。现行的货运车辆检测模式是发车源头自动轨道衡检测货车的质量，途中编组站超偏载检测装置检测车辆的超载、偏载状况，需要整装时到下一站停车进行甩车作业处理，从而对铁路运输效率产生一定影响。大部分地方企业未安装超偏载检测装置，当企业车辆挂运至装有超偏载检测装置的铁路检测点时，偏载问题时有发生，这就需要地方企业重新装车后，再次发车至检测点进行检测，直至装载状态符合相关要求，耗费人力物力；同时超偏载检测装置只是计量安全设备，不能用于贸易结算，部分车站为了兼顾贸易结算（或超载复衡）和偏载检测需要，会同时安装自动轨道衡和超偏载检测装置，无形中增加了投资成本。

本文对自动轨道衡系统软硬件进行优化设计，增加偏载检测功能[8-9]，经试验验证，可满足现有铁路运输安全检测要求，有利于降低设备成本。实现到发站源头自动轨道衡检测货车的超载、偏载并进行处理，途中编组站超偏载检测装置进行检测复核的运输货物检测模式，以进一步提高装载质量，提高运输效率。建设一个自动轨道衡网络检测监测平台，将全国范围内的自动轨道衡纳入平台管理，实现自动轨道衡检测数据监测，对于企业来说，可以从源头把控超载、偏载问题，对于铁路运输部门来说，可以全过程监测货物在运输过程中的装载状态，保障运输安全。自动轨道衡网络检测监测平台同时具备自动轨道衡自身运行状态的监测功能，实时监测称重传感器的码值状态，定时与检定期间的参数进行对比分析，可以进一步提高设备的可靠性[10]，减少误报警，节省人力物力，促进运输安全。

1 自动轨道衡结构型式及工作原理

1.1 结构型式划分

全国目前在用的自动轨道衡有近2 500余台[11]，按结构型式主要划分为断轨自动轨道衡和不断轨自动轨道衡。按照台面数量及结构型式的不同，断轨自动轨道衡划分为断轨单台面、双台面、三台面自动轨道衡以及长台面自动轨道衡等，不断轨自动轨道衡划分为有梁式、无梁式自动轨道衡等型式[12]。

断轨自动轨道衡结构相对简单，采用相应数量的压力传感器实现称重。目前断轨自动轨道衡大部分还是采用多路压力传感器输出信号先合成再进行模数转换，少数近年来新生产的断轨自动轨道衡进行了工艺改进，采用单路单接的型式。

不断轨自动轨道衡的传感器由压力传感器和剪力传感器组成，目前大部分采用的是压力、剪力传感器信号分别合成，再进行模数转换的型式。

1.2 工作原理

自动轨道衡一般由基础、称重传感器、承载器、称重仪表、打印机等装置组成，称重仪表将称重传感器输出的车辆载荷信息进行处理，自动转换为质量值，从而得出运行过程中的车辆或列车的质量[13-14]。

自动轨道衡按预定程序对行进中的铁路车辆进行称量，普通铁路货车车辆的全部质量集中在两个转向架上，以单台面断轨自动轨道衡为例，结构采用转向架称量方式，当被称量车辆通过自动轨道衡时，按照车辆运行方向，车辆的前后转向架通过自动轨道衡称重台面后，系统自动检测并计算其质量，将两个转向架的质量之和作为被称量车辆的质量，示意图如图1所示。

图1 转向架称量方式的自动轨道衡示意图

自动轨道衡称重传感器输出信号经数据采集与处理系统后输入计算机，由称重程序自动进行车辆的判别与质量的计算，理论上称重传感器输出数据理想波形如图2所示。图中F1G1和B2C2之间的数据表示车辆的第一个转向架和第二个转向架通过自动轨道衡称重台面时，数据采集与处理系统记录的称重传感器对应输出数据。称重程序根据输出数据进行两个转向架数据段的识别和计算，从而判别车辆并计算其质量。

图2 自动轨道衡称重采样数据理想波形示意图

由于车辆运行过程中的振动、自动轨道衡在称重时自身的振动以及电气控制系统受到周围电磁环境的影响，实际的过车数据波形含有很多的振动及环境干扰叠加波形，如图3所示，需要滤波及平滑处理后方可进行车辆判别和质量计算。

图3 自动轨道衡称重采样数据实际波形示意图

断轨多台面自动轨道衡称重原理与断轨单台面自动轨道衡称重原理类似，不同之处在于整车质量是两个分台面称量质量的叠加。不断轨自动轨道衡是在断轨轨道衡基础上，将称量轨和引轨替换为整根钢轨，消除了断轨自动轨道衡称量轨和引轨之间的接缝，将剪力传感器安装在称量轨和引轨相接的位置，用于检测车辆通过时钢轨受到的剪切力。列车通过自动轨道衡时压力传感器与剪力传感器的输出数据进行合成后的波形，与断轨自动轨道衡传感器输出的波形相同[15]，后期车辆判别和质量计算等数据处理方式相似，不再赘述。

2 自动轨道衡偏载检测技术方案

2.1 技术原理

自动轨道衡的偏载检测功能通过检测货物车辆的轮重来实现，且车辆的左右轮重称重时不相互影响。新安装的自动轨道衡在设计时将机械秤台分为左右两个物理独立的称量区，并对传感器进行单路连接采样。使用中的自动轨道衡增加偏载功能，应先分析其机械秤台结构，将其改造为左右两个物理独立的称量区，并对传感器进行单路连接采样改造。

本文在对现有自动轨道衡机械结构改造为左右两个物理独立的称量区结构的基础上，设计分析了自动轨道衡偏载检测功能，通过试验验证，满足使用要求。本文以断轨单台面自动轨道衡为例简要论述改造技术原理，其他型式的自动轨道衡可参照案例进行改造。

断轨单台面自动轨道衡用于对装载固态货物铁路车辆在低速通过时的质量测量，其测量区长度一般为3.6～4.0 m，所用传感器为4只柱式压力传感器。为满足对车辆总重及偏载信息的测量，首先将传感器更改为单路单接模式，T1、T2、T3、T4四只传感器分别连接到多路数据采集设备的CH1、CH2、CH3、CH4输入端口，且T2、T3组成的称量区域与T1、T4组成的称量区域相对物理独立，如图4所示。

图4 断轨单台面自动轨道衡示意图

当列车通过自动轨道衡时，计算机同时采集四路传感器的输出信号，每节车辆左右两侧的质量分别传递到传感器T1与T2、T3与T4，传感器输出波形如图5所示。

图5 传感器输出波形

将车辆通过测量区传感器T2与T3、T1与T4输出波形合成，分别得到车辆行驶方向转向架左右两侧质量理想输出波形，如图6和图7所示。

图6 车辆行进方向左侧测量区理想合成波形图

图7 车辆行进方向右侧测量区理想合成波形图

车辆行驶方向左侧4个轮重分别为W11、W12、W13、W14，修正系数为k1，由图6所示波形计算得到：

车辆行驶方向右侧4个轮重分别为W21、W22、W23、W24，修正系数为k2，由图7所示波形计算得到：

上述公式中，修正系数k1与k2可以由自动轨道衡检定时计算得出。

2.2 硬件设计

数据采集控制部分采用高度集成化控制柜设计方案，主要由室外机柜主体、MCU主控模块、数据采集模块、通信信号模块、系统环境监控模块、防雷模块、电源模块以及液晶显示模块组成[16]。

1）室外机柜主体由镀锌冷轧钢板制成，表面喷涂室外型塑粉，采用防水和自动温控设计，保证室外复杂环境下正常工作；

2）MCU主控模块控制多路传感器数据同步采集，协调各个模块信息交互；

3）数据采集模块支持传感器输出模数转换的单路单通道，最多支持16路数据采集，支持扩展模式，插拔式设计；

4）通信信号模块主要包括各模块间的通信和机柜与远端服务器间的通信；

5）系统环境监控模块采用高精度温湿度传感器获取柜内环境数据，并适时控制散热风扇和PTC加热器以维持柜内温度设定；

6）防雷模块分为传感器防雷和电源防雷两部分，当遇到雷击时，会将瞬间大电流引入大地释放掉，保证设备安全；

7）电源模块采用高精度自动稳压器（适应范围为 AC 170～250 V），内置 8 h 在线式 UPS，支持远程网络化管理；

8）液晶显示模块可实时显示传感器采集数据信息、环境监控数据信息、异常报警信息等数据。

2.3 软件设计

改造后的传感器数据采集方式为单路单接方式，传感器采集模块能够实现对每一路传感器数据进行采集与状态检测，以“帧”为单位组合同一时刻的各路传感器数据，通过车辆判别模块与偏载计算模块生成车辆装载状态信息。

由于自动轨道衡型式多样，所采用的传感器数量也不相同，因此需要对传感器种类及数量进行兼容性设置。系统的传感器采集模块接口配置使用传感器数量冗余设计，能够满足各种台面的传感器布局。

2.4 试验验证

2.4.1 试验方案

选取检定合格的检衡车组，对其中名义质量值为76 t的检衡车进行设偏，通过理论计算获得偏载理论值[6]。使用检衡车组对改造后增加偏载检测功能的断轨单台面自动轨道衡和其邻近的超偏载检测装置进行试验，以“机车-84 t-50 t-76 t-68 t-20 t”（第 1 编组）和“机车-68 t-76 t-50 t-84 t-20 t”（第 2 编组）两个编组顺序分别在选定的自动轨道衡和超偏载检测装置上往返10次，之后对试验数据进行对比分析。

2.4.2 检衡车组选取

选取车型车号为 T6DK8 066 310～314 的检衡车组，对车号为8 066 313的检衡车进行设偏，设偏后的砝码布局图如图8所示。

图8 设偏后的砝码布局图

2.4.3 试验数据对比分析

整车称重是自动轨道衡具备的基本功能，整车称重数据均符合JJG 234—2012《自动轨道衡》检定规程要求，本文重点对偏载检测数据进行对比分析。

当检衡车组为第1编组，拉方向时，试验数据如表1所示。

表1 检衡车组为第1编组，拉方向

当检衡车组为第1编组，推方向时，试验数据如表2所示。

表2 检衡车组为第1编组，推方向

当检衡车组为第2编组，拉方向时，试验数据如表3所示。

表3 检衡车组为第2编组，拉方向

当检衡车组为第2编组，推方向时，试验数据如表4所示。

表4 衡车组为第2编组，推方向

对试验数据进行对比分析可以得出：自动轨道衡试验数据和超偏载检测装置试验数据均满足JJG（铁道）129—2004《铁道货车超偏载检测装置》检定规程中的检测数据允差要求，前后转向架偏重差变动范围小于等于400 kg，前后转向架偏重差平均值与理论偏重差之差的绝对值小于500 kg，设偏转向架偏载率平均值与理论偏载率之差的绝对值小于5%。改造后的自动轨道衡实现了与超偏载检测装置相当的检测效果，可以满足现有铁路运输安全要求，进一步实现从装车源头卡控，从运输途中监测，提升铁路运输安全。

3 自动轨道衡网络检测监测平台

建设自动轨道衡网络检测监测平台，将全国范围内自动轨道衡纳入平台进行管理，实现自动轨道衡检测数据监测，及时发现货车超载、偏载情况，通过对自动轨道衡的传感器输出实现单路单接后，实现每只传感器的状态监测，同时实现对自动轨道衡自身运行状态的监测，提高设备可靠性[17]。

3.1 系统结构

自动轨道衡网络检测监测平台分为三层，即表示层、业务逻辑层、数据层，软件结构如图9所示。

图9 软件结构图

3.2 系统功能

1）过衡检测数据监测

当有车辆通过时，自动轨道衡将过衡检测数据及过衡波形数据自动上传至系统服务器，称重数据以“辆”为计数单位按列存储，过衡波形以“列”为计数单位存储。过衡波形数据在服务器中以加密文件的形式存储，文件名称由自动轨道衡编码、型式、检测模式、日期时间等组成，便于检索。

2）运行状态监测

对自动轨道衡的运行状态参数进行监测，重点监测称重传感器的码值状态。因不同型式自动轨道衡所使用的传感器种类、型式和数量不同，通过对主要自动轨道衡生产厂家进行调研，汇总出自动轨道衡型式列表，系统按照自动轨道衡所安装使用的压力传感器与剪力传感器最大数量进行设计。偏离初始码值阈值时，系统自动声光报警，同时根据历史监测大数据，经系统统计分析给出设备保养建议。

3）检定信息管理

新安装的自动轨道衡需要进行首次检定且检定合格才能投入使用，使用中的自动轨道衡每年至少进行一次后续检定，检定合格后方可用于贸易结算。对每次检定时的传感器码值及过衡波形进行存储，作为日后自动轨道衡状态正常与否的重要参考。

4）系统维护模块

监测平台的用户大体分为自动轨道衡用户、铁路运输部门、生产厂家、系统管理员等，各用户之间功能可有重叠，系统需要合理分配各类人员之间的权限，同时系统要有完善的基础数据维护功能。

4 结束语

本文通过原理分析、软硬件优化设计以及试验验证等方法，针对主要结构型式的自动轨道衡完成了增加偏载检测功能的技术改造，可以实现从发车源头对货车的超载、偏载情况进行卡控，在运输途中对装载状态进行复核监测，有利于降低铁路运输成本，提高铁路运输货物装载质量和效率，促进铁路运输安全。通过建设全国自动轨道衡网络检测监测平台，对具备偏载检测功能的自动轨道衡检测数据和运行状态进行监测，可为铁路运输部门超偏载治理提供辅助决策，减轻日常设备维护工作量，实现“强基达标提质增效”，保障铁路货物运输安全。