如今，一種新型的系統(tǒng)化維護方法可以及時測量、定位和維修鐵路及有軌電車軌道出現(xiàn)的問題。結(jié)合成熟的鐵路工程技術(shù)手段和先進技術(shù)，包括Blackfin®處理器和圖形化系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，可改進和優(yōu)化公共交通。

        在過去的十年中，鐵路或有軌電車已成為一種廣受歡迎的公共交通工具。尋求一種舒適及安全的交通工具的旅客不斷增多。運輸負荷提高就需要更高的列車速度并縮短停頓間隔，因而也使鐵軌和電車處于更大的機械應(yīng)力之下，從而導(dǎo)致不可避免的過早磨損和惱人甚至危險的故障(圖1)1。處理這些應(yīng)力對鐵路和有軌電車軌道造成的損害，就需要更加強調(diào)監(jiān)控和維護。ADI公司的Blackfin處理器2和NI公司的圖形化可編程LabVIEW™3技術(shù)在鐵軌檢查系統(tǒng)中扮演著核心角色，獲取準確的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)并將其存儲，以便采取進一步行動，這樣能延長鐵軌的工作壽命，提高公共交通服務(wù)的經(jīng)濟性和可靠性。

圖1：系統(tǒng)化的鐵軌維護理念包括測量、定位和維修鐵軌故障

鐵軌：揭開背后的秘密
       當新的鐵路和電車軌道鋪設(shè)好后，在澆注混凝土之前要進行正確的軌道位置校驗以確保質(zhì)量。完成安裝后隨著時間的推移，在日常運行中問題不可避免地開始出現(xiàn)、蔓延。這些問題是由車輪與鐵軌之間的機械接觸應(yīng)力造成的，這些應(yīng)力是極為復(fù)雜的彈簧 -質(zhì)點模型的一部分，其力學(xué)范圍涉及從列車的底盤和負載到鐵路地基。在歐洲，這些問題的臨界參數(shù)和容差范圍可按照鐵路工程標準進行分類。^4–16鐵路維護的目標是發(fā)現(xiàn)和測量這些問題，并使它們保持在可接受的水平。

圖2：鐵軌參數(shù)分為軌道幾何形狀、縱向形貌和橫截面三類

軌道幾何形狀
        鐵軌的規(guī)格或者說兩條軌道之間的距離會影響列車一側(cè)到另一側(cè)的運動。這種運動使車輪和鐵軌的接觸點不斷移動，以使磨損減至最低。

       軌道傾斜度的變化會帶來搖晃和振動。傾斜的缺陷通常由鐵路地基的變形引起，鐵軌表面的起伏不平和孔洞也會引起傾斜。不過，有些系統(tǒng)性的傾斜面是必要的，這是為了在進入和離開彎道時盡量減少加速對旅客造成的不適。

恰當?shù)能壍杰夐g隔避免了當列車高速迎面經(jīng)過時造成相撞事故的任何可能性。

縱斷面形貌
      裂縫和斷裂是最讓人擔心的缺陷之一，因為它們可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的結(jié)果，如脫軌。特征波長為20毫米至100毫米的鐵軌波紋起伏在振幅超過0.05毫米時會形成一種煩人的噪聲。另一方面，其波峰為0.3毫米時，這種振動會對鐵路路基造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。波紋會沿著鐵軌蔓延，在科學(xué)意義上目前還弄不清楚它們是如何產(chǎn)生的。單個孔洞大多由轉(zhuǎn)彎或車輪跳動造成，并可用數(shù)學(xué)多項式表達。它們是造成有軌電車線路突然顛簸的罪魁禍首。老舊鐵軌上經(jīng)常發(fā)生有規(guī)則的顛簸現(xiàn)象，這歸咎于每18米鐵軌段存在一處焊接接縫。

橫截面
       新安裝的鐵軌頭端幾何形狀遵循一個經(jīng)準確計算的觸點幾何尺寸，這樣可優(yōu)化輪與軌道之間的接觸面。該形狀可用切線和特定的半徑進行描述，提供了水平基準，使車輪能經(jīng)濟、平滑而安全地滾動(圖2)。

測量鐵軌
       對于系統(tǒng)化和以目標為導(dǎo)向的鐵路維護來說，其關(guān)鍵需求是要全面了解對當前鐵路或電車軌道網(wǎng)絡(luò)的幾何結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這可通過一種智慧的測量策略來實現(xiàn)，這種策略是將里程測量結(jié)果(測距)、軌道幾何形狀、縱向形貌和橫截面與精確的GPS定位相結(jié)合。所有這些參數(shù)通過移動測量設(shè)備或裝備良好的測量車輛獲得。測量數(shù)據(jù)先通過ADI公司的Blackfin處理器進行預(yù)處理，最后轉(zhuǎn)入分析軟件，在電子地圖上實現(xiàn)后期分析和精確的測量和故障定位(圖3)。

圖3：測量結(jié)果與 GPS數(shù)據(jù)相結(jié)合，以確定它們在地理信息系統(tǒng)(GIS)中的精確位置

軌道幾何形狀
       采用精度在0.01毫米范圍內(nèi)的無觸點感應(yīng)傳感技術(shù)進行軌距測量。基于軟件的FIR(有限脈沖響應(yīng))低通濾波器可抑制高頻噪聲，而隨后的移動平均濾波器確保期望為連續(xù)值的結(jié)果中沒有“偽峰值”出現(xiàn)。類似的方法也應(yīng)用于傾斜傳感器，工作時就像一個電子液位儀，具有± 10°的角范圍，精確度0.025°以內(nèi)。所用的物理原理將頻率范圍限制在1 Hz以內(nèi)。

測量軌到軌距離需要一套復(fù)雜且要求大量運算的浮點算法，以便計算出絕對的水平和垂直距離(圖4)。

       在車輛一側(cè)安裝高精度激光束，在1米到5米的距離內(nèi)其搖晃幅度為±5°，由Blackfin處理器控制。鄰近鐵軌的測量信號經(jīng)低通和中值濾波，并從極坐標轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標。在采用模式匹配算法對信號進行運算之前，要經(jīng)過進一步的處理，如矢量旋轉(zhuǎn)和重采樣。其目的是在鐵路線內(nèi)找到幾何特征的一個準確特征矢量。因為鐵路上存在許多障礙物，如石塊或雜草，這個矢量要采用真實性檢查器和跟蹤算法進行運算，以確保得出可靠和有效的結(jié)果。所有這一切都是在實時條件下由一個5 Hz循環(huán)完成的。

圖4：測量軌到軌距離(水平和垂直 )需要實時的高性能數(shù)字信號處理算法

縱向形貌
      高速電渦流傳感器以微米級精度對鐵路表面情況進行記錄(圖5)。線性編碼器處理來自磁環(huán)的信號，該信號作為里程表和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)器。這個信號再經(jīng)過 FIR帶通濾波器進行濾波，可減少其特征波長的頻譜。除了表面形貌，與冶煉相關(guān)的不規(guī)則處如局部淬火和焊接點也被一一記錄。

圖5：鐵軌縱向形貌由非接觸式渦流傳感器和磁性編碼器來采集

橫截面形貌
       激光技術(shù)是當今最先進的非接觸式測量方法，可獲得準確的鐵軌橫截面形貌。根據(jù)所需的精確度或捕獲速度，無論是穿越激光束還是激光“幕”(圖6)都可用來進行這項工作。對原始形貌信號進行實時線性化、縮放處理，并濾除毛刺。

圖6：采用高速激光掃描儀捕獲的鐵軌形貌

老一代技術(shù)—計量設(shè)備
       直到最近，維修人員仍在使用許多不同的測量設(shè)備來確定軌道上的裂縫和異樣。每種方法適合某一特定軌道缺陷，但除了少數(shù)例外以外，這些機械的方法缺乏足夠的精確度和可重復(fù)性的結(jié)果。最近幾年，工業(yè)解決方案供應(yīng)商，如Schm id Engineering，將先進的處理器技術(shù)和最先進的元件嵌入到他們的設(shè)計中。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)中的此類進步逐漸將行業(yè)引向采用智能計量設(shè)備的移動和多功能鐵軌測量時代。

      鐵軌監(jiān)控設(shè)備(圖7)使用最先進的技術(shù)來同步測量鐵軌橫截面形貌、頭端高度、軌距、傾角、深度和周圍環(huán)境溫度，所有這些都是在特定的可識別的位置進行檢測和記錄的。

圖7：在惡劣的環(huán)境和緊迫的時間要求下，人們需要輕便、易于使用和富有成效的計量設(shè)備

      所有關(guān)鍵特性現(xiàn)場就可處理和可視化，并可存儲在移動存儲器中。隨著操作者或車輛沿鐵軌拉動，RailSurf雪橇式計量設(shè)備就在連續(xù)監(jiān)測和記錄縱向軌道參數(shù)。