以更低的成本和更高的安全性来维护公共铁轨

       如今，一种新型的系统化维护方法可以及时测量、定位和维修铁路及有轨电车轨道出现的问题。结合成熟的铁路工程技术手段和先进技术，包括Blackfin®处理器和图形化系统设计技术，可改进和优化公共交通。

        在过去的十年中，铁路或有轨电车已成为一种广受欢迎的公共交通工具。寻求一种舒适及安全的交通工具的旅客不断增多。运输负荷提高就需要更高的列车速度并缩短停顿间隔，因而也使铁轨和电车处于更大的机械应力之下，从而导致不可避免的过早磨损和恼人甚至危险的故障(图1)1。处理这些应力对铁路和有轨电车轨道造成的损害，就需要更加强调监控和维护。ADI公司的Blackfin处理器2和NI公司的图形化可编程LabVIEW™3技术在铁轨检查系统中扮演着核心角色，获取准确的现场测量数据并将其存储，以便采取进一步行动，这样能延长铁轨的工作寿命，提高公共交通服务的经济性和可靠性。

图1：系统化的铁轨维护理念包括测量、定位和维修铁轨故障

铁轨：揭开背后的秘密
       当新的铁路和电车轨道铺设好后，在浇注混凝土之前要进行正确的轨道位置校验以确保质量。完成安装后随着时间的推移，在日常运行中问题不可避免地开始出现、蔓延。这些问题是由车轮与铁轨之间的机械接触应力造成的，这些应力是极为复杂的弹簧 -质点模型的一部分，其力学范围涉及从列车的底盘和负载到铁路地基。在欧洲，这些问题的临界参数和容差范围可按照铁路工程标准进行分类。^4–16铁路维护的目标是发现和测量这些问题，并使它们保持在可接受的水平。

图2：铁轨参数分为轨道几何形状、纵向形貌和横截面三类

轨道几何形状
        铁轨的规格或者说两条轨道之间的距离会影响列车一侧到另一侧的运动。这种运动使车轮和铁轨的接触点不断移动，以使磨损减至最低。

       轨道倾斜度的变化会带来摇晃和振动。倾斜的缺陷通常由铁路地基的变形引起，铁轨表面的起伏不平和孔洞也会引起倾斜。不过，有些系统性的倾斜面是必要的，这是为了在进入和离开弯道时尽量减少加速对旅客造成的不适。

恰当的轨到轨间隔避免了当列车高速迎面经过时造成相撞事故的任何可能性。

纵断面形貌
      裂缝和断裂是最让人担心的缺陷之一，因为它们可能会导致灾难性的结果，如脱轨。特征波长为20毫米至100毫米的铁轨波纹起伏在振幅超过0.05毫米时会形成一种烦人的噪声。另一方面，其波峰为0.3毫米时，这种振动会对铁路路基造成不可逆转的损害。波纹会沿着铁轨蔓延，在科学意义上目前还弄不清楚它们是如何产生的。单个孔洞大多由转弯或车轮跳动造成，并可用数学多项式表达。它们是造成有轨电车线路突然颠簸的罪魁祸首。老旧铁轨上经常发生有规则的颠簸现象，这归咎于每18米铁轨段存在一处焊接接缝。

横截面
       新安装的铁轨头端几何形状遵循一个经准确计算的触点几何尺寸，这样可优化轮与轨道之间的接触面。该形状可用切线和特定的半径进行描述，提供了水平基准，使车轮能经济、平滑而安全地滚动(图2)。

测量铁轨
       对于系统化和以目标为导向的铁路维护来说，其关键需求是要全面了解对当前铁路或电车轨道网络的几何结构状态。这可通过一种智慧的测量策略来实现，这种策略是将里程测量结果(测距)、轨道几何形状、纵向形貌和横截面与精确的GPS定位相结合。所有这些参数通过移动测量设备或装备良好的测量车辆获得。测量数据先通过ADI公司的Blackfin处理器进行预处理，最后转入分析软件，在电子地图上实现后期分析和精确的测量和故障定位(图3)。

图3：测量结果与 GPS数据相结合，以确定它们在地理信息系统(GIS)中的精确位置

轨道几何形状
       采用精度在0.01毫米范围内的无触点感应传感技术进行轨距测量。基于软件的FIR(有限脉冲响应)低通滤波器可抑制高频噪声，而随后的移动平均滤波器确保期望为连续值的结果中没有“伪峰值”出现。类似的方法也应用于倾斜传感器，工作时就像一个电子液位仪，具有± 10°的角范围，精确度0.025°以内。所用的物理原理将频率范围限制在1 Hz以内。

测量轨到轨距离需要一套复杂且要求大量运算的浮点算法，以便计算出绝对的水平和垂直距离(图4)。

       在车辆一侧安装高精度激光束，在1米到5米的距离内其摇晃幅度为±5°，由Blackfin处理器控制。邻近铁轨的测量信号经低通和中值滤波，并从极坐标转换为笛卡尔坐标。在采用模式匹配算法对信号进行运算之前，要经过进一步的处理，如矢量旋转和重采样。其目的是在铁路线内找到几何特征的一个准确特征矢量。因为铁路上存在许多障碍物，如石块或杂草，这个矢量要采用真实性检查器和跟踪算法进行运算，以确保得出可靠和有效的结果。所有这一切都是在实时条件下由一个5 Hz循环完成的。

图4：测量轨到轨距离(水平和垂直 )需要实时的高性能数字信号处理算法

纵向形貌
      高速电涡流传感器以微米级精度对铁路表面情况进行记录(图5)。线性编码器处理来自磁环的信号，该信号作为里程表和模数转换器的触发器。这个信号再经过 FIR带通滤波器进行滤波，可减少其特征波长的频谱。除了表面形貌，与冶炼相关的不规则处如局部淬火和焊接点也被一一记录。

图5：铁轨纵向形貌由非接触式涡流传感器和磁性编码器来采集

横截面形貌
       激光技术是当今最先进的非接触式测量方法，可获得准确的铁轨横截面形貌。根据所需的精确度或捕获速度，无论是穿越激光束还是激光“幕”(图6)都可用来进行这项工作。对原始形貌信号进行实时线性化、缩放处理，并滤除毛刺。

图6：采用高速激光扫描仪捕获的铁轨形貌

老一代技术—计量设备
       直到最近，维修人员仍在使用许多不同的测量设备来确定轨道上的裂缝和异样。每种方法适合某一特定轨道缺陷，但除了少数例外以外，这些机械的方法缺乏足够的精确度和可重复性的结果。最近几年，工业解决方案供应商，如Schm id Engineering，将先进的处理器技术和最先进的元件嵌入到他们的设计中。铁路基础设施行业中的此类进步逐渐将行业引向采用智能计量设备的移动和多功能铁轨测量时代。

      铁轨监控设备(图7)使用最先进的技术来同步测量铁轨横截面形貌、头端高度、轨距、倾角、深度和周围环境温度，所有这些都是在特定的可识别的位置进行检测和记录的。

图7：在恶劣的环境和紧迫的时间要求下，人们需要轻便、易于使用和富有成效的计量设备

      所有关键特性现场就可处理和可视化，并可存储在移动存储器中。随着操作者或车辆沿铁轨拉动，RailSurf雪橇式计量设备就在连续监测和记录纵向轨道参数。