文·本报记者 王婷婷

    目前，我国铁路运营里程达到12万公里。仅全线运行的铁路货车就达71万辆。所有这些列车上，隐藏在车轮内部，一种叫做“列车滚动轴承”的关键部件，决定着列车是不是能跑得快、跑得稳，最重要的是跑得安全。

    11月6日，中国电子科技集团公司（以下简称中国电科）为主要研制单位自主研发的“铁路车辆滚动轴承轨边声学诊断系统”将正式通过北京市铁路局科学技术委员会专家组的鉴定评审，即将上线运行。专家组组长、北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室首席教授贾利民在鉴定会前接受科技日报记者表示，该项目是国内首套具有自主知识产权的铁路车辆滚动轴承轨边声学诊断设备，为我国铁路运输安全，尤其是铁路信息安全提供了极其重要的国产装备，填补了国内在该领域的空白。

    轴承检测，铁路运行安全重中之重

    随着我国高速铁路的发展，以及营运时间的增长，各种设备必然要投入更大的精力进行维护，从而保证运输安全。高铁安全的重中之重一是线路安全，一是车辆安全，而车辆走行部件的安全又是车辆安全的关键所在。

    列车滚动轴承是运行的关键部件，目前对列车轴承的检测，传统手段已无法满足运行需求，为了更好的服务于铁路运输，新型的、先进的国产装备成为急需。

    近10年来，我国铁路运输一直采用进口的轨边声学故障诊断系统，该系统仅适用于货车上。也有国内公司与国外合作，但关键技术依赖国外。

    而我国对动车和客车滚动轴承的检测手段，主要采用车上轴温检测系统和线下人工检测系统。

    “这两种手段有它们各自的弊端。”轨边声学故障诊断系统总负责人李志宇告诉记者，车上轴温检测系统实时检测轴承的温度，当温度过高时发出报警信息，轴承故障早期温度不高无法报警，而且也无法实时监测轴承故障状态的变化；线下人工检测系统只有在车辆进车间检修时才能对轴承故障状态进行检测，在检修周期间隔之间无法及时对轴承故障进行检测。

    “这两种方法均不能即时有效发现滚动轴承早期故障，无法实现早期预警，给铁路客车的安全运行带来巨大隐患。”李志宇说，“解决这些问题正是我们研发铁路车辆滚动轴承轨边声学诊断系统的初衷。”

    列车“听诊器”，不到两年填补国内空白

    铁路车辆滚动轴承轨边声学诊断系统中的“声学诊断”，被李志宇形容为“聆听，并且是专心聆听”。这套系统要通过在轨边安装声学传感器阵列，对运行中的列车轴承的振动声音信号进行采集、分析，判断出轴承故障类型和故障缺陷程度，从而实现对滚动轴承早期故障的预警。

    高速列车从身边呼啸而过，那种车轮隆隆、劲风扑面的感受令人难忘，而李志宇告诉记者：“我们的系统需要在列车行驶时的复杂背景噪声中，对各种轴承故障的部位做出准确诊断。”

    如何做到？“采用先进的模式识别方法, 并用大量的实测数据进行修正和完善。最终根据不同的轴承故障信号频率、能量、幅值和相关的车速、载荷的多因素综合匹配, 判别出各种不同的轴承故障类型和故障缺陷程度等级。”李志宇说：“为了做到这些，我们在这套系统上磨了将近两年。”

    两年时间，对于一个填补国内空白的项目来说，已经是快节奏了。

    “能有这样成果，正是因为我们站在中国电科3所的起点上。”李志宇说，这里是国内唯一的无线电接收与电声技术专业研究所，专门从事声学技术研究，擅长的就是语音、运动车辆、低空飞行器等目标的声学探测、识别。

    三项技术突破，缺一不可

    起点高并不意味着难度就有所降低，要研制轨边声学故障诊断系统，要突破三项关键技术，“这三项技术犹如三座山峰——指向性声阵列技术、系统降噪技术、故障诊断算法，有一座上不去，我们的系统就成不了。”李志宇说。

    课题组研制过程中遇到的第一座山峰，就是指向性声阵列技术。李志宇说，铁路上来往车辆较多，噪声较大，加上轴承本身运动产生的摩擦声，如何迅速识别我们需要的“有用的声音”是关键所在。“声阵列”能定向接收轴承声音，降低噪声，大大提高了搜集“有用声”的能力，排除干扰，专心“聆听”故障声发回的信号。

    课题组研制过程中遇到的第二座山峰，就是系统降噪技术。为了能提取故障轴承在运行中产生的声信号，采用指向性声接收阵列定向接收轴承方向声信号，从空间上降低其他方向传来的噪声，再采用放大滤波电路滤除故障声信号以外的噪声，最后再采用小波降噪技术和基于经验模式分解方法等进一步降低噪声，提高轴承声信号信噪比。

    课题组研制过程中遇到的第三座山峰，就是故障诊断算法。“故障诊断算法是系统的核心。没有算法，整个系统就是死的，国外有部分借鉴的公式，但是并没有上线形成最终的产品。相当于都是基于理论分析得出的。”系统副总师、系统软件总师王志峰博士说。

    突破算法，构建系统“大脑”，完成这些是另一项工作的开始。项目总师何巧告诉记者：“上线调试后，才是我们整合算法搜集数据的关键时刻。不断地重复地进行数值调整、比对、优化，反复分析异常出现时的动态显示，工作量特别大！”

    特别大是多大？何巧说了一串数字——

    平均每天有90列车经过探测站，每一辆列车大约30节车厢、120个轴承，那么每天我们就要分析1100多个轴承状态，每天要对所有的轴承异常进行排查，只保留“有用的”轴承声。在我们的项目调试运行的时候，有时要一次性分析上万个轴承状态。

    2015年8月13日，北京铁路局科委、车辆处组织相关专家按照相关技术条件进行了现场测试，系统获得了高度评价——自主研制的“轨边声学故障诊断系统”满足铁路需求。

    故障轴承拆检比对，毫无差错

    通过了测试，系统离充分验证还差一步，那就是拆检比对。如果能争取探测到故障轴承并将其拆检比对那将是系统研制成功的最有力的证据。

    北京铁路局车辆段的负责人做出决定：“为了验证需要，发现故障轴就该扣车就扣车。”

    9月24日，北京铁路局丰台车辆段双桥配件车间、动态检测车间，对试用系统近期发现的1个报警轴承和唐山站回送的4个报警轴承分别进行了检查或分解检查。

    正向验证：铁路原其他检测系统预报故障，轨边声学故障诊断系统却没有预报故障，经过实际验证后确实无故障；反向验证：铁路其他检测系统预报无故障，轨边声学故障诊断系统检测有故障，经拆检，故障的确存在。

    “铁路车辆滚动轴承轨边声学诊断系统已突破关键技术、研制完成产品样机并上线试用，测试和试用表明，系统能够在实际使用环境稳定运行，达到实际产品要求。”

    这样的评语意味着我国铁路运输，尤其是铁路信息安全即将再上一把安全锁。