超聲波斷軌監(jiān)測系統(tǒng)的研制與應用

馬 錦 生

(中國鐵路太原局集團有限公司，山西 太原 030013)

1 概述

大西高鐵綜合試驗段陽曲西至蝎子寨大橋(K241+900～K251+300)有大約10 km的區(qū)段未安裝軌道電路，檢查人員只能在夜間天窗巡線，達不到全天候監(jiān)測的功能，無法及時發(fā)現(xiàn)斷軌問題。針對這一需求，嘗試研究一種既能滿足大西客專試驗段斷軌監(jiān)測需要，也可應用其他無軌道電路區(qū)段的斷軌監(jiān)測系統(tǒng)，一旦發(fā)生斷軌，能在第一時間上傳報警信息到監(jiān)控中心及相關人員的手機上，便于及時采取措施，避免造成行車安全事故及生命財產(chǎn)損失。目前國內(nèi)外斷軌檢測的主要方法有鋼軌探傷車、探傷儀、軌道電路等。探傷車和探傷儀無法實現(xiàn)鋼軌的全天候自動檢測。軌道電路檢測方法容易受到線路周邊電氣設施干擾，汛期降雨較多區(qū)段極易發(fā)生短路，從而發(fā)生誤報、漏報情況。

經(jīng)過對無軌道電路區(qū)段的現(xiàn)場調(diào)研，及對國內(nèi)外斷軌監(jiān)測手段的分析，開發(fā)一種基于超聲波檢測技術檢測鋼軌斷軌情況的智能檢測系統(tǒng)，通過接收到的超聲波信號強弱來判斷鋼軌是否斷裂，并利用GSM/GPRS遠程傳輸至工務段監(jiān)控中心，報警信息實時發(fā)送到相關人員的手機，實現(xiàn)了無軌道電路區(qū)段鋼軌的全天候自動檢測。為工務各級管理提供及時有效的監(jiān)控、決策、指揮、評價及信息共享等現(xiàn)代化管理手段，切實提升工務安全管理水平，保障鐵路運行安全。

2 系統(tǒng)原理及設計思路

初期對斷軌監(jiān)測的實現(xiàn)方法、技術方案、安裝方案等進行了深入研究，提出了3種設計方案。經(jīng)過對無軌道電路區(qū)段的現(xiàn)場調(diào)研，及對國內(nèi)外斷軌監(jiān)測手段的分析，根據(jù)大西客專的情況，通過比選，最終選定超聲波斷軌檢測方案，該方案可以在不影響原有電子設備的情況下進行斷軌監(jiān)測。需要在鋼軌上安裝若干個超聲波傳感器，將檢測區(qū)段分成若干個小區(qū)段，小區(qū)段長度不超過1 km。通過分析接收到的超聲波信號強弱來判斷鋼軌是否斷裂，并利用GPRS/SMS遠程傳輸至工務段監(jiān)控中心，報警信息實時發(fā)送到相關人員的手機，實現(xiàn)了無軌道電路區(qū)段鋼軌的全天候自動檢測。

系統(tǒng)由多個超聲波發(fā)射主機和超聲波接收主機組成，發(fā)射與接收間隔將該區(qū)間分成多個檢測區(qū)段。超聲波接收主機收到的發(fā)射主機定時發(fā)出的超聲波，經(jīng)過分析處理后將正常檢測數(shù)據(jù)或報警數(shù)據(jù)通過GPRS/SMS無線方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心軟件平臺。發(fā)射主機與接收主機的安裝間隔由檢測精度要求決定。

3 系統(tǒng)設計

3.1 設備可靠性設計

在安裝超聲波傳感器時，采取一發(fā)兩收、一收兩發(fā)的方式，這樣就保證了任何一個發(fā)送傳感器耦合到鋼軌中的超聲波信號都會被兩個接收傳感器接收，同樣道理，任何一個接收傳感器都會接收到兩個發(fā)送傳感器耦合到鋼軌的超聲波信號；在相鄰兩個檢測區(qū)段同時出現(xiàn)斷軌的可能性極低的情況下：可以認為如果相鄰的兩個接收傳感器都沒有接收到超聲波信號，那一定是發(fā)射傳感器出現(xiàn)故障；而如果一個接收傳感器正常接收，另一個接收傳感器接收不到任何超聲波信號，就可以斷定發(fā)送傳感器正常工作，在通過是否可以接收到相鄰區(qū)段發(fā)送的超聲波信號來最終確定該檢測區(qū)段是否斷軌。通過這種單機故障自診斷方式可以大大提高系統(tǒng)的安全和可靠性,防止設備自身故障對檢測結果的誤判。

3.2 硬件設計

本系統(tǒng)硬件主要包括：超聲波發(fā)射單元、接收單元、太陽能供電單元。

1)超聲波發(fā)射單元。由高頻振蕩電路、發(fā)送單元、驅動模塊與發(fā)射探頭等組成。按照設定好的時間間隔，定時往鋼軌上發(fā)射固定頻率的信號，見圖1。

2)超聲波接收單元。由高性能DSP處理器、信號調(diào)理電路、接收探頭及GPRS無線傳輸模塊等組成。接收單元先將接收的信號放大處理，再經(jīng)信號調(diào)理電路送入DSP處理器,根據(jù)信號的特征，經(jīng)過數(shù)字處理，可以準確判斷出鋼軌的狀態(tài)，最后將處理結果通過GPRS無線方式傳輸?shù)娇蛻艚K端，見圖2。

3)太陽能供電單元。由太陽能電池板、控制器、蓄電池構成，負責給超聲波發(fā)射單元與超聲波接收單元提供電源，蓄電池的充放電操作采用專用的控制器控制，延長了電池的使用壽命。

3.3 軟件研制

1)服務器軟件。服務器軟件負責接收監(jiān)測主機的數(shù)據(jù)、參數(shù)設置等功能，并為各個客戶端提供數(shù)據(jù)。服務器軟件可以遠程升級各個監(jiān)控主機軟件，并支持斷點續(xù)傳。服務器軟件支持B/S客戶端和C/S客戶端，根據(jù)需求彈性增加的服務冗余、文件傳輸、地圖服務等功能，課題組合理劃分程序結構，重新開發(fā)了新的軟件框架，服務器軟件采用“軟總線”模式，可以依據(jù)需求掛載不同的服務模塊，實現(xiàn)不同的功能。

2)客戶端軟件。用戶軟件采用B/S模式設計。通過GIS地圖直觀顯示斷軌監(jiān)測段，及超聲波探頭所在位置?？蛻舳塑浖崟r接收硬件設備發(fā)回的數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生報警，地圖界面對應區(qū)段變紅，并伴有聲音提示，同時，報警提示框彈出報警信息?？蛻舳塑浖?shù)據(jù)報表包括：基礎數(shù)據(jù)，報警記錄查詢，設備狀態(tài)查詢來展示終端設備信息以及報警、設備狀態(tài)信息。報警信息推送：客戶端軟件將斷軌報警信息及斷軌恢復信息實時推送到相關人員手機。

3.4 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)由多個超聲波發(fā)射主機和超聲波接收主機組成，發(fā)射與接收間隔將該區(qū)間分成多個檢測區(qū)段。超聲波接收主機收到的發(fā)射主機定時發(fā)出的超聲波，經(jīng)過分析處理后將正常檢測數(shù)據(jù)或報警數(shù)據(jù)通過GPRS/SMS無線方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心軟件平臺。發(fā)射主機與接收主機的安裝間隔由檢測精度要求決定。間距越小，則斷軌定位的范圍越小，定位越準確，見圖3。

4 應用情況

超聲波斷軌檢測系統(tǒng)自2015年12月份開始在大西高鐵(K241+900～K251+300)安裝試用。通過既有地面接收裝置實時接收斷軌監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過近2年的使用，監(jiān)測數(shù)據(jù)及報警信息發(fā)送及時、準確，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。為工務部門及時掌握管內(nèi)設備狀態(tài)，消除安全隱患提供了科學依據(jù)。

5 結語

1)系統(tǒng)采用一發(fā)兩收、一收兩發(fā)的檢測方法，既能提高斷軌監(jiān)測的可靠性，又能對監(jiān)測探頭進行故障診斷。

2)系統(tǒng)可長時間無人值守，大大提高工務設備檢查效率，可減少巡道用工數(shù)量，降低巡道工的勞動強度，大大降低勞動力成本。報警速度快、實時轉發(fā)報警短信到相關人員手機，提高了工務對這類突發(fā)事件響應速度，有效避免因斷軌可能引發(fā)的事故。

3)超聲波斷軌檢測系統(tǒng)采用超聲波通信方式實時采集鋼軌狀態(tài)，并利用GSM/GPRS遠程傳輸至工務段監(jiān)控中心，系統(tǒng)既可以采用太陽能供電又可以用AC220V供電，以無人值守的方式實時對軌道進行檢測，將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并儲存、定期通過無線裝置發(fā)送到遠程服務器上。如果分析發(fā)現(xiàn)斷軌將立即通過短信向事先指定的號碼發(fā)送報警短信，將斷軌地點、時間通知相關人員，并將斷軌數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器上，以便于維護人員能及時準確的定位故障現(xiàn)場，快速處理斷軌故障，為工務各級管理提供了現(xiàn)代化管理手段，切實提升工務安全管理水平，保障鐵路運行安全。