道岔監(jiān)測系統(tǒng)在城市軌道交通安全監(jiān)測中的應(yīng)用

胡怡東 蔣忠輝

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營事業(yè)總部，廣州510000；2.四川西南交大鐵路發(fā)展股份有限公司，成都610031）

我國主要城市的軌道交通運(yùn)營線網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，運(yùn)營里程日益增加，列車速度等級越來越高，發(fā)車頻次越來越密，列車最小追蹤時間間隔越來越短，高峰期客流量越來越大，因而城市軌道交通運(yùn)營的維護(hù)壓力不斷提高，對列車的安全運(yùn)行保障能力、軌道設(shè)備的檢修效率及維護(hù)成本均提出了更高要求。

道岔作為軌道設(shè)備的重要組成單元，其服役狀態(tài)決定了列車過岔的安全性［1］。尖軌、心軌是實(shí)現(xiàn)列車轉(zhuǎn)轍的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)存在斷面變化大、邊界條件復(fù)雜、使用壽命短等特點(diǎn)［2］，這些軌件一旦出現(xiàn)傷損而不能及時地被發(fā)現(xiàn)和排除，將嚴(yán)重影響軌道交通的運(yùn)營安全，甚至引發(fā)安全事故。目前，我國鋼軌傷損檢測的相關(guān)設(shè)備主要有大型探傷車和小型探傷儀。大型探傷車在通過道岔時，為了保護(hù)探頭不受損壞，要求抬升探頭架，故無法對道岔區(qū)域鋼軌實(shí)施檢測；而小型探傷儀雖然在傷損檢出率方面有所改善，但是存在作業(yè)效率低、人力投入量大等缺點(diǎn)。隨著城市軌道交通運(yùn)營速度提升、車流密度增大、線路服役時間延長，道岔出現(xiàn)傷損的現(xiàn)象日趨嚴(yán)峻，而現(xiàn)有的大多數(shù)探傷技術(shù)無法保障道岔全天候運(yùn)行安全，因此，迫切需要一種能夠補(bǔ)充現(xiàn)有道岔鋼軌探傷工藝的不足、可以對道岔鋼軌進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的新技術(shù)。

隨著電子信息、終端傳感、信號處理等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，能夠?qū)崟r監(jiān)測道岔鋼軌安全的技術(shù)系統(tǒng)越來越受到軌道交通運(yùn)營維護(hù)部門的重視［3］。廣州地鐵軌道維護(hù)部門結(jié)合線網(wǎng)軌道特點(diǎn)和道岔病害情況，合作研發(fā)的道岔監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鋼軌傷損報(bào)警、健康狀態(tài)預(yù)警功能，全天候?qū)崟r監(jiān)測道岔鋼軌安全狀態(tài)。

1 道岔監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)和原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

道岔監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)見圖1，監(jiān)測信息通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳到設(shè)置在軌道運(yùn)維部門、車站等的用戶終端。

圖1 道岔監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)原理

隨著現(xiàn)代信號處理技術(shù)進(jìn)步和傳感器技術(shù)成熟，基于聲發(fā)射技術(shù)及非線性超聲的監(jiān)測系統(tǒng)逐漸應(yīng)用到軌道交通行業(yè)［4-5］。

1.2.1 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射是指材料在外力或者內(nèi)力的作用下，局部能量源快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，材料的斷裂和塑性變形是主要的聲發(fā)射源，同時材料的摩擦、腐蝕、變相等也會出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象［6］。通常，聲發(fā)射源所產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波可以從材料內(nèi)部傳導(dǎo)至表面，引起材料表面質(zhì)點(diǎn)的位移變化，壓電傳感器可以將這種位移變化轉(zhuǎn)化為電信號，在頻域中，聲發(fā)射信號的傳遞過程可以表示為

式中：HAE為聲發(fā)射信號的傳遞函數(shù)；Ho為聲發(fā)射源的傳遞函數(shù)；Hr為鋼軌的傳遞函數(shù)；Hs為傳感器的傳遞函數(shù)；He為放大器的傳遞函數(shù)［7］。

式（1）表明，壓電傳感器采集的聲發(fā)射信號是由聲發(fā)射源、傳播介質(zhì)、傳感器及放大器共同作用的結(jié)果。聲發(fā)射技術(shù)的本質(zhì)是從聲發(fā)射信號中獲得傷損信息，并建立映射關(guān)系來檢測鋼軌的傷損狀態(tài)?？梢酝ㄟ^參數(shù)分析、波形分析、模式識別等方法分析聲發(fā)射信號獲得材料的傷損狀態(tài)信息，從而掌握裂紋擴(kuò)展的信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋼軌無損檢測的目的。聲發(fā)射技術(shù)是一種被動式檢測方法，具有靈敏度高、不受傳導(dǎo)介質(zhì)幾何形狀限制等優(yōu)點(diǎn)。理論上聲發(fā)射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)道岔全生命周期的傷損檢測，但是在裂紋擴(kuò)展的初期，聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)的頻次較低，聲發(fā)射源的幅值較小，傳感器無法采集到有效的聲發(fā)射信號，因此該技術(shù)只適用于裂紋擴(kuò)展的末期。非線性超聲技術(shù)具有對微裂紋、微缺陷敏感之類的優(yōu)點(diǎn)，可以作為一種有效的補(bǔ)充手段。

1.2.2 非線性超聲波

傳統(tǒng)的線性超聲波檢測技術(shù)是基于超聲波在傳播過程中遇到缺陷時的反射、散射等線性特征進(jìn)行傷損檢測的，與聲發(fā)射技術(shù)類似，往往只對鋼軌中的大裂紋具有較強(qiáng)的檢測能力。非線性超聲檢測技術(shù)主要是觀測材料的非線性聲學(xué)響應(yīng)，例如高次諧波的產(chǎn)生、波束混疊、非線性共振頻率漂移等，其判斷依據(jù)是采集信號在頻率上的改變［8］。一般情況下，鋼軌介質(zhì)中非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為

式中：σ為應(yīng)力；E為楊氏模量；ε為應(yīng)變；β為二階非線性系數(shù)。

當(dāng)應(yīng)變很小時，鋼軌介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)在x方向上的運(yùn)動方程為

式中：ρ為鋼軌密度；u為x方向的位移；t為傳播時間；x為超聲波的傳播距離。

設(shè)一列沿x軸方向傳播的縱波進(jìn)入鋼軌介質(zhì)中，結(jié)合式（2），可以得到該縱波的波動方程為

式中：c為鋼軌中波速；δ為三階非線性系數(shù)；H(ε，˙)為滯回效應(yīng)引起的非線性項(xiàng)，即

式中：α為滯回系；˙為應(yīng)變對時間的微分。

由式（4）可知，超聲非線性主要來自鋼軌晶格、位錯等非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。在鋼軌塑性變形過程中，通常由晶格導(dǎo)致的非線性變化并不明顯，其變化主要來自于位錯［9］。因此，激勵信號為單頻正弦波時，則

式中：A1為幅值；ω為角速度。

忽略聲衰減的影響時，將式（6）代入式（3）和式（4）中得到激勵信號在鋼軌介質(zhì)中傳播的表達(dá)式，即

式中：k為波數(shù)。

二次諧波幅值A(chǔ)2可以表示為

由式（8）可知，非線性響應(yīng)的二次諧波幅值A(chǔ)2與二階非線性系數(shù)β有關(guān)，即

通過非線性系數(shù)β可以評價并預(yù)測材料中的傷損和微缺陷。

1.3 系統(tǒng)功能

既有探傷設(shè)備不能很好地監(jiān)測鋼軌Ⅰ區(qū)側(cè)面、Ⅲ區(qū)及軌頭截面寬度＜50 mm的區(qū)域，道岔監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對這些探傷盲區(qū)的監(jiān)測。該系統(tǒng)在線監(jiān)測螺孔貫穿裂紋、軌頭下顎水平裂紋、軌腰水平裂紋、軌頭裂紋掉塊、軌底裂紋掉塊等傷損類型，并根據(jù)傷損情況進(jìn)行分級報(bào)警。系統(tǒng)還具備鋼軌健康狀態(tài)預(yù)警功能，當(dāng)鋼軌狀態(tài)發(fā)生改變時發(fā)出健康狀態(tài)預(yù)警。健康狀態(tài)代表鋼軌處于整個生命周期某個階段的服役狀態(tài)，鋼軌斷裂、掉塊、側(cè)磨，可動部件涂抹潤滑油、安裝加強(qiáng)栓、調(diào)節(jié)尖基差、換軌等大幅度維修均會影響鋼軌的服役狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生上述某個大幅度維修動作后，數(shù)據(jù)會出現(xiàn)明顯異常，通過大量歷史數(shù)據(jù)積累、分析和統(tǒng)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)對鋼軌健康狀態(tài)的預(yù)警。另外，監(jiān)測設(shè)備和傳感器還具備自檢功能，當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常時能夠快速進(jìn)行狀態(tài)復(fù)位，并通報(bào)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2 道岔監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

為了驗(yàn)證道岔監(jiān)測系統(tǒng)在城市軌道交通安全監(jiān)測中的作用和應(yīng)用前景，首先在廣州地鐵魚珠車輛段對該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，其次在廣州地鐵五號線進(jìn)行了長時間的試掛運(yùn)行，最后在廣州地鐵十四號線進(jìn)行了小規(guī)模的正式工程應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)的測試及試用情況

2.1.1 現(xiàn)場測試

2015年11月廣州地鐵運(yùn)維部門組織相關(guān)人員在魚珠車輛段試車線對該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。此次測試在直線電機(jī)驅(qū)動列車經(jīng)過時的特殊電磁干擾環(huán)境下，利用液壓機(jī)對鋼軌進(jìn)行裂紋、折斷試驗(yàn)，以此來驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性。

現(xiàn)場試驗(yàn)通過液壓機(jī)逐級向鋼軌試件施加壓力，每次鋼軌出現(xiàn)裂紋擴(kuò)張，客戶端均及時、準(zhǔn)確地發(fā)出傷損類報(bào)警；液壓機(jī)繼續(xù)向鋼軌試件施加壓力，直到斷軌，系統(tǒng)可以監(jiān)測到鋼軌斷裂，客戶端準(zhǔn)確地發(fā)出了傷損類報(bào)警。試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下功能正常，能夠切實(shí)反映鋼軌的傷損狀態(tài)。

2.1.2 試用情況

2015年8月20日凌晨，廣州地鐵五號線文沖站2415#道岔曲尖軌S1傳感器發(fā)出報(bào)警信號，結(jié)合數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)場工作人員確認(rèn)，本次報(bào)警是由于曲尖軌在天窗點(diǎn)進(jìn)行打磨作業(yè)造成的，鋼軌打磨屬于人為的修復(fù)性損傷，說明該系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測鋼軌傷損。2016年9月在試用目標(biāo)道岔曲尖軌S1傳感器發(fā)出傷損報(bào)警信號，結(jié)合數(shù)據(jù)分析以及軌道維護(hù)人員現(xiàn)場檢查確認(rèn)：S1傳感器所在尖軌發(fā)生掉塊傷損。本次報(bào)警驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以有效監(jiān)測到道岔鋼軌傷損。

在長時間的試掛運(yùn)行后，相關(guān)人員驗(yàn)收現(xiàn)場設(shè)備時發(fā)現(xiàn)，安裝在道岔鋼軌上的傳感器及其安裝裝置性能可靠、安全穩(wěn)固，沒有發(fā)生任何松脫、折斷等問題，各傳感器及安裝在軌道旁的監(jiān)測分機(jī)、監(jiān)測主機(jī)等設(shè)備在運(yùn)行過程中沒有對鐵路既有設(shè)施造成不利影響。另外，監(jiān)測分機(jī)、監(jiān)測主機(jī)以及客戶端均未出現(xiàn)死機(jī)、工作不穩(wěn)定等異常情況。說明該系統(tǒng)具備足夠的安全性、穩(wěn)定性及抗干擾能力，適用于地鐵運(yùn)營工況。

2.2 系統(tǒng)正式應(yīng)用情況

為了進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，優(yōu)化系統(tǒng)功能，于2019年8月在廣州地鐵十四號線嘉禾望崗站W(wǎng)11118和W11120道岔正式應(yīng)用監(jiān)測系統(tǒng)。圖2為監(jiān)測系統(tǒng)在道岔上的傳感器布置示意，監(jiān)測區(qū)域覆蓋直尖軌、曲尖軌、導(dǎo)曲軌、岔區(qū)部分基本軌及心軌，每組道岔分別安裝了12只傳感器。

圖2 嘉禾望崗站監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置

圖3為W11118道岔和W11120道岔各傳感器采集的數(shù)據(jù)分布情況，可知：各傳感器采集的文件數(shù)量幾乎在同一水平。該結(jié)果表明，各傳感器數(shù)據(jù)采集正常，未出現(xiàn)傳感器故障等現(xiàn)象。

圖3 傳感器采集的數(shù)據(jù)分布情況

圖4為傳感器采集信號的時域圖和頻譜圖。從時域圖可知：該信號中未出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展引起的聲發(fā)射信號。從頻譜圖可知：采集信號中未出現(xiàn)明顯的非線性現(xiàn)象。該結(jié)果表明傳感器采集信號為正常的過車信號。

圖4 正常過車信號

圖5為W11118道岔各傳感器監(jiān)測鋼軌傷損類情況和健康類情況。從圖5可以看出：所有傳感器均未出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象，只是部分傳感器在某些時間段出現(xiàn)健康指標(biāo)變化的現(xiàn)象，但是變化量較小，說明其健康狀態(tài)未發(fā)生本質(zhì)上的變化，不影響行車安全，這表明W11118道岔鋼軌服役情況良好。現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明W11120道岔表現(xiàn)出與W11118道岔相同的規(guī)律。

圖5 W11118道岔鋼軌監(jiān)測結(jié)果

在應(yīng)用過程中，通過比對實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工巡檢結(jié)果及鋼軌探傷作業(yè)結(jié)果，均未發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測的道岔出現(xiàn)裂紋、軌面掉塊、斷軌等異常情況，說明道岔監(jiān)測系統(tǒng)可以真實(shí)反映道岔鋼軌傷損情況及健康狀態(tài)。

2.3 廣州地鐵對道岔監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用成果

1）道岔監(jiān)測系統(tǒng)傷損監(jiān)測功能可以實(shí)現(xiàn)對道岔鋼軌的24 h實(shí)時監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)道岔鋼軌傷損。同時比人工巡檢更加準(zhǔn)確，可以作為目前現(xiàn)有鋼軌傷損檢測手段的有益補(bǔ)充，有效提高道岔傷損檢測效率，逐步降低各類探傷檢修設(shè)備及人員的投入。

2）道岔監(jiān)測系統(tǒng)健康類監(jiān)測功能可以實(shí)現(xiàn)道岔軌件傷損事后發(fā)現(xiàn)向事前預(yù)警的轉(zhuǎn)變，實(shí)時掌握道岔的健康狀態(tài)可大幅降低因軌件傷損而引發(fā)列車事故的風(fēng)險(xiǎn)性。

3）道岔監(jiān)測系統(tǒng)可以使用專用網(wǎng)絡(luò)接口接入地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)道岔監(jiān)測系統(tǒng)與地鐵既有監(jiān)控系統(tǒng)的無縫銜接和交互。

3 應(yīng)用前景

未來在應(yīng)用過程中，還可適當(dāng)拉長道岔探傷周期、降低頻次，從而降低道岔維護(hù)成本。隨著功能不斷改進(jìn)和完善，該系統(tǒng)的應(yīng)用價值將不斷顯現(xiàn)。

另外，還可從以下幾方面繼續(xù)展開深化研究：

1）在提高道岔鋼軌傷損報(bào)警功能的準(zhǔn)確率和泛化能力的同時，逐步實(shí)現(xiàn)傷損定性監(jiān)測向定量監(jiān)測轉(zhuǎn)變。道岔監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)24 h在線監(jiān)測，在監(jiān)測鋼軌傷損狀態(tài)的同時，不斷積累道岔設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且每天以數(shù)萬條的速度增加?？梢曰诖髷?shù)據(jù)分析技術(shù)從海量數(shù)據(jù)中挖掘傷損信號與傷損程度的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)傷損定量監(jiān)測，提高監(jiān)測準(zhǔn)確率。

2）研究并推出傷損定位功能，從海量數(shù)據(jù)中挖掘出傷損信號與傷損位置的映射關(guān)系，提高傷損監(jiān)測和道岔檢修的針對性，降低道岔維護(hù)成本。

3）深化完善道岔鋼軌健康預(yù)警功能，實(shí)現(xiàn)道岔傷損事前預(yù)警，幫助維護(hù)部門制定有針對性的檢修計(jì)劃。道岔在服役過程中的健康狀態(tài)是漸變的，由開始的健康狀態(tài)到最終的傷損狀態(tài)，是持續(xù)的量變疊加過程。通過健康預(yù)警可以實(shí)時掌握道岔的健康狀態(tài)，出現(xiàn)異常時提示維護(hù)部門重點(diǎn)關(guān)注，有助于提高道岔檢修的針對性，降低道岔檢修成本。

4 結(jié)語

通過研究某道岔監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)、原理和功能，以及在廣州地鐵進(jìn)行長時間的測試和試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在地鐵線路復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境下，具備足夠的安全性、穩(wěn)定性及抗干擾能力，可以真實(shí)反映鋼軌傷損情況及健康狀態(tài)，從而能夠切實(shí)提高地鐵道岔的安全保障水平。隨著該系統(tǒng)的應(yīng)用價值逐漸受到重視和認(rèn)可，以及技術(shù)層面不斷突破，該系統(tǒng)有望在城市軌道交通運(yùn)營安全監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。