一種智慧型無砟軌道在線監(jiān)測方法及應用研究

趙晨暉,李再幃,路宏遙,何越磊

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,上海 201620)

引言

近年來，無砟軌道結構作為高速鐵路主要基礎結構形式在我國得到了廣泛的應用；其中，縱連式無砟軌道結構類型已累計鋪設超過1萬km。隨著基礎結構服役時間的增加，服役性能劣化現(xiàn)象凸顯，養(yǎng)護維修工作量日益增加，與維修“天窗”時間減少矛盾日益突出。因此，為了提升維修作業(yè)效率，保證基礎設施服役性能，對影響無砟軌道結構服役性能的關鍵參數(shù)進行在線監(jiān)測具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。

針對軌道結構服役性能問題，國內外學者展開了大量研究，取得了豐富的研究成果。如文獻[1-2]開發(fā)了軌道狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，對軌道線路運行狀態(tài)的動態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測并實時評估軌道結構狀態(tài)。文獻[3]通過在無砟軌道內部預埋溫度傳感器，采用離線處理的方式對樣本數(shù)據(jù)進行時域統(tǒng)計分析。文獻[4]研發(fā)了高架站無砟軌道道岔監(jiān)測數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用后臺服務器負責數(shù)據(jù)收集、處理、存儲和備份，實現(xiàn)鐵路基礎設施全天候的在線自動監(jiān)測。文獻[5-6]利用光纖光柵傳感技術建立高鐵無砟軌道系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測平臺，并結合軌道質量指數(shù)，分別建立了無砟軌道狀態(tài)BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型和結構疲勞預測模型。文獻[7-9]采用新的監(jiān)測方法，將傳感器讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送到經(jīng)過的列車上，再將這些列車作為“數(shù)據(jù)騾子”，將信息上傳到遠程服務器，對板式軌道的軌道振動和位移進行實時監(jiān)測。文獻[10-11]利用傳熱學原理及有限元仿真等方法建立氣象資料、線路方位、地形地貌等信息與無砟軌道溫度場之間的映射關系，開發(fā)了無砟軌道溫度監(jiān)測與預警系統(tǒng)，進而確定溫度場的分布特征。文獻[12-14]采用光纖光柵技術監(jiān)測軌道受力和小變形，采用視頻感知技術監(jiān)測軌道敏感部位大變形。文獻[15-17]構建了高速鐵路橋上無縫線路遠程監(jiān)測系統(tǒng)，對軌溫、氣溫、軌道板溫度及鋼軌溫度力的長期測試數(shù)據(jù)進行分析。這些工作深化了對軌道結構服役性能的認識，有效地提升了線路養(yǎng)修水平。但同樣值得思考的是，現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)在移動端監(jiān)測與預警方面尚存在進一步研究的空間，且對縱連式無砟軌道結構寬窄接縫等變形敏感部位研究較少。

基于此，通過在縱連式無砟軌道結構相關部位中布設溫度及位移傳感器，采用太陽能作為能源供電，利用數(shù)據(jù)庫和微信小程序相結合的模式，以阿里云服務器為中介，進行無砟軌道服役性能關鍵參數(shù)的在線傳輸與管理。

1 服役性能劣化特征

為了有效地掌握縱連式無砟軌道在役服役特征，對某高鐵350 km/h線路軌道狀態(tài)進行了調研分析，線路全長160 km，于2010年建成通車，軌道服役狀態(tài)劣化表征結果如圖1所示。

圖1 病害類型分布

由圖1可知，縱連式無砟軌道結構病害主要特征表現(xiàn)為軌道板與CA砂漿層間離縫、寬窄接縫破損、軌道板破損和支承層(底座板)壓潰等；病害的等級分類依據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》[18]進行確定。其中，砂漿層離縫及板間接縫傷損病害類型較為嚴重，特別是高溫季節(jié)的層間離縫病害尤為突出。

產生此類現(xiàn)象的主要原因是軌道結構采用層狀板式結構設計理念，軌道板采用縱連方式連接，但由于各層材料參量差異性較大，在高溫條件下構造物內部溫度逐步累積，引起本身的變形難于控制，導致層間變形協(xié)調機制不良，層間病害頻發(fā)。而較大的層間變形直接的外在表現(xiàn)為板端位移變大，進而引起軌道幾何形位的變化，特別是高低不平順幅值，有明顯的表征，進而影響高速列車運營品質。此外，統(tǒng)計結果還表明，軌道結構破損的病害較小，只有局部破損，說明，結構物整體的設計強度可以完全滿足高速鐵路運營的要求。

因此，現(xiàn)場結構病害的調研結果表明：無砟軌道結構內部溫度和層間結構變形是影響結構服役性能的主要影響因素和物理特征參量。只有掌握了這兩類特征參量的狀態(tài)演化規(guī)律，才能有效地掌握無砟軌道結構的在役服役狀態(tài)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)建立

2.1 系統(tǒng)構成

為了及時有效地實現(xiàn)無砟軌道結構服役性能參數(shù)有效量測，本研究采用在結構物內部布設溫度傳感器、層間布設位移傳感器的方式進行監(jiān)測，系統(tǒng)采用自主研發(fā)的溫度及位移智能化數(shù)據(jù)采集平臺。系統(tǒng)整體結構主要由太陽能供電及管理系統(tǒng)、氣象參數(shù)采樣節(jié)點、溫度采樣節(jié)點、變形采樣節(jié)點與底層主控采集及發(fā)送系統(tǒng)構成。系統(tǒng)價格低廉，約為人民幣3萬元/套，具有完整的知識產權，可進行線路全線間隔敷設，且設備適用的環(huán)境溫度為-40～60 ℃，其現(xiàn)場測試表面具有較好地抵抗高電磁干擾的特點。系統(tǒng)能源采用太陽能，其通過光伏MPPT一體機將能量回收并存儲到鋰電池組內，并供給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)一方面通過485總線采集、存儲和發(fā)送各個溫度節(jié)點的數(shù)據(jù)，另一方面管理整個系統(tǒng)的供電，確保溫度場監(jiān)測系統(tǒng)的長時間在線監(jiān)測。此外，為了高效地分析和管理數(shù)據(jù)，利用DTU數(shù)據(jù)模塊和阿里云服務器，開發(fā)了Oracle無砟軌道監(jiān)測實時數(shù)據(jù)庫，并建立相應的數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)。整體結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)結構

2.2 傳感器的選擇及布設

目前，對于無砟軌道結構溫度與變形監(jiān)測的傳感器選型，尚無統(tǒng)一的適用標準，往往根據(jù)實際測試的方案與工程造價進行確定。

在本研究中，定位于提供一種低造價成本的長期監(jiān)測方案，因此，沒有采用較為廣泛使用的光纖光柵傳感器，而采用了性能較為穩(wěn)定可靠、功耗低且價格較低的電阻式位移計和接觸式溫度傳感器，輔以自行開發(fā)的數(shù)據(jù)采集主控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。

對于測量軌道板結構位移的電阻式位移計而言，其需適用于長期測量混凝土或高分子材料構造物層間的位移情況，并具有溫度自動補償功能，經(jīng)試驗溫度修正系數(shù)甚小，使用中不需要溫度修正，測量精度較高。傳感器通過專門開發(fā)的支架結構，固定于需要測量的層間部件處。如圖3所示。

圖3 位移傳感器布設

對于無砟軌道內部布設的接觸式PT溫度傳感器而言，需測溫元件與軌道板要有良好的熱接觸，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡，這時的示值即為被測位置的溫度。為了增加接觸面積以及0.01 ℃的精度控制，溫度傳感器選擇PT100型扁平狀傳感器，通過提前灌注的方案將所需采集的垂向50、100、150 mm以及200 mm溫度場分布點固定住，并利用現(xiàn)場施工鉆孔的方法，有效地實現(xiàn)了溫度節(jié)點的安裝，如圖4、圖5所示。

圖4 監(jiān)測溫度測點分布

圖5 現(xiàn)場軌道板溫度測點

2.3 數(shù)據(jù)的傳輸及顯示

在獲取無砟軌道服役性能關鍵參數(shù)的基礎上，通過獨立開發(fā)的主控系統(tǒng)，一方面將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲于SD卡中；另一方面，利用主控系統(tǒng)的DTU模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云服務器進行數(shù)據(jù)交換，最后，利用本地的Oracle數(shù)據(jù)庫對測試進行本地化、智能化處理分析，并將相關的結果反饋至云端數(shù)據(jù)庫進行動態(tài)數(shù)據(jù)庫管理。此外，為了方便工務人員的管理和使用，同步開發(fā)了生成報表系統(tǒng)與預警系統(tǒng)。模塊的功能構架如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)功能

3 測試結果分析

將上述無砟軌道結構服役性能參數(shù)在線監(jiān)測方案應用于華東地區(qū)某350 km/h縱連式無砟軌道中，基礎結構形式為橋梁結構，測試時間為2018年5月至2019年5月。位移傳感器安裝位置為板中、板端離縫與板間接縫，由于分別在上下行方向均安裝了設備，因此，為了區(qū)分虹橋為上線方向，杭州為下行方向；溫度傳感器測點分別為深度0、50、100、150、200 mm處；同時，為了說明環(huán)境參量對無砟軌道結構服役狀態(tài)的影響，這里也在現(xiàn)場布設了環(huán)境氣象站，同步進行數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析。

3.1 溫度數(shù)據(jù)

由于監(jiān)測的時間較長，為了更為有效地研究監(jiān)測數(shù)據(jù)所蘊含的服役狀態(tài)演化規(guī)律，本研究選取全年溫度最高的8月和溫度最低的1月數(shù)據(jù)進行分析。此外，溫度梯度是軌道結構設計中的重要參量，因此，這里參考文獻[19]給出了相應的板頂(0 mm處測點)至板底(200 mm處測點)的溫度梯度。結果如圖7～圖10所示。

圖7 夏季溫度變化

圖8 夏季溫度梯度

圖9 冬季溫度變化

圖10 冬季溫度梯度變化

由圖7和圖8可知，軌道板溫度呈現(xiàn)較為顯著的周期變化，與氣溫的變化規(guī)律一致，板表溫度較氣溫約高20 ℃；軌道板內部溫度隨深度的增加而逐漸降低，呈現(xiàn)了溫度變化的滯后性，深度越大，滯后性越顯著。軌道板內部溫度梯度一直處于較高的水平，極端情況下超過了設計值的90 ℃/m，說明縱連式軌道板內部一直存在較大的縱向溫度作用力，這無疑對整個結構的變形協(xié)調能力提出了更高的要求。因此，在夏季高溫期，線路養(yǎng)護部門對軌道板內部溫度場的變化需要密切關注，以期高效地維護線路在役服役狀態(tài)。

由圖8和圖9可知，在冬季，軌道板溫度與氣溫變化規(guī)律同樣一致，呈現(xiàn)了周期性變化，但板溫的滯后性較弱，溫度梯度也符合設計標準的要求，說明冬季的縱連式軌道板內部溫度力處于低位水平。

對比夏季和冬季的監(jiān)測結果可知，對高速鐵路縱連式軌道板而言，夏季的工作重點應為掌握軌道板溫度場的變化，以便科學合理地安排應急性維修即狀態(tài)維修為主。而在冬季的維修重點應為恢復軌道板設計性能為主，以便長期的保證軌道結構服役狀態(tài)即預防性維修為主。所以，要求線路養(yǎng)護部門根據(jù)季節(jié)性變化來合理安排維修工作的重點，以便更為合理有效地延長高速鐵路基礎設施在役服役的高性能和高狀態(tài)。

3.2 位移數(shù)據(jù)

縱連式無砟軌道結構縱向溫度力作用的外在表征為軌道板的結構變形，而以混凝土材料為主的無砟軌道結構，其結構變形協(xié)調能力較弱，因此，為了進一步明確無砟軌道服役狀態(tài)變化規(guī)律，這里同樣給出了與溫度對應的軌道板結構變形監(jiān)測結果，如圖11、圖12所示。

圖11 夏季橋梁位移變化曲線

圖12 冬季橋梁位移變化曲線

對比分析圖11和圖12可知，夏季高溫季節(jié)，縱連式無砟軌道位移與環(huán)境溫度關聯(lián)極高，呈現(xiàn)了同步周期性變化規(guī)律，變形的最大值為1.1 mm；而在冬季，軌道位移與環(huán)境溫度在較低溫情況下，呈現(xiàn)了比較明顯的滯后性，最大值為0.9 mm。構造物基本具有溫度越大，變形越明顯的特征。

對比軌道板不同部分的變形數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對板間的寬窄接縫整體而言變形較小，且冬季的變形量較夏季高溫期大，說明縱連式軌道板的“植筋”修復性作業(yè)措施[20]有效地抑制了板間的溫度應力釋放行為，減小了寬窄接縫的傷損，在一定程度上恢復無砟軌道整體的變形協(xié)調能力。但同樣值得關注的是，冬季變形量值較夏季大，說明結構內部的溫度力沒有得到根本性釋放，仍存在著巨大的溫度力。

對板端和層間的位移進行分析可知，夏季高溫期，板端和層間的變形基本一致，而在冬季則低溫期板間位移較大，板兩端位移變形相對較為一致。說明低溫期，特別要注意板中的層間離縫病害。

從實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)同樣可知，對于“植筋”作業(yè)其在夏季高溫期有效抑制了漲板病害，但在低溫期則需要進一步深入的研究。總之，對于縱連式無砟軌道結構服役狀態(tài)的修復性措施而言，需要對其服役狀態(tài)關鍵參數(shù)進行長期的監(jiān)測，以便為更科學合理地進行線路維修提供技術支撐。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息化管理

本研究基于阿里云平臺對上述監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了實時管理與報表生成，其中，系統(tǒng)報表的生成與輸出是自動化管理。典型結果如圖13所示。

圖13 某典型測點數(shù)據(jù)報表

4 結論

通過自主開發(fā)的智慧型溫度與位移自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)，對縱連式無砟軌道結構服役狀態(tài)關鍵參數(shù)進行管理，其具有數(shù)據(jù)自動化、信息化管理的特點，主要研究結論如下。

(1)采用太陽能作為能源供給、PT100型溫度傳感器、LVDT拉桿式位移傳感器以及阿里云數(shù)據(jù)管理庫的智慧型在線監(jiān)測方案是一種典型低成本、高性能且具有較好推廣應用價值的縱連式無砟軌道服役狀態(tài)管理方式。

(2)縱連式無砟軌道位移與環(huán)境溫度有較強的關聯(lián)性，即同步周期性變化規(guī)律，板端變形較板間大，在低溫期運維重點是板中的層間離縫病害。

(3)夏季線路維修應及時動態(tài)地確定軌道板溫度場狀態(tài)，且以天氣因素引起的應急性維修為主；冬季的維修重點應為恢復軌道板設計性能為主，以預防性維修為主?！爸步睢钡淖鳂I(yè)方式某種程度上恢復了縱連式無砟軌道的整體變形協(xié)調能力，但是，其作業(yè)效果的評價需要對軌道結構進行長期的在線監(jiān)測。