德國新型鋼軌超聲波探傷系統(tǒng)

隨著德國鐵路線路網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展，對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施（本文主要指鋼軌）的性能、可用性和安全性的要求日益提高，基礎(chǔ)設(shè)施檢測、維護(hù)的范圍和頻率也不可避免地隨之?dāng)U大和提高，然而檢測、維護(hù)天窗期卻不斷縮短。為簡化鋼軌維護(hù)措施并有針對性地加快其維護(hù)進(jìn)度，德國Vossloh 公司開發(fā)出新型便攜式鋼軌超聲波探傷系統(tǒng)SoniQ Rail Explore（以下簡稱“SRE 系統(tǒng)”），通過將其與該公司“智能維護(hù)系統(tǒng)”結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)根據(jù)鋼軌實(shí)際狀態(tài)采取高效維護(hù)措施的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)概述

鋼軌狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集是通過多種檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。超聲波檢測設(shè)備常用于檢測鋼軌內(nèi)部損傷、軌底腐蝕等。目前，Vossloh 公司與德國弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)與系統(tǒng)研究所（IKTS）合作開發(fā)出一種設(shè)計(jì)新穎、功能強(qiáng)大的超聲波鋼軌檢測系統(tǒng)——SRE 系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中A 為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）制成的便攜式手推車；B 為手推柄；C 為確保系統(tǒng)在道床上穩(wěn)固站立的支腳；D 為帶觸摸屏的加固型平板電腦；E 為高性能超聲波檢測輪，具備9 個(gè)供輪內(nèi)探頭使用的超聲波通道，以及1 個(gè)連接手持式探頭的超聲波通道；F 為PCUS pro?系列模塊化檢測電子設(shè)備和軟件；G 為用于將檢測輪精確定位在軌道上方的導(dǎo)向系統(tǒng)；H 為耗水量低的耦合水系統(tǒng)；I 為可支持所有可用位置信息識(shí)別并將其與超聲波檢測數(shù)據(jù)鏈接的跟蹤系統(tǒng)。

圖1 SRE 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)具有2 方面的優(yōu)點(diǎn)：①在數(shù)據(jù)分析和解釋方面可為用戶提供更高的準(zhǔn)確性和安全性；②可將檢測結(jié)果集成到Vossloh 公司的數(shù)字化流程鏈中。

該系統(tǒng)使用PCUS pro?系列的高性能、模塊化檢測電子設(shè)備和軟件，可以更高效地采集數(shù)據(jù)，并提供更多關(guān)于鋼軌內(nèi)部缺陷的信息；可以基于人工智能（AI）算法對反射器進(jìn)行預(yù)分類，并在評估過程中為檢測人員提供數(shù)據(jù)支持，以保證檢測人員能夠準(zhǔn)確無誤地評估每一個(gè)指標(biāo)，從而提高模式識(shí)別的準(zhǔn)確度；將檢測數(shù)據(jù)定期傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，用于持續(xù)提高狀態(tài)修的水平以及對維護(hù)措施進(jìn)行評估和改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)將檢測結(jié)果納入資產(chǎn)管理計(jì)劃的目標(biāo)，增加鋼軌磨損及使用壽命趨勢預(yù)測信息的價(jià)值，提高鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量和安全性。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)及功能

2.1 符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)SRE 系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)人員關(guān)注的焦點(diǎn)之一是其輕量性、易用性，以及在軌道上使用時(shí)的高度穩(wěn)定性。由CFRP 制成的手推車結(jié)構(gòu)緊湊，體量小，使用尺寸為870 mm×300 mm×930 mm，運(yùn)輸尺寸為1 100 mm×300 mm×580 mm，可輕松放入汽車后備箱中進(jìn)行運(yùn)輸（圖 2）；而且其總質(zhì)量不超過20 kg，機(jī)身非常窄，可確保在不平坦道床上行進(jìn)時(shí)的高度便攜性（可選配肩帶）。手推車兩端的支腳可在停放時(shí)鎖定到位，確保手推車穩(wěn)固站立并保護(hù)檢測設(shè)備。

圖2 SRE 系統(tǒng)放入汽車后備箱的實(shí)景

2.2 超聲波檢測及數(shù)據(jù)顯示

SRE 系統(tǒng)高性能超聲波檢測輪內(nèi)安裝的9 個(gè)探頭（分別位于鋼軌中央、鋼軌工作邊和鋼軌外邊緣處，與軌面縱向分別呈0°、±40°、±70°夾角）在不大于1 mm 的測試距離下，除了可以實(shí)時(shí)檢測肉眼可識(shí)別的鋼軌近表面損傷之外，還能夠根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)《鐵路應(yīng)用 -基礎(chǔ)設(shè)施-鋼軌無損檢測-第1 部分：超聲波檢測和評估原則要求》（DIN EN 16729-1-2016）檢測出軌頭、軌腰和軌底的體積誤差（圖3）。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)量達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對檢測結(jié)果進(jìn)行同步并以A 型圖（基于采集的超聲波信號所得到的波形圖像，根據(jù)波形形狀可看出被測物體內(nèi)是否有缺陷，以及缺陷的位置和尺寸）和B 型圖（由經(jīng)過輝度處理的多條并排檢測信息所組成的、可反映被測物體內(nèi)部斷層切面的二維“解剖圖像”）的形式呈現(xiàn)給用戶。檢測人員在分析數(shù)據(jù)時(shí)，可以對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，在基于振幅的體積視圖中查看這些數(shù)據(jù)，并可以自行設(shè)定閾值，以接收關(guān)于反射器及其動(dòng)態(tài)的更多信息（圖4）。如果數(shù)據(jù)積累足夠多且一致，則可利用AI 算法幫助用戶進(jìn)行模式識(shí)別。

圖3 高性能超聲波檢測輪探頭工作原理

圖4 在體積視圖中呈現(xiàn)的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)

通過裝配可選的設(shè)備組件，可將鋼軌表面圖像采集納入鋼軌超聲波手動(dòng)檢測范圍，并使之與超聲波數(shù)據(jù)同步，從而提高檢測數(shù)據(jù)的信息水平，使鋼軌狀態(tài)數(shù)據(jù)更加全面。

此外，SRE 系統(tǒng)還可連接傳統(tǒng)手持式探頭，并使用相同的軟件對焊縫或鍛造區(qū)域進(jìn)行檢測。

2.3 導(dǎo)向、定位功能和高度穩(wěn)定性

SRE 系統(tǒng)的導(dǎo)向系統(tǒng)（圖5）可確保超聲波檢測輪在檢測過程中始終位于鋼軌中心線上方，這一點(diǎn)是通過可調(diào)節(jié)的側(cè)導(dǎo)向輪（目的是使之與待測鋼軌輪廓匹配）及輕微傾斜的滾輪實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)向系統(tǒng)具有正向和反向操作2 種模式，可通過伺服電機(jī)使輕微傾斜的滾輪自動(dòng)對齊；此外，還可在識(shí)別出鋼軌檢測中斷后，自動(dòng)停止運(yùn)行。

圖5 導(dǎo)向系統(tǒng)工作示意圖

該系統(tǒng)可手動(dòng)輸入檢測位置信息，如線路/道岔描述、百米標(biāo)、里程標(biāo)等，并通過集成位移傳感器以及GPS 定位系統(tǒng)獲取位置信息，上述位置數(shù)據(jù)將與超聲波檢測數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。

為保證系統(tǒng)在軌道上使用時(shí)的高度穩(wěn)定性，手推車前后兩端各設(shè)置1 個(gè)支腳，可在停放時(shí)鎖定到位，確保手推車穩(wěn)固站立并保護(hù)檢測設(shè)備。

2.4 節(jié)水和節(jié)能功能

耦合水系統(tǒng)是SRE 系統(tǒng)的重要組成部分，其通過軟件控制的電磁閥可在檢測過程對供水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，這意味著在正常檢測條件下可以減少攜帶的水量。

SRE 系統(tǒng)所采用的智能電池管理系統(tǒng)可延長檢測持續(xù)時(shí)間。此外，該系統(tǒng)采用可更換和可充電的商用鋰離子電池，并配有汽車充電適配器，這使其攜帶和應(yīng)用更加方便。

2.5 顯示功能

SRE 系統(tǒng)裝配可拆卸的、帶有觸摸屏的加固型平板電腦，用于顯示采集的數(shù)據(jù)。其觸摸屏非常靈敏，即使帶著手套也能操作，并且支持日、夜間2 種模式的選擇，加上操作方便的亮度調(diào)節(jié)器，可在不同光照條件下使用。

此外，使用Microsoft 公司開發(fā)的混合現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器HoloLens，用戶可以在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的支持下，將SRE 系統(tǒng)采集的3D 鋼軌超聲波數(shù)據(jù)感知為全息斷層圖，這將有助于檢測人員對檢測結(jié)果進(jìn)行解釋和直觀評估。

2.6 對檢測數(shù)據(jù)的拓展應(yīng)用

鐵路線路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營企業(yè)面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)與日常運(yùn)營之間的沖突。通過整合資產(chǎn)管理系統(tǒng)，建立高效的決策機(jī)制，可以顯著簡化實(shí)時(shí)信息使用流程，提高運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。因此，除在檢測時(shí)采集鋼軌狀態(tài)數(shù)據(jù)之外，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高效合理的存儲(chǔ)也具有重要意義，其原因在于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可實(shí)現(xiàn)在軌道外安全環(huán)境中對數(shù)據(jù)的分析，以及在質(zhì)量控制時(shí)對相關(guān)歷史檢測數(shù)據(jù)的查詢和訪問。

SRE 系統(tǒng)利用長期演進(jìn)（LTE）/Wi-Fi 技 術(shù)、USB 或SD卡傳輸用于評估的檢測數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果將直接流入Vossloh 公司的數(shù)字化工作流程鏈（圖6）。此工作流程以云技術(shù)為依托，將檢查數(shù)據(jù)輸送到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過在資產(chǎn)管理程序以及客戶的企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）程序中實(shí)施數(shù)據(jù)集成，可實(shí)現(xiàn)與Vossloh 公司的MR.pro?程序或智能維護(hù)應(yīng)用程序mapl-e 的數(shù)據(jù)兼容。

圖6 從數(shù)據(jù)生成到維護(hù)措施的工作流程

3 結(jié)語

SRE 系統(tǒng)適用于在道岔、交叉口、平交道口和列車站（圖7）等鋼軌廓形各異的較短線路區(qū)段對鋼軌進(jìn)行精確定位和定期檢查，其優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)損傷軌道電路及其開關(guān)裝置，而且操作簡單方便，對檢測員的專業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)要求也不高。

圖7 SRE 系統(tǒng)在軌道線路上的應(yīng)用實(shí)景

在根據(jù)DIN EN 16729-1-2016 成功完成系統(tǒng)技術(shù)測試后，該系統(tǒng)已于2021 年第二季度投入批量生產(chǎn)。相信不久的將來，其將在德國鐵路得到推廣和應(yīng)用。