蒙內(nèi)鐵路長大坡道軌道爬行監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

蔣萬軍， 陳三安， 韓占濤

（1. 中國路橋工程有限公司 非洲之星鐵路運(yùn)營公司，北京 100011；2. 中國路橋工程有限公司，北京 100011）

0 引言

肯尼亞共和國境內(nèi)的［1］蒙巴薩—內(nèi)羅畢鐵路（蒙內(nèi)鐵路），為標(biāo)準(zhǔn)軌距、單線非電氣化鐵路，正線全長472 ㎞，采用25 m 定尺60 kg/m 鋼軌、Ⅱ型軌枕和Ⅱ型扣件，按照中國鐵路Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)修建。蒙內(nèi)鐵路自2017年5 月31 日正式開通以來，鐵路運(yùn)營公司對K385+531—K387+931 段（坡度9.5‰、長度2.4 km）等多處長大坡道段進(jìn)行了多點(diǎn)觀測和病害發(fā)展跟蹤。這些區(qū)段相較蒙內(nèi)鐵路其他區(qū)段每公里瞎縫和大軌縫的病害發(fā)生量較多，軌枕空吊、道砟泛白數(shù)量多27%，鋼軌接頭掉塊數(shù)量多21%，且程度相對嚴(yán)重；墊板更換、搗固、換軌及換枕等維修工作量相對較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蒙內(nèi)鐵路2020年全年更換鋼軌62根，其中40根因長大坡道馬鞍形磨耗、軌端掉塊或軌頂面掉塊嚴(yán)重達(dá)到重傷標(biāo)準(zhǔn)更換，占總更換量的65%。

1 蒙內(nèi)鐵路長大坡道軌道爬行狀態(tài)

1.1 長大坡道病害狀況

列車運(yùn)行時(shí)在輪軌的縱向力作用下，鋼軌會產(chǎn)生縱向位移，甚至?xí)疖壍揽蚣芸v向移動，此現(xiàn)象稱為軌道爬行［2］。軌道爬行經(jīng)常出現(xiàn)在重車方向、長大下坡道及進(jìn)站前的制動區(qū)段內(nèi)，尤其多發(fā)于有縫線路中。軌道爬行容易形成瞎縫，進(jìn)而脹軌；或者拉大軌縫，造成輪軌沖擊力增大，使接頭鋼軌和連接零件損傷，形成接頭病害；還會造成軌枕歪斜，引起軌道幾何尺寸不良；道床狀態(tài)不易保持，出現(xiàn)空吊等病害［3］。蒙內(nèi)鐵路自蒙巴薩港口一路向東非腹地高原延伸，長期單向重車沖坡，導(dǎo)致軌道爬行和軌縫擴(kuò)大等病害情況愈加嚴(yán)重，特別是在長大坡道段的表現(xiàn)越來越突出。

1.2 現(xiàn)有防爬控制手段

現(xiàn)有普速重載鐵路防爬設(shè)備主要有兩類：一類是防爬器，另一類是防爬撐。

爬行觀測是通過人工現(xiàn)場使用5 m弦繩測量線路兩側(cè)的鋼軌位移觀測樁進(jìn)行測量，受測量時(shí)風(fēng)力、弦繩直徑及下垂撓度、測量人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)等因素影響，測量的精度誤差在±5 mm，測量結(jié)果不能完全真實(shí)反映鋼軌的實(shí)際爬行狀況及發(fā)展趨勢，且無法實(shí)時(shí)感知、提前預(yù)警軌道是否發(fā)生爬行現(xiàn)象，只有在鋼軌爬行產(chǎn)生后，通過人工檢查才能確定鋼軌爬行狀態(tài)。在當(dāng)前的工務(wù)維修中，僅能依靠防爬設(shè)備通過物理方法防范和減少軌道爬行。

因此，設(shè)計(jì)和制造一種能夠?qū)崟r(shí)感知、及時(shí)掌握及分析線路爬行情況、提前預(yù)警長大坡道軌道的較大爬行量以便及時(shí)采取干預(yù)手段，能有效防止線路爬行病害的設(shè)備顯得尤為重要和迫切。

2 軌道爬行監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軌道爬行監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則如下：

（1）將長大坡道軌道爬行監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)安裝在極易發(fā)生爬行現(xiàn)象的軌道附近，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測鋼軌的蠕動現(xiàn)象并分析爬行趨勢；

（2）對軌道爬行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)識別、上傳、自動感知預(yù)警，通知工作人員提前干預(yù)并采取有效的防爬措施，防止病害產(chǎn)生；

（3）滿足軌道爬行觀測精度及長時(shí)間全天候使用穩(wěn)定性和可靠性的要求。

該系統(tǒng)主要包括軌旁探測終端、線上云服務(wù)及地面分析管理終端3部分（見圖1）。

圖1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成

軌旁探測終端通過4G 網(wǎng)絡(luò)將軌道爬行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器；云服務(wù)器負(fù)責(zé)保存爬行狀態(tài)數(shù)據(jù)并將超限數(shù)據(jù)通過短信告警發(fā)送至各級設(shè)備管理人員，同時(shí)將告警數(shù)據(jù)推送至分析管理終端，并通過音頻告警模塊告警；分析管理終端管理統(tǒng)計(jì)圖表數(shù)據(jù)。

2.1 軌旁探測終端

軌旁探測終端安裝在鋼軌外側(cè)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測鋼軌爬行狀態(tài)數(shù)據(jù)。軌旁探測終端主要由軌旁視覺探測裝置、紅外補(bǔ)償光源［4］、測量標(biāo)靶、智能分析主機(jī)、4G通信模組、智能供電裝置以及軌旁支架等組成（見圖2）。

圖2 軌旁探測終端組成

2.1.1 紅外補(bǔ)償光源及視覺探測裝置

紅外補(bǔ)償光源及視覺探測裝置安裝在軌道外側(cè)500 mm 距離以外的位置。紅外補(bǔ)償光源負(fù)責(zé)為軌旁視覺探測裝置提供高亮光源，采用紅外單色光配合濾光片的方式來避免戶外環(huán)境光對軌旁視覺探測裝置干擾，以提高系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確性。軌旁視覺探測裝置安裝在軌旁支架上，負(fù)責(zé)抓拍鋼軌附近的測量標(biāo)靶?？紤]到鐵路基本建筑限界［5］，探測裝置拍攝角度采用正面拍攝，整體高度低于軌面。

2.1.2 智能分析主機(jī)

智能分析主機(jī)負(fù)責(zé)觸發(fā)視覺系統(tǒng)拍照程序，對圖像進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果通過4G 模塊發(fā)送至云服務(wù)器，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。整套系統(tǒng)采用光伏等新型能源，全天候運(yùn)行。視覺處理分析系統(tǒng)采用低功耗ARM架構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了整個(gè)系統(tǒng)的處理分析功耗［6］。

2.1.3 測量標(biāo)靶

測量標(biāo)靶固定在鋼軌上，隨鋼軌移動，根據(jù)標(biāo)靶的實(shí)際移動距離即可獲得鋼軌的爬行距離，從而得到鋼軌爬行測量數(shù)據(jù)。測量標(biāo)靶采用卡軌式設(shè)計(jì)，采用直徑20 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓形設(shè)計(jì)固定在鋼軌上。由于在行車等不同工況下，鋼軌位置左右前后都有可能發(fā)生變化，測量標(biāo)靶位置會隨鋼軌變動，標(biāo)靶在單幀圖像中所占大小也會同步調(diào)整，由此可獲得每幀圖片像素代表的實(shí)際大小，從而獲得標(biāo)靶圓心的實(shí)際位置。結(jié)合最先保存的標(biāo)靶圓心數(shù)據(jù)，即可獲得此時(shí)標(biāo)靶的移動狀態(tài)從而得到鋼軌爬行時(shí)間。采用該方案，可以做到單幀實(shí)時(shí)標(biāo)定，有效降低現(xiàn)場安裝標(biāo)定時(shí)間，極大地提高系統(tǒng)部署速度。

2.1.4 智能供電裝置

智能供電裝置采用先進(jìn)的光伏太陽能和鋰電池儲能裝置相結(jié)合的方式，為整套軌旁系統(tǒng)提供不間斷能源供應(yīng)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

2.2 線上云服務(wù)

線上云服務(wù)接收軌旁探測終端發(fā)送的軌道爬行數(shù)據(jù)并存儲［7］，對異常的爬行數(shù)據(jù)進(jìn)行短信報(bào)警。同時(shí)為各地分析管理終端提供數(shù)據(jù)展示接口和報(bào)表生成接口。線上云服務(wù)主要由云服務(wù)器、短信通信平臺、存儲服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、Web 展示模塊、報(bào)表管理以及告警服務(wù)等組成（見圖3）。

圖3 線上云服務(wù)

（1）云服務(wù)器作為線上云服務(wù)的承載載體，所有其他各子系統(tǒng)模塊運(yùn)行在云服務(wù)器上，采用云服務(wù)器的方式可以依托云平臺的高可用性和高擴(kuò)展性根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需要動態(tài)擴(kuò)容。

（2）短信通信平臺將所有告警數(shù)據(jù)通過短信方式通知到各級設(shè)備管理人員，為各級設(shè)備管理機(jī)構(gòu)提供告警信息。

（3）存儲服務(wù)集中存儲各軌旁探測終端回傳的軌道爬行數(shù)據(jù)以及相關(guān)管理和故障數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)服務(wù)接口負(fù)責(zé)接收各探測站上傳的鋼軌爬行數(shù)據(jù)，同時(shí)提供管理參數(shù)命令下發(fā)功能。

（5）Web 展示模塊為各級地面分析管理終端提供人機(jī)界面，提供管理展示接口。

（6）報(bào)表管理為其他子系統(tǒng)提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息以及報(bào)表查詢管理接口。

（7）告警服務(wù)根據(jù)用戶自定義或各種工況下的爬行數(shù)據(jù)閾值情況，通過數(shù)據(jù)服務(wù)接口實(shí)時(shí)傳回的爬行數(shù)據(jù)，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)辨別，并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行告警。

2.3 地面分析管理終端

地面分析管理終端主要由數(shù)據(jù)訪問客戶端和音頻告警裝置組成（見圖4）。地面分析管理終端通過互聯(lián)網(wǎng)或鐵路專用網(wǎng)絡(luò)訪問線上云服務(wù)，展示各地軌道爬行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表數(shù)據(jù)等。通過地面分析管理終端對各地設(shè)備進(jìn)行閾值設(shè)定，實(shí)時(shí)提供異常數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并通過音頻模塊自動報(bào)警，達(dá)到管理信息化的目的［8］。

圖4 地面分析管理終端

2.4 工作流程

軌旁探測站設(shè)備啟動并自檢成功后，開始采集測量標(biāo)靶圖像數(shù)據(jù)，調(diào)用圖像分析處理系統(tǒng)測量標(biāo)靶數(shù)據(jù)狀態(tài)，得到軌道爬行狀態(tài)數(shù)據(jù)并存儲。設(shè)備啟動失敗或獲得爬行數(shù)據(jù)后，通過發(fā)送接口服務(wù)向線上云服務(wù)發(fā)送設(shè)備自檢失敗數(shù)據(jù)信息或?qū)崟r(shí)爬行數(shù)據(jù)。云服務(wù)啟動爬行數(shù)據(jù)和設(shè)備異常接收數(shù)據(jù)接口服務(wù)，獲得爬行數(shù)據(jù)并存儲。同時(shí)判斷數(shù)據(jù)是否異常，若無異常繼續(xù)接收爬行數(shù)據(jù)；若數(shù)據(jù)異常則將異常數(shù)據(jù)發(fā)送至相關(guān)人員。同時(shí)將異常數(shù)據(jù)推送至地面分析管理終端。地面分析管理終端具備自檢功能和鳴笛報(bào)警功能，以便數(shù)據(jù)異常時(shí)提醒相關(guān)值班人員核查數(shù)據(jù)信息。長大坡道軌道爬行監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的基本工作流程見圖5。

圖5 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)基本工作流程

系統(tǒng)建好后，對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行聯(lián)合模擬測試，硬件實(shí)物見圖6。標(biāo)靶橫向左右移動分別表示下行和上行方向的爬行；標(biāo)靶縱向上下移動分別表示以原軌面標(biāo)高向上和向下位移。為在計(jì)算機(jī)終端可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到軌道的爬行數(shù)據(jù)，標(biāo)靶橫向左移為負(fù)，右移為正；縱向下移為負(fù)，上移為正，單位mm。當(dāng)爬行數(shù)據(jù)達(dá)到異常閾值下行時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，通知工作人員。

圖6 硬件實(shí)物及現(xiàn)場安裝圖

3 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用成果

該系統(tǒng)自2020 年12 月被安裝在蒙內(nèi)鐵路K403+681—K409+539 段（坡度為11.5‰、長度5 858 m）的K406+000 里程處。于2021 年2 月上旬對該點(diǎn)左右各500 m 鋼軌進(jìn)行了軌縫調(diào)整和起道搗固作業(yè)，通過截取2021 年3—4 月觀測數(shù)據(jù)（見表1）分析，確定軌道在調(diào)整軌縫后，觀測點(diǎn)處軌道發(fā)生了隨時(shí)間變化的趨勢性位移，橫向顯示軌道向重車方向爬行?，F(xiàn)場復(fù)核發(fā)現(xiàn)，實(shí)際爬行數(shù)據(jù)與監(jiān)測爬行數(shù)據(jù)基本一致，同時(shí)檢查K405+500—K406+500 范圍內(nèi)的鋼軌接頭，發(fā)現(xiàn)軌縫大于10 mm 的6 處、小于3 mm 的36 處、頂死10 處；同時(shí)現(xiàn)場測量幾何尺寸高低數(shù)據(jù)也與監(jiān)測數(shù)據(jù)一致。該接頭處幾何尺寸和鋼軌都發(fā)生了病害，運(yùn)營公司及時(shí)得到預(yù)警并進(jìn)行了整治，確保了行車安全。

表1 爬行數(shù)據(jù)監(jiān)測表

4 結(jié)論

蒙內(nèi)鐵路是海外中國標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建設(shè)的標(biāo)桿項(xiàng)目及運(yùn)營管理“走出去”的優(yōu)秀代表［9］，針對蒙內(nèi)鐵路長大坡道軌道爬行現(xiàn)象嚴(yán)重的難題，采用中國科技創(chuàng)新技術(shù)［10］使得線路維修工作量和維修成本明顯降低，在東非赤道氣候條件下有效控制了脹軌跑道的安全隱患，解決了目前既有防爬設(shè)備無法實(shí)時(shí)感知、提前預(yù)警等問題。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，長大坡道軌道爬行監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠做到實(shí)時(shí)識別、上傳軌道爬行狀態(tài)數(shù)據(jù)、自動感知預(yù)警、便于通知工作人員提前干預(yù)，可有效指導(dǎo)鐵路運(yùn)營公司組織對病害的及時(shí)維護(hù)和整治，達(dá)到了防止線路爬行病害向嚴(yán)重發(fā)展、節(jié)約維修成本等預(yù)期效果。