基于超聲導波技術的 鋼軌斷裂監(jiān)測研究

劉建利，耿 明，李 博

（1. 西安市軌道交通集團有限公司，西安 710018；2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

1 研究背景

近年來，隨著我國城市軌道交通基礎設施建設快速發(fā)展，各城市軌道交通運營里程和運行時間不斷增長，鋼軌疲勞現象出現不同程度的增長趨勢，鋼軌斷裂風險日益提升，隨之而來的安全運營壓力和社會責任也越來越大，包括鋼軌表面早期疲勞損傷、內部損傷、軌道幾何尺寸形變等多種致災因素，面臨線路結構失穩(wěn)、變形超限、斷軌(見圖1)等突發(fā)事件的安全壓力[1-2]。

圖1 鋼軌斷裂 Figure 1 Diagram of rail fracture

為避免斷軌的發(fā)生，國內外采用高質量的鋼軌，以及通過各種探傷手段對斷軌進行預防。目前，物聯網技術日新月異，但在軌道設施運行綜合監(jiān)測領域，相關應用研究仍存在多風險致災耦合及演變機理不清、感知層技術可靠性差、災害控制理論針對性不強等問題。因此基于物聯網技術，構建高靈敏、快響應、長壽命、智能可靠、自主可控的軌道綜合監(jiān)測體系，對城市軌道交通智慧化發(fā)展至關重要[3]。

2 常用斷軌檢測方法的對比分析

目前，鋼軌防斷實時智能化監(jiān)測技術原理較為成熟的方法主要有6種[4]：軌道電路檢測、牽引回流檢測、光纖檢測、應力檢測、鋼軌電信號載波檢測和超聲導波檢測，常用斷軌監(jiān)測方法的檢測手段以及優(yōu)缺點如表1所示。

表1 常用斷軌檢測方法對比分析 Table 1 Comparison and analysis of common rail break detection methods

從表中分析可知，軌道電路檢測方法僅能區(qū)分鋼軌通斷情況，無法判斷出現傷損之前的狀態(tài)，易受自然干擾影響出現漏報和虛警，且地鐵線路不采用軌道電路，所以監(jiān)測存在較多的困難；牽引回流檢測方法需要在列車經過軌道時，評估回流狀態(tài)，倒推出軌道狀態(tài)，無法進行實時監(jiān)控，僅能區(qū)分鋼軌通斷情況，難以區(qū)分鋼軌不完全斷裂之前的狀態(tài)；光纖檢測方法成本較高，需與鋼軌密貼固定，容易受到列車振動影響，安裝及后期維護較為困難；應力檢測法僅對鋼軌的固定點進行檢測，無法進行實時監(jiān)控，需要人員現場操作，作業(yè)效率低；鋼軌電信號載波檢測方法容易受到電磁干擾，穩(wěn)定狀態(tài)有待提高，因此需要實時監(jiān)測的檢測手段，達到精確判斷鋼軌傷損位置以及狀態(tài)的既定目標。

近年來，隨著超聲導波理論的研究逐漸深入，國內外針對超聲導波斷軌檢測技術的研究也有了很大進展[5-7]。國外，2002年南非RAILSONIC公司實現了基于超聲導波技術的無縫線路斷軌檢測。2004年賓夕法尼亞大學的Rose在加利福尼亞BART線路進行了導波的激勵頻率與其傳播距離的試驗，提出了利用超聲導波進行斷軌檢測的方法，即當導波傳播到鋼軌缺陷處時，會產生脈沖回波，通過檢測脈沖回波來判斷斷軌情況，進而在鋼軌軌頭處切出不同大小的裂紋，通過脈沖回波的強度來判斷鋼軌軌頭斷裂的強度。國內，張友鵬等率先提出一種基于超聲導波檢測原理的實時斷軌檢測方法[8]，并對該方法的檢測機理進行了深入地分析，但對鋼軌中超聲導波信號的頻散及多模態(tài)特性未進行分析；西南交通大學的龔豪提出了一種通過檢測鋼軌裂縫，進行斷軌監(jiān)測的方案[9]，分析了鋼軌裂縫的形態(tài)特征，對現有裂縫檢測算法進行了改進，設計并實現了基于圖像識別的鋼軌斷軌遠程監(jiān)測系統(tǒng)并進行了測試。周長義等以聲發(fā)射檢測技術為基礎，經試驗分析軌道斷裂的聲發(fā)射信號特征，有效區(qū)分列車運行引入的聲發(fā)射信號，基于搭建監(jiān)測系統(tǒng)，并通過TDOA算法實現對斷裂的定位[10]，其研究結果為軌道斷軌檢測提供了有效的參考依據，對軌道交通運行安全的技術發(fā)展，具有十分重要的意義。

綜上，采用超聲波導波檢測法監(jiān)測鋼軌斷裂在國內外均有一定深入研究，軌道檢測在鐵路應用居多，然而城市軌道與鐵路相比，在車重、車速、行車頻率、使用環(huán)境等方面存在較大差異，其傷損的形成、發(fā)展和表征都不同于鐵路，傷損檢測技術存在差異。城市軌道的運營與鐵路運營也存在差異，由于運行里程、客流量、經費的差異，對檢測設備的要求也不同。由于超聲波導波檢測方法成本較低，并且能夠實時監(jiān)測鋼軌不完全斷裂和通斷情況，因此超聲波導波檢測法服務于現代軌道交通的斷軌監(jiān)測體系具有廣闊的推廣前景和實際應用價值。

3 基于超聲導波技術的鋼軌斷裂監(jiān)測試驗研究

3.1 超聲導波鋼軌斷裂在線監(jiān)測技術

通過對國內外先進的超聲波鋼軌防斷實時監(jiān)測預警系統(tǒng)典型案例進行深入研究，采用鋼軌斷裂檢測專用超聲探頭設計、大功率超聲發(fā)射裝置設計、抗干擾高靈敏度接收裝置、寬帶編碼信號鋼軌斷裂檢測等關鍵技術。超聲導波鋼軌防斷實時監(jiān)測預警系統(tǒng)能全天候實時動態(tài)監(jiān)測鋼軌狀態(tài)，它通過超聲導波信號進行斷軌檢測，以5G網絡、無線電臺為通信手段，以中心服務器、站點客戶計算機、監(jiān)測終端等為硬件基礎，實現系統(tǒng)的、完整可靠的無縫線路區(qū)段鋼軌斷裂實時監(jiān)測，并實現鋼軌防斷監(jiān)測預警。在鋼軌上鋪設時，區(qū)域單元劃分示意圖如圖2所示，超聲導波激勵和回收系統(tǒng)如圖3、4所示。

圖2 超聲導波鋼軌斷裂實時監(jiān)測預警系統(tǒng)工作 原理及過程 Figure 2 Working principle and process of ultrasonic guided wave rail fracture real-time monitoring and early warning system

圖3 導波發(fā)送模塊系統(tǒng) Figure 3 Guided wave transmission module system

超聲導波實時監(jiān)測系統(tǒng)，目的是通過在線監(jiān)測的方式，實時預先掌握鋼軌的健康狀態(tài)，當鋼軌出現裂紋時，能提前獲得相關信息。該超聲導波監(jiān)測系統(tǒng)能夠預估鋼軌斷裂時的相對位置坐標。由于監(jiān)測距離較長，因而在監(jiān)測區(qū)域內設置多個節(jié)點，每個節(jié)點都有一套超聲導波激勵和接收模塊，在超聲導波工作時，超聲導波激勵模塊相鄰的兩個接收模塊都會收到超聲導波信號。節(jié)點較多，若同時進行超聲導波的激勵，則會導致接收到的信號相互影響?？紤]到能夠區(qū)分信號準確來源，超聲導波監(jiān)測系統(tǒng)需要一個合適的工作機制來保障系統(tǒng)的正常運行。

圖4 導波接收模塊系統(tǒng) Figure 4 Guided wave receiving module system

圖5為區(qū)域單元劃分示意圖，將待監(jiān)測區(qū)域，假設為100 km，對整個監(jiān)測區(qū)域進行細分，10 km一個單位，一個單位安裝10個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點安裝一套超聲導波監(jiān)測裝置，其包含超聲導波激勵模塊(用UGWT表示)和接收模塊(用UGWR表示)。對設備進行如圖5所示編號(圖示以左鋼軌為例)，左鋼軌用L表示，右鋼軌用字母R表示，監(jiān)測區(qū)域內第m區(qū)域單位用Lm，Rm表示，第m區(qū)域單位中第n監(jiān)測點用Lm,n，Rm,n表示，其中，1≤m≤10，1≤n≤10。

圖5 區(qū)域單元劃分示意 Figure 5 Regional unit division

在系統(tǒng)開始工作時，監(jiān)測區(qū)域內進行統(tǒng)一供電，導波接收模塊UGWR開始工作，超聲導波激勵模塊，工作模式不是統(tǒng)一開啟，而是每一個區(qū)域單位里面輪流開啟激勵模式。通過5G無線通信模塊發(fā)送指令，統(tǒng)一開啟每一個區(qū)域單元的監(jiān)測模塊。若鋼軌狀態(tài)正常，則每組設備都能接收到正常的由其相鄰的設備發(fā)出的信號；若鋼軌出現異常，則每組設備均可以接收傷損信息，從而找到斷裂裂紋的位置，做到精確判斷傷損位置并對相應斷面進行維護。

3.2 超聲導波系統(tǒng)的斷軌監(jiān)測應用

3.2.1 超聲導波系統(tǒng)斷軌監(jiān)測試驗

為進一步保障軌道線路設備安全，針對性地對鋼軌進行長時間實時斷軌監(jiān)測，全方位測試其工作性能，有必要進行一系列試驗研究。筆者對西安地鐵4號線采用超聲導波技術進行斷軌監(jiān)測，測試儀器安裝及現場測試如圖6所示。

圖6 儀器安裝及現場測試 Figure 6 Instrument installation and field test

超聲導波在含有斷裂傷損的鋼軌中監(jiān)測時，超聲導波回波接收裝置接收回波信號，超聲導波傳輸遇到斷裂點時，波形將會出現突變，接收器接收到的信號幅值將會增大，數據如圖7所示，當接收終端監(jiān)測數據發(fā)現信號出現突變時，超聲導波鋼軌斷裂在線監(jiān)測系統(tǒng)將會判斷出鋼軌出現大的斷裂損傷，并采用短信、微信、實時鋼軌折斷監(jiān)測系統(tǒng)客戶端方式預警。通過試驗數據分析，該斷軌監(jiān)測系統(tǒng)可以在斷軌前發(fā)出預警信息。

圖7 超聲導波傳播鋼軌斷裂時信號變化 Figure 7 Signal changes of ultrasonic guided wave propagation during rail fracture

3.2.2 超聲導波系統(tǒng)傳播距離試驗

為研究斷面監(jiān)測距離的精準度和可靠性，以鋼軌夾板端面模擬斷面情形，發(fā)送和接收在一側，進行超聲導波系統(tǒng)傳播距離試驗，分別對距離斷面50、175、275、375 m的位置進行在線監(jiān)測，結果如圖8所示。

從圖8中可見，超聲導波檢測鋼軌焊縫所形成的回波信號較為明顯，藍色框圖中規(guī)律間隔的回波信號為無縫鋼軌焊縫帶來的回波，隨著距離的增加，焊縫回波振幅越大，可以精確判斷焊縫位置，中長遠距離監(jiān)測可準確預判，從而實現鋼軌防斷監(jiān)測預警。

圖8 超聲導波傳播距離試驗結果 Figure 8 Test results of ultrasonic guided wave propagation distance

3.2.3 超聲導波系統(tǒng)正線換軌監(jiān)測試驗

通過正線換軌措施，采用超聲導波系統(tǒng)對換軌前后進行數據采集，結果如圖9所示。

圖9 鋸軌前后系統(tǒng)監(jiān)測結果對比 Figure 9 Comparison of system monitoring results before and after saw rail

在鋸軌前的測試中，圖9中紅色方框部位顯示的信號沒有明顯波動，在鋸斷1/2時，信號出現波動，在完全鋸斷后，該位置的信號的幅值明顯變大。此處距離起始位置的時間差值為Δt= 0.086 s，換算為距離約為130 m，與實際換軌位置基本吻合，可以確定是由于切割鋼軌時的斷面產生的回波，因此超聲導波技術可以實時監(jiān)測鋼軌不完全斷裂和通斷狀態(tài)，實現災害先兆預警，保障軌道交通運營安全。

4 結語

1) 基于超聲導波技術無縫鋼軌斷裂監(jiān)測系統(tǒng)，通過超聲波收發(fā)之間的信號關系，能夠實時監(jiān)測鋼軌不完全斷裂和通斷情況，及時發(fā)現并處理斷軌安全隱患，回波明顯，現場觀察清晰，數據可靠，隨著距離的增加，焊縫回波振幅越大，可以精確判斷焊縫位置，對于中長遠距離監(jiān)測，依舊可準確預判，從而實現鋼軌防斷監(jiān)測預警，并能夠確定鋼軌損傷的具體位置，有效提升軌道維修與應急搶修能力，對軌道交通安全運行具有十分重要的保障意義。

2) 進一步研究抗干擾、長距離、長壽命、低成本的應用設備，探討傳感器大規(guī)模有效布局的耦合安裝方案，形成高可靠性、長壽命、高靈敏度的實時在線監(jiān)測技術，以期構建系統(tǒng)的、完整的實時鋼軌狀態(tài)監(jiān)測平臺，為軌道交通的安全運營提供技術保障，是今后的工作重點。

3) 斷軌監(jiān)測系統(tǒng)的有效運行是通過對鋼軌中所傳輸的信號進行分析處理而實現的，隨著進一步加強數據挖掘、神經網絡、云計算與多傳感器融合技術的智能化發(fā)展，自主實時監(jiān)測系統(tǒng)將向感知、決策、執(zhí)行一體化演化，進一步研究斷軌信息AI算法，實現斷軌信息高可靠、高可信的先兆預警及實時告警，提升現代軌道交通運營安全，引領城市交通走向智能化時代。