城市軌道交通鋼軌自激勵斷軌監測系統研究

張長生

(上海新海信通信息技術有限公司，上海 200436)

1 概述

隨著城市軌道交通信號系統發展，CBTC 系統逐步取代軌道電路，這使得工務部門對鋼軌的狀態監測處于空窗。為掌握鋼軌狀態，實時斷軌檢測方法的研究愈發顯得重要和緊迫。目前國內外主要采用的實時斷軌檢測方法有：牽引回流實時斷軌檢測方法、準軌道電路實時斷軌檢測方法、光纖實時斷軌檢測方法、應力實時斷軌檢測方法、聲波實時斷軌檢測方法、載波傳輸實時斷軌檢測方法等。

在牽引回流檢測方面，王語園提出了一種利用鋼軌中牽引回流進行斷軌檢測的方法,并利用MATLAB/Simulink 仿真軟件針對交流牽引供電系統建立了斷軌檢測模型[1]；謝保鋒等作者提出一種基于檢測輸入和輸出進行對比的校準方法,對牽引回流檢測系統進行校準[2]。

在準軌道電路檢測方面，楊吉研發了適用于電務檢測車的軌道電路檢測數據無線傳輸系統[3]；謝保鋒等作者根據軌道電路檢測系統工作原理,通過對檢測結果影響因素的分析,提出基于檢測輸入和輸出進行對比的黑箱標定方法和測量結果不確定度的計算方法[4]。

在光纖檢測方面，劉云鵬等作者針對傳統變壓器繞組變形檢測的缺陷,提出了基于分布式光纖傳感的變壓器繞組變形檢測方法[5]。

在應力檢測方面，鄒華章等作者設計了一種基于磁致伸縮機理的電磁超聲換能器(EMAT)應力檢測系統[6]；朱秋君等作者基于BP 人工神經網絡,以鐵磁性試件的溫度、和經處理得到的巴克豪森噪聲信號的均值、均方根、振鈴數和峰寬比作為主要的影響因子,以試件的壓應力作為輸出結果,建立巴克豪森鐵軌溫度應力檢測系統[7]。

在聲波檢測方面，陳華等作者分析了每個因素水平對聲波檢測儀的作用及各個水平之間的差異,探討了收發探頭之間的起始距離、發射電壓、首波占顯示時間軸的比例對測量的影響,并與聲時測量理論值進行對比[8]；桑帥軍等作者基于時—距法聲時測量原理,應用伺服電機、高精度平移臺、光柵尺、換能器夾具等研制了聲波檢測儀聲時測量誤差檢測裝置[9]。

而且載波傳輸檢測也是很成熟的技術，現在將這些方法針對實時斷軌檢測方法的性能對比，如表1所示。

表1 實時斷軌檢測方法檢測性能對比Tab.1 Comparison of detection performance of real - time broken rail detection method

因城市軌道交通列車運行密度遠大于國鐵，國鐵中一個需要斷軌監測的半自動閉塞區間再次運行列車的時間間隔最少是幾min 以上，而城市軌道交通最繁忙的時段兩車相距時間在2 min 之內。這使得采用以車站至車站為監測單元的方法無法實現，采集的道床數據不足以保證不誤報。

城市軌道交通斷軌監測方案須采用以10 ～1 000 m 為一個監測單元，而不能以國鐵的站至站為一個監測單元來實現實時斷軌監測。本系統是把幾百米監測單元看作為一個負載，斷軌監測設備通過自激勵產生特定頻率的電流對負載提供功率，如果鋼軌沒有斷軌，則這一單元的道床電阻不變，電流保持不變；若鋼軌斷軌，這一單元的道床電阻會明顯變大，電流變小。

本系統使用短路連接線將鋼軌分成若干閉合區間，將每個閉合區間看作一個“負載”，監測終端設備通過自激勵對負載提供功率。監測終端設備實時對負載功率進行采集并及時通過以電力線為載體的載波方式傳輸到管理器設備，然后由管理器設備負責傳輸到云端服務器，由云端服務器進行數據分析、判斷。

2 技術方案

系統框如圖1 所示。

圖1 系統框架Fig.1 System framework

在圖1 中，本系統主要由監測終端、管理器、數據轉發設備、云端監測中心、電力線，短路線組成。本系統結構示意如圖2 所示，每500 m 一根短路線（可調整10 ～1 000 m），將鋼軌分成5 個長度為500 m（可調整10 ～1 000 m）的獨立的閉合區間。監測終端和管理器則分別安裝在每個區間的中心位置，也就是離區間兩端短路線都為250 m 的位置。監測終端通過電力線載波與管理器進行數據傳遞，管理器將接收到的監測終端數據通過RS-485 通信電路發送給數據轉發設備，再通過Internet 網絡上傳數據。監測中心通過Internet 網絡與管理器建立TCP 連接進行數據交互。監測終端和管理器通過電力線供電，如圖2 所示。

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure

3 系統主要工作原理

根據圖2 所示，本系統主要由鋼軌、監測終端、管理器、數據轉發設備、電力線、服務器、客戶端、監測中心等部分組成。

3.1 監測終端

監測終端的主要功能是通過PWM 控制電路對鋼軌產生500 Hz～10 kHz 信號并輸送功率，實時采集發射功率，通過電力線載波方式循環間隔（當前版本為10 s 間隔）與管理器進行數據交互，傳輸本身信息數據。監測終端由電源電路、恒流源電路、單片機、電力線載波電路、鋼軌輸送功率電路、功率采集電路等組成，如圖3 所示。

圖3 監測終端Fig.3 Monitoring terminal

3.2 管理器

管理器的主要功能同樣是通過PWM 控制電路對鋼軌產生500 Hz～10 kHz 信號并輸送功率，實時采集發射功率，通過電力線載波方式與監測終端進行數據交互，接收所有監測終端傳輸的信息數據。收到數據通過RS-485 通信模塊將數據發送給數據轉發設備。管理器由電源電路、恒流源電路、單片機、電力線載波電路、鋼軌輸送功率電路、功率采集電路、RS-485 通信電路等組成，如圖4 所示。

圖4 管理器Fig.4 Manager

3.3 數據轉發設備

數據轉發設備通過RS-485 接口與管理器連接，并將管理器所發送的數據通過Internet 網絡發送給云端監測中心。管理器通過RS-485 接口與數據轉發設備進行數據交換、通信波特率2 400 bit/s，管理器可以通過RS-485 接口向數據轉發設備發送幀格式數據，數據轉發設備收到數據后通過TCP 向監測中心發送數據。

3.4 監測中心

監測中心包含服務器程序和PC 端的客戶端軟件，通過TCP 服務，數據發送到服務器，服務器進行數據分析處理，處理結果在PC 客戶端軟件上顯示。

3.5 系統工作原理

1）監測終端每隔500 m 安裝一個，所有監測終端（除監測終端1）工作有3 種狀態：主動發送數據倒計時狀態（等待接收信息數據狀態）、數據信息接收狀態、采集本身功率并發送數據信息狀態。

a.主動發送數據倒計時（10 s）狀態（等待接收信息數據狀態）

由于晶振起振時間會略有差別，為了讓監測終端依次進行數據發送而不產生沖突，在監測終端上電時設置一個第一次上電自主發送時間點，這個時間點只進行一次倒計時，以后不再使用。當第一次上電自主發送時間倒計時結束，監測終端自主發送一次數據信息，發送完成后，則正式進入主動發送數據倒計時狀態。監測終端在此狀態下，如果倒計時還沒有到達，則基本處于空閑狀態（可以接收其他監測終端信息數據）；假設不能接收其他監測終端的數據信息的情況下，監測終端會以間隔（10+fs_time（dc.id））s的時間循環發送本身的數據信息給其他監測終端和管理器。其中dc.id 是監測終端的ID 標號，如圖2中監測終端2 自主循環發送時間為10.667 s，監測終端3 自主循環發送時間為10.809 s 等。

b.數據信息接收狀態

當監測終端3 處于主動發送數據倒計時狀態（等待接收信息數據狀態）時，接收到監測終端2 或者監測終端1 的數據信息，則監測終端3 進入數據信息接收狀態。此狀態下監測終端3 接收監測終端2或者監測終端1 數據信息并不保存在緩存區，但是會根據接收的是監測終端2 或者監測終端1 的數據而更改自主發送數據的倒計時計數器，使其縮短，也就是相應的提前自主發送數據。如圖2 所示，監測終端1 自主發送完成數據信息后，監測終端2 收到監測終端1 的數據信息,本來自主發送數據的倒計時計數器還有500 ms，但是因為收到監測終端1 的數據信息，則把倒計時計數器修改為250 ms，也就是監測終端2 將提前250 ms 開始發送數據信息。依次類推監測終端3、監測終端4 都會在收到它們之前的一個監測終端或再前面一個監測終端數據信息而將自主發送數據時間提前。

c.采集本身電平并發送數據信息狀態

在修改本身自主發送數據的倒計時計數器后，倒計時完成，進入到數據信息發送狀態。監測終端在此狀態下，采集本身發送電平，并把數據存儲在相對應的緩沖區中，根據狀態清除或者設置相應的數據位，數據整理完畢后啟動載波模塊將數據信息發送出去。本身數據信息為確保成功，發送3 遍5 Byte 數據。

2）管理器工作狀態是在一個循環周期內與每一個監測終端進行一次通信，將監測終端采集的功率數據通過RS-485 通信電路發送給數據轉發設備，然后上傳給監測中心。管理器同步或者自主采集本身功率并發送給監測中心。

4 關鍵技術

在本方案中，合理判斷斷軌點是關鍵。本系統設計每500 m 安裝一個監測終端，每個監測終端都能與管理器通過電力線載波進行通信，如圖5 所示。

圖5 監測終端與管理器通信線路圖Fig.5 Communication roadmap between the monitoring terminal and the manager

在圖5 中，監測終端1、監測終端2、監測終端3 一直處于10 s 循環發送狀態，10 s 未到時處于接收狀態。首先監測終端1 的10 s 循環倒計時先到達，監測終端1 發送編號1 的 5 Byte 數據，管理器和監測終端2 都能接收到編號1 的5 Byte 數據，這時，管理器接收到編號1 的5 Byte 數據轉發給數據轉發設備，而監測終端2 接收到編號1 的5 Byte數據，它則調整倒計時計數，當倒計時到達則開始發送編號2 的5 Byte 數據；這時管理器接收到編號2 的5 Byte 數據，同理管理器將編號2 的5 Byte數據轉發給數據轉發設備，然后管理器采集本身數據并開始發送編號3 的5 Byte 數據并轉發此數據給數據轉發設備，到此一個周期結束。

鋼軌正常無斷裂情況下，管理器接收監測終端1 和監測終端2 的本身功率在一個正常范圍內數值。

如果鋼軌出現斷軌現象如圖5 所示，區間2 斷軌，那么管理器接收監測終端1 的本身功率維持不變，但是監測終端2 的本身功率減小。依次多次減小情況，能判斷出斷軌現象。

5 應用與展望

隨著各城市軌道交通運行時間增長，鋼軌疲勞程度增大，未來城市軌道交通線路普及斷軌監測系統是一種趨勢，斷軌監測系統將是保證城市軌道交通安全的重要組成部分。而目前工務部門對鋼軌的監測是以定期探傷巡檢為主。這種方式耗費極大的人力物力，故障檢測率不高，且不能全天候實時監測。為解決這些問題，本文構建了城市軌道交通鋼軌自激勵斷軌監測系統，該系統通過在鋼軌上加載一定頻率的信號，監測終端通過信號突變來達到判斷鋼軌是否斷開，能夠及時掌握區間鋼軌實時狀態，快速發現故障區間信息，安排維護，保障行車安全。