道岔監(jiān)測系統(tǒng)在城市軌道交通安全監(jiān)測中的應用

胡怡東 蔣忠輝

（1.廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部，廣州510000；2.四川西南交大鐵路發(fā)展股份有限公司，成都610031）

我國主要城市的軌道交通運營線網規(guī)模日益擴大，運營里程日益增加，列車速度等級越來越高，發(fā)車頻次越來越密，列車最小追蹤時間間隔越來越短，高峰期客流量越來越大，因而城市軌道交通運營的維護壓力不斷提高，對列車的安全運行保障能力、軌道設備的檢修效率及維護成本均提出了更高要求。

道岔作為軌道設備的重要組成單元，其服役狀態(tài)決定了列車過岔的安全性［1］。尖軌、心軌是實現列車轉轍的關鍵部件，其結構存在斷面變化大、邊界條件復雜、使用壽命短等特點［2］，這些軌件一旦出現傷損而不能及時地被發(fā)現和排除，將嚴重影響軌道交通的運營安全，甚至引發(fā)安全事故。目前，我國鋼軌傷損檢測的相關設備主要有大型探傷車和小型探傷儀。大型探傷車在通過道岔時，為了保護探頭不受損壞，要求抬升探頭架，故無法對道岔區(qū)域鋼軌實施檢測；而小型探傷儀雖然在傷損檢出率方面有所改善，但是存在作業(yè)效率低、人力投入量大等缺點。隨著城市軌道交通運營速度提升、車流密度增大、線路服役時間延長，道岔出現傷損的現象日趨嚴峻，而現有的大多數探傷技術無法保障道岔全天候運行安全，因此，迫切需要一種能夠補充現有道岔鋼軌探傷工藝的不足、可以對道岔鋼軌進行實時監(jiān)測的新技術。

隨著電子信息、終端傳感、信號處理等技術的發(fā)展和應用，能夠實時監(jiān)測道岔鋼軌安全的技術系統(tǒng)越來越受到軌道交通運營維護部門的重視［3］。廣州地鐵軌道維護部門結合線網軌道特點和道岔病害情況，合作研發(fā)的道岔監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現鋼軌傷損報警、健康狀態(tài)預警功能，全天候實時監(jiān)測道岔鋼軌安全狀態(tài)。

1 道岔監(jiān)測系統(tǒng)的架構和原理

1.1 系統(tǒng)架構

道岔監(jiān)測系統(tǒng)的架構見圖1，監(jiān)測信息通過通信網絡實時傳到設置在軌道運維部門、車站等的用戶終端。

圖1 道岔監(jiān)測系統(tǒng)架構

1.2 系統(tǒng)原理

隨著現代信號處理技術進步和傳感器技術成熟，基于聲發(fā)射技術及非線性超聲的監(jiān)測系統(tǒng)逐漸應用到軌道交通行業(yè)［4-5］。

1.2.1 聲發(fā)射技術

聲發(fā)射是指材料在外力或者內力的作用下，局部能量源快速釋放能量而產生瞬態(tài)彈性波的現象，材料的斷裂和塑性變形是主要的聲發(fā)射源，同時材料的摩擦、腐蝕、變相等也會出現聲發(fā)射現象［6］。通常，聲發(fā)射源所產生的瞬態(tài)彈性波可以從材料內部傳導至表面，引起材料表面質點的位移變化，壓電傳感器可以將這種位移變化轉化為電信號，在頻域中，聲發(fā)射信號的傳遞過程可以表示為

式中：HAE為聲發(fā)射信號的傳遞函數；Ho為聲發(fā)射源的傳遞函數；Hr為鋼軌的傳遞函數；Hs為傳感器的傳遞函數；He為放大器的傳遞函數［7］。

式（1）表明，壓電傳感器采集的聲發(fā)射信號是由聲發(fā)射源、傳播介質、傳感器及放大器共同作用的結果。聲發(fā)射技術的本質是從聲發(fā)射信號中獲得傷損信息，并建立映射關系來檢測鋼軌的傷損狀態(tài)。可以通過參數分析、波形分析、模式識別等方法分析聲發(fā)射信號獲得材料的傷損狀態(tài)信息，從而掌握裂紋擴展的信息，進而實現鋼軌無損檢測的目的。聲發(fā)射技術是一種被動式檢測方法，具有靈敏度高、不受傳導介質幾何形狀限制等優(yōu)點。理論上聲發(fā)射技術可以實現道岔全生命周期的傷損檢測，但是在裂紋擴展的初期，聲發(fā)射現象出現的頻次較低，聲發(fā)射源的幅值較小，傳感器無法采集到有效的聲發(fā)射信號，因此該技術只適用于裂紋擴展的末期。非線性超聲技術具有對微裂紋、微缺陷敏感之類的優(yōu)點，可以作為一種有效的補充手段。

1.2.2 非線性超聲波

傳統(tǒng)的線性超聲波檢測技術是基于超聲波在傳播過程中遇到缺陷時的反射、散射等線性特征進行傷損檢測的，與聲發(fā)射技術類似，往往只對鋼軌中的大裂紋具有較強的檢測能力。非線性超聲檢測技術主要是觀測材料的非線性聲學響應，例如高次諧波的產生、波束混疊、非線性共振頻率漂移等，其判斷依據是采集信號在頻率上的改變［8］。一般情況下，鋼軌介質中非線性應力應變關系為

式中：σ為應力；E為楊氏模量；ε為應變；β為二階非線性系數。

當應變很小時，鋼軌介質中質點在x方向上的運動方程為

式中：ρ為鋼軌密度；u為x方向的位移；t為傳播時間；x為超聲波的傳播距離。

設一列沿x軸方向傳播的縱波進入鋼軌介質中，結合式（2），可以得到該縱波的波動方程為

式中：c為鋼軌中波速；δ為三階非線性系數；H(ε，˙)為滯回效應引起的非線性項，即

式中：α為滯回系；˙為應變對時間的微分。

由式（4）可知，超聲非線性主要來自鋼軌晶格、位錯等非線性應力應變關系。在鋼軌塑性變形過程中，通常由晶格導致的非線性變化并不明顯，其變化主要來自于位錯［9］。因此，激勵信號為單頻正弦波時，則

式中：A1為幅值；ω為角速度。

忽略聲衰減的影響時，將式（6）代入式（3）和式（4）中得到激勵信號在鋼軌介質中傳播的表達式，即

式中：k為波數。

二次諧波幅值A2可以表示為

由式（8）可知，非線性響應的二次諧波幅值A2與二階非線性系數β有關，即

通過非線性系數β可以評價并預測材料中的傷損和微缺陷。

1.3 系統(tǒng)功能

既有探傷設備不能很好地監(jiān)測鋼軌Ⅰ區(qū)側面、Ⅲ區(qū)及軌頭截面寬度＜50 mm的區(qū)域，道岔監(jiān)測系統(tǒng)實現了對這些探傷盲區(qū)的監(jiān)測。該系統(tǒng)在線監(jiān)測螺孔貫穿裂紋、軌頭下顎水平裂紋、軌腰水平裂紋、軌頭裂紋掉塊、軌底裂紋掉塊等傷損類型，并根據傷損情況進行分級報警。系統(tǒng)還具備鋼軌健康狀態(tài)預警功能，當鋼軌狀態(tài)發(fā)生改變時發(fā)出健康狀態(tài)預警。健康狀態(tài)代表鋼軌處于整個生命周期某個階段的服役狀態(tài)，鋼軌斷裂、掉塊、側磨，可動部件涂抹潤滑油、安裝加強栓、調節(jié)尖基差、換軌等大幅度維修均會影響鋼軌的服役狀態(tài)。當發(fā)生上述某個大幅度維修動作后，數據會出現明顯異常，通過大量歷史數據積累、分析和統(tǒng)計，即可實現對鋼軌健康狀態(tài)的預警。另外，監(jiān)測設備和傳感器還具備自檢功能，當設備發(fā)生異常時能夠快速進行狀態(tài)復位，并通報設備運行狀態(tài)。

2 道岔監(jiān)測系統(tǒng)的應用現狀

為了驗證道岔監(jiān)測系統(tǒng)在城市軌道交通安全監(jiān)測中的作用和應用前景，首先在廣州地鐵魚珠車輛段對該系統(tǒng)進行了現場測試，其次在廣州地鐵五號線進行了長時間的試掛運行，最后在廣州地鐵十四號線進行了小規(guī)模的正式工程應用。

2.1 系統(tǒng)的測試及試用情況

2.1.1 現場測試

2015年11月廣州地鐵運維部門組織相關人員在魚珠車輛段試車線對該系統(tǒng)進行了現場測試。此次測試在直線電機驅動列車經過時的特殊電磁干擾環(huán)境下，利用液壓機對鋼軌進行裂紋、折斷試驗，以此來驗證該系統(tǒng)的有效性。

現場試驗通過液壓機逐級向鋼軌試件施加壓力，每次鋼軌出現裂紋擴張，客戶端均及時、準確地發(fā)出傷損類報警；液壓機繼續(xù)向鋼軌試件施加壓力，直到斷軌，系統(tǒng)可以監(jiān)測到鋼軌斷裂，客戶端準確地發(fā)出了傷損類報警。試驗結果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)在復雜電磁干擾環(huán)境下功能正常，能夠切實反映鋼軌的傷損狀態(tài)。

2.1.2 試用情況

2015年8月20日凌晨，廣州地鐵五號線文沖站2415#道岔曲尖軌S1傳感器發(fā)出報警信號，結合數據分析以及現場工作人員確認，本次報警是由于曲尖軌在天窗點進行打磨作業(yè)造成的，鋼軌打磨屬于人為的修復性損傷，說明該系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測鋼軌傷損。2016年9月在試用目標道岔曲尖軌S1傳感器發(fā)出傷損報警信號，結合數據分析以及軌道維護人員現場檢查確認：S1傳感器所在尖軌發(fā)生掉塊傷損。本次報警驗證了該系統(tǒng)可以有效監(jiān)測到道岔鋼軌傷損。

在長時間的試掛運行后，相關人員驗收現場設備時發(fā)現，安裝在道岔鋼軌上的傳感器及其安裝裝置性能可靠、安全穩(wěn)固，沒有發(fā)生任何松脫、折斷等問題，各傳感器及安裝在軌道旁的監(jiān)測分機、監(jiān)測主機等設備在運行過程中沒有對鐵路既有設施造成不利影響。另外，監(jiān)測分機、監(jiān)測主機以及客戶端均未出現死機、工作不穩(wěn)定等異常情況。說明該系統(tǒng)具備足夠的安全性、穩(wěn)定性及抗干擾能力，適用于地鐵運營工況。

2.2 系統(tǒng)正式應用情況

為了進一步擴大應用范圍，優(yōu)化系統(tǒng)功能，于2019年8月在廣州地鐵十四號線嘉禾望崗站W11118和W11120道岔正式應用監(jiān)測系統(tǒng)。圖2為監(jiān)測系統(tǒng)在道岔上的傳感器布置示意，監(jiān)測區(qū)域覆蓋直尖軌、曲尖軌、導曲軌、岔區(qū)部分基本軌及心軌，每組道岔分別安裝了12只傳感器。

圖2 嘉禾望崗站監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置

圖3為W11118道岔和W11120道岔各傳感器采集的數據分布情況，可知：各傳感器采集的文件數量幾乎在同一水平。該結果表明，各傳感器數據采集正常，未出現傳感器故障等現象。

圖3 傳感器采集的數據分布情況

圖4為傳感器采集信號的時域圖和頻譜圖。從時域圖可知：該信號中未出現裂紋擴展引起的聲發(fā)射信號。從頻譜圖可知：采集信號中未出現明顯的非線性現象。該結果表明傳感器采集信號為正常的過車信號。

圖4 正常過車信號

圖5為W11118道岔各傳感器監(jiān)測鋼軌傷損類情況和健康類情況。從圖5可以看出：所有傳感器均未出現報警現象，只是部分傳感器在某些時間段出現健康指標變化的現象，但是變化量較小，說明其健康狀態(tài)未發(fā)生本質上的變化，不影響行車安全，這表明W11118道岔鋼軌服役情況良好。現場數據表明W11120道岔表現出與W11118道岔相同的規(guī)律。

圖5 W11118道岔鋼軌監(jiān)測結果

在應用過程中，通過比對實時監(jiān)測數據與人工巡檢結果及鋼軌探傷作業(yè)結果，均未發(fā)現被監(jiān)測的道岔出現裂紋、軌面掉塊、斷軌等異常情況，說明道岔監(jiān)測系統(tǒng)可以真實反映道岔鋼軌傷損情況及健康狀態(tài)。

2.3 廣州地鐵對道岔監(jiān)測系統(tǒng)的應用成果

1）道岔監(jiān)測系統(tǒng)傷損監(jiān)測功能可以實現對道岔鋼軌的24 h實時監(jiān)測，能夠及時發(fā)現道岔鋼軌傷損。同時比人工巡檢更加準確，可以作為目前現有鋼軌傷損檢測手段的有益補充，有效提高道岔傷損檢測效率，逐步降低各類探傷檢修設備及人員的投入。

2）道岔監(jiān)測系統(tǒng)健康類監(jiān)測功能可以實現道岔軌件傷損事后發(fā)現向事前預警的轉變，實時掌握道岔的健康狀態(tài)可大幅降低因軌件傷損而引發(fā)列車事故的風險性。

3）道岔監(jiān)測系統(tǒng)可以使用專用網絡接口接入地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)互聯互通，實現道岔監(jiān)測系統(tǒng)與地鐵既有監(jiān)控系統(tǒng)的無縫銜接和交互。

3 應用前景

未來在應用過程中，還可適當拉長道岔探傷周期、降低頻次，從而降低道岔維護成本。隨著功能不斷改進和完善，該系統(tǒng)的應用價值將不斷顯現。

另外，還可從以下幾方面繼續(xù)展開深化研究：

1）在提高道岔鋼軌傷損報警功能的準確率和泛化能力的同時，逐步實現傷損定性監(jiān)測向定量監(jiān)測轉變。道岔監(jiān)測系統(tǒng)可以實現24 h在線監(jiān)測，在監(jiān)測鋼軌傷損狀態(tài)的同時，不斷積累道岔設備的狀態(tài)數據，并且每天以數萬條的速度增加。可以基于大數據分析技術從海量數據中挖掘傷損信號與傷損程度的映射關系，實現傷損定量監(jiān)測，提高監(jiān)測準確率。

2）研究并推出傷損定位功能，從海量數據中挖掘出傷損信號與傷損位置的映射關系，提高傷損監(jiān)測和道岔檢修的針對性，降低道岔維護成本。

3）深化完善道岔鋼軌健康預警功能，實現道岔傷損事前預警，幫助維護部門制定有針對性的檢修計劃。道岔在服役過程中的健康狀態(tài)是漸變的，由開始的健康狀態(tài)到最終的傷損狀態(tài)，是持續(xù)的量變疊加過程。通過健康預警可以實時掌握道岔的健康狀態(tài)，出現異常時提示維護部門重點關注，有助于提高道岔檢修的針對性，降低道岔檢修成本。

4 結語

通過研究某道岔監(jiān)測系統(tǒng)的架構、原理和功能，以及在廣州地鐵進行長時間的測試和試運行，發(fā)現該系統(tǒng)在地鐵線路復雜的電磁干擾環(huán)境下，具備足夠的安全性、穩(wěn)定性及抗干擾能力，可以真實反映鋼軌傷損情況及健康狀態(tài)，從而能夠切實提高地鐵道岔的安全保障水平。隨著該系統(tǒng)的應用價值逐漸受到重視和認可，以及技術層面不斷突破，該系統(tǒng)有望在城市軌道交通運營安全監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。