德國新型鋼軌超聲波探傷系統

隨著德國鐵路線路網絡的不斷擴展，對鐵路基礎設施（本文主要指鋼軌）的性能、可用性和安全性的要求日益提高，基礎設施檢測、維護的范圍和頻率也不可避免地隨之擴大和提高，然而檢測、維護天窗期卻不斷縮短。為簡化鋼軌維護措施并有針對性地加快其維護進度，德國Vossloh 公司開發出新型便攜式鋼軌超聲波探傷系統SoniQ Rail Explore（以下簡稱“SRE 系統”），通過將其與該公司“智能維護系統”結合使用，實現根據鋼軌實際狀態采取高效維護措施的目標。

1 系統概述

鋼軌狀態數據的采集是通過多種檢測設備實現的。超聲波檢測設備常用于檢測鋼軌內部損傷、軌底腐蝕等。目前，Vossloh 公司與德國弗勞恩霍夫陶瓷技術與系統研究所（IKTS）合作開發出一種設計新穎、功能強大的超聲波鋼軌檢測系統——SRE 系統，其結構如圖1 所示。圖中A 為碳纖維增強復合材料（CFRP）制成的便攜式手推車；B 為手推柄；C 為確保系統在道床上穩固站立的支腳；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 個供輪內探頭使用的超聲波通道，以及1 個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備和軟件；G 為用于將檢測輪精確定位在軌道上方的導向系統；H 為耗水量低的耦合水系統；I 為可支持所有可用位置信息識別并將其與超聲波檢測數據鏈接的跟蹤系統。

圖1 SRE 系統結構

該系統具有2 方面的優點：①在數據分析和解釋方面可為用戶提供更高的準確性和安全性；②可將檢測結果集成到Vossloh 公司的數字化流程鏈中。

該系統使用PCUS pro?系列的高性能、模塊化檢測電子設備和軟件，可以更高效地采集數據，并提供更多關于鋼軌內部缺陷的信息；可以基于人工智能（AI）算法對反射器進行預分類，并在評估過程中為檢測人員提供數據支持，以保證檢測人員能夠準確無誤地評估每一個指標，從而提高模式識別的準確度；將檢測數據定期傳輸到數據處理中心，用于持續提高狀態修的水平以及對維護措施進行評估和改進，從而實現將檢測結果納入資產管理計劃的目標，增加鋼軌磨損及使用壽命趨勢預測信息的價值，提高鐵路運輸服務質量和安全性。

2 系統特點及功能

2.1 符合人體工程學的設計

在設計SRE 系統時，開發人員關注的焦點之一是其輕量性、易用性，以及在軌道上使用時的高度穩定性。由CFRP 制成的手推車結構緊湊，體量小，使用尺寸為870 mm×300 mm×930 mm，運輸尺寸為1 100 mm×300 mm×580 mm，可輕松放入汽車后備箱中進行運輸（圖 2）；而且其總質量不超過20 kg，機身非常窄，可確保在不平坦道床上行進時的高度便攜性（可選配肩帶）。手推車兩端的支腳可在停放時鎖定到位，確保手推車穩固站立并保護檢測設備。

圖2 SRE 系統放入汽車后備箱的實景

2.2 超聲波檢測及數據顯示

SRE 系統高性能超聲波檢測輪內安裝的9 個探頭（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，除了可以實時檢測肉眼可識別的鋼軌近表面損傷之外，還能夠根據德國標準《鐵路應用 -基礎設施-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）。當采集的數據量達到設定閾值時，系統會對檢測結果進行同步并以A 型圖（基于采集的超聲波信號所得到的波形圖像，根據波形形狀可看出被測物體內是否有缺陷，以及缺陷的位置和尺寸）和B 型圖（由經過輝度處理的多條并排檢測信息所組成的、可反映被測物體內部斷層切面的二維“解剖圖像”）的形式呈現給用戶。檢測人員在分析數據時，可以對原始數據進行訪問，在基于振幅的體積視圖中查看這些數據，并可以自行設定閾值，以接收關于反射器及其動態的更多信息（圖4）。如果數據積累足夠多且一致，則可利用AI 算法幫助用戶進行模式識別。

圖3 高性能超聲波檢測輪探頭工作原理

圖4 在體積視圖中呈現的檢測結果數據

通過裝配可選的設備組件，可將鋼軌表面圖像采集納入鋼軌超聲波手動檢測范圍，并使之與超聲波數據同步，從而提高檢測數據的信息水平，使鋼軌狀態數據更加全面。

此外，SRE 系統還可連接傳統手持式探頭，并使用相同的軟件對焊縫或鍛造區域進行檢測。

2.3 導向、定位功能和高度穩定性

SRE 系統的導向系統（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，這一點是通過可調節的側導向輪（目的是使之與待測鋼軌輪廓匹配）及輕微傾斜的滾輪實現的。導向系統具有正向和反向操作2 種模式，可通過伺服電機使輕微傾斜的滾輪自動對齊；此外，還可在識別出鋼軌檢測中斷后，自動停止運行。

圖5 導向系統工作示意圖

該系統可手動輸入檢測位置信息，如線路/道岔描述、百米標、里程標等，并通過集成位移傳感器以及GPS 定位系統獲取位置信息，上述位置數據將與超聲波檢測數據相關聯。

為保證系統在軌道上使用時的高度穩定性，手推車前后兩端各設置1 個支腳，可在停放時鎖定到位，確保手推車穩固站立并保護檢測設備。

2.4 節水和節能功能

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

SRE 系統所采用的智能電池管理系統可延長檢測持續時間。此外，該系統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，這使其攜帶和應用更加方便。

2.5 顯示功能

SRE 系統裝配可拆卸的、帶有觸摸屏的加固型平板電腦，用于顯示采集的數據。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節器，可在不同光照條件下使用。

此外，使用Microsoft 公司開發的混合現實頭戴式顯示器HoloLens，用戶可以在增強現實（AR）技術的支持下，將SRE 系統采集的3D 鋼軌超聲波數據感知為全息斷層圖，這將有助于檢測人員對檢測結果進行解釋和直觀評估。

2.6 對檢測數據的拓展應用

鐵路線路網絡運營企業面臨的一個重要挑戰是基礎設施維護與日常運營之間的沖突。通過整合資產管理系統，建立高效的決策機制，可以顯著簡化實時信息使用流程，提高運輸服務質量。因此，除在檢測時采集鋼軌狀態數據之外，對這些數據進行高效合理的存儲也具有重要意義，其原因在于數據的存儲可實現在軌道外安全環境中對數據的分析，以及在質量控制時對相關歷史檢測數據的查詢和訪問。

SRE 系統利用長期演進（LTE）/Wi-Fi 技 術、USB 或SD卡傳輸用于評估的檢測數據，檢測結果將直接流入Vossloh 公司的數字化工作流程鏈（圖6）。此工作流程以云技術為依托，將檢查數據輸送到數據處理中心進行數據分析。通過在資產管理程序以及客戶的企業資源計劃（ERP）程序中實施數據集成，可實現與Vossloh 公司的MR.pro?程序或智能維護應用程序mapl-e 的數據兼容。

圖6 從數據生成到維護措施的工作流程

3 結語

SRE 系統適用于在道岔、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段對鋼軌進行精確定位和定期檢查，其優點在于不會損傷軌道電路及其開關裝置，而且操作簡單方便，對檢測員的專業水平和經驗要求也不高。

圖7 SRE 系統在軌道線路上的應用實景

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