淺談道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用

鄭烽 伍鐵朝 鄒濤俊

摘 要：道岔作為軌道交通系統(tǒng)中重要的行車設(shè)備，為軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。因道岔為可動(dòng)部件且在列車動(dòng)載反復(fù)作用下易產(chǎn)生裂紋、斷裂、掉塊等病害，現(xiàn)有地鐵線路檢修辦法在道岔鋼軌出現(xiàn)斷裂、掉塊等突發(fā)性故障時(shí)難以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹了一種道岔（傷損）傷損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理及硬件構(gòu)成，并根據(jù)其在廣州地鐵的應(yīng)用，提出了擴(kuò)大該類型鋼軌傷損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍及在后續(xù)研究中繼續(xù)探索實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與設(shè)備養(yǎng)修結(jié)合應(yīng)用的建議。

關(guān)鍵詞：道岔;傷損監(jiān)測(cè);全天候監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U213.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

道岔是軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施中十分重要、影響行車安全的關(guān)鍵設(shè)施，要求具有高安全性、高可靠性，能長(zhǎng)期保持良好的工作狀態(tài)，能確保列車安全、平穩(wěn)、不間斷地運(yùn)行，道岔一旦出現(xiàn)故障將嚴(yán)重影響軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)，甚至?xí)l(fā)生災(zāi)難性的事故。

目前在地鐵行業(yè)中，針對(duì)道岔的傷損檢查手段主要有大型鋼軌探傷車、手推式探傷小車以及手持式通用探傷儀等，仍然是采取依靠人力、階段性檢查、維護(hù)的手段，尚缺乏對(duì)道岔行之有效的自動(dòng)化、全天候的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)現(xiàn)有的手段總結(jié)，可以歸納其缺點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）軌面寬度<50 mm的區(qū)域需手工檢查;

（2）整鑄轍叉需采用手工檢查;

（3）可動(dòng)轍叉儀器可探，但可靠性較低，需結(jié)合手工檢查;

（4）手工檢查受探傷工工作經(jīng)驗(yàn)、工作狀態(tài)影響較大;

（5）探傷周期較長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)傷損，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，風(fēng)險(xiǎn)較大。

地鐵作為現(xiàn)代化城市中主要的交通方式，面對(duì)日益增加的運(yùn)營(yíng)壓力，對(duì)設(shè)備的保障也提出了更高的要求。因此，應(yīng)用一種能夠?qū)Φ啦磉M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新的手段便是迫切需要的。根據(jù)前人對(duì)鋼軌無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，目前已被提出來(lái)技術(shù)理論有多種，包括基于超聲波信號(hào)理論的監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]、基于振動(dòng)信號(hào)理論的監(jiān)測(cè)技術(shù)[2]、交流電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)[3]、導(dǎo)波監(jiān)測(cè)技術(shù)、激光超聲監(jiān)測(cè)技術(shù)等。但這些監(jiān)測(cè)技術(shù)，要么就是只能對(duì)鋼軌表面的裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，要么就是實(shí)際應(yīng)用存在較大困難，目前均未得到廣泛應(yīng)用。而聲發(fā)射信號(hào)作為一種新出現(xiàn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)Σ牧辖Y(jié)構(gòu)在發(fā)展過(guò)程中的特征進(jìn)行評(píng)估，很適合于用于鋼軌裂紋的檢測(cè)。在此背景下，四川西南交大鐵路發(fā)展股份有限公司率先根據(jù)聲發(fā)生信號(hào)理論研制出一種能夠針對(duì)鐵路道岔實(shí)時(shí)傷損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，并于2019年在廣州地鐵實(shí)施了該系統(tǒng)的試用。通過(guò)一年的實(shí)際應(yīng)用，取得了一定效果。本文從此次試用的道岔（道岔）傷損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理及應(yīng)用出發(fā)，對(duì)其實(shí)用性進(jìn)行分析研究。

1 系統(tǒng)的基本原理及結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)探測(cè)基本原理

道岔鋼軌作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，其材料特性、結(jié)構(gòu)特性是確定的，而特定線路條件下行車特點(diǎn)是可統(tǒng)計(jì)的，即載荷是可統(tǒng)計(jì)的;結(jié)合斷裂力學(xué)，在鋼軌出現(xiàn)傷損時(shí)，其與聲發(fā)射信號(hào)必定會(huì)發(fā)生改變。因此，只需要在鋼軌表面安裝一種傳感器，并對(duì)鋼軌所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)收集并進(jìn)行系統(tǒng)分析，可以判斷鋼軌的設(shè)備狀態(tài)。

1.2 報(bào)警邏輯

道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)前期大量的實(shí)驗(yàn)以及傷損現(xiàn)場(chǎng)獲得各類傷損數(shù)據(jù)，提取其數(shù)據(jù)特性建立初始傷損庫(kù);通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)各類工況下采集到的大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，建立初始正常庫(kù)。在不同使用現(xiàn)場(chǎng)部署初始傷損庫(kù)、初始正常庫(kù)后，若此現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生初始傷損庫(kù)所表征的傷損類型時(shí)，直接進(jìn)行傷損類型的報(bào)警;若此現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)在初始傷損庫(kù)和初始正常庫(kù)中均未覆蓋的信號(hào)，則系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，維護(hù)人員分析此類信號(hào)對(duì)應(yīng)工況，結(jié)合工況分析結(jié)果決定此類信號(hào)應(yīng)歸入正常庫(kù)或傷損庫(kù)，實(shí)現(xiàn)匹配庫(kù)的學(xué)習(xí)和升級(jí)。

1.3 道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、監(jiān)測(cè)分機(jī)、監(jiān)測(cè)主機(jī)、監(jiān)測(cè)中心、監(jiān)測(cè)終端、通信及電力傳輸通道等部分組成。各傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道岔狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)有線方式傳輸至分機(jī)，由分機(jī)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)至主機(jī)，由主機(jī)中相應(yīng)的處理模塊對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的結(jié)果及相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心將報(bào)警信息、故障信息存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)并將對(duì)應(yīng)報(bào)警數(shù)據(jù)存放到指定路徑下，客戶端通過(guò)IP地址和對(duì)應(yīng)端口訪問(wèn)監(jiān)測(cè)中心，調(diào)取監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)信息向客戶展示。

2 道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場(chǎng)布置情況

道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在研制過(guò)程中，針對(duì)城市軌道交通特色研發(fā)了適用于地鐵道岔特點(diǎn)的版本。為了有效監(jiān)測(cè)岔區(qū)鋼軌的傷損情況，在廣州地鐵的試用中，主要是在道岔結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)加裝監(jiān)測(cè)傳感器，每組道岔分別安裝12個(gè)，安裝位置分別在尖軌前、尖軌中、導(dǎo)曲線中部、心軌、直基本軌、曲基本軌。

2.2 應(yīng)用情況

道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在軟件調(diào)試完成后，客戶端監(jiān)測(cè)界面可以顯示道岔基本信息及每個(gè)傳感器的工作狀態(tài)。根據(jù)顯示顏色的不同，每個(gè)傳感器可以針對(duì)其所在道岔鋼軌部件進(jìn)行三個(gè)等級(jí)的傷損預(yù)警及其自身的故障預(yù)警。針對(duì)鋼軌的傷損預(yù)警：一級(jí)報(bào)警表示所在鋼軌可能發(fā)生輕微傷損，對(duì)于道岔設(shè)備影響輕微;二級(jí)報(bào)警表示所在鋼軌確定發(fā)生了較輕微的裂紋、掉塊類型的傷損;三級(jí)報(bào)警表示所在鋼軌肯定發(fā)生了嚴(yán)重裂紋、嚴(yán)重掉塊、斷軌等情況。當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)亦可以對(duì)其自身故障情況進(jìn)行預(yù)警。同時(shí)，道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在軟件后臺(tái)界面可以提供聲發(fā)射信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)波形查看。道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用監(jiān)測(cè)得到的波形與內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行特征比較，可以判斷出來(lái)傷損嚴(yán)重情況及傷損類型，并在后續(xù)使用過(guò)程中進(jìn)行學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)庫(kù)升級(jí)，以滿足更精準(zhǔn)的報(bào)警需求。在一年的試用中，該系統(tǒng)的報(bào)警情況及波形監(jiān)測(cè)情況對(duì)所監(jiān)測(cè)的道岔的傷損狀態(tài)均有著較為準(zhǔn)確的反應(yīng)，證明了其有效性。

3 結(jié)論及建議

3.1 擴(kuò)大應(yīng)用范圍的建議

對(duì)于道岔而言，引入領(lǐng)先于傳統(tǒng)檢測(cè)手段的無(wú)損新技術(shù)，投入一次性設(shè)備成本，既可以降低運(yùn)行中的道岔鋼軌突發(fā)斷裂、折斷等情況時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)、有效降低道岔設(shè)備故障率，又可打破作業(yè)時(shí)間點(diǎn)的限制不斷積累道岔設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，為道岔維護(hù)由計(jì)劃修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變創(chuàng)造條件，逐步探索降低計(jì)劃修投入、加強(qiáng)檢修針對(duì)性，提高維護(hù)工作整體經(jīng)濟(jì)效益。

道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在廣州地鐵試用期間表現(xiàn)出的安全性、可靠性，證明無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在鋼軌的實(shí)時(shí)傷損監(jiān)測(cè)中具有較好的效果。因此，在未來(lái)的線路設(shè)備檢修中應(yīng)該積極探索利用更多的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以保障設(shè)備運(yùn)行。

3.2 探索實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與設(shè)備養(yǎng)修的結(jié)合應(yīng)用

目前，地鐵運(yùn)營(yíng)部門針對(duì)軌道鋼軌設(shè)備制定了嚴(yán)格的檢修規(guī)定及配套辦法，明確了各檢修項(xiàng)目、作業(yè)頻次及具體要求，需要花費(fèi)巨大的人力物力。通過(guò)道岔（傷損）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的逐步擴(kuò)大應(yīng)用，采集大量的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后，可以探索與既有的養(yǎng)修辦法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，輔助管理部門嘗試進(jìn)一步優(yōu)化養(yǎng)修辦法。著重在以下方面進(jìn)行探索：

（1）道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用可以有針對(duì)性的降低道岔區(qū)域鋼軌的人工目視檢查及探傷作業(yè)頻次、拉開(kāi)計(jì)劃作業(yè)周期間隔，從總體上降低對(duì)道岔區(qū)域鋼軌的人工目視檢查及探傷工作量，在一定程度上降低人員、物料消耗;

（2）可以逐步推動(dòng)線路養(yǎng)護(hù)工作由計(jì)劃修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變、由階段性養(yǎng)護(hù)向?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變，直接提高了設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，間接提高道岔設(shè)備養(yǎng)護(hù)的效率及經(jīng)濟(jì)效益。

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