軌道板性能在線監測系統*

朱文發 何越磊 李再幃 路宏遙 徐洪斌

(上海工程技術大學城市軌道交通學院， 201620， 上海//第一作者,講師)

軌道板是由鋼筋混凝土組成的無砟軌道主體結構。混凝土導熱系數小、傳熱性能較差。因而軌道板在溫度變化的影響下，會產生較嚴重的非線性溫度分布[1-3]，從而發生翹曲變形，影響軌道板的平順性，使其服役性能大大降低。可見，軌道板溫度分布是反映軌道板性能的重要指標。文獻[4]對高溫天氣條件下某項目的CRTSⅡ型板式無砟軌道內部溫度特性進行了現場試驗與分析，得到了軌道板、砂漿層、支承層的溫度與環境溫度變化規律。文獻[5]在不同氣候條件下現場觀測CA(水泥瀝青)砂漿灌注施工時的軌道板溫度，得到實測的軌道板溫度梯度，并建立軌道板力學計算模型，計算軌道板在實測溫度梯度作用下的溫度翹曲變形及應力。理論研究需要現場試驗的驗證，而高效的測試系統是現場試驗的保障。軌道板性能在線監測系統(以下簡為“軌道板監測系統”)，以軌道板內部溫度變化為主要監測對象，并通過溫度變化全面反映軌道板的服役狀態，實現在線監測、數據顯示和超限預警。

1 軌道板監測系統設計

1.1 設計思路

軌道板監測系統的設計思路如圖1所示。軌道板監測系統主要由便攜式前端采集硬件、后端處理分析軟件及用戶終端三部分構成。其利用以太網機箱及數據采集板塊等構建便攜式前端智慧采集硬件，以采集軌道板溫度；將采集到的數據通過4G移動網絡傳輸到監控中心，利用在LabView平臺上編寫的系統軟件，在后端處理分析中心完成數據采集、分析與超限預警的功能；由用戶使用無線終端設備(筆記本電腦、平板電腦或智能手機等)發出各種測試參數的設置和啟停指令；最后，由系統自動完成大批量數據的處理和分析，并將處理結果傳回用戶終端，并實現超限報警的功能。

圖1 系統設計思路

1.2 便攜式前端采集硬件

便攜式前端采集硬件主要完成對軌道板溫度的數據采集功能(見圖2)，由美國國家儀器有限公司的NI cDAQ-9188XT以太網機箱、NI9205模擬量數據采集卡及溫度傳感器等組成，可實現對軌道板關鍵性能參數高速度、高精度的采集。將傳感器粘貼在測試點上，分別通過NI9205數據采集卡采集信號，通過以太網機箱的網絡接口實現高速數據通信[6,7]。

圖2 前端采集硬件結構圖

1.3 后端處理分析軟件

軌道板監測系統后端處理分析軟件主要用于控制數據的采集、傳輸、處理、存儲和顯示，實現對原始的采集數據和傳輸系統獲取數據的校準與處理，確保數據質量和可靠性。軟件利用各種方法對數據進行可視化、評估、編譯，并通過處理數據庫中的大量監測數據，提取關鍵性特征數據，以供損傷識別及評估使用[8]。

根據系統功能需求分析，軟件設計主要包括在線監測模塊、數據分析與管理模塊兩部分。

1.3.1 在線監測模塊

在線監測模塊主要包括網絡通信、監測顯示和報警等子模塊。在線監測模塊釆集數據使用問答式。首先，由上位機發送給下位機硬件指令；然后，下位機收到指令后，立即返回給上位所要的數據；最后，上位機對數據進行判斷、解析，并把解析后的數據在監測界面上顯示出來，為用戶提供直觀的監測結果。

后端處理分析軟件結合數據分析與理論分析，實現了安全預警功能，為軌道板的維修關鍵時間節點提供了動態分析與支持，實現了對軌道板關鍵性能參數的遠程在線管理。圖3為夏季高溫天氣情況下，當室外溫度高于38 ℃時[8]，軌道板監測系統的報警界面。

圖3 監測系統報警界面

1.3.2 數據分析與管理模塊

數據分析與管理模塊對存儲在計算機服務器數據庫中的數據進行綜合處理，并使用直觀的圖形顯示處理結果，進而統計分析與評估軌道板性能。

用戶可根據時間和測點信息條件進行歷史數據查詢，找到某個時間段的歷史數據(如圖4所示)，并根據曲線趨勢判讀出現高低溫的情況。如出現故障，操作人員可根據歷史曲線的異常，準確找到出現溫度過高的時間段，從而得出準確的報警時間，為故障分析及認定提供有力證據。

圖4 歷史系統

1.3.3 工程應用

為得到在服役狀態下CRTSⅡ型板式無砟軌道結構溫度場分布及變化規律，本文以華東地區某客運專線CRTSⅡ型板式無砟軌道為研究對象，沿軌道結構深度方向布置了傳感器(見圖5)。2016年7月—2017年7月期間，利用軌道板監測系統監測該項目路基段和橋梁段不同深度層面的日溫度變化幅度(即層間日溫差)，如圖6所示。

圖5 傳感器布置位置

圖6表明，距軌道板表面不同深度層面日溫差波動存在差異，距離板面越近，受氣象參數影響更為明顯，溫度變化幅度較大。隨著深度的增加，軌道板內部的溫度變化逐漸減小，其溫差變化也隨之減小。整體來看，無論路基段還是橋梁段，測點在不同深度的日溫差變化規律保持高度一致，越靠近板面的溫差變化幅度越大，砂漿層、支承層及底座板溫差變化幅度相對較小。對比路基段和橋梁段可知，橋梁段相同深度層面溫度變化幅值略高于路基段。這與路基和橋梁結構的結構傳熱過程存在差異性密切相關。

a) 路基段不同層間溫差

b) 橋梁段不同層間溫差

2 結語

軌道板性能在線監測系統能實現對軌道板溫度的采集，同時將采集的數據通過4G移動網絡傳輸到監測中心；監測中心可顯示所測的軌道板關鍵性能參數，并對監測數據進行分析，實現超限報警的功能。數據與分析結果可為軌道板的病害預防以及養護維修提供方向性指導與科學性的建議。

隨著“互聯網+”時代，“工業4.0”的來臨，智能化測試系統發展已勢不可擋。本測試系統可根據現場不同測試環境要求，靈活運用，實現方便攜帶及高效的測量。

目前，本系統已在華東地區某客運專線軌道服役期性能在線監測中成功運用，且效果良好。伴隨軌道交通在我國的迅速發展，其擁有十分廣闊的工程應用前景。