淺談道岔（傷損）監測系統在地鐵中的應用

鄭烽 伍鐵朝 鄒濤俊

摘 要：道岔作為軌道交通系統中重要的行車設備，為軌道結構的薄弱環節。因道岔為可動部件且在列車動載反復作用下易產生裂紋、斷裂、掉塊等病害，現有地鐵線路檢修辦法在道岔鋼軌出現斷裂、掉塊等突發性故障時難以第一時間發現，存在較大風險。本文介紹了一種道岔（傷損）傷損監測系統的基本原理及硬件構成，并根據其在廣州地鐵的應用，提出了擴大該類型鋼軌傷損監測系統的應用范圍及在后續研究中繼續探索實時監測系統與設備養修結合應用的建議。

關鍵詞：道岔;傷損監測;全天候監測

中圖分類號：U213.43 文獻標識碼：A

0 引言

道岔是軌道交通基礎設施中十分重要、影響行車安全的關鍵設施，要求具有高安全性、高可靠性，能長期保持良好的工作狀態，能確保列車安全、平穩、不間斷地運行，道岔一旦出現故障將嚴重影響軌道交通的安全運營，甚至會發生災難性的事故。

目前在地鐵行業中，針對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、維護的手段，尚缺乏對道岔行之有效的自動化、全天候的監測方法，對現有的手段總結，可以歸納其缺點主要有以下幾個方面：

（1）軌面寬度<50 mm的區域需手工檢查;

（2）整鑄轍叉需采用手工檢查;

（3）可動轍叉儀器可探，但可靠性較低，需結合手工檢查;

（4）手工檢查受探傷工工作經驗、工作狀態影響較大;

（5）探傷周期較長，無法及時發現傷損，無法進行實時監測，風險較大。

地鐵作為現代化城市中主要的交通方式，面對日益增加的運營壓力，對設備的保障也提出了更高的要求。因此，應用一種能夠對道岔進行實時監測的新的手段便是迫切需要的。根據前人對鋼軌無損監測技術的研究，目前已被提出來技術理論有多種，包括基于超聲波信號理論的監測技術[1]、基于振動信號理論的監測技術[2]、交流電磁場監測技術[3]、導波監測技術、激光超聲監測技術等。但這些監測技術，要么就是只能對鋼軌表面的裂紋進行監測，要么就是實際應用存在較大困難，目前均未得到廣泛應用。而聲發射信號作為一種新出現的無損檢測技術，能夠對材料結構在發展過程中的特征進行評估，很適合于用于鋼軌裂紋的檢測。在此背景下，四川西南交大鐵路發展股份有限公司率先根據聲發生信號理論研制出一種能夠針對鐵路道岔實時傷損情況進行監測的系統，并于2019年在廣州地鐵實施了該系統的試用。通過一年的實際應用，取得了一定效果。本文從此次試用的道岔（道岔）傷損監測系統的原理及應用出發，對其實用性進行分析研究。

1 系統的基本原理及結構

1.1 數據探測基本原理

道岔鋼軌作為監測對象，其材料特性、結構特性是確定的，而特定線路條件下行車特點是可統計的，即載荷是可統計的;結合斷裂力學，在鋼軌出現傷損時，其與聲發射信號必定會發生改變。因此，只需要在鋼軌表面安裝一種傳感器，并對鋼軌所產生的聲發射信號持續收集并進行系統分析，可以判斷鋼軌的設備狀態。

1.2 報警邏輯

道岔（傷損）監測系統通過前期大量的實驗以及傷損現場獲得各類傷損數據，提取其數據特性建立初始傷損庫;通過在現場各類工況下采集到的大量現場數據進行正常數據和異常數據的訓練，建立初始正常庫。在不同使用現場部署初始傷損庫、初始正常庫后，若此現場發生初始傷損庫所表征的傷損類型時，直接進行傷損類型的報警;若此現場發現在初始傷損庫和初始正常庫中均未覆蓋的信號，則系統進行預警，維護人員分析此類信號對應工況，結合工況分析結果決定此類信號應歸入正常庫或傷損庫，實現匹配庫的學習和升級。

1.3 道岔（傷損）監測系統結構

道岔（傷損）監測系統硬件部分主要由傳感器、監測分機、監測主機、監測中心、監測終端、通信及電力傳輸通道等部分組成。各傳感器實時監測道岔狀態數據，通過有線方式傳輸至分機，由分機經過預處理后轉發至主機，由主機中相應的處理模塊對監測數據進行處理，并將處理后的結果及相關信息轉發至監測中心，監測中心將報警信息、故障信息存儲進數據庫并將對應報警數據存放到指定路徑下，客戶端通過IP地址和對應端口訪問監測中心，調取監測中心數據庫中相關信息向客戶展示。

2 道岔（傷損）監測系統的應用

2.1 現場布置情況

道岔（傷損）監測系統在研制過程中，針對城市軌道交通特色研發了適用于地鐵道岔特點的版本。為了有效監測岔區鋼軌的傷損情況，在廣州地鐵的試用中，主要是在道岔結構的薄弱環節加裝監測傳感器，每組道岔分別安裝12個，安裝位置分別在尖軌前、尖軌中、導曲線中部、心軌、直基本軌、曲基本軌。

2.2 應用情況

道岔（傷損）監測系統在軟件調試完成后，客戶端監測界面可以顯示道岔基本信息及每個傳感器的工作狀態。根據顯示顏色的不同，每個傳感器可以針對其所在道岔鋼軌部件進行三個等級的傷損預警及其自身的故障預警。針對鋼軌的傷損預警：一級報警表示所在鋼軌可能發生輕微傷損，對于道岔設備影響輕微;二級報警表示所在鋼軌確定發生了較輕微的裂紋、掉塊類型的傷損;三級報警表示所在鋼軌肯定發生了嚴重裂紋、嚴重掉塊、斷軌等情況。當傳感器出現故障時，系統亦可以對其自身故障情況進行預警。同時，道岔（傷損）監測系統在軟件后臺界面可以提供聲發射信號實時監測波形查看。道岔（傷損）監測系統利用監測得到的波形與內置數據庫進行特征比較，可以判斷出來傷損嚴重情況及傷損類型，并在后續使用過程中進行學習和數據庫升級，以滿足更精準的報警需求。在一年的試用中，該系統的報警情況及波形監測情況對所監測的道岔的傷損狀態均有著較為準確的反應，證明了其有效性。

3 結論及建議

3.1 擴大應用范圍的建議

對于道岔而言，引入領先于傳統檢測手段的無損新技術，投入一次性設備成本，既可以降低運行中的道岔鋼軌突發斷裂、折斷等情況時的安全風險、有效降低道岔設備故障率，又可打破作業時間點的限制不斷積累道岔設備狀態數據，為道岔維護由計劃修向狀態修轉變創造條件，逐步探索降低計劃修投入、加強檢修針對性，提高維護工作整體經濟效益。

道岔（傷損）監測系統在廣州地鐵試用期間表現出的安全性、可靠性，證明無損檢測技術在鋼軌的實時傷損監測中具有較好的效果。因此，在未來的線路設備檢修中應該積極探索利用更多的無損檢測技術，以保障設備運行。

3.2 探索實時監測系統與設備養修的結合應用

目前，地鐵運營部門針對軌道鋼軌設備制定了嚴格的檢修規定及配套辦法，明確了各檢修項目、作業頻次及具體要求，需要花費巨大的人力物力。通過道岔（傷損）監測系統的逐步擴大應用，采集大量的現場監測數據之后，可以探索與既有的養修辦法進行有機結合，輔助管理部門嘗試進一步優化養修辦法。著重在以下方面進行探索：

（1）道岔監測系統的運用可以有針對性的降低道岔區域鋼軌的人工目視檢查及探傷作業頻次、拉開計劃作業周期間隔，從總體上降低對道岔區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）可以逐步推動線路養護工作由計劃修向狀態修轉變、由階段性養護向實時在線監測轉變，直接提高了設備運行的安全可靠性，間接提高道岔設備養護的效率及經濟效益。

參考文獻：

[1]李文超.超聲波檢測鋼軌傷損及定位研究[D].中北大學，2013.

[2]魏強.基于振動信號的鋼軌傷損檢測方法的研究[D].哈爾濱工業大學，2013.

[3]章欣.基于聲發射技術的鋼軌傷損檢測與判別研究[D].哈爾濱工業大學，2015.