基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的 鋼軌斷裂監(jiān)測研究

劉建利，耿 明，李 博

（1. 西安市軌道交通集團(tuán)有限公司，西安 710018；2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

1 研究背景

近年來，隨著我國城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，各城市軌道交通運(yùn)營里程和運(yùn)行時(shí)間不斷增長，鋼軌疲勞現(xiàn)象出現(xiàn)不同程度的增長趨勢，鋼軌斷裂風(fēng)險(xiǎn)日益提升，隨之而來的安全運(yùn)營壓力和社會(huì)責(zé)任也越來越大，包括鋼軌表面早期疲勞損傷、內(nèi)部損傷、軌道幾何尺寸形變等多種致災(zāi)因素，面臨線路結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、變形超限、斷軌(見圖1)等突發(fā)事件的安全壓力[1-2]。

圖1 鋼軌斷裂 Figure 1 Diagram of rail fracture

為避免斷軌的發(fā)生，國內(nèi)外采用高質(zhì)量的鋼軌，以及通過各種探傷手段對斷軌進(jìn)行預(yù)防。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異，但在軌道設(shè)施運(yùn)行綜合監(jiān)測領(lǐng)域，相關(guān)應(yīng)用研究仍存在多風(fēng)險(xiǎn)致災(zāi)耦合及演變機(jī)理不清、感知層技術(shù)可靠性差、災(zāi)害控制理論針對性不強(qiáng)等問題。因此基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建高靈敏、快響應(yīng)、長壽命、智能可靠、自主可控的軌道綜合監(jiān)測體系，對城市軌道交通智慧化發(fā)展至關(guān)重要[3]。

2 常用斷軌檢測方法的對比分析

目前，鋼軌防斷實(shí)時(shí)智能化監(jiān)測技術(shù)原理較為成熟的方法主要有6種[4]：軌道電路檢測、牽引回流檢測、光纖檢測、應(yīng)力檢測、鋼軌電信號載波檢測和超聲導(dǎo)波檢測，常用斷軌監(jiān)測方法的檢測手段以及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 常用斷軌檢測方法對比分析 Table 1 Comparison and analysis of common rail break detection methods

從表中分析可知，軌道電路檢測方法僅能區(qū)分鋼軌通斷情況，無法判斷出現(xiàn)傷損之前的狀態(tài)，易受自然干擾影響出現(xiàn)漏報(bào)和虛警，且地鐵線路不采用軌道電路，所以監(jiān)測存在較多的困難；牽引回流檢測方法需要在列車經(jīng)過軌道時(shí)，評估回流狀態(tài)，倒推出軌道狀態(tài)，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，僅能區(qū)分鋼軌通斷情況，難以區(qū)分鋼軌不完全斷裂之前的狀態(tài)；光纖檢測方法成本較高，需與鋼軌密貼固定，容易受到列車振動(dòng)影響，安裝及后期維護(hù)較為困難；應(yīng)力檢測法僅對鋼軌的固定點(diǎn)進(jìn)行檢測，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要人員現(xiàn)場操作，作業(yè)效率低；鋼軌電信號載波檢測方法容易受到電磁干擾，穩(wěn)定狀態(tài)有待提高，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測的檢測手段，達(dá)到精確判斷鋼軌傷損位置以及狀態(tài)的既定目標(biāo)。

近年來，隨著超聲導(dǎo)波理論的研究逐漸深入，國內(nèi)外針對超聲導(dǎo)波斷軌檢測技術(shù)的研究也有了很大進(jìn)展[5-7]。國外，2002年南非RAILSONIC公司實(shí)現(xiàn)了基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的無縫線路斷軌檢測。2004年賓夕法尼亞大學(xué)的Rose在加利福尼亞BART線路進(jìn)行了導(dǎo)波的激勵(lì)頻率與其傳播距離的試驗(yàn)，提出了利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行斷軌檢測的方法，即當(dāng)導(dǎo)波傳播到鋼軌缺陷處時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脈沖回波，通過檢測脈沖回波來判斷斷軌情況，進(jìn)而在鋼軌軌頭處切出不同大小的裂紋，通過脈沖回波的強(qiáng)度來判斷鋼軌軌頭斷裂的強(qiáng)度。國內(nèi)，張友鵬等率先提出一種基于超聲導(dǎo)波檢測原理的實(shí)時(shí)斷軌檢測方法[8]，并對該方法的檢測機(jī)理進(jìn)行了深入地分析，但對鋼軌中超聲導(dǎo)波信號的頻散及多模態(tài)特性未進(jìn)行分析；西南交通大學(xué)的龔豪提出了一種通過檢測鋼軌裂縫，進(jìn)行斷軌監(jiān)測的方案[9]，分析了鋼軌裂縫的形態(tài)特征，對現(xiàn)有裂縫檢測算法進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于圖像識(shí)別的鋼軌斷軌遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)并進(jìn)行了測試。周長義等以聲發(fā)射檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，經(jīng)試驗(yàn)分析軌道斷裂的聲發(fā)射信號特征，有效區(qū)分列車運(yùn)行引入的聲發(fā)射信號，基于搭建監(jiān)測系統(tǒng)，并通過TDOA算法實(shí)現(xiàn)對斷裂的定位[10]，其研究結(jié)果為軌道斷軌檢測提供了有效的參考依據(jù)，對軌道交通運(yùn)行安全的技術(shù)發(fā)展，具有十分重要的意義。

綜上，采用超聲波導(dǎo)波檢測法監(jiān)測鋼軌斷裂在國內(nèi)外均有一定深入研究，軌道檢測在鐵路應(yīng)用居多，然而城市軌道與鐵路相比，在車重、車速、行車頻率、使用環(huán)境等方面存在較大差異，其傷損的形成、發(fā)展和表征都不同于鐵路，傷損檢測技術(shù)存在差異。城市軌道的運(yùn)營與鐵路運(yùn)營也存在差異，由于運(yùn)行里程、客流量、經(jīng)費(fèi)的差異，對檢測設(shè)備的要求也不同。由于超聲波導(dǎo)波檢測方法成本較低，并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測鋼軌不完全斷裂和通斷情況，因此超聲波導(dǎo)波檢測法服務(wù)于現(xiàn)代軌道交通的斷軌監(jiān)測體系具有廣闊的推廣前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的鋼軌斷裂監(jiān)測試驗(yàn)研究

3.1 超聲導(dǎo)波鋼軌斷裂在線監(jiān)測技術(shù)

通過對國內(nèi)外先進(jìn)的超聲波鋼軌防斷實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)典型案例進(jìn)行深入研究，采用鋼軌斷裂檢測專用超聲探頭設(shè)計(jì)、大功率超聲發(fā)射裝置設(shè)計(jì)、抗干擾高靈敏度接收裝置、寬帶編碼信號鋼軌斷裂檢測等關(guān)鍵技術(shù)。超聲導(dǎo)波鋼軌防斷實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能全天候?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測鋼軌狀態(tài)，它通過超聲導(dǎo)波信號進(jìn)行斷軌檢測，以5G網(wǎng)絡(luò)、無線電臺(tái)為通信手段，以中心服務(wù)器、站點(diǎn)客戶計(jì)算機(jī)、監(jiān)測終端等為硬件基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的、完整可靠的無縫線路區(qū)段鋼軌斷裂實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)鋼軌防斷監(jiān)測預(yù)警。在鋼軌上鋪設(shè)時(shí)，區(qū)域單元?jiǎng)澐质疽鈭D如圖2所示，超聲導(dǎo)波激勵(lì)和回收系統(tǒng)如圖3、4所示。

圖2 超聲導(dǎo)波鋼軌斷裂實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)工作 原理及過程 Figure 2 Working principle and process of ultrasonic guided wave rail fracture real-time monitoring and early warning system

圖3 導(dǎo)波發(fā)送模塊系統(tǒng) Figure 3 Guided wave transmission module system

超聲導(dǎo)波實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，目的是通過在線監(jiān)測的方式，實(shí)時(shí)預(yù)先掌握鋼軌的健康狀態(tài)，當(dāng)鋼軌出現(xiàn)裂紋時(shí)，能提前獲得相關(guān)信息。該超聲導(dǎo)波監(jiān)測系統(tǒng)能夠預(yù)估鋼軌斷裂時(shí)的相對位置坐標(biāo)。由于監(jiān)測距離較長，因而在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一套超聲導(dǎo)波激勵(lì)和接收模塊，在超聲導(dǎo)波工作時(shí)，超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊相鄰的兩個(gè)接收模塊都會(huì)收到超聲導(dǎo)波信號。節(jié)點(diǎn)較多，若同時(shí)進(jìn)行超聲導(dǎo)波的激勵(lì)，則會(huì)導(dǎo)致接收到的信號相互影響。考慮到能夠區(qū)分信號準(zhǔn)確來源，超聲導(dǎo)波監(jiān)測系統(tǒng)需要一個(gè)合適的工作機(jī)制來保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖4 導(dǎo)波接收模塊系統(tǒng) Figure 4 Guided wave receiving module system

圖5為區(qū)域單元?jiǎng)澐质疽鈭D，將待監(jiān)測區(qū)域，假設(shè)為100 km，對整個(gè)監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，10 km一個(gè)單位，一個(gè)單位安裝10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)安裝一套超聲導(dǎo)波監(jiān)測裝置，其包含超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊(用UGWT表示)和接收模塊(用UGWR表示)。對設(shè)備進(jìn)行如圖5所示編號(圖示以左鋼軌為例)，左鋼軌用L表示，右鋼軌用字母R表示，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)第m區(qū)域單位用Lm，Rm表示，第m區(qū)域單位中第n監(jiān)測點(diǎn)用Lm,n，Rm,n表示，其中，1≤m≤10，1≤n≤10。

圖5 區(qū)域單元?jiǎng)澐质疽?Figure 5 Regional unit division

在系統(tǒng)開始工作時(shí)，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一供電，導(dǎo)波接收模塊UGWR開始工作，超聲導(dǎo)波激勵(lì)模塊，工作模式不是統(tǒng)一開啟，而是每一個(gè)區(qū)域單位里面輪流開啟激勵(lì)模式。通過5G無線通信模塊發(fā)送指令，統(tǒng)一開啟每一個(gè)區(qū)域單元的監(jiān)測模塊。若鋼軌狀態(tài)正常，則每組設(shè)備都能接收到正常的由其相鄰的設(shè)備發(fā)出的信號；若鋼軌出現(xiàn)異常，則每組設(shè)備均可以接收傷損信息，從而找到斷裂裂紋的位置，做到精確判斷傷損位置并對相應(yīng)斷面進(jìn)行維護(hù)。

3.2 超聲導(dǎo)波系統(tǒng)的斷軌監(jiān)測應(yīng)用

3.2.1 超聲導(dǎo)波系統(tǒng)斷軌監(jiān)測試驗(yàn)

為進(jìn)一步保障軌道線路設(shè)備安全，針對性地對鋼軌進(jìn)行長時(shí)間實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測，全方位測試其工作性能，有必要進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究。筆者對西安地鐵4號線采用超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行斷軌監(jiān)測，測試儀器安裝及現(xiàn)場測試如圖6所示。

圖6 儀器安裝及現(xiàn)場測試 Figure 6 Instrument installation and field test

超聲導(dǎo)波在含有斷裂傷損的鋼軌中監(jiān)測時(shí)，超聲導(dǎo)波回波接收裝置接收回波信號，超聲導(dǎo)波傳輸遇到斷裂點(diǎn)時(shí)，波形將會(huì)出現(xiàn)突變，接收器接收到的信號幅值將會(huì)增大，數(shù)據(jù)如圖7所示，當(dāng)接收終端監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)信號出現(xiàn)突變時(shí)，超聲導(dǎo)波鋼軌斷裂在線監(jiān)測系統(tǒng)將會(huì)判斷出鋼軌出現(xiàn)大的斷裂損傷，并采用短信、微信、實(shí)時(shí)鋼軌折斷監(jiān)測系統(tǒng)客戶端方式預(yù)警。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該斷軌監(jiān)測系統(tǒng)可以在斷軌前發(fā)出預(yù)警信息。

圖7 超聲導(dǎo)波傳播鋼軌斷裂時(shí)信號變化 Figure 7 Signal changes of ultrasonic guided wave propagation during rail fracture

3.2.2 超聲導(dǎo)波系統(tǒng)傳播距離試驗(yàn)

為研究斷面監(jiān)測距離的精準(zhǔn)度和可靠性，以鋼軌夾板端面模擬斷面情形，發(fā)送和接收在一側(cè)，進(jìn)行超聲導(dǎo)波系統(tǒng)傳播距離試驗(yàn)，分別對距離斷面50、175、275、375 m的位置進(jìn)行在線監(jiān)測，結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可見，超聲導(dǎo)波檢測鋼軌焊縫所形成的回波信號較為明顯，藍(lán)色框圖中規(guī)律間隔的回波信號為無縫鋼軌焊縫帶來的回波，隨著距離的增加，焊縫回波振幅越大，可以精確判斷焊縫位置，中長遠(yuǎn)距離監(jiān)測可準(zhǔn)確預(yù)判，從而實(shí)現(xiàn)鋼軌防斷監(jiān)測預(yù)警。

圖8 超聲導(dǎo)波傳播距離試驗(yàn)結(jié)果 Figure 8 Test results of ultrasonic guided wave propagation distance

3.2.3 超聲導(dǎo)波系統(tǒng)正線換軌監(jiān)測試驗(yàn)

通過正線換軌措施，采用超聲導(dǎo)波系統(tǒng)對換軌前后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)果如圖9所示。

圖9 鋸軌前后系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果對比 Figure 9 Comparison of system monitoring results before and after saw rail

在鋸軌前的測試中，圖9中紅色方框部位顯示的信號沒有明顯波動(dòng)，在鋸斷1/2時(shí)，信號出現(xiàn)波動(dòng)，在完全鋸斷后，該位置的信號的幅值明顯變大。此處距離起始位置的時(shí)間差值為Δt= 0.086 s，換算為距離約為130 m，與實(shí)際換軌位置基本吻合，可以確定是由于切割鋼軌時(shí)的斷面產(chǎn)生的回波，因此超聲導(dǎo)波技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼軌不完全斷裂和通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害先兆預(yù)警，保障軌道交通運(yùn)營安全。

4 結(jié)語

1) 基于超聲導(dǎo)波技術(shù)無縫鋼軌斷裂監(jiān)測系統(tǒng)，通過超聲波收發(fā)之間的信號關(guān)系，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測鋼軌不完全斷裂和通斷情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理斷軌安全隱患，回波明顯，現(xiàn)場觀察清晰，數(shù)據(jù)可靠，隨著距離的增加，焊縫回波振幅越大，可以精確判斷焊縫位置，對于中長遠(yuǎn)距離監(jiān)測，依舊可準(zhǔn)確預(yù)判，從而實(shí)現(xiàn)鋼軌防斷監(jiān)測預(yù)警，并能夠確定鋼軌損傷的具體位置，有效提升軌道維修與應(yīng)急搶修能力，對軌道交通安全運(yùn)行具有十分重要的保障意義。

2) 進(jìn)一步研究抗干擾、長距離、長壽命、低成本的應(yīng)用設(shè)備，探討傳感器大規(guī)模有效布局的耦合安裝方案，形成高可靠性、長壽命、高靈敏度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測技術(shù)，以期構(gòu)建系統(tǒng)的、完整的實(shí)時(shí)鋼軌狀態(tài)監(jiān)測平臺(tái)，為軌道交通的安全運(yùn)營提供技術(shù)保障，是今后的工作重點(diǎn)。

3) 斷軌監(jiān)測系統(tǒng)的有效運(yùn)行是通過對鋼軌中所傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行分析處理而實(shí)現(xiàn)的，隨著進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算與多傳感器融合技術(shù)的智能化發(fā)展，自主實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)將向感知、決策、執(zhí)行一體化演化，進(jìn)一步研究斷軌信息AI算法，實(shí)現(xiàn)斷軌信息高可靠、高可信的先兆預(yù)警及實(shí)時(shí)告警，提升現(xiàn)代軌道交通運(yùn)營安全，引領(lǐng)城市交通走向智能化時(shí)代。