轨道板性能在线监测系统*

2019-02-15朱文发何越磊李再帏路宏遥徐洪斌

城市轨道交通研究 2019年1期

朱文发何越磊李再帏路宏遥徐洪斌

(上海工程技术大学城市轨道交通学院， 201620，上海//第一作者,讲师)

轨道板是由钢筋混凝土组成的无砟轨道主体结构。混凝土导热系数小、传热性能较差。因而轨道板在温度变化的影响下，会产生较严重的非线性温度分布[1-3]，从而发生翘曲变形，影响轨道板的平顺性，使其服役性能大大降低。可见，轨道板温度分布是反映轨道板性能的重要指标。文献[4]对高温天气条件下某项目的CRTSⅡ型板式无砟轨道内部温度特性进行了现场试验与分析，得到了轨道板、砂浆层、支承层的温度与环境温度变化规律。文献[5]在不同气候条件下现场观测CA(水泥沥青)砂浆灌注施工时的轨道板温度，得到实测的轨道板温度梯度，并建立轨道板力学计算模型，计算轨道板在实测温度梯度作用下的温度翘曲变形及应力。理论研究需要现场试验的验证，而高效的测试系统是现场试验的保障。轨道板性能在线监测系统(以下简为“轨道板监测系统”)，以轨道板内部温度变化为主要监测对象，并通过温度变化全面反映轨道板的服役状态，实现在线监测、数据显示和超限预警。

1 轨道板监测系统设计

1.1 设计思路

轨道板监测系统的设计思路如图1所示。轨道板监测系统主要由便携式前端采集硬件、后端处理分析软件及用户终端三部分构成。其利用以太网机箱及数据采集板块等构建便携式前端智慧采集硬件，以采集轨道板温度；将采集到的数据通过4G移动网络传输到监控中心，利用在LabView平台上编写的系统软件，在后端处理分析中心完成数据采集、分析与超限预警的功能；由用户使用无线终端设备(笔记本电脑、平板电脑或智能手机等)发出各种测试参数的设置和启停指令；最后，由系统自动完成大批量数据的处理和分析，并将处理结果传回用户终端，并实现超限报警的功能。

图1 系统设计思路

1.2 便携式前端采集硬件

便携式前端采集硬件主要完成对轨道板温度的数据采集功能(见图2)，由美国国家仪器有限公司的NI cDAQ-9188XT以太网机箱、NI9205模拟量数据采集卡及温度传感器等组成，可实现对轨道板关键性能参数高速度、高精度的采集。将传感器粘贴在测试点上，分别通过NI9205数据采集卡采集信号，通过以太网机箱的网络接口实现高速数据通信[6,7]。

图2 前端采集硬件结构图

1.3 后端处理分析软件

轨道板监测系统后端处理分析软件主要用于控制数据的采集、传输、处理、存储和显示，实现对原始的采集数据和传输系统获取数据的校准与处理，确保数据质量和可靠性。软件利用各种方法对数据进行可视化、评估、编译，并通过处理数据库中的大量监测数据，提取关键性特征数据，以供损伤识别及评估使用[8]。

根据系统功能需求分析，软件设计主要包括在线监测模块、数据分析与管理模块两部分。

1.3.1 在线监测模块

在线监测模块主要包括网络通信、监测显示和报警等子模块。在线监测模块釆集数据使用问答式。首先，由上位机发送给下位机硬件指令；然后，下位机收到指令后，立即返回给上位所要的数据；最后，上位机对数据进行判断、解析，并把解析后的数据在监测界面上显示出来，为用户提供直观的监测结果。

后端处理分析软件结合数据分析与理论分析，实现了安全预警功能，为轨道板的维修关键时间节点提供了动态分析与支持，实现了对轨道板关键性能参数的远程在线管理。图3为夏季高温天气情况下，当室外温度高于38 ℃时[8]，轨道板监测系统的报警界面。

图3 监测系统报警界面

1.3.2 数据分析与管理模块

数据分析与管理模块对存储在计算机服务器数据库中的数据进行综合处理，并使用直观的图形显示处理结果，进而统计分析与评估轨道板性能。

用户可根据时间和测点信息条件进行历史数据查询，找到某个时间段的历史数据(如图4所示)，并根据曲线趋势判读出现高低温的情况。如出现故障，操作人员可根据历史曲线的异常，准确找到出现温度过高的时间段，从而得出准确的报警时间，为故障分析及认定提供有力证据。

图4 历史系统

1.3.3 工程应用

为得到在服役状态下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构温度场分布及变化规律，本文以华东地区某客运专线CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象，沿轨道结构深度方向布置了传感器(见图5)。2016年7月—2017年7月期间，利用轨道板监测系统监测该项目路基段和桥梁段不同深度层面的日温度变化幅度(即层间日温差)，如图6所示。

图5 传感器布置位置

图6表明，距轨道板表面不同深度层面日温差波动存在差异，距离板面越近，受气象参数影响更为明显，温度变化幅度较大。随着深度的增加，轨道板内部的温度变化逐渐减小，其温差变化也随之减小。整体来看，无论路基段还是桥梁段，测点在不同深度的日温差变化规律保持高度一致，越靠近板面的温差变化幅度越大，砂浆层、支承层及底座板温差变化幅度相对较小。对比路基段和桥梁段可知，桥梁段相同深度层面温度变化幅值略高于路基段。这与路基和桥梁结构的结构传热过程存在差异性密切相关。