道岔监测系统在城市轨道交通安全监测中的应用

胡怡东 蒋忠辉

（1.广州地铁集团有限公司运营事业总部，广州510000；2.四川西南交大铁路发展股份有限公司，成都610031）

我国主要城市的轨道交通运营线网规模日益扩大，运营里程日益增加，列车速度等级越来越高，发车频次越来越密，列车最小追踪时间间隔越来越短，高峰期客流量越来越大，因而城市轨道交通运营的维护压力不断提高，对列车的安全运行保障能力、轨道设备的检修效率及维护成本均提出了更高要求。

道岔作为轨道设备的重要组成单元，其服役状态决定了列车过岔的安全性［1］。尖轨、心轨是实现列车转辙的关键部件，其结构存在断面变化大、边界条件复杂、使用寿命短等特点［2］，这些轨件一旦出现伤损而不能及时地被发现和排除，将严重影响轨道交通的运营安全，甚至引发安全事故。目前，我国钢轨伤损检测的相关设备主要有大型探伤车和小型探伤仪。大型探伤车在通过道岔时，为了保护探头不受损坏，要求抬升探头架，故无法对道岔区域钢轨实施检测；而小型探伤仪虽然在伤损检出率方面有所改善，但是存在作业效率低、人力投入量大等缺点。随着城市轨道交通运营速度提升、车流密度增大、线路服役时间延长，道岔出现伤损的现象日趋严峻，而现有的大多数探伤技术无法保障道岔全天候运行安全，因此，迫切需要一种能够补充现有道岔钢轨探伤工艺的不足、可以对道岔钢轨进行实时监测的新技术。

随着电子信息、终端传感、信号处理等技术的发展和应用，能够实时监测道岔钢轨安全的技术系统越来越受到轨道交通运营维护部门的重视［3］。广州地铁轨道维护部门结合线网轨道特点和道岔病害情况，合作研发的道岔监测系统能够实现钢轨伤损报警、健康状态预警功能，全天候实时监测道岔钢轨安全状态。

1 道岔监测系统的架构和原理

1.1 系统架构

道岔监测系统的架构见图1，监测信息通过通信网络实时传到设置在轨道运维部门、车站等的用户终端。

图1 道岔监测系统架构

1.2 系统原理

随着现代信号处理技术进步和传感器技术成熟，基于声发射技术及非线性超声的监测系统逐渐应用到轨道交通行业［4-5］。

1.2.1 声发射技术

声发射是指材料在外力或者内力的作用下，局部能量源快速释放能量而产生瞬态弹性波的现象，材料的断裂和塑性变形是主要的声发射源，同时材料的摩擦、腐蚀、变相等也会出现声发射现象［6］。通常，声发射源所产生的瞬态弹性波可以从材料内部传导至表面，引起材料表面质点的位移变化，压电传感器可以将这种位移变化转化为电信号，在频域中，声发射信号的传递过程可以表示为

式中：HAE为声发射信号的传递函数；Ho为声发射源的传递函数；Hr为钢轨的传递函数；Hs为传感器的传递函数；He为放大器的传递函数［7］。

式（1）表明，压电传感器采集的声发射信号是由声发射源、传播介质、传感器及放大器共同作用的结果。声发射技术的本质是从声发射信号中获得伤损信息，并建立映射关系来检测钢轨的伤损状态。可以通过参数分析、波形分析、模式识别等方法分析声发射信号获得材料的伤损状态信息，从而掌握裂纹扩展的信息，进而实现钢轨无损检测的目的。声发射技术是一种被动式检测方法，具有灵敏度高、不受传导介质几何形状限制等优点。理论上声发射技术可以实现道岔全生命周期的伤损检测，但是在裂纹扩展的初期，声发射现象出现的频次较低，声发射源的幅值较小，传感器无法采集到有效的声发射信号，因此该技术只适用于裂纹扩展的末期。非线性超声技术具有对微裂纹、微缺陷敏感之类的优点，可以作为一种有效的补充手段。

1.2.2 非线性超声波

传统的线性超声波检测技术是基于超声波在传播过程中遇到缺陷时的反射、散射等线性特征进行伤损检测的，与声发射技术类似，往往只对钢轨中的大裂纹具有较强的检测能力。非线性超声检测技术主要是观测材料的非线性声学响应，例如高次谐波的产生、波束混叠、非线性共振频率漂移等，其判断依据是采集信号在频率上的改变［8］。一般情况下，钢轨介质中非线性应力应变关系为

式中：σ为应力；E为杨氏模量；ε为应变；β为二阶非线性系数。

当应变很小时，钢轨介质中质点在x方向上的运动方程为

式中：ρ为钢轨密度；u为x方向的位移；t为传播时间；x为超声波的传播距离。

设一列沿x轴方向传播的纵波进入钢轨介质中，结合式（2），可以得到该纵波的波动方程为

式中：c为钢轨中波速；δ为三阶非线性系数；H(ε，˙)为滞回效应引起的非线性项，即

式中：α为滞回系；˙为应变对时间的微分。

由式（4）可知，超声非线性主要来自钢轨晶格、位错等非线性应力应变关系。在钢轨塑性变形过程中，通常由晶格导致的非线性变化并不明显，其变化主要来自于位错［9］。因此，激励信号为单频正弦波时，则

式中：A1为幅值；ω为角速度。

忽略声衰减的影响时，将式（6）代入式（3）和式（4）中得到激励信号在钢轨介质中传播的表达式，即

式中：k为波数。

二次谐波幅值A2可以表示为

由式（8）可知，非线性响应的二次谐波幅值A2与二阶非线性系数β有关，即

通过非线性系数β可以评价并预测材料中的伤损和微缺陷。

1.3 系统功能

既有探伤设备不能很好地监测钢轨Ⅰ区侧面、Ⅲ区及轨头截面宽度＜50 mm的区域，道岔监测系统实现了对这些探伤盲区的监测。该系统在线监测螺孔贯穿裂纹、轨头下颚水平裂纹、轨腰水平裂纹、轨头裂纹掉块、轨底裂纹掉块等伤损类型，并根据伤损情况进行分级报警。系统还具备钢轨健康状态预警功能，当钢轨状态发生改变时发出健康状态预警。健康状态代表钢轨处于整个生命周期某个阶段的服役状态，钢轨断裂、掉块、侧磨，可动部件涂抹润滑油、安装加强栓、调节尖基差、换轨等大幅度维修均会影响钢轨的服役状态。当发生上述某个大幅度维修动作后，数据会出现明显异常，通过大量历史数据积累、分析和统计，即可实现对钢轨健康状态的预警。另外，监测设备和传感器还具备自检功能，当设备发生异常时能够快速进行状态复位，并通报设备运行状态。

2 道岔监测系统的应用现状

为了验证道岔监测系统在城市轨道交通安全监测中的作用和应用前景，首先在广州地铁鱼珠车辆段对该系统进行了现场测试，其次在广州地铁五号线进行了长时间的试挂运行，最后在广州地铁十四号线进行了小规模的正式工程应用。

2.1 系统的测试及试用情况

2.1.1 现场测试

2015年11月广州地铁运维部门组织相关人员在鱼珠车辆段试车线对该系统进行了现场测试。此次测试在直线电机驱动列车经过时的特殊电磁干扰环境下，利用液压机对钢轨进行裂纹、折断试验，以此来验证该系统的有效性。

现场试验通过液压机逐级向钢轨试件施加压力，每次钢轨出现裂纹扩张，客户端均及时、准确地发出伤损类报警；液压机继续向钢轨试件施加压力，直到断轨，系统可以监测到钢轨断裂，客户端准确地发出了伤损类报警。试验结果表明，该监测系统在复杂电磁干扰环境下功能正常，能够切实反映钢轨的伤损状态。

2.1.2 试用情况

2015年8月20日凌晨，广州地铁五号线文冲站2415#道岔曲尖轨S1传感器发出报警信号，结合数据分析以及现场工作人员确认，本次报警是由于曲尖轨在天窗点进行打磨作业造成的，钢轨打磨属于人为的修复性损伤，说明该系统可以有效地监测钢轨伤损。2016年9月在试用目标道岔曲尖轨S1传感器发出伤损报警信号，结合数据分析以及轨道维护人员现场检查确认：S1传感器所在尖轨发生掉块伤损。本次报警验证了该系统可以有效监测到道岔钢轨伤损。

在长时间的试挂运行后，相关人员验收现场设备时发现，安装在道岔钢轨上的传感器及其安装装置性能可靠、安全稳固，没有发生任何松脱、折断等问题，各传感器及安装在轨道旁的监测分机、监测主机等设备在运行过程中没有对铁路既有设施造成不利影响。另外，监测分机、监测主机以及客户端均未出现死机、工作不稳定等异常情况。说明该系统具备足够的安全性、稳定性及抗干扰能力，适用于地铁运营工况。

2.2 系统正式应用情况

为了进一步扩大应用范围，优化系统功能，于2019年8月在广州地铁十四号线嘉禾望岗站W11118和W11120道岔正式应用监测系统。图2为监测系统在道岔上的传感器布置示意，监测区域覆盖直尖轨、曲尖轨、导曲轨、岔区部分基本轨及心轨，每组道岔分别安装了12只传感器。

图2 嘉禾望岗站监测系统传感器布置

图3为W11118道岔和W11120道岔各传感器采集的数据分布情况，可知：各传感器采集的文件数量几乎在同一水平。该结果表明，各传感器数据采集正常，未出现传感器故障等现象。

图3 传感器采集的数据分布情况

图4为传感器采集信号的时域图和频谱图。从时域图可知：该信号中未出现裂纹扩展引起的声发射信号。从频谱图可知：采集信号中未出现明显的非线性现象。该结果表明传感器采集信号为正常的过车信号。

图4 正常过车信号

图5为W11118道岔各传感器监测钢轨伤损类情况和健康类情况。从图5可以看出：所有传感器均未出现报警现象，只是部分传感器在某些时间段出现健康指标变化的现象，但是变化量较小，说明其健康状态未发生本质上的变化，不影响行车安全，这表明W11118道岔钢轨服役情况良好。现场数据表明W11120道岔表现出与W11118道岔相同的规律。

图5 W11118道岔钢轨监测结果

在应用过程中，通过比对实时监测数据与人工巡检结果及钢轨探伤作业结果，均未发现被监测的道岔出现裂纹、轨面掉块、断轨等异常情况，说明道岔监测系统可以真实反映道岔钢轨伤损情况及健康状态。

2.3 广州地铁对道岔监测系统的应用成果

1）道岔监测系统伤损监测功能可以实现对道岔钢轨的24 h实时监测，能够及时发现道岔钢轨伤损。同时比人工巡检更加准确，可以作为目前现有钢轨伤损检测手段的有益补充，有效提高道岔伤损检测效率，逐步降低各类探伤检修设备及人员的投入。

2）道岔监测系统健康类监测功能可以实现道岔轨件伤损事后发现向事前预警的转变，实时掌握道岔的健康状态可大幅降低因轨件伤损而引发列车事故的风险性。

3）道岔监测系统可以使用专用网络接口接入地铁综合监控系统，与综合监控系统互联互通，实现道岔监测系统与地铁既有监控系统的无缝衔接和交互。

3 应用前景

未来在应用过程中，还可适当拉长道岔探伤周期、降低频次，从而降低道岔维护成本。随着功能不断改进和完善，该系统的应用价值将不断显现。

另外，还可从以下几方面继续展开深化研究：

1）在提高道岔钢轨伤损报警功能的准确率和泛化能力的同时，逐步实现伤损定性监测向定量监测转变。道岔监测系统可以实现24 h在线监测，在监测钢轨伤损状态的同时，不断积累道岔设备的状态数据，并且每天以数万条的速度增加。可以基于大数据分析技术从海量数据中挖掘伤损信号与伤损程度的映射关系，实现伤损定量监测，提高监测准确率。

2）研究并推出伤损定位功能，从海量数据中挖掘出伤损信号与伤损位置的映射关系，提高伤损监测和道岔检修的针对性，降低道岔维护成本。

3）深化完善道岔钢轨健康预警功能，实现道岔伤损事前预警，帮助维护部门制定有针对性的检修计划。道岔在服役过程中的健康状态是渐变的，由开始的健康状态到最终的伤损状态，是持续的量变叠加过程。通过健康预警可以实时掌握道岔的健康状态，出现异常时提示维护部门重点关注，有助于提高道岔检修的针对性，降低道岔检修成本。

4 结语

通过研究某道岔监测系统的架构、原理和功能，以及在广州地铁进行长时间的测试和试运行，发现该系统在地铁线路复杂的电磁干扰环境下，具备足够的安全性、稳定性及抗干扰能力，可以真实反映钢轨伤损情况及健康状态，从而能够切实提高地铁道岔的安全保障水平。随着该系统的应用价值逐渐受到重视和认可，以及技术层面不断突破，该系统有望在城市轨道交通运营安全监测中发挥重要作用。