浅谈道岔（伤损）监测系统在地铁中的应用

郑烽 伍铁朝 邹涛俊

摘 要：道岔作为轨道交通系统中重要的行车设备，为轨道结构的薄弱环节。因道岔为可动部件且在列车动载反复作用下易产生裂纹、断裂、掉块等病害，现有地铁线路检修办法在道岔钢轨出现断裂、掉块等突发性故障时难以第一时间发现，存在较大风险。本文介绍了一种道岔（伤损）伤损监测系统的基本原理及硬件构成，并根据其在广州地铁的应用，提出了扩大该类型钢轨伤损监测系统的应用范围及在后续研究中继续探索实时监测系统与设备养修结合应用的建议。

关键词：道岔;伤损监测;全天候监测

中图分类号：U213.43 文献标识码：A

0 引言

道岔是轨道交通基础设施中十分重要、影响行车安全的关键设施，要求具有高安全性、高可靠性，能长期保持良好的工作状态，能确保列车安全、平稳、不间断地运行，道岔一旦出现故障将严重影响轨道交通的安全运营，甚至会发生灾难性的事故。

目前在地铁行业中，针对道岔的伤损检查手段主要有大型钢轨探伤车、手推式探伤小车以及手持式通用探伤仪等，仍然是采取依靠人力、阶段性检查、维护的手段，尚缺乏对道岔行之有效的自动化、全天候的监测方法，对现有的手段总结，可以归纳其缺点主要有以下几个方面：

（1）轨面宽度<50 mm的区域需手工检查;

（2）整铸辙叉需采用手工检查;

（3）可动辙叉仪器可探，但可靠性较低，需结合手工检查;

（4）手工检查受探伤工工作经验、工作状态影响较大;

（5）探伤周期较长，无法及时发现伤损，无法进行实时监测，风险较大。

地铁作为现代化城市中主要的交通方式，面对日益增加的运营压力，对设备的保障也提出了更高的要求。因此，应用一种能够对道岔进行实时监测的新的手段便是迫切需要的。根据前人对钢轨无损监测技术的研究，目前已被提出来技术理论有多种，包括基于超声波信号理论的监测技术[1]、基于振动信号理论的监测技术[2]、交流电磁场监测技术[3]、导波监测技术、激光超声监测技术等。但这些监测技术，要么就是只能对钢轨表面的裂纹进行监测，要么就是实际应用存在较大困难，目前均未得到广泛应用。而声发射信号作为一种新出现的无损检测技术，能够对材料结构在发展过程中的特征进行评估，很适合于用于钢轨裂纹的检测。在此背景下，四川西南交大铁路发展股份有限公司率先根据声发生信号理论研制出一种能够针对铁路道岔实时伤损情况进行监测的系统，并于2019年在广州地铁实施了该系统的试用。通过一年的实际应用，取得了一定效果。本文从此次试用的道岔（道岔）伤损监测系统的原理及应用出发，对其实用性进行分析研究。

1 系统的基本原理及结构

1.1 数据探测基本原理

道岔钢轨作为监测对象，其材料特性、结构特性是确定的，而特定线路条件下行车特点是可统计的，即载荷是可统计的;结合断裂力学，在钢轨出现伤损时，其与声发射信号必定会发生改变。因此，只需要在钢轨表面安装一种传感器，并对钢轨所产生的声发射信号持续收集并进行系统分析，可以判断钢轨的设备状态。

1.2 报警逻辑

道岔（伤损）监测系统通过前期大量的实验以及伤损现场获得各类伤损数据，提取其数据特性建立初始伤损库;通过在现场各类工况下采集到的大量现场数据进行正常数据和异常数据的训练，建立初始正常库。在不同使用现场部署初始伤损库、初始正常库后，若此现场发生初始伤损库所表征的伤损类型时，直接进行伤损类型的报警;若此现场发现在初始伤损库和初始正常库中均未覆盖的信号，则系统进行预警，维护人员分析此类信号对应工况，结合工况分析结果决定此类信号应归入正常库或伤损库，实现匹配库的学习和升级。

1.3 道岔（伤损）监测系统结构

道岔（伤损）监测系统硬件部分主要由传感器、监测分机、监测主机、监测中心、监测终端、通信及电力传输通道等部分组成。各传感器实时监测道岔状态数据，通过有线方式传输至分机，由分机经过预处理后转发至主机，由主机中相应的处理模块对监测数据进行处理，并将处理后的结果及相关信息转发至监测中心，监测中心将报警信息、故障信息存储进数据库并将对应报警数据存放到指定路径下，客户端通过IP地址和对应端口访问监测中心，调取监测中心数据库中相关信息向客户展示。

2 道岔（伤损）监测系统的应用

2.1 现场布置情况

道岔（伤损）监测系统在研制过程中，针对城市轨道交通特色研发了适用于地鐵道岔特点的版本。为了有效监测岔区钢轨的伤损情况，在广州地铁的试用中，主要是在道岔结构的薄弱环节加装监测传感器，每组道岔分别安装12个，安装位置分别在尖轨前、尖轨中、导曲线中部、心轨、直基本轨、曲基本轨。

2.2 应用情况

道岔（伤损）监测系统在软件调试完成后，客户端监测界面可以显示道岔基本信息及每个传感器的工作状态。根据显示颜色的不同，每个传感器可以针对其所在道岔钢轨部件进行三个等级的伤损预警及其自身的故障预警。针对钢轨的伤损预警：一级报警表示所在钢轨可能发生轻微伤损，对于道岔设备影响轻微;二级报警表示所在钢轨确定发生了较轻微的裂纹、掉块类型的伤损;三级报警表示所在钢轨肯定发生了严重裂纹、严重掉块、断轨等情况。当传感器出现故障时，系统亦可以对其自身故障情况进行预警。同时，道岔（伤损）监测系统在软件后台界面可以提供声发射信号实时监测波形查看。道岔（伤损）监测系统利用监测得到的波形与内置数据库进行特征比较，可以判断出来伤损严重情况及伤损类型，并在后续使用过程中进行学习和数据库升级，以满足更精准的报警需求。在一年的试用中，该系统的报警情况及波形监测情况对所监测的道岔的伤损状态均有着较为准确的反应，证明了其有效性。

3 结论及建议

3.1 扩大应用范围的建议

对于道岔而言，引入领先于传统检测手段的无损新技术，投入一次性设备成本，既可以降低运行中的道岔钢轨突发断裂、折断等情况时的安全风险、有效降低道岔设备故障率，又可打破作业时间点的限制不断积累道岔设备状态数据，为道岔维护由计划修向状态修转变创造条件，逐步探索降低计划修投入、加强检修针对性，提高维护工作整体经济效益。

道岔（伤损）监测系统在广州地铁试用期间表现出的安全性、可靠性，证明无损检测技术在钢轨的实时伤损监测中具有较好的效果。因此，在未来的线路设备检修中应该积极探索利用更多的无损检测技术，以保障设备运行。

3.2 探索实时监测系统与设备养修的结合应用

目前，地铁运营部门针对轨道钢轨设备制定了严格的检修规定及配套办法，明确了各检修项目、作业频次及具体要求，需要花费巨大的人力物力。通过道岔（伤损）监测系统的逐步扩大应用，采集大量的现场监测数据之后，可以探索与既有的养修办法进行有机结合，辅助管理部门尝试进一步优化养修办法。着重在以下方面进行探索：

（1）道岔监测系统的运用可以有针对性的降低道岔区域钢轨的人工目视检查及探伤作业频次、拉开计划作业周期间隔，从总体上降低对道岔区域钢轨的人工目视检查及探伤工作量，在一定程度上降低人员、物料消耗;

（2）可以逐步推动线路养护工作由计划修向状态修转变、由阶段性养护向实时在线监测转变，直接提高了设备运行的安全可靠性，间接提高道岔设备养护的效率及经济效益。

参考文献：

[1]李文超.超声波检测钢轨伤损及定位研究[D].中北大学，2013.

[2]魏强.基于振动信号的钢轨伤损检测方法的研究[D].哈尔滨工业大学，2013.

[3]章欣.基于声发射技术的钢轨伤损检测与判别研究[D].哈尔滨工业大学，2015.