張建清，梁雙雙，魏春城，康維新，楊榮山

（西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031）

1 概述

無砟軌道因平順性好、維修少、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在近幾年中國高速鐵路迅速發(fā)展過程中得到了廣泛應(yīng)用。但無砟軌道長期暴露在自然環(huán)境中，不僅要承受列車荷載，還要承受氣候條件變化所引起的溫度荷載。因而在服役過程中，無砟軌道會出現(xiàn)各種形式的溫度病害。其中，連續(xù)式無砟軌道在高溫天氣下會出現(xiàn)上拱病害，而低溫天氣下會出現(xiàn)開裂病害，這些病害破壞無砟軌道的整體結(jié)構(gòu)性能，削弱軌道的耐久性進(jìn)而危及列車的行車安全[1]。

隨著大量溫度病害的出現(xiàn)，如何對無砟軌道溫度進(jìn)行低成本監(jiān)測以降低整治成本已成為重要的研究課題。有關(guān)土工建筑溫度場的研究，國外研究人員在道路溫度場監(jiān)測與分析方面取得了大量成果[2-10]。在軌道方面，德國在軌道設(shè)計上將豎向溫度梯度視為線性。而我國也有很多學(xué)者對此展開相關(guān)研究，劉付山等[11]基于傳熱學(xué)原理研究了無砟軌道在連續(xù)太陽輻射等氣象條件下的溫度場；楊榮山等[12]考慮地理位置和環(huán)境條件分析了連續(xù)極端高溫天氣下的無砟軌道溫度場；劉學(xué)毅等[13]基于理論推導(dǎo)和試驗研究建立了軌道板的簡便溫度計算方法；李佳雨等[14]構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對華東地區(qū)夏季無砟軌道溫度梯度質(zhì)量進(jìn)行了預(yù)測與評價。在溫度預(yù)測模型的建立方面，Diefenderfer B K等[15-17]作出了相應(yīng)貢獻(xiàn)。在監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的搭建方面， Huber G A等[18-20]提出了相關(guān)建議。上述學(xué)者的研究推動了對無砟軌道溫度場的認(rèn)識，為無砟軌道的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段無砟軌道的溫度只能通過安裝溫度傳感器[21]或使用紅外掃描儀來監(jiān)測，但這2種監(jiān)測方式需要大量的人工、材料等，成本較高，僅限局部地區(qū)使用，難以應(yīng)用于對整條線路的溫度監(jiān)測。經(jīng)過前期對無砟軌道溫度場的大量研究，確定可利用傳熱學(xué)原理及有限元仿真等方法建立氣象資料、線路方位、地形地貌等信息與無砟軌道溫度場之間的映射關(guān)系，即可通過編程手段快速、準(zhǔn)確、批量、經(jīng)濟(jì)地獲取整條線路上的無砟軌道溫度場。因此開發(fā)無砟軌道溫度監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)（Ballastless Track Temperature Monitoring and Early Warning System，簡稱TMW系統(tǒng)），該系統(tǒng)利用無砟軌道線路所經(jīng)過各城鎮(zhèn)的氣象資料、鐵路工作人員所記錄線路方位、地形地貌等資料信息可計算出無砟軌道的溫度場。

2 TMW系統(tǒng)工作流程和主要技術(shù)

為了實現(xiàn)對整條無砟軌道線路的溫度進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警，設(shè)計TMW系統(tǒng)，其流程見圖1。TMW系統(tǒng)主要功能為：獲取沿線各城鎮(zhèn)氣象站或自建氣象站測得的氣象資料；獲取現(xiàn)場工作人員測得的無砟軌道溫度數(shù)據(jù)以修正該系統(tǒng)計算誤差；通過系統(tǒng)界面展示所計算出的沿線軌道板上下表面溫度、溫度梯度等信息；通過警告窗口、短信、電子郵件提醒用戶計算結(jié)果超限等情況。TMW系統(tǒng)需要獲取沿線地形地貌、線路方位、沿線實時氣象資料及預(yù)報數(shù)據(jù)，并通過這些信息定時計算沿線無砟軌道溫度場，這是TMW系統(tǒng)的開發(fā)難點。為解決這些難點問題，TMW系統(tǒng)主要采用以下條件、技術(shù)和手段：

（1）運行環(huán)境為Windows操作系統(tǒng)。

（2）編程語言為Python。

（3）系統(tǒng)實現(xiàn)通過運用PyQt5庫搭建系統(tǒng)界面；運用Urllib3庫等獲取存于服務(wù)器中的氣象資料；運用Ansys命令流、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、簡便公式等方法計算溫度場；運用Matplotlib庫繪制沿線軌道板上下表面溫度圖、軌道板溫度梯度。

（4）通過高分衛(wèi)星或無人機等預(yù)先獲取線路兩側(cè)地形地貌、線路朝向；通過城鎮(zhèn)氣象站或自建氣象站獲取氣象資料。

圖1 TMW系統(tǒng)工作流程

3 TMW系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于氣象資料的TMW系統(tǒng)具有操作簡單、監(jiān)測準(zhǔn)確、運行可靠等優(yōu)點，可以有效地對存在和潛在溫度病害的線路區(qū)段進(jìn)行精準(zhǔn)報警。TMW系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

系統(tǒng)應(yīng)用中的實施方法，一方面，所選鐵路沿線氣象站資料通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綗o砟軌道溫度監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)中；另一方面，線路工作人員可以將溫度掃描儀和溫度傳感器所獲取的溫度信息錄入到系統(tǒng)中以修正氣象資料數(shù)據(jù)的誤差。最后，TMW系統(tǒng)對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算，識別判斷并發(fā)送警報信息。

系統(tǒng)的軟件主要服務(wù)于鐵路工務(wù)段及有相關(guān)需求單位，并可以按照相關(guān)單位的要求開發(fā)特殊新功能板塊。軟件使用需得到相關(guān)氣象站的授權(quán)以實時接收氣象數(shù)據(jù)，以便解決人工現(xiàn)場巡視、掃描帶來的延誤。

圖2 TMW系統(tǒng)構(gòu)成

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

3.2.1 地形地貌、線路方位等資料輸入

鐵路沿線不同地形地貌、氣象條件對無砟軌道的溫度場影響較大。地形地貌影響無砟軌道周圍氣象條件進(jìn)而影響無砟軌道的溫度場，如隧道里風(fēng)速為0、溫度變化幅度較??；線路兩側(cè)高山在清晨或午后某些時刻會遮擋太陽輻射等，因此前期需調(diào)查無砟軌道沿線的地形地貌，作為TMW系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，以便精確地監(jiān)測或預(yù)警線路上各段無砟軌道的溫度場。將沿線左右兩側(cè)的地形地貌簡化為平地、矮山、高山和隧道，并與線路走向、當(dāng)?shù)貧庀筚Y料組合起來，即可監(jiān)測或預(yù)警無砟軌道的溫度場。TMW系統(tǒng)的地形地貌、線路方位等資料輸入界面見圖3。

圖3 無砟軌道線路輸入界面

3.2.2 線路監(jiān)測

在選擇TMW系統(tǒng)內(nèi)置的一些無砟軌道線路時，TMW系統(tǒng)會通過后臺聯(lián)網(wǎng)并以一定的時間間隔自動獲取該線路沿線的城鎮(zhèn)氣象站或自建氣象站所測得的氣象資料，同時TMW系統(tǒng)會定期更新內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中的無砟軌道線路數(shù)據(jù)，避免缺漏對新建線路的監(jiān)測和預(yù)警。獲取氣象資料后，TMW系統(tǒng)會根據(jù)用戶選擇，使用有限元、簡便公式法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等方式進(jìn)行計算。計算完成后，即可將沿線的軌道板上下表面中點處的溫度、溫度梯度及某區(qū)段的溫度場等結(jié)果呈現(xiàn)出來，結(jié)果顯示界面見圖4，其中軌道板上下表面中點處的溫度、沿線軌道板的溫度梯度位于顯示界面左下角，某區(qū)段的溫度場（用戶可選定位置）位于顯示界面右側(cè)。

后續(xù)使用中，TMW系統(tǒng)會定時自動獲取氣象資料、自動計算、自動更新結(jié)果，方便用戶使用。同時，在某段線路溫度梯度超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)時，在圖4右側(cè)會顯示該線路超出范圍最多的區(qū)段的無砟軌道溫度場，同時根據(jù)用戶需求，會將超限的區(qū)段及其相應(yīng)軌道板上下表面溫度或軌道板溫度梯度等信息以彈出警告窗口、發(fā)送郵件或發(fā)送短信等方式提醒用戶。

3.2.3 溫度修正

圖4 TMW系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果展示面板

當(dāng)TMW系統(tǒng)計算的結(jié)果出現(xiàn)偏差時，用戶可在出現(xiàn)偏差的區(qū)段布設(shè)溫度傳感器或使用溫度掃描儀等設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測，監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)上傳到TMW系統(tǒng)，以便系統(tǒng)對所計算的結(jié)果進(jìn)行修正。溫度修正界面見圖5。

圖5 TMW系統(tǒng)溫度修正界面

3.2.4 溫度預(yù)測

在對整條無砟軌道線路進(jìn)行監(jiān)測的同時，TMW系統(tǒng)也可對其未來的溫度場等進(jìn)行預(yù)測。用戶點擊圖3中的“次日預(yù)報”后，TMW系統(tǒng)即可對當(dāng)前輸入線路進(jìn)行預(yù)測。為減輕計算負(fù)擔(dān)，也可僅限于對次日極端天氣或當(dāng)日軌道板溫度梯度已經(jīng)超限的區(qū)段進(jìn)行預(yù)測。TMW系統(tǒng)利用每個城鎮(zhèn)現(xiàn)有所發(fā)布的天氣預(yù)報，將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)自身可用的信息參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，該功能同樣可以獲取該線路沿線的軌道板上下表面中點處的溫度、沿線軌道板的溫度梯度、某區(qū)段的溫度場等結(jié)果，并對次日可能處于極端溫度的線路區(qū)段進(jìn)行警報，以便用戶為該區(qū)段未來可能出現(xiàn)的極端氣候做好預(yù)防措施。

4 系統(tǒng)算法闡述

TMW系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為使用有限元方法、簡便公式方法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對無砟軌道的溫度場進(jìn)行計算，這3種方法均通過輸入氣象資料、線路兩側(cè)地形地貌、線路方位即可輸出無砟軌道溫度場。有限元方法是基于傳熱學(xué)理論，將傳熱學(xué)理論中的公式轉(zhuǎn)換成應(yīng)用于無砟軌道的傳熱公式，利用該公式將氣象資料處理成新的數(shù)據(jù)，并作用于無砟軌道模型[11]，從而計算出無砟軌道的溫度場；簡便公式方法是將上述有限元方法算得的無砟軌道截面內(nèi)的各位置處溫度與氣象資料、線路兩側(cè)地形地貌、線路方位進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到它們之間的映射公式，根據(jù)這3個輸入條件即可算出無砟軌道的溫度場[12]；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法基于有限元方法的輸入條件和輸出結(jié)果，通過該算法將輸入條件和輸出結(jié)果進(jìn)行訓(xùn)練，得到它們之間的映射關(guān)系，與簡便公式方法類似。

有限元方法需要用戶安裝相應(yīng)有限元軟件，每次計算耗費一定時間，但精度最高；簡便公式方法可直接將輸入條件代入公式得到結(jié)果，計算速度快，但有一定誤差；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法則需要對大量的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，需要等待多次用有限元方法計算之后才可使用，且訓(xùn)練時間較長，精度介于有限元方法和簡便公式方法之間。

5 結(jié)束語

用于無砟軌道溫度監(jiān)測與預(yù)警的TMW系統(tǒng)，實現(xiàn)了無砟軌道線路長期、自動監(jiān)測與預(yù)警功能，可節(jié)省大量人力、物力等，該系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)分析處理、有限元軟件調(diào)用及應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測等模塊，實現(xiàn)了從監(jiān)測到預(yù)測全方位的預(yù)警功能，具有快速、精準(zhǔn)、高效的監(jiān)測預(yù)警能力。隨著我國高速鐵路的大規(guī)模運營，未來鐵路不再是以建設(shè)為主，而將步入長期的養(yǎng)護(hù)維修階段，因而TMW系統(tǒng)會大大提高養(yǎng)護(hù)維修的效率，避免不必要的成本浪費。TMW系統(tǒng)在鐵路的廣泛應(yīng)用將會為我國無砟軌道病害整治與維護(hù)提供一套有效的解決方案。