張長(zhǎng)生

(上海新海信通信息技術(shù)有限公司，上海 200436)

1 概述

隨著城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展，CBTC 系統(tǒng)逐步取代軌道電路，這使得工務(wù)部門對(duì)鋼軌的狀態(tài)監(jiān)測(cè)處于空窗。為掌握鋼軌狀態(tài)，實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法的研究愈發(fā)顯得重要和緊迫。目前國(guó)內(nèi)外主要采用的實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法有：牽引回流實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法、準(zhǔn)軌道電路實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法、光纖實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法、應(yīng)力實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法、聲波實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法、載波傳輸實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法等。

在牽引回流檢測(cè)方面，王語園提出了一種利用鋼軌中牽引回流進(jìn)行斷軌檢測(cè)的方法,并利用MATLAB/Simulink 仿真軟件針對(duì)交流牽引供電系統(tǒng)建立了斷軌檢測(cè)模型[1]；謝保鋒等作者提出一種基于檢測(cè)輸入和輸出進(jìn)行對(duì)比的校準(zhǔn)方法,對(duì)牽引回流檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)[2]。

在準(zhǔn)軌道電路檢測(cè)方面，楊吉研發(fā)了適用于電務(wù)檢測(cè)車的軌道電路檢測(cè)數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)[3]；謝保鋒等作者根據(jù)軌道電路檢測(cè)系統(tǒng)工作原理,通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響因素的分析,提出基于檢測(cè)輸入和輸出進(jìn)行對(duì)比的黑箱標(biāo)定方法和測(cè)量結(jié)果不確定度的計(jì)算方法[4]。

在光纖檢測(cè)方面，劉云鵬等作者針對(duì)傳統(tǒng)變壓器繞組變形檢測(cè)的缺陷,提出了基于分布式光纖傳感的變壓器繞組變形檢測(cè)方法[5]。

在應(yīng)力檢測(cè)方面，鄒華章等作者設(shè)計(jì)了一種基于磁致伸縮機(jī)理的電磁超聲換能器(EMAT)應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)[6]；朱秋君等作者基于BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),以鐵磁性試件的溫度、和經(jīng)處理得到的巴克豪森噪聲信號(hào)的均值、均方根、振鈴數(shù)和峰寬比作為主要的影響因子,以試件的壓應(yīng)力作為輸出結(jié)果,建立巴克豪森鐵軌溫度應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)[7]。

在聲波檢測(cè)方面，陳華等作者分析了每個(gè)因素水平對(duì)聲波檢測(cè)儀的作用及各個(gè)水平之間的差異,探討了收發(fā)探頭之間的起始距離、發(fā)射電壓、首波占顯示時(shí)間軸的比例對(duì)測(cè)量的影響,并與聲時(shí)測(cè)量理論值進(jìn)行對(duì)比[8]；桑帥軍等作者基于時(shí)—距法聲時(shí)測(cè)量原理,應(yīng)用伺服電機(jī)、高精度平移臺(tái)、光柵尺、換能器夾具等研制了聲波檢測(cè)儀聲時(shí)測(cè)量誤差檢測(cè)裝置[9]。

而且載波傳輸檢測(cè)也是很成熟的技術(shù)，現(xiàn)在將這些方法針對(duì)實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法的性能對(duì)比，如表1所示。

表1 實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法檢測(cè)性能對(duì)比Tab.1 Comparison of detection performance of real - time broken rail detection method

因城市軌道交通列車運(yùn)行密度遠(yuǎn)大于國(guó)鐵，國(guó)鐵中一個(gè)需要斷軌監(jiān)測(cè)的半自動(dòng)閉塞區(qū)間再次運(yùn)行列車的時(shí)間間隔最少是幾min 以上，而城市軌道交通最繁忙的時(shí)段兩車相距時(shí)間在2 min 之內(nèi)。這使得采用以車站至車站為監(jiān)測(cè)單元的方法無法實(shí)現(xiàn)，采集的道床數(shù)據(jù)不足以保證不誤報(bào)。

城市軌道交通斷軌監(jiān)測(cè)方案須采用以10 ～1 000 m 為一個(gè)監(jiān)測(cè)單元，而不能以國(guó)鐵的站至站為一個(gè)監(jiān)測(cè)單元來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)是把幾百米監(jiān)測(cè)單元看作為一個(gè)負(fù)載，斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備通過自激勵(lì)產(chǎn)生特定頻率的電流對(duì)負(fù)載提供功率，如果鋼軌沒有斷軌，則這一單元的道床電阻不變，電流保持不變；若鋼軌斷軌，這一單元的道床電阻會(huì)明顯變大，電流變小。

本系統(tǒng)使用短路連接線將鋼軌分成若干閉合區(qū)間，將每個(gè)閉合區(qū)間看作一個(gè)“負(fù)載”，監(jiān)測(cè)終端設(shè)備通過自激勵(lì)對(duì)負(fù)載提供功率。監(jiān)測(cè)終端設(shè)備實(shí)時(shí)對(duì)負(fù)載功率進(jìn)行采集并及時(shí)通過以電力線為載體的載波方式傳輸?shù)焦芾砥髟O(shè)備，然后由管理器設(shè)備負(fù)責(zé)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，由云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷。

2 技術(shù)方案

系統(tǒng)框如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

在圖1 中，本系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)終端、管理器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、云端監(jiān)測(cè)中心、電力線，短路線組成。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示，每500 m 一根短路線（可調(diào)整10 ～1 000 m），將鋼軌分成5 個(gè)長(zhǎng)度為500 m（可調(diào)整10 ～1 000 m）的獨(dú)立的閉合區(qū)間。監(jiān)測(cè)終端和管理器則分別安裝在每個(gè)區(qū)間的中心位置，也就是離區(qū)間兩端短路線都為250 m 的位置。監(jiān)測(cè)終端通過電力線載波與管理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，管理器將接收到的監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)通過RS-485 通信電路發(fā)送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，再通過Internet 網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)中心通過Internet 網(wǎng)絡(luò)與管理器建立TCP 連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。監(jiān)測(cè)終端和管理器通過電力線供電，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure

3 系統(tǒng)主要工作原理

根據(jù)圖2 所示，本系統(tǒng)主要由鋼軌、監(jiān)測(cè)終端、管理器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、電力線、服務(wù)器、客戶端、監(jiān)測(cè)中心等部分組成。

3.1 監(jiān)測(cè)終端

監(jiān)測(cè)終端的主要功能是通過PWM 控制電路對(duì)鋼軌產(chǎn)生500 Hz～10 kHz 信號(hào)并輸送功率，實(shí)時(shí)采集發(fā)射功率，通過電力線載波方式循環(huán)間隔（當(dāng)前版本為10 s 間隔）與管理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，傳輸本身信息數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)終端由電源電路、恒流源電路、單片機(jī)、電力線載波電路、鋼軌輸送功率電路、功率采集電路等組成，如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)終端Fig.3 Monitoring terminal

3.2 管理器

管理器的主要功能同樣是通過PWM 控制電路對(duì)鋼軌產(chǎn)生500 Hz～10 kHz 信號(hào)并輸送功率，實(shí)時(shí)采集發(fā)射功率，通過電力線載波方式與監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收所有監(jiān)測(cè)終端傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)。收到數(shù)據(jù)通過RS-485 通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。管理器由電源電路、恒流源電路、單片機(jī)、電力線載波電路、鋼軌輸送功率電路、功率采集電路、RS-485 通信電路等組成，如圖4 所示。

圖4 管理器Fig.4 Manager

3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通過RS-485 接口與管理器連接，并將管理器所發(fā)送的數(shù)據(jù)通過Internet 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給云端監(jiān)測(cè)中心。管理器通過RS-485 接口與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、通信波特率2 400 bit/s，管理器可以通過RS-485 接口向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備發(fā)送幀格式數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備收到數(shù)據(jù)后通過TCP 向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.4 監(jiān)測(cè)中心

監(jiān)測(cè)中心包含服務(wù)器程序和PC 端的客戶端軟件，通過TCP 服務(wù)，數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，處理結(jié)果在PC 客戶端軟件上顯示。

3.5 系統(tǒng)工作原理

1）監(jiān)測(cè)終端每隔500 m 安裝一個(gè)，所有監(jiān)測(cè)終端（除監(jiān)測(cè)終端1）工作有3 種狀態(tài)：主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)倒計(jì)時(shí)狀態(tài)（等待接收信息數(shù)據(jù)狀態(tài)）、數(shù)據(jù)信息接收狀態(tài)、采集本身功率并發(fā)送數(shù)據(jù)信息狀態(tài)。

a.主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)倒計(jì)時(shí)（10 s）狀態(tài)（等待接收信息數(shù)據(jù)狀態(tài)）

由于晶振起振時(shí)間會(huì)略有差別，為了讓監(jiān)測(cè)終端依次進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送而不產(chǎn)生沖突，在監(jiān)測(cè)終端上電時(shí)設(shè)置一個(gè)第一次上電自主發(fā)送時(shí)間點(diǎn)，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)只進(jìn)行一次倒計(jì)時(shí)，以后不再使用。當(dāng)?shù)谝淮紊想娮灾靼l(fā)送時(shí)間倒計(jì)時(shí)結(jié)束，監(jiān)測(cè)終端自主發(fā)送一次數(shù)據(jù)信息，發(fā)送完成后，則正式進(jìn)入主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)倒計(jì)時(shí)狀態(tài)。監(jiān)測(cè)終端在此狀態(tài)下，如果倒計(jì)時(shí)還沒有到達(dá)，則基本處于空閑狀態(tài)（可以接收其他監(jiān)測(cè)終端信息數(shù)據(jù)）；假設(shè)不能接收其他監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)信息的情況下，監(jiān)測(cè)終端會(huì)以間隔（10+fs_time（dc.id））s的時(shí)間循環(huán)發(fā)送本身的數(shù)據(jù)信息給其他監(jiān)測(cè)終端和管理器。其中dc.id 是監(jiān)測(cè)終端的ID 標(biāo)號(hào)，如圖2中監(jiān)測(cè)終端2 自主循環(huán)發(fā)送時(shí)間為10.667 s，監(jiān)測(cè)終端3 自主循環(huán)發(fā)送時(shí)間為10.809 s 等。

b.數(shù)據(jù)信息接收狀態(tài)

當(dāng)監(jiān)測(cè)終端3 處于主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)倒計(jì)時(shí)狀態(tài)（等待接收信息數(shù)據(jù)狀態(tài)）時(shí)，接收到監(jiān)測(cè)終端2 或者監(jiān)測(cè)終端1 的數(shù)據(jù)信息，則監(jiān)測(cè)終端3 進(jìn)入數(shù)據(jù)信息接收狀態(tài)。此狀態(tài)下監(jiān)測(cè)終端3 接收監(jiān)測(cè)終端2或者監(jiān)測(cè)終端1 數(shù)據(jù)信息并不保存在緩存區(qū)，但是會(huì)根據(jù)接收的是監(jiān)測(cè)終端2 或者監(jiān)測(cè)終端1 的數(shù)據(jù)而更改自主發(fā)送數(shù)據(jù)的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，使其縮短，也就是相應(yīng)的提前自主發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2 所示，監(jiān)測(cè)終端1 自主發(fā)送完成數(shù)據(jù)信息后，監(jiān)測(cè)終端2 收到監(jiān)測(cè)終端1 的數(shù)據(jù)信息,本來自主發(fā)送數(shù)據(jù)的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器還有500 ms，但是因?yàn)槭盏奖O(jiān)測(cè)終端1 的數(shù)據(jù)信息，則把倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器修改為250 ms，也就是監(jiān)測(cè)終端2 將提前250 ms 開始發(fā)送數(shù)據(jù)信息。依次類推監(jiān)測(cè)終端3、監(jiān)測(cè)終端4 都會(huì)在收到它們之前的一個(gè)監(jiān)測(cè)終端或再前面一個(gè)監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)信息而將自主發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間提前。

c.采集本身電平并發(fā)送數(shù)據(jù)信息狀態(tài)

在修改本身自主發(fā)送數(shù)據(jù)的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器后，倒計(jì)時(shí)完成，進(jìn)入到數(shù)據(jù)信息發(fā)送狀態(tài)。監(jiān)測(cè)終端在此狀態(tài)下，采集本身發(fā)送電平，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)中，根據(jù)狀態(tài)清除或者設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)整理完畢后啟動(dòng)載波模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。本身數(shù)據(jù)信息為確保成功，發(fā)送3 遍5 Byte 數(shù)據(jù)。

2）管理器工作狀態(tài)是在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)與每一個(gè)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行一次通信，將監(jiān)測(cè)終端采集的功率數(shù)據(jù)通過RS-485 通信電路發(fā)送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，然后上傳給監(jiān)測(cè)中心。管理器同步或者自主采集本身功率并發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。

4 關(guān)鍵技術(shù)

在本方案中，合理判斷斷軌點(diǎn)是關(guān)鍵。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)每500 m 安裝一個(gè)監(jiān)測(cè)終端，每個(gè)監(jiān)測(cè)終端都能與管理器通過電力線載波進(jìn)行通信，如圖5 所示。

圖5 監(jiān)測(cè)終端與管理器通信線路圖Fig.5 Communication roadmap between the monitoring terminal and the manager

在圖5 中，監(jiān)測(cè)終端1、監(jiān)測(cè)終端2、監(jiān)測(cè)終端3 一直處于10 s 循環(huán)發(fā)送狀態(tài)，10 s 未到時(shí)處于接收狀態(tài)。首先監(jiān)測(cè)終端1 的10 s 循環(huán)倒計(jì)時(shí)先到達(dá)，監(jiān)測(cè)終端1 發(fā)送編號(hào)1 的 5 Byte 數(shù)據(jù)，管理器和監(jiān)測(cè)終端2 都能接收到編號(hào)1 的5 Byte 數(shù)據(jù)，這時(shí)，管理器接收到編號(hào)1 的5 Byte 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，而監(jiān)測(cè)終端2 接收到編號(hào)1 的5 Byte數(shù)據(jù)，它則調(diào)整倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)到達(dá)則開始發(fā)送編號(hào)2 的5 Byte 數(shù)據(jù)；這時(shí)管理器接收到編號(hào)2 的5 Byte 數(shù)據(jù)，同理管理器將編號(hào)2 的5 Byte數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，然后管理器采集本身數(shù)據(jù)并開始發(fā)送編號(hào)3 的5 Byte 數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，到此一個(gè)周期結(jié)束。

鋼軌正常無斷裂情況下，管理器接收監(jiān)測(cè)終端1 和監(jiān)測(cè)終端2 的本身功率在一個(gè)正常范圍內(nèi)數(shù)值。

如果鋼軌出現(xiàn)斷軌現(xiàn)象如圖5 所示，區(qū)間2 斷軌，那么管理器接收監(jiān)測(cè)終端1 的本身功率維持不變，但是監(jiān)測(cè)終端2 的本身功率減小。依次多次減小情況，能判斷出斷軌現(xiàn)象。

5 應(yīng)用與展望

隨著各城市軌道交通運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，鋼軌疲勞程度增大，未來城市軌道交通線路普及斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種趨勢(shì)，斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將是保證城市軌道交通安全的重要組成部分。而目前工務(wù)部門對(duì)鋼軌的監(jiān)測(cè)是以定期探傷巡檢為主。這種方式耗費(fèi)極大的人力物力，故障檢測(cè)率不高，且不能全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。為解決這些問題，本文構(gòu)建了城市軌道交通鋼軌自激勵(lì)斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在鋼軌上加載一定頻率的信號(hào)，監(jiān)測(cè)終端通過信號(hào)突變來達(dá)到判斷鋼軌是否斷開，能夠及時(shí)掌握區(qū)間鋼軌實(shí)時(shí)狀態(tài)，快速發(fā)現(xiàn)故障區(qū)間信息，安排維護(hù)，保障行車安全。