朱文發(fā) 何越磊 李再幃 路宏遙 徐洪斌

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院， 201620， 上海//第一作者,講師)

軌道板是由鋼筋混凝土組成的無(wú)砟軌道主體結(jié)構(gòu)。混凝土導(dǎo)熱系數(shù)小、傳熱性能較差。因而軌道板在溫度變化的影響下，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的非線性溫度分布[1-3]，從而發(fā)生翹曲變形，影響軌道板的平順性，使其服役性能大大降低?？梢?jiàn)，軌道板溫度分布是反映軌道板性能的重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[4]對(duì)高溫天氣條件下某項(xiàng)目的CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道內(nèi)部溫度特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與分析，得到了軌道板、砂漿層、支承層的溫度與環(huán)境溫度變化規(guī)律。文獻(xiàn)[5]在不同氣候條件下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)CA(水泥瀝青)砂漿灌注施工時(shí)的軌道板溫度，得到實(shí)測(cè)的軌道板溫度梯度，并建立軌道板力學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算軌道板在實(shí)測(cè)溫度梯度作用下的溫度翹曲變形及應(yīng)力。理論研究需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的驗(yàn)證，而高效的測(cè)試系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的保障。軌道板性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)為“軌道板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”)，以軌道板內(nèi)部溫度變化為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，并通過(guò)溫度變化全面反映軌道板的服役狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)顯示和超限預(yù)警。

1 軌道板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

軌道板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。軌道板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由便攜式前端采集硬件、后端處理分析軟件及用戶(hù)終端三部分構(gòu)成。其利用以太網(wǎng)機(jī)箱及數(shù)據(jù)采集板塊等構(gòu)建便攜式前端智慧采集硬件，以采集軌道板溫度；將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，利用在LabView平臺(tái)上編寫(xiě)的系統(tǒng)軟件，在后端處理分析中心完成數(shù)據(jù)采集、分析與超限預(yù)警的功能；由用戶(hù)使用無(wú)線終端設(shè)備(筆記本電腦、平板電腦或智能手機(jī)等)發(fā)出各種測(cè)試參數(shù)的設(shè)置和啟停指令；最后，由系統(tǒng)自動(dòng)完成大批量數(shù)據(jù)的處理和分析，并將處理結(jié)果傳回用戶(hù)終端，并實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警的功能。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.2 便攜式前端采集硬件

便攜式前端采集硬件主要完成對(duì)軌道板溫度的數(shù)據(jù)采集功能(見(jiàn)圖2)，由美國(guó)國(guó)家儀器有限公司的NI cDAQ-9188XT以太網(wǎng)機(jī)箱、NI9205模擬量數(shù)據(jù)采集卡及溫度傳感器等組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板關(guān)鍵性能參數(shù)高速度、高精度的采集。將傳感器粘貼在測(cè)試點(diǎn)上，分別通過(guò)NI9205數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)，通過(guò)以太網(wǎng)機(jī)箱的網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信[6,7]。

圖2 前端采集硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3 后端處理分析軟件

軌道板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后端處理分析軟件主要用于控制數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)和顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始的采集數(shù)據(jù)和傳輸系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)與處理，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性。軟件利用各種方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化、評(píng)估、編譯，并通過(guò)處理數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵性特征數(shù)據(jù)，以供損傷識(shí)別及評(píng)估使用[8]。

根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析，軟件設(shè)計(jì)主要包括在線監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)分析與管理模塊兩部分。

1.3.1 在線監(jiān)測(cè)模塊

在線監(jiān)測(cè)模塊主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、監(jiān)測(cè)顯示和報(bào)警等子模塊。在線監(jiān)測(cè)模塊釆集數(shù)據(jù)使用問(wèn)答式。首先，由上位機(jī)發(fā)送給下位機(jī)硬件指令；然后，下位機(jī)收到指令后，立即返回給上位所要的數(shù)據(jù)；最后，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、解析，并把解析后的數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)界面上顯示出來(lái)，為用戶(hù)提供直觀的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

后端處理分析軟件結(jié)合數(shù)據(jù)分析與理論分析，實(shí)現(xiàn)了安全預(yù)警功能，為軌道板的維修關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)提供了動(dòng)態(tài)分析與支持，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道板關(guān)鍵性能參數(shù)的遠(yuǎn)程在線管理。圖3為夏季高溫天氣情況下，當(dāng)室外溫度高于38 ℃時(shí)[8]，軌道板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警界面。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警界面

1.3.2 數(shù)據(jù)分析與管理模塊

數(shù)據(jù)分析與管理模塊對(duì)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，并使用直觀的圖形顯示處理結(jié)果，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析與評(píng)估軌道板性能。

用戶(hù)可根據(jù)時(shí)間和測(cè)點(diǎn)信息條件進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，找到某個(gè)時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)(如圖4所示)，并根據(jù)曲線趨勢(shì)判讀出現(xiàn)高低溫的情況。如出現(xiàn)故障，操作人員可根據(jù)歷史曲線的異常，準(zhǔn)確找到出現(xiàn)溫度過(guò)高的時(shí)間段，從而得出準(zhǔn)確的報(bào)警時(shí)間，為故障分析及認(rèn)定提供有力證據(jù)。

圖4 歷史系統(tǒng)

1.3.3 工程應(yīng)用

為得到在服役狀態(tài)下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布及變化規(guī)律，本文以華東地區(qū)某客運(yùn)專(zhuān)線CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，沿軌道結(jié)構(gòu)深度方向布置了傳感器(見(jiàn)圖5)。2016年7月—2017年7月期間，利用軌道板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)該項(xiàng)目路基段和橋梁段不同深度層面的日溫度變化幅度(即層間日溫差)，如圖6所示。

圖5 傳感器布置位置

圖6表明，距軌道板表面不同深度層面日溫差波動(dòng)存在差異，距離板面越近，受氣象參數(shù)影響更為明顯，溫度變化幅度較大。隨著深度的增加，軌道板內(nèi)部的溫度變化逐漸減小，其溫差變化也隨之減小。整體來(lái)看，無(wú)論路基段還是橋梁段，測(cè)點(diǎn)在不同深度的日溫差變化規(guī)律保持高度一致，越靠近板面的溫差變化幅度越大，砂漿層、支承層及底座板溫差變化幅度相對(duì)較小。對(duì)比路基段和橋梁段可知，橋梁段相同深度層面溫度變化幅值略高于路基段。這與路基和橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)傳熱過(guò)程存在差異性密切相關(guān)。

a) 路基段不同層間溫差

b) 橋梁段不同層間溫差

2 結(jié)語(yǔ)

軌道板性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板溫度的采集，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心；監(jiān)測(cè)中心可顯示所測(cè)的軌道板關(guān)鍵性能參數(shù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警的功能。數(shù)據(jù)與分析結(jié)果可為軌道板的病害預(yù)防以及養(yǎng)護(hù)維修提供方向性指導(dǎo)與科學(xué)性的建議。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，“工業(yè)4.0”的來(lái)臨，智能化測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展已勢(shì)不可擋。本測(cè)試系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同測(cè)試環(huán)境要求，靈活運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)方便攜帶及高效的測(cè)量。

目前，本系統(tǒng)已在華東地區(qū)某客運(yùn)專(zhuān)線軌道服役期性能在線監(jiān)測(cè)中成功運(yùn)用，且效果良好。伴隨軌道交通在我國(guó)的迅速發(fā)展，其擁有十分廣闊的工程應(yīng)用前景。