铁路轨道断裂的实时监测系统开发

摘要：本文提出了一种基于载波信号的铁路轨道断裂实时监测系统，该系统集成了载波模块、核心芯片、无线终端设备等外围电路。通过介绍该系统的应用原理与设计过程，进一步研究载波信号在钢轨断裂中的应用场景以及意义。综合实验结果表明，该监测系统对钢轨断裂的监测具有重要意义。

关键词：载波；断轨监测；钢轨断裂；实时监测

作者简介：钦佩，1986年10月生，男，本科学历，中级职称，从事轨道交通研究

0引言

近年来，随着时代的不断发展，为了方便居民的出行，城市地铁线路逐渐增加，从市中心延伸到了市区的各个角落，地铁逐渐成为了居民的出行首选。由于铁路轨道地处户外，轨道表面受到雨水侵蚀，且长期遭受高压，导致铁路轨道可能会产生细小裂纹，由于昼夜温差大，钢轨内部应力状态会发生改变，钢轨内部结构可能会发生突变，严重情况下，钢轨甚至会发生断裂，因此，为了保证居民的出行安全以及轨道交通的正常运营，本文提出了一种基于载波信号的铁路轨道断裂实时监测系统。

1检测方法研究

无损检测技术指的是在不影响被检对象状态的同时，通过物理手段对被检对象内部及其表面进行检测，寻找被检对象存在的损伤及缺陷。现如今钢轨探伤除了人工目视检查法、人工敲击法这些物理检查方法外，还采用了一些无损检测技术。

常规的钢轨无损检测方法有：漏磁无损检测技术、超声无损检测技术、涡流无损检测技术等。由于钢轨的主要成分为铁磁性材料，漏磁无损检测技术首先通过检测设备对被检对象进行磁化处理，然后再用磁敏传感器对检测区域磁场进行采集，再对磁力线的分布及变化进行分析，根据检测结果能够判断被检对象内部是否存在缺陷，这种检测方法操作简单，但缺点是容易遭受外界干扰，采集到的信号往往存在大量噪声，常规的信号处理技术很难提取信号中的有效成分，此外，漏磁无损检测技术往往应用于检测物体的表面裂纹，因此很难对钢轨断裂程度进行判断。相比于漏磁检测技术，超声检测技术在钢轨探伤中应用更广。长期以来，工作人员检测铁路轨道断裂主要采用超声检测方式[1]：一是通过大型钢轨超声探伤车进行夜间巡检，二是采用人工手持式超声探伤设备对铁路进行定期巡检与维护。其中手持式设备由于使用方便，成本较低，广受铁路工作者使用，相比之下大型钢轨探伤车的应用较少，虽然其检测距离远，检测精度高，功能齐全，但是它的成本高昂，操作难度较大，导致其受用范围小。超声无损检测技术是基于超声波遇到缺陷会产生反射与衰减的原理所实现的，但是超声波的传播距离短，检测效率低[2]。因此超声检测技术需要与别的技术相结合才能更好的对钢轨断裂进行监测。为了实现全天候自动监测钢轨断裂，本文提出了一种基于载波信号的铁路轨道断裂监测系统，为监测钢轨健康状态起到了辅助作用。

2检测原理

钢轨是铁路交通的重要组成部分，它的主要功能是承载运行的车辆，由于要承受车轮的巨大压力，因此钢轨需要具备硬度大、韧性强等特点，此外由于钢轨材料的特质，其具有良好的传导特性。

载波信号的本质其实是将所要传输的信息加载到一定频率的高频信号上，通过传导介质，传输到载波接收部分，通过解调的方式，将载波信号中的信息提取出来[3]，将信息进一步整合分析，工作人员能够判断钢轨的健康状况。

3实验设备

检测系统集成了KQ-330F模块，核心芯片，无线终端设备（DTU）以及其他外围电路。

载波模块实物图如图1所示，载波模块具有8个引脚，如图2所示，AC_L为220V交流电压的火线；AC_N为220V交流电压的零线；+5V为+5V工作电源；GND为数字电路地线；RX采用TTL电平，载波数据输入，接单片机的发送数据端；TX采用TTL电平，载波数据输出，接单片机的接收数据段；MODE为模式选择，悬空或接5V为高电平，接地为低电平。

载波模块接口波特率为9600bps，用户与模块通讯采用9600BPS异步方式，载波模块通过MODE脚控制模块使用透明工作方式和自定义工作模式。

4实验部分

本次实验采用了三台载波信号检测设备，从左至右分别为1号、2号和3号设备，实验场所为1000米的直线钢轨区域，1号和2号设备之间是无缺陷区域，2号和3号设备之间是存在断裂区域，箭头所指为完全断裂区域。首先将检测设备相隔400米并行放置在轨道之间，如图3所示，再将检测设备的L，N两根线分别接到两根钢轨上，实现检测设备与钢轨的导通。

实验过程为，1号设备通过核心芯片发出发射指令，载波模块产生载波信号，通过载波耦合电路，2号检测设备打开接收通道，然后将载波信号传输到钢轨当中，采集载波信号，如图4所示，经过解调的方式，获得所要的信息，当钢轨完全断裂时，相邻的检测设备采集不到载波信号，然后会通过DTU上传异常数据，上位机对异常数据进行分析，再次下发检测指令，检测系统如图5所示，经过两次确认之后，如果还接收到异常数据，系统将会发出警示，通过基于5G信号的无线终端设备，工作人员的电子设备上将接收到报警信息，工作人员能够准确知道该区域的钢轨发生了断裂，需要工作人员再次复检。实验结果表明，当1号设备发射，2号设备接收时，监测系统运行正常，当2号设备发射，3号设备接收时，监测系统发生报警，接收数据异常。为了验证结果的可靠性，用3号设备发射，2号设备接收，监测系统再次发生报警。实验结果表明，本次研究开发的铁路轨道实时监测系统对钢轨断裂检测具有参考意义。

结论与展望

本文提出了一种基于载波信号的铁路轨道实时监测系统，实验中存在的问题为：1、钢轨断裂程度较小时，监测系统灵敏度较低。2、由于相邻设备过远，检测设备容易受到外界干扰，产生误报或者漏报的情况。解决这些问题主要是提高设备的抗干扰能力，以及算法的精确性。

基于载波信号的铁路轨道实时监测系统能够为铁路轨道检测提供进一步保障，对铁路安全维护具有重要意义。

参考文献

[1]厉振武. 无损探伤方法及其在钢轨探伤中的应用研究[D].湖南大学，2013.

[2]周建民，徐清瑶，李鹏，万琪，廖晓苏.钢轨无损检测中的超声导波技术[J].仪表技术与传感器，2015（06）：99-102+106.

[3]李雨航. 电力载波异常信号检测系统设计[D].西安电子科技大学，2022.