基于TRIZ理论的轨道健康监测系统设计

吴佳雯, 佟健豪, 王晚香, 冯显锟, 郭瑞军

(1.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028;2.中车沈阳机车车辆有限公司,辽宁 沈阳 110142)

安全是铁路运输永恒的主题,面对中国铁路建设的快速发展,如何实现铁路长期安全稳定运营是中国铁路面临的挑战。随着列车运行速度的不断提升以及运输量的不断增加,轨道在长期超负荷运营下,出现各种劣化现象,危害铁路运营安全[1]。由于轨道基础结构复杂、服役条件复杂,对轨道健康状态进行实时监测至关重要。

目前轨道检测主要分为静态检测和动态检测,静态检测是指轨道无列车运行时,通过人工巡检的方式找到轨道的病害位置;动态检测是在列车运行的过程中,运用传感器对轨道高低、绝缘性能、温度变化等参数进行监测,以获取轨道健康状况。面对庞大的铁路网络,传统的人工检轨检测效率低且工作强度大,难以满足铁路快速发展的需求,因此轨道检测由静转动是大势所趋[2]。在动态检测方面,虽然综合轨检车和探伤车[3]等传统钢轨检测设备在轨道健康状态监测与识别方面应用广泛,但会在空间和时间上对轨道有一定的占用且耗资高[4];新型轨检仪[5]虽然相较于轨检车轻巧便捷,但仍需占用轨道,无法实时监测,集成度低且监测类型受限;传统的振动传感器监测技术虽然采集精度高,但大多采用有线传输[6],拆卸比较麻烦且价格昂贵,难以进行商业推广,因此迫切需要一种经济、安装便捷、不占用轨道资源且能实时监测轨道状态的设备。在轨道病害的检测技术方面[7-8],基于振动响应信号的病害检测技术一般属于全局方法,与基于图像的机器视觉技术、基于激光扫描的病害检测技术、基于超声波的病害检测技术和磁粉探伤技术等局部无损检测技术相比,具有非破坏,不易受天气、光照等条件干扰,适用范围广,检测数据多样化的优势,更适用于轨道交通线路上轨道病害的实时在线监测,因此建立精准化、智能化、实时化基于振动响应的轨道监测系统已成为现实需求。

TRIZ作为一种科学的创新方法为轨道监测系统创新提供了一种全新的理论、方法和技术路径[9]。基于TRIZ理论,提出一种轨道健康监测系统,以MEMS传感器收集的振动响应数据为依据,运用无线传输技术和信号分析处理技术可实现轨道病害的实时监测,为铁路安全运营保驾护航。

1 轨道健康监测系统问题分析

1.1 问题描述

目前,轨道健康监测系统具有以下缺陷:①人力消耗大,工人工作环境恶劣;②占用轨道,影响列车正常运行,无法实现实时监测;③传统监测手段针对问题面较少,需要多种仪器组合使用,监测效率低下;④传感器与采集器的引线过长,易受干扰;⑤监测仪器价格昂贵,传统监测方式经济效益较差。

1.2 九屏幕分析

九屏幕分析方法是指在分析和解决问题的过程中不仅需要考虑当前系统、子系统和超系统,还要考虑它们的过去、当前和未来,从多层次、多角度去理解当前系统。如图1所示,当前系统为现有轨道健康监测装置,其子系统和超系统分别是振动传感器和钢轨,当前系统过去主要依靠人工巡检来提供一定的监测结果,未来可根据模块化监测装置对于轨道健康状态进行实时监测。其中当前系统的未来(模块化监测装置)是实现轨道健康状态实时监测的一种较好的解决方案,由此得到技术方案1:设计一种模块化监测装置,包含采集模块、传输模块和数据分析模块,各模块协同工作,最大化发挥其功能,实现对轨道故障的有效监测。

图1 九屏幕分析

1.3 功能分析

功能分析是识别系统和超系统的各个组件及组件之间的相互关系并建立相应的功能模型的过程。在建立功能模型前需要通过系统功能分析对该系统进行初步的了解,首先确定系统的用途为及时发现轨道的故障问题,实现预知维修;然后明确系统的功能主要为实时采集轨道结构信息以及对轨道状态的预警和评估,为此该系统需要满足以下技术需求:

(1)实时监测,需要振动传感器接触轨道,并且装置不能干扰列车正常运行,因此装置体积要小且布设在轨腰部分。

(2)数据的稳定更新,需要通信信号的可靠传输。

(3)全生命周期的闭环控制,需要有相应的数据处理分析手段,并将提取监测指标在用户端的可视化网页呈现,当指标异常进行预警,使检修部门制定并实施养护维修措施。

针对现有的轨道健康监测系统建立功能模型,由于该系统是新系统,不宜直接建立功能模型,因此可以将与之功能相似的综合轨检车和钢轨探伤车作为参考。以监测轨道状态为目标,将传感器、单片机、电池、计算机以及监测装置外壳定义为系统组件,列车、阳光、噪声定义为超系统组件,分析组件的相互作用并建立功能模型,如图2所示。根据功能模型分析可看出,产生相互作用最多的组件是传感器,且阳光和噪声对传感器收集数据产生了有害影响,所以后续可以对传感器进行细化分析,并考虑将有害功能裁剪。

图2 轨道健康监测系统功能模型

1.4 因果链分析

因果链分析能够挖掘系统问题背后关键原因,以便给出对应的解决方案。由于现有轨道健康监测系统存在监测效果不佳的问题,针对这一问题进行因果链分析。根据因果链分析将装置有线传输、仪器体积大、采用机器视觉技术、噪声干扰、监测位置少、接收数据、人工协助、仪器功能单一、激光扫描技术这9个缺点作为关键缺点,如图3所示。

图3 轨道健康监测系统因果链

1.5 资源分析

资源分析全面考察并整合系统的所有资源,使其更加充分合理地被利用。建立轨道健康监测系统的资源分析如表1所示。

表1 轨道健康监测系统资源分析

结合可用资源以及系统实际情况,可知系统需要综合利用时间资源中的列车正常运行时间和结构资源中的空隙。故得到技术方案2:设计一种自动远程监测的装置,在列车行进时实时远程监测。

2 轨道健康监测系统TRIZ求解

2.1 裁剪

裁剪是将1个或1个以上的冗余组件去除,其所执行的功能由系统或者超系统的剩余组件来进行替代[10]。根据上述因果链分析,可知利用摄像机进行图像识别以及利用激光扫描仪进行的激光扫描均是导致监测系统效果不理想的关键缺点,其中二者的功能均是对轨道健康状态信息进行采集,而振动传感器也能实现该功能,因此将摄像机和激光扫描仪作为裁剪对象,去除冗余后的功能模型不仅降低了成本,还能缩小装置的体积,如图4所示。

图4 裁剪后轨道健康监测系统的功能模型

故得到技术方案3:设计一种基于振动响应的轨道健康监测系统。

2.2 技术矛盾及发明原理

技术矛盾是指在改善一个参数的同时会导致另一个参数的恶化[11]。为解决这个矛盾,阿奇舒勒提出39种通用工程参数和40个发明原理,确定最佳解决方案,使有矛盾的2个参数都得到解决。

(1)技术矛盾1及解决方案。根据功能模型和因果链分析[12],将技术矛盾1归纳为30作用于物体的有害因素(外界环境噪声)的改善与24信息损失(轨道振动有效数据损失)的矛盾,于是通过查阿奇舒勒矛盾矩阵表可得:运用发明原理NO.2抽取原理、NO.20有效作用的连续性原理、NO.21快速通过原理可以解决技术矛盾1。通过对系统的分析得到技术方案4:采用NO.2抽取的原理,对噪声进行过滤处理,由于噪声是高频信号,而轨道振动是低频信号,可以采用低通滤波的方法,在不损失轨道状态信息的基础上进行噪声的去除。

(2)技术矛盾2及解决方案。根据因果链分析,将技术矛盾2归纳为28测量精度(系统监测内容)的提高与37检测的复杂性(系统检测识别困难)的矛盾,于是查阿奇舒勒矛盾矩阵表可得:运用发明原理NO.24中介物、NO.26复制、NO.28机械系统替代、NO.32改变颜色可以解决技术矛盾2。通过对系统的分析得到技术方案5:采用NO.26复制的原理,通过数据分析得出的时域图经过傅里叶变换可以进行频域分析,看出信号包含的能量在不同频率下的分布情况[13]。时频域分析相互结合,并提取相应的时频域特征指标来反映轨道的健康状况,不仅能反映轨道的不平顺情况,而且还能对轨道病害进行探查。

(3)技术矛盾3及解决方案。根据因果链分析,将技术矛盾3归纳为38自动化程度(减少人工协助)的提高与37检测的复杂性(系统操作困难)的矛盾,查阿奇舒勒矛盾矩阵表可得:运用发明原理25自服务、27廉价替代品、34抛弃或再生可解决技术矛盾3。通过对系统的分析得到技术方案6和7。技术方案6:采用NO.25自服务的原理,使用带有ESP32芯片的单片机,其功能强大,自带WiFi和蓝牙功能,在提升自动化程度的技术上也不增加系统的复杂性。技术方案7:采用NO.34抛弃或再生的原理,去除其他冗余传感器,仅使用MEMS无线传感器,该传感器能够精准感应XYZ3个方向加速度变化,具有AD转换模块,可将模拟信号转换为数字信号,传感器功能强大、体积较小,可以直接放在监测装置小型外壳中,吸附在轨腰上,不需人工辅助监测。

2.3 物理矛盾

物理矛盾指的是对同一个工程参数具有相反并且合乎情理的需求,与技术矛盾不同,技术矛盾是指2个参数之间的矛盾,而物理矛盾则是单一参数的矛盾。TRIZ理论通过分离矛盾需求、满足矛盾需求和绕过矛盾需求3种方法对物理矛盾进行解决。

为实现轨道健康监测系统具有较高的可靠性,需要布设大量的传感器,传感器数量过多导致成本上升、布设困难;传感器数量过少也容易造成部分病害轨道被遗漏,数据分析不够精准。根据空间分离、时间分离、系统级别分离的方法,得到技术方案8、9和10。

技术方案8:采用空间分离的方法,在运载量较大的重载铁路线,需要较多数量的监测装置,每节钢轨铺设一个;在运载量较小的铁路线,可以相应减少监测装置的铺设数量。

技术方案9:采用时间分离的方法,在轨道使用年限较短的时候,产生病害的可能性比较小,可以铺设较少的监测装置,在轨道服役年限较长的时候,需要铺设较多的监测装置。

技术方案10:采用系统级别分离的方法,将装置外壳粘贴磁铁方便其吸附在轨腰上,可以通过动态调整监测仪器位置,满足线路不同部分的需要。

2.4 物-场分析

物-场分析是对系统中存在的物理场进行评估并通过标准解对场进行优化,从而解决问题。由因果链分析找到问题点,即有线传输线路过多过长引起电磁干扰,导致传输误差,根据问题建立物-场模型,如图5所示。

图5 问题的物-场模型

分析可知TRIZ物-场模型3个元素(2个物质1个场)齐全,但是产生有害关系,需要消除。按照标准解的解决流程,确定适用的标准解为1.2.1通过引入外部物质消除有害关系,得到技术方案11。

技术方案11:引入电磁场,增加WiFi和蓝牙模块,将传感器产生的数据利用WiFi和蓝牙传输给控制端,消除有线传输过程中所引起的误差,改善后的物-场模型如图6所示。

图6 改善后的物-场模型

3 轨道健康监测系统最终方案

通过对以上技术方案进行分析,结合轨道故障监测实际需求,将技术方案1～11进行整合,对现有的轨道健康监测系统进行创新,得到最终解决方案——设计一种基于振动响应的轨道健康监测系统,如图7所示,具体方案如下:

(1)系统包括3大部分:①安装在轨腰处的监测集成装置,包含MEMS加速度传感器、电池、ESP32单片机,负责信息采集、存储和传输;②云端服务器,主要负责信息的分析处理;③后端可视化管理平台,方便用户的查询,为后期精准维修奠定良好基础[14]。

(2)系统采用MEMS加速度传感器收集振动数据,WiFi和蓝牙2组模块配合工作,数据传输高效,从而实现轨道状态的实时程监测目的。

(3)系统对采集到的振动数据进行滤波去除外界环境噪声干扰,结合时域和频域方法进行分析处理,可对钢轨病害所导致的异常响应[15]进行辨别,从而判别钢轨的健康状态。

(4)装置采用磁吸的方法贴合在轨腰上,装置数量和铺设方式,可根据轨道服役年限长短和荷载大小考量决定。

4 振动监测试验

选取大连某条货运线进行轨道健康监测系统振动测试,测点布置在同一区间的钢轨轨腰外侧,其中测点1钢轨具有明显鱼鳞状病害,测点2钢轨状态良好,同时测试单列车通过钢轨时的振动加速度数值,所有测点都采集40 000个以上的有效数据进行处理分析,测点布置情况如图8所示。

图8 测点布置情况

由于钢轨振动主要是纵向加速度,因此将2个测点的Z轴振动数据进行时域分析,如图9所示,可以明显看出两者的区别,病害的钢轨相较于正常的钢轨时域幅值波动更大。

图9 测点时域分析

将两者的时域指标进行对比,如表2所示,可以看出标准差、偏度、峭度、均方根以及裕度这5个指标变化最为明显,均超过50%,可作为时域分析的特征指标。

表2 测点Z轴时域指标

将时域图进行傅里叶变换得到频谱图,如图10所示,其中实线和虚线分别代表测点1和测点2,可以明显看出测点1病害钢轨的频域幅值高于测点2正常钢轨,最后将时域分析与频域分析相互印证,辨别钢轨健康状态。

图10 两测点频谱图

5 结论

(1)运用九屏幕法了解当前系统及其子系统和超系统的过去、现状和未来发展,构建功能模型,明确组件之间的相互作用,通过因果链分析找出关键问题,整合所有可利用的资源,从而对现有的轨道监测系统存在的问题进行详细阐述。

(2)为实现基于振动响应的轨道健康监测系统创新设计,借助裁剪的方法去除当前系统的冗余,将关键问题归纳为技术矛盾和物理矛盾,利用发明原理提出技术方案,并构建物-场模型,得到系统最终解决方案。

(3)针对基于振动响应的轨道健康监测系统,进行了振动监测试验,实验结果证明,将时域分析和频域分析结合能够有效辨别钢轨异常情况。

(4)研究重点在于用TRIZ理论提出创新方案,而在信号处理方面仅运用了较为传统的方案,在未来需要进行深入研究。