貨運列車脫軌事件突顯溫度感測困境
2023-03-27
作者 Bill Schweber
內文
你可能已經注意到今年2月3日發生在美國俄亥俄州東巴勒斯坦鎮(East Palestine, Ohio)
的載貨火車脫軌爆炸事件，因為在這列火車長達35節的車廂中有幾節車廂載有危險物質。
這起事故引發大眾對於該地區居民和周圍環境的關切。雖然有關事故原因的正式分析和報
告尚未完成，但似乎非常肯定的是，原因是其中一個車輪上的「軸承」(journal bearing
；即熱箱[hot box])過熱。
列車行經溫度感測器——通常被稱為熱箱或熱軸承的偵測器時，顯示料斗車的元件在行駛
中變熱了。顯示軸承達到臨界溫度的偵測器距離前一個偵測器之間約20英哩。在收到關於
溫度讀數的警報後，工作人員隨即盡力使列車停下來，但除非軸承失效，否則他們已無法
讓列車停下來了。與汽車不同的是，以中高速行駛的載貨列車因為質量和動能太大了，可
能需要幾英哩的緩衝才能使其停下來。
當然，專家學者和政客們堅持要求鐵路部門「做些什麼」或甚至要求能夠「多做一點」以
便超前部署，防止再次發生此類事故。然而，現場的實際情況是，檢查過熱的軸承和其他
即將發生的問題已經都加以處理了。雖然還可以更進一步完善整個狀況，但也面對著技術
上的困難。
幾年前，有一位資深工程師曾經告訴我，當涉及溫度時，「測量很容易，但感測困難」
(measuring is easy, but sensing is hard.)。換句話說，實際環境往往讓人難以「進
去」獲得準確、一致的讀數，特別是在惡劣的操作環境中或是目標移動時，如鐵路車輛等
。
鐵路公司使用基於紅外線熱感測器的溫度檢測器來測量軸承、車輪、車軸和刹車所發出的
熱量(圖1和圖2)。在北美的貨運鐵路網路中，大約有6,000個這樣的溫度熱箱偵測器，平
均間距約為15英哩(約25公里)。光學篩檢程式確保偵測器只觀察所需波段的紅外線輻射，
整個系統只有在火車接近時才被啟動，因此它在其他時間並不會「望向天空」。
https://i.imgur.com/yil0ib4.png
圖1：軸承是最有可能的問題來源，但車輪/車軸組件的其他元件也可能造成問題。
(來源：University of Texas Rio Grande Valley)
儘管各鐵路的具體情況不同，但如果感測器的讀數高於環境溫度170°F (~75°C)至200°
F (~°93°C)，或者同一車軸上的軸承之間差異達到或超過115°F (~46°C)，列車人員
應該就會收到警報，然後暫停並檢查設備，如圖2所示。
https://i.imgur.com/aXz73oa.png
圖2：熱箱偵測器必須掃描軸承、車軸和煞車組件。
(來源：University of Texas Rio Grande Valley)
還有什麼可以做或應該做的？偵測器的間距越接近，就越能發揮作用嗎？也許吧，但還要
再多少個才會有意義？另外，降低溫度警報閾值會有幫助嗎？同樣地，也許會吧，但這也
可能導致更多的錯誤警報。而且這不僅成本高、影響進度，而且還可能導致眾所周知的「
忽略 」(just ignore it)症候群。此外，在鐵路嚴苛的運作條件下，確實要考慮到任何
安全系統由於多種原因而發生故障並中斷服務的問題。
在學術界以及現場環境均已針對這個問題進行廣泛的研究，這從美國德州大學
(University of Texas)的一項研究計劃——「路邊熱盒偵測器資料的有效性分析」(An
Analysis of the Efficacy of the Wayside Hot-Box Detector Data)中即可看出。同時
，為了測量其他參數，目前也在測試並部署新技術。例如「利用高頻聲學發射訊號的時間
頻譜峰度分析對鐵路車軸軸承的故障進行路邊檢測」(Wayside detection of faults in
railway axle bearings using time spectral kurtosis analysis on high-frequency
acoustic emission signals)研究，即使用了聲學感測器，它主要由橫跨約25英呎軌道長
度的一系列麥克風陣列組成。該系統分析來往車輛軸承元件所產生的聲學發射，以確定該
車的哪個元件即將出現故障(圖3)。
https://i.imgur.com/cw6J91N.png
圖3：研究人員正在研究使用聲學發射來評估軸承以及其他即將發生的問題，但這是一個
環境惡劣和聲音嘈雜的測量環境。
(來源： Sage)
基於聲學的系統能夠辨識的可能缺陷——至少以理論上而言，包括軸承剝落或磨蝕、鬆動
、破裂或斷裂的元件、剝落或塗抹、車輪有平斑和潤滑錯誤等。毫無疑問地，在一個具挑
戰性的環境中，要分析和鑒定的聲學特徵列表有一長串。這比起在固定位置的工業環境中
試圖評估軸承的問題更加困難。
這些方案並不僅針對鐵道機車車輛(rolling stock)，因為問題也可能發生在車輪和軸承
之外。有一些感測器可以檢查靜態元件的問題，如軌道裂紋。這可以透過測量注入的電流
和電阻、磁場變化以及正在評估的先進光電和光纖等方法來進行。
此外，感測方面只是問題的一部份。由於感測器陣列串聯於數英哩長的軌道上，因而存在
著連接性的問題以及有關可靠性的考慮。故障報告透過無線鏈路傳送到列車工程師、數據
機、局域網路(LAN)或GSM手機。但你如何確保該回報的機制正常運作？極端的環境溫度、
不可避免的振動以及整體的濫用，都很容易造成連接方案的故障。
建議可採取的解決方案之一是放棄或補強鐵路邊的就地測量，以及把感測器放在每輛車的
軸承和輪組上。這可以排除一些問題，但也會產生新的問題。每輛車都需要儀控、電源以
及連接在一個堅固的封裝中。考慮到鐵路貨運車輛的實際情況，即使成本不是問題(但確
實也是)，這也很難實現。
你是否曾經參與過溫度或其他實際參數的感測，原則上這似乎很容易，但實際上卻難以充
份執行？你或其他人對於這種情況會有多麼驚訝？
編譯：Susan Hong
(參考原文：Freight-train derailment shows temp sensing woes，by Bill Schweber)
7https://pse.is/53h4k4
原文連結：
https://reurl.cc/aVZNV3
心得：
上一篇列車出軌的新聞下有版友留言說台大有相關研究，好奇搜尋後雖沒找到，
但看到了這篇。
發在機械工程相關的板可能更合適，但不知道PTT有沒有這個版，所以發在這裡，
期待有專業的網友參與討論。
因本人沒有相關背景知識，看完後只能大略得到結論：
已經有多項檢測技術，但除成本外，行進中的貨列即使檢查到異常也無法馬上停駛。
不知是否有抓到重點？