高速铁路基础设施综合检测技术

■ 王卫东 顾世平 高利民 张文轩 魏世斌 田新宇 任盛伟

高速铁路基础设施综合检测技术

■ 王卫东 顾世平 高利民 张文轩 魏世斌 田新宇 任盛伟

高速综合检测列车采用惯性测量、射频定位同步、网络数据交换、视频图像实时分辨及数据综合处理等先进技术，能有效提高高铁线路基础设施装备的检测效率，为高速铁路基础设施的养护维修提供重要的技术支撑。介绍高速综合检测列车检测系统组成、系统总体框架等，并详细阐述各子系统的系统组成、基本检测原理和检测项目。

高速铁路；综合检测列车；基础设施；检测

高速铁路基础设施的定期检测是保障动车组运行安全的必要手段。高速综合检测列车是高速铁路基础设施的专用检测装备，可在等速同步条件下对轨道几何参数、弓网关系状态参数、通信信号工作状态参数、轮轨作用力参数及列车舒适性指标等进行实时检测与监测，并具有检测结果的精确定位及检测数据的实时传输、合成、存储、综合处理和分级评判等功能。高速综合检测列车在综合检测系统局域网平台上构建了轨道、弓网、轮轨动力学、通信、信号等检测系统，同时配置了时空同步校准、数据网络与视频监控、数据综合处理等设备，实现了高速铁路基础设施状态参数的实时同步检测、数据合成、综合处理和分级评判，有效提高了高铁线路基础设施装备的检测效率，为高速铁路基础设施养护维修提供了重要的技术支撑。高速综合检测列车系统技术架构见图1。

1 轨道几何状态检测系统

轨道几何状态检测系统主要由里程校正和定位同步组件、数据处理组件、信号处理组件、惯性测量组件、激光摄像组件5部分组成（见图2），该系统基于惯性测量原理并使用激光摄像式的视觉测量方法，由加速度计、陀螺等惯性器件测量车体和检测梁的姿态变化，由视觉测量系统获取钢轨相对于检测梁的横向和纵向位移，经过综合运算及补偿处理，合成得到所需轨道几何参数，并在其显示器上实时显示轨道几何波形图。

轨道几何状态检测系统能够测量轨道几何尺寸并按照相关标准评判轨道几何偏差，检测项目包括：轨距、轨向（左右）、高低（左右）、超高、水平、三角坑、曲率、未平衡超高及其变化率、车体横向振动加速度、车体垂向振动加速度、轨道质量指数、线路特征标志等参数。轨道几何状态检测系统主要技术指标见表1。

图1 系统技术架构

图2 轨道几何状态检测系统构成

表1 轨道几何状态检测系统主要技术指标

2 弓网检测系统

弓网检测系统包括弓网动态作用参数检测系统、接触网几何参数检测系统、供电参数检测系统、接触网电器连接状态检测系统及对各检测子系统的集中控制与集成软件。系统可实时检测触线动态高度、拉出值、线岔或锚段关节处接触线相互位置、定位器坡度等几何参数，以及弓网接触力、硬点（垂向加速度）、离线状态（燃弧率）、网压、动车组侧电流等弓网动态作用参数和供电参数，同时具备采集计算杆位及跨距等辅助信息，实现多源数据的集成与同步处理、数据自动存储、超限自动判断、波形分析与对比诊断等功能，满足指导高速铁路接触网联调联试及日常维修的需要。弓网检测系统构成见图3。

弓网动态作用参数检测系统采用先进的高压电磁干扰抑制技术、高压端设备供电技术、高低压信号隔离传输技术，实现了弓网接触压力、硬点、冲击、接触线动态高度等参数的实时检测。接触网几何参数检测系统基于多目机器视觉的三角测量原理，由多台高速线扫描摄像机进行测量，能对接触线高度、接触线高差、拉出值等几何参数进行精确测量。接触网电器连接状态检测系统基于高清可见光视频及红外视频融合技术，实现红外图像采集系统构建，可清晰完整地动态获取接触网部件红外图像；同时建立可见光图像与红外图像的有效融合模型，实现接触网部件（绝缘子、线夹、线索）等实时状态检测，系统可以及时发现线索温度过高等接触网零部件电气连接状态异常，完善接触网状态评判指标。

弓网检测系统主要技术指标见表2。

图3 弓网检测系统构成

3 轮轨动力学检测系统

轮轨动力学检测系统由高精度连续测量测力轮对、轮轨力数据传输采集子系统、轮轨力数据综合分析子系统组成（见图4），能够连续测量轮轨垂向力、横向力等参数（见表3），计算轮轴力、脱轨系数、减载率等指标。

（1）高精度连续测量测力轮对：采用有限元仿真计算及实物测试相结合的方法分析轮对辐板应力分布，并完成轮轨力连续测量技术方案的设计、连续测量测力轮对的制作及标定。

（2）轮轨力数据传输采集子系统：研制新型集流环装置，在轮对高速旋转条件下实现测力轮对信号的可靠传输；采用IMC信号采集设备和数据采集软件将测力轮对信号采集保存到数据采集计算机中。

（3）轮轨力数据综合分析子系统：将测力轮对应变信号数据合成计算处理为轮轨间相互作用的垂直方向力、水平方向力及轮轨接触点，并实时计算脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等指标，与检测列车综合系统时空同步及数据通信。

4 通信检测系统

我国铁路GSM-R系统主要承载CTCS-3级列控业务、调度通信、无线调度命令和车次号信息传送业务。GSM-R作为一种无线通信系统，其通信质量首先取决于电磁环境和场强覆盖等物理条件，此外，数字移动通信与模拟通信的区别在于每个承载业务都有完整详细的信令控制流程，因而影响GSM-R系统工作状态和服务水平的因素还有赖于网络链路协议层的控制参数。由于铁路应用多为专用业务，在应用层还有专用协议和支持专用协议的应用设备，即使在GSM-R网络状态正常的条件下，如果应用层的协议和设备状态出现异常，也不能确保应用业务的正常运行。

根据GSM-R网络结构和应用特点，参考典型的通信分层模型，首次将通信检测系统的体系模型分为3个层次、4大功能，实现从物理层到协议链路层再到应用层，对GSM-R网络进行全方位多层面测试，实现多项目同时检测、多数据源融合及联动分析等。系统对软硬件设计和实现方面采用了高度集成化的方式，并具有可扩展性、开放性、智能化分析和自动化检测等特点，实现了对高速铁路通信质量的全方位检测和分析。通信检测系统的体系模型见图5，主要技术指标见表4。

表2 弓网检测系统主要技术指标

图4 轮轨动力学检测系统构成

表3 轮轨动力学检测系统主要技术指标

5 信号检测系统

信号检测系统以信号机静态数据库、应答器位置表等多种列控设计数据为基础，通过多任务、多线程等处理方法，实现车载ATP、轨道电路、补偿电容、不平衡回流、应答器及Um监测等多种检测数据的综合分析。为保证系统工作的可靠性及对设备运行工作情况监控，整个系统设计分为3层结构：（1）第一层由布置在1、8车的车底传感器，车顶天线，车内信号采集、放大、调理、信令解析等检测数据处理硬件单元等设备构成，主要完成检测信号的采集、实时解析。（2）第二层由布置在1、8车内部的数据服务器等局域网设备构成，主要完成面向检测用户需求的分项检测信息功能化处理。（3）第三层由布置在1车的人机交互终端、系统维护通信管理服务器、综合智能分析服务器等设备构成，完成检测结果显示、系统工作状态显示、系统对外通信管理、检测数据的综合分析处理功能。信息检测系统结构见图6。

图5 通信检测系统体系模型

表4 通信检测系统主要技术指标

图6 信号检测系统结构

信号检测系统实现了高速条件下CTCS-3级列控系统固定设施的动态检测，主要解决了CTCS-3级列控系统信号可靠采集、实时监测与分析技术，车-地报文监测分析技术，实现轨道电路电气参数与传输特性、应答器上行链路信号特性、应答器报文、车-地报文、有砟与无砟道床条件下补偿电容工作状态、牵引回流及谐波、车载列控设备检测、监测及综合智能分析处理功能，满足高速铁路列控设备的联调联试、日常检测维修和安全运营需求。其各项技术指标见表5。

6 综合系统

综合系统包括时空同步与校准、集中监控与局域网络、视频图像采集处理及检测结果综合处理等系统，其主要功能如下。

（1）实时发布全列车统一的距离脉冲、时钟脉冲信号，空间同步精度±0．5 mm，时间同步精度±5 μs，触发位于不同平断面的各检测系统同步采集。

（2）实时发布列车统一的速度、时间和里程等信息，时间精度±1 ms，定位精度±2 m。

表5 信号检测系统主要技术指标

（3）车端建立可靠的光纤连接，主干交换带宽不小于1 000 Mb/s，桌面交换带宽不小于100 Mb/s，网络自愈时间≤20 ms。

（4）采集高清视频图像，同时接收线路名、时间、速度、里程等信息，并按H．264格式编码。合成RTP包采用组播方式传出，同时将上述信息存储在硬盘上，并且在数据库中留下记录，便于检索。

综合系统架构见图7，各检测系统分布于各车内，通过基于光纤通道和光电转换器的3大传输网络将各检测系统连接起来，3大网络分别为空间同步传输网络、时空校准传输网络和数据网络。空间同步系统将速度传感器（光电编码器）产生的距离脉冲信号通过空间同步传输网络传输到各车的检测系统，触发其采样或进行距离计算；时空校准系统将定位信息源进行融合处理后，通过时空校准传输网络实时发送到各车的检测系统，从而达到检测列车在线路上某一特征点或某一处所时，进行里程信息上的校准操作，时空校准系统的时间还需要通过数据网络对各检测系统进行时间上的统一；在数据网络上，各节点的计算机或设备进行高清高帧视频、大容量检测数据、文件的交互，最终在数据综合处理系统进行综合分析和处理，并通过无线数据传输系统传输至地面数据综合处理中心。

7 数据集成及综合可视化分析系统

图7 综合系统架构

通过多专业检测系统数据接口设计，实现多专业检测数据的统一存储管理集成技术和综合处理分析技术，形成车载多专业检测数据综合处理分析系统，实现基于精确里程同步的多专业检测数据透明访问、综合分析及历史比对、多专业检测集中操作、发送大值超限在线报警短信和车-地传输功能。

（1）统一存储和管理轨道几何、接触网、动力学、通信、信号检测大值报警数据，自动获取轨道、接触网检测的大值报警数据，并同时向其他检测系统提供数据接口，接收动力学、通信、信号检测系统输入的大值报警数据及附件数据。系统提供人工输入、编辑各检测专业的大值报警数据的界面，并具有编辑大值报警数据的附件数据功能，满足各专业的检测人员对数据交叉访问和数据分析的需求。

（2）系统自动根据大值报警数据形成报警短信并由无线传输系统发送到指定的联系人手机或终端设备中，提供短信发送状态监视。同时能通过无线传输系统定时向地面数据中心转发列车运行定位数据、大值报警数据、大值报警附件数据，并提供数据传输状态监视。

（3）实时读取轨道、轮轨力、车辆振动加速度、接触网检测产生的波形数据，并按里程同步显示。可由用户选择通道配置显示波形，可打开单个波形文件并按里程显示波形。可将用户提供的工务设备台账信息导入，查询显示工务设备台账信息。能够按5种不同比例显示轨道、接触网检测波形，选择通道测量任意两点间的距离、查询当前点通道值和通道名称、打印波形，并可叠加展示同一检测专业多次历史检测波形数据进行对比，最多可叠加4次。

（4）提供基于Web GIS的检测数据综合展示平台。实时接收里程同步数据，并展示检测列车的运行位置信息和当前检测交路、检测任务信息，全车各用户均可通过浏览器访问，并以图形化方式实时、分级展示大值报警数据。

（5）具备各检测系统检测数据超限大值的实时报警、信息发布功能。

8 其他系统

此外，还有线路环境状态智能识别系统、视频压缩处理系统和检测列车精确定位装置。视频压缩处理系统采用硬件压缩方式为视频采集处理系统提供高清高帧视频压缩技术，检测列车精确定位装置采用DGPS/INS技术为时空校准系统提供高动态高精度的定位源。

9 结束语

通过京沪高速铁路先导段调试和验证试验，高速综合检测列车满足高速铁路基础设施实时高精度检测要求，最高检测速度达到400 km/h。各检测系统功能齐备，检测数据的准确性、可靠性、检测结果定位准确性、局域网络带宽、数据处理功能、车-地无线传输系统数据传输速率等各项技术指标达均到设计目标要求，满足了新建高速铁路联调联试、基础设施装备日常检测及运用需要，为高速铁路养护维修技术及安全运营提供了可靠的技术支撑。

王卫东：中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，研究员，北京，100081

顾世平：中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，副研究员，北京，100081

高利民：中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，副研究员，北京，100081

张文轩：中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，副研究员，北京，100081

魏世斌：中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，研究员，北京，100081

田新宇：中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，副研究员，北京，100081

任盛伟：中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，研究员，北京，100081

责任编辑 苑晓蒙

U238；U273

A

0672-061X（2015）02-0011-06

铁道部科技研究开发计划项目（2008G003-B）。

所获奖项：2014年度国家科学技术进步奖二等奖。