高速铁路基础设施服役状态检测技术

赵有明

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

高速铁路基础设施服役状态检测技术

赵有明

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

高速铁路基础设施服役状态检测技术的研究是提高我国高速铁路服役品质和基础设施养护维修水平的基础，对我国高速铁路发展和长期安全运营具有重要意义。本文系统地介绍了我国高速铁路基础设施服役状态检测技术的最新研究成果及试验应用情况，包括高速铁路线上线下设施、牵引变电设备、接触网等基础设施服役状态监测与检测技术和装备，数据接入网技术和综合分析评估系统。此外，归纳了研究取得的基于超声导波的钢轨绝对应力及完整性监测评估技术等关键技术突破和基于多源数据整合的高速铁路检测与监测系统等主要创新点。建议进一步探讨高速铁路基础设施检测与监测系统的推广应用及在我国高速铁路大范围应用的模式。

高速铁路 线上设施 线下设施 牵引变电 接入网 系统集成

高速铁路始于1964年开通的日本东海道新干线，此后法国、德国、意大利、西班牙、瑞典、韩国、荷兰等国也相继建成了高速铁路。中国的高速铁路建设正处于快速发展阶段，预计到2015年底，中国高铁总里程将达到19 000 km，运营里程约占世界高铁运营里程的50% 。中国已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网［1］。

目前高速铁路轨道形式分为有砟轨道和无砟轨道两大类。无砟轨道结构具有变形小、结构可靠度高、承载能力强、日常维修量少、使用寿命长等特点，逐渐成为高速铁路的发展趋势。在高速铁路检测与养护维修方面，国外采用以车载检查和地面监测相结合的方式，我国高速铁路主要采用动态综合检测列车对基础设施进行周期性检测［2］。

高速铁路露天服役、运营速度高、天窗时间短、受周期疲劳荷载作用等突出特点，决定了高速铁路服役行为的特殊性以及确保高速铁路百年使用寿命的困难性。我国高速铁路建设速度快、结构形式多样、运营时间较短，基础设施服役状态的地面监测技术和装备无法满足高速铁路快速发展需求。为实现高速铁路全寿命周期内安全运营的目标，系统地开展高速铁路基础设施服役状态检测技术的研究十分必要［3］。2011年科技部立项开展高速铁路基础设施服役状态检测技术研究，列入国家高技术研究发展计划(863计划)现代交通技术领域高速铁路重大关键技术及装备研制重大项目中。该课题由中国铁道科学研究院牵头，联合北京交通大学、中铁电气化局集团有限公司、西南交通大学、浙江大学、天津凯发电气股份有限公司等单位历时3年共同完成。本文介绍该课题取得的主要研究成果。

1 高速铁路基础设施服役状态检测体系

图1是我国高速铁路基础设施服役状态检测的体系架构。高速铁路基础设施的检测主要包括了动态检测、固定监测和人工静态检查3种形式。现场数据被传输到地面数据分析处理中心，中心对基础设施状态的检测数据进行状态评判、趋势预测并给出维护策略，为总公司、路局、站段用户提供服务。图1中白色部分为我国已经开展研究的部分，灰色的部分是本课题和今后需要进一步研究的内容，如线路的钢轨应力、完整性、磨耗、轨道刚度、线路异物、沉降、边坡稳定性、及牵引供电设备的状态检测等。本课题的研究成果可完善我国高速铁路基础设施服役状态检测体系［4］。

2 线上基础设施服役状态检测技术

2.1 钢轨纵向应力在线监测技术

在研究半解析有限元的原理和方法的基础上，对钢轨的多种模态进行了分析，利用超声导波实现了对无缝线路钢轨纵向应力的监测，取得了如下成果:

1)应用了二维有限元离散的半解析有限元技术。通过该方法首次求解得到了我国高速铁路普遍采用的CHN60钢轨中超声导波的频散曲线，并通过半解析有限元方法实现了超声导波应力敏感度分析、激励响应分析。这些理论分析及求解的实现，为进一步研究CHN60钢轨中超声导波的特性并将之应用于应力检测系统奠定了理论基础。

2)得到适合应力检测的最优模态。通过半解析有限元方法得到的多个理论分析结果，基于频率、应力敏感度、振型、激励位置偏离度、模态辨识度这5个因子，提出了选取最优导波模态的指标模型。通过该模型可以快速选取最适于我国高速铁路无缝线路应力检测的超声导波模态，从而实现了理论分析到工程应用的技术转化。

3)超声导波群速度精确测量算法。主要包括激励波形控制算法、信号检测及处理算法、互相关等群速度测量算法，实现了导波信号的接收、处理和超声导波群速度的精确测量。

4)设计了导波激励和信号处理系统。根据半解析有限元得出的频散曲线和选取出的最优模态，设计了超声导波高压激励模块、信号处理和接收模块、无线传输模块、数据存储模块，实现了导波信号的激励与接收、导波速度测量、数据的无线传输和存储，实现了对无缝线路钢轨的应力检测。

图1 高速铁路基础设施服役状态检测体系框架

5)掌握了超声导波群速度与温度及应力间的变化关系。通过在环行铁道进行的大量现场试验，掌握了超声导波群速度与环境温度之间的对应关系，基于大型钢轨拉压试验平台，获取了不同应力作用下导波群速度的变化规律。以上数据的获取，为继续研究我国无缝线路所有型号钢轨内部温度应力与导波群速度的对应关系，建立完整的样本数据库奠定了理论基础。

2.2 钢轨位移与爬行在线监测技术

考虑到现场复杂测量条件，研发了基于非接触测量技术的钢轨位移爬行在线监测系统和装备，建立了消除钢轨温度变化影响的温度补偿算法，实现了钢轨位移绝对值测量，并在室内进行验证，在大西高铁进行了现场监测应用。主要成果如下:

1)基于现场测量条件，提出了基于非接触测量技术的钢轨位移爬行在线监测系统的整体方案。采用非接触式测量技术，该装置的测量单元主体利用磁致扭转波作为信号传输媒质，且波检测器只对旋转波特别灵敏，抗干扰性强，能在铁路现场长期工作。

2)实现了钢轨位移绝对值测量。测量单元主体接通电源后，即可确定位置磁铁的位置，工务部门维修铁路、断电对测量精度不造成任何影响。因此，本装置可以方便、稳定、有效地安装在铁路沿线，长期监测钢轨纵向位移量，进行钢轨纵向应力分析，从而避免胀轨断轨的发生。

3)完成了传感器的温度性能、振动性能和电磁干扰的测试，设计了基于卡尔曼滤波和“温度—位移”二维补偿曲面的温度补偿算法，实现温度补偿和位移修正;设计了优化的传感器钢轨夹来减小振动的影响。

2.3 钢轨完整性在线监测技术

研究了基于超声导波技术的钢轨完整性实时监测技术。采用超声导波作为敏感信号，通过导波信号的有无来判断钢轨是否完全断裂，通过导波信号的非正常衰减来判断钢轨裂缝等缺陷的发生。在理论研究的基础上研制了35 kHz超声导波探头，在远端接收信号时，能够提取微小信号并进行断轨判断。对信号发送与接收方式进行了创新性的设计，从而保证了系统的稳定性与准确性。进行了实验室条件以及现场条件下2 km区间的功能测试及稳定性测试。试验证明，该系统能够稳定地运行，准确地检测发射端的稳定信号，并能够分辨不同发射端的信号。

2.4 钢轨外观状态巡检技术

钢轨外观状态巡检主要包括轨面伤损和钢轨轮廓检测。轨面伤损检测方面，采用线阵CCD相机等间距运动扫描拍摄钢轨图像，提出了钢轨表面擦伤区域检测算法、基于傅里叶变换的钢轨波磨检测算法、钢轨光带区域检测算法。钢轨廓形测量方面，采用激光摄像技术、模式识别等技术，获取钢轨轮廓图像，实现了对钢轨垂磨、侧磨、轨底坡的测量。研制了车载动态钢轨外观状态巡检系统，为高速铁路钢轨外观状态的普查提供了自动化检测装备及智能化的技术分析手段。其作业效率大约为人工巡查的25倍，采用机器模式识别分析的方式在检出率和重复性上均优于人工检查。

2.5 高速铁路大号码道岔和伸缩调节器服役状态在线监测技术

在道岔和调节器状态监测方面，研制了基于光纤光栅传感技术的监测系统。选用了高灵敏度、高稳定性的光栅传感器作为无缝道岔钢轨温度力、钢轨温度和桥梁伸缩位移测试传感器，解决了以往采用电阻应变计无法长期测试温度力和累积位移的难题。

1)道岔和调节器稳定性长期监测技术。分析确定了高速铁路无缝线路稳定性理论，建立了稳定性计算模型，并提出高速铁路无缝线路稳定性定量计算方法;研制了无缝线路实际锁定轨温检测系统NTS，并进行了标定试验;根据野外恶劣工况及复杂多变的现场环境，对长期检测所需的传感器、数据采集设备、数据处理、信息管理和网络传输、服务器管理等进行了试验和标定，研制了重载铁路轨道及道岔稳定性长期监测系统。

2)轨道结构动力性能及安全性检测技术。根据轨道动力学性能与安全参数测试的特点，研制了监测系统，开发了配套的自动处理软件。该系统具备长期监测列车通过时的轮轨水平力、垂直力、脱轨系数、轮重减载率，并具备统计评估、现场存储、查询、无线数据传输、服务器存储等功能。

3)检测信息管理和轨道状态评估系统。编制了服务器信息管理软件，并搭建了服务器;确定了轨道设备稳定性及钢轨纵向力评定标准;确定了动力安全参数的评定标准;建立了动力学与安全参数评估模型。

4)道岔和调节器稳定性检测系统现场测试及检测数据统计分析。选取长春西站62号大号码道岔和郑西高铁350 km/h双向调节器作为特征地段，安装了课题研制的监测系统，并进行了为期至少12个月的长期监测，取得了大量的测试数据，分析了监测数据所表征的轨温、钢轨纵向力和连续梁梁缝变化等特性。

2.6 轨道综合刚度检测及评估技术

基于移动式线路动态加载试验车，通过理论建模、仿真计算、算法研究、系统搭建、试验验证、系统完善等取得了以下成果:

1)研究提出了移动加载跟随技术方案，采用软模式作动器并应用曲线通过算法，实现了60 km/h以内移动加载时加载精度优于20 kN;

2)利用研究提出的双弦测方法，采用激光三角法实现了钢轨变形的车载检测;

3)在分析试验数据的基础上，提出了适用于加载车的测力轮对系统方案，采用CAN接口实现了测力轮对系统与刚度检测系统、液压加载系统的集成;

4)在不同轨道结构处，试验测试了加载车的定点加载能力;

5)在仿真和试验分析的基础上提出了优化的加载模式，并试验验证了采用移动检测结合定点加载来实现高速铁路轨道综合刚度检测技术和薄弱轨道结构识别技术。

2.7 线路异物在线监测技术

在线路异物在线监测方面，采用星光级相机实现了不同天气及光线条件下清晰图像的获取。通过开发去抖和去阴影算法实现了基于单目图像的异物准确检测;通过开发异物识别与分类算法实现了侵入异物的分类和行为分析;通过单双目和激光与红外相机的多源信息融合实现了各种复杂天气及光线条件下异物侵入的准确检测。该方法可以直接应用于高速铁路线路净空安全监测领域。与目前既有视频监控系统采用人工分析相比，该方法能够自动检测侵入异物、自动对异物进行分类识别和报警，能为高速铁路异物自动识别、自然灾害报警、铁路设备形位异常和反恐防暴等重大需求提供技术支持和条件保障，对提高高速铁路安全水平具有重要意义。

3 线下基础设施服役状态检测技术

3.1 沉降变形监测技术

在高速铁路路基工后沉降方面，研制了基于自动全站测量的智能移站沉降变形监测系统，实现了针对高速铁路的全站测量、站间走行、动力及电源供给、观测标的合理设置、远程控制和远程数据传输功能;完善了沉降变形的评估方法，提出了适合运营高铁的沉降评估方法;开发了高速铁路沉降变形评估系统，形成系统的高速铁路路基沉降变形分析、监测、评估技术体系。

1)获得了高速铁路工后沉降变形特征，发现其具有总沉降量小，将测量精度要求高的特点。这为检测与监测设备的选型和研发提供了理论依据和技术支撑。

2)研发了基于全站测量模式的智能移站沉降变形测量系统。该系统能够实现高速铁路线下基础设施沉降变形智能监测，更加适应一维方向超长距离分布、周期长、精度要求高的高速铁路沉降变形监测，从根本上实现了工后沉降监测的自动化、智能化、高效化和低成本化。

3)提出了高速铁路路基单点沉降和线路纵向多点差异沉降的综合评估模式，完善了工后沉降变形监测技术体系，为高速铁路路基确定合理的运行维护模式提供了理论指导。

3.2 高陡边坡稳定状态监测技术

在高陡边坡多因素稳定性影响分析的基础上，构建了高陡边坡的综合监测体系，研发了高陡边坡的监测技术及评估体系，并进行了工程验证。主要成果如下:

1)构建了边坡监测体系。基于三维激光扫描技术对全线边坡进行初步普查，并结合工程地质和水文地质条件，将铁路沿线边坡分为重点边坡和一般边坡，系统分析了边坡可能存在的安全隐患和监测重点。对一般边坡采用车地应答模式的定期监测方式;对于重点边坡，可采用基于光纤光栅和阵列式位移深部土体监测的实时监测方式。

2)研发了边坡车载激光扫描系统及数据的三维可视化技术，为铁路沿线边坡的普查提供了重要的技术手段。

3)实现了边坡变形信息的交互式信息采集技术，为一般铁路边坡监测提供了技术支撑。

4)形成了基于光纤传感和阵列式位移传感技术的铁路边坡滑坡监测技术，为重点边坡的实时监测提供了技术支撑。

5)研究了将数据库管理系统技术与智能分析相结合的铁路边坡评估报警系统，可提升铁路工务设备信息化管理水平和养护维修科学决策水平。

4 牵引变电关键设备和接触网在线监测技术

4.1 铁路供电系统运行安全及在线监测系统

研究了牵引供电的接触网、变压器设备的热过负荷等效数学模型，报警机制的参数分析计算和整定方法;研究了铁路变电所的智能预警及在线监测技术，实现了变电站“数据集成、业务协同、管理集中、资源共享”的管理要求，实现了信息的集中采集、集中传输、集中分析、集中应用，实现了与其它系统的交互应用。

1)热过负荷模型研究。分析了变压器、接触网的热过负荷特性，分析了热过负荷的影响参数、报警机制及整定方法，形成了热过负荷保护模型并研制了相应保护装置，能够有效反映变压器绕组、接触网馈线的温度变化情况，防止其因长期过热而导致稳定性下降。

2)变电站智能预警及在线监测技术研究。分析了变电站运行、维护及管理现状;研究了传统电气开关设备的智能化组件，集在线监视、智能控制、数字化接口和断路器的电子操作等一系列的高智能化功能于一体;研究了变电站监测信号、控制命令、保护跳闸命令的数字化采集、传输、处理和数据共享的技术，实现了采用IEC61850标准定义的，分为过程层、间隔层和站控层的系统样机架构。能够根据智能一次设备状态监测和变电所环境在线监测的海量数据，采用数据挖掘的方式提取有效信息，针对潜在的可能影响到供电安全的异常事件给出报警信息。

4.2 接触网安全状态实时检测技术研究

针对接触网结构复杂、无备用、运行环境恶劣和故障率高的特点，合理选择表征接触网运行状态的特征量，重点对接触网温度、张力的监测方法进行了研究。实现了基于位移、加速度、铂电阻测温与图像压缩等技术的接触网综合安全状态参数(张力、抬升量、温度)的实时监测与辨识。

1)研究了基于坠砣高度、接触线张力、棘轮位置与滑轮偏转角等监测量的接触线断线及隐患检测技术。通过对这些特征量的研究与监测，掌握了接触网的安全运行特征，实现接触网断线状态实时检测。

2)研究了基于红外及铂电阻传感测温等技术的接触网温度检测方法和基于高精度、强抗干扰的接触网应变检测技术。通过温度和应变的监测，使得接触线温度和应变值均在一个合理的阈值范围内，保证接触线运行状态良好，确保列车运行的安全稳定。

3)整体完成了补偿装置的张力监测系统，对系统各信号的采集、通信方式、系统供电方式等关键技术进行了研究，设计完成了监测系统的原型样机，并在测试平台上进行了模拟测试，对测试中反映出来的问题进行了分析并对监测系统进行了改进。同时，考虑到现场安装条件及工作环境，深入研究了可行的安装及工作方式，在节能、安全、可靠三方面对监测系统进行了改进。

4.3 接触网状态在线检测设备及关键技术研究

针对弓网电弧和接触网关键悬挂参数在线检测开展了大量研究，分述如下:

1)弓网电弧在线监测装置标定方法研究。研究弓网电弧光谱辐射特性和电弧特征光提取技术，建立光谱响应度标定平台，以弓网电弧在线检测装置为出发点，提出一套基于弓网电弧在线检测装置的标定方法，获取弓网电弧在线检测装置的灵敏度曲线，从而解决了弓网电弧不能定量描述的关键技术问题。

2)基于牵引电流与弓网电弧的弓网受流质量技术研究。研究牵引电流与弓网电弧的内在关系，提出了一种由于弓网电弧引起的牵引电流暂态变化评估指标——牵引电流扰动量(其值能够反映电流的稳定情况)，定量描述牵引电流的扰动程度。

3)载体振动补偿技术研究。研究车体振动系统产生机理和特征，分析车体振动后表现出的运行特征，研究基于机器视觉技术的摄像检测方法。以典型的接触网综合车为例，建立了一种车载振动补偿计算模型，解决了由于车体自由摆动带来的检测精度误差，提高了检测精度，达到接触网“精检细修”的目的。

4.4 基于受电弓图像识别技术的接触网状态监测及装置研制

研究了基于受电弓图像识别技术的接触网状态监测技术，主要包含受电弓图像采集及传输技术、受电弓图像预处理技术、受电弓图像特征提取技术等。研制了视频编码装置、音响报警装置及受电弓图像分析服务器软件，形成了基于受电弓图像识别技术的接触网状态监测系统。该系统通过架设在固定位置的照相机拍摄到来列车的受电弓图像，通过对受电弓图像的分析间接判断接触网状态。该系统是一种非接触式弓网关系在线监测系统，可在不影响列车正常运行的情况下对列车受电弓、接触网进行监测，是现有弓网关系监测系统的有效补充，具有安装维护方便、便于功能扩展等优点，具有很好的应用前景。

5 系统集成和工程验证

5.1 多源检测数据整合与存储

通过深入分析高速铁路基础设施服役状态检测与监测数据的内容和特征，提出了高速铁路基础设施服役状态检测与监测数据整合与存储技术，即将检测与监测数据归一到“设备—地理—时间”三维数据空间内。数据存储采用文件服务器和Oracle数据库相结合的方式，数据存储和处理能力可达到10 TB以上。

系统集成的数据管理遵循编码统一原则，使用了数据仓库技术。系统结构设计采用了服务总线、SOA、模块化技术。通过数据抽取和推送技术实现了工务段—铁路局—总公司系统间的数据接口。

建立了高速铁路基础设施服役状态检测与监测系统，实现了OTP系统架构，规范了数据接口的多源接入。实现了工务基础设施台账、检测与监测数据的统一管理，接入牵引变电基础设施检测与监测数据，实现了牵引变电基础设施检测与监测数据的综合显示。

5.2 高速铁路基础设施服役状态综合分析评估

提出了适用于我国高速铁路运营特点和设备技术现状的基础设施服役状态检测与监测总体框架体系，为我国高速铁路基础设施服役状态的检查监控模式、检测与监测设备配置及检修管理提供技术支持，有力地保障了高速铁路安全、经济、有序运营。

在高速铁路基础设施服役状态检测与监测系统中实现了对高速铁路基础设施服役状态检测与监测数据的趋势分析、重复分析和关联分析，提出了轨道几何和钢轨伤损状态综合评估模型，提出了轨道几何状态安全态势预测方法。

5.3 工程验证

在环行铁道动车试验线对无缝线路钢轨纵向应力、位移、完整性监测系统进行了试验验证;在沪杭高铁对异物侵限系统进行了试验验证;在昆明局威红线对高陡边坡稳定监测系统进行了验证;对其余各系统也分别开展了验证试验。通过验证试验全面考核系统的功能和性能。验证结果表明，监测系统样机达到了“具备完整功能的最小系统”的要求。

6 关键技术突破与创新点

6.1 关键技术突破

在线路基础设施方面取得了5项关键技术突破:①基于超声导波的钢轨绝对应力及完整性监测评估技术;②基于移动加载车的轨道结构综合刚度检测及状态评估技术;③基于立体视觉和微波雷达的线路异物侵入自动检测技术;④基于自动全站测量的智能移站沉降变形监测技术;⑤基于微电子机械系统的边坡状态监测技术。

在牵引供电方面关键技术突破有:①考虑环境因素影响的变压器、接触网热过负荷计算模型;②基于位移、加速度、铂电阻测温的接触网状态检测技术;③接触网张力在线传感技术、振动监测技术;④弓网电弧在线检测装置标定及检测系统车体动态补偿技术;⑤消除环境影响的图像信息预处理和图像特征提取方法;⑥数据传输及系统集成方面，研发了传感网络动态组网和异构特征融合技术、以及多源数据整合与存储技术。

6.2 主要创新点

①基于超声导波的钢轨完整性监测技术;②车辆移动状态下高精度加载技术和钢轨位移双弦检测技术;③单目与双目视觉相结合的铁路异物检测方式;④基于全站测量模式的智能移站沉降变形测量系统;⑤基于车地交互模式和实时在线的边坡监测系统;⑥牵引供电系统设备热过负荷等效数学模型;⑦接触网综合安全状态多参数实时传感与辨识技术;⑧弓网电弧检测装置的标定方法和车体动态补偿技术;⑨利用色彩信息和p－tile算法的受电弓图像定位方法;⑩传感网络动态组网和异构特征融合技术;○11基于多源数据整合的高速铁路基础设施检测与监测系统。

7 结语

通过高速铁路基础设施服役状态检测技术的研究，构建了基础设施服役状态检测与数据分析系统，形成了基础设施服役状态检测与监测技术体系，既保障了基础设施的长期运营安全及服役品质，提高了维护水平，又推动了高铁技术进步，带动了技术创新。此外，培养了一批高端技术人才。研究成果对我国高速铁路发展和长期安全运营具有重要的意义。

建议:①进一步加大检测与监测系统试验验证范围;②进一步提升检测与监测系统的耐久性以及抵抗恶劣气候的能力;③进一步加强检测与监测系统的推广应用;④随着检测与监测数据的积累，需深入研究数据分析、挖掘和应用技术。

［1］卢春房.提高铁路科技创新能力促进铁路科学发展［J］.中国铁路，2013(2):17－22.

［2］何华武.高速铁路运行安全检测监测与监控技术［J］.中国铁路，2013(3):1－7.

［3］盛光祖.党的十八大对铁路改革发展提出的新任务新要求［J］.中国铁路，2013(2):4－9.

［4］中国铁道科学研究院.高速铁路基础设施服役状态检测技术［R］.北京:中国铁道科学研究院，2014.

Detection technology of service state of high speed railway infrastructure

ZHAO Youming
(China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Detection technology of service state of high speed railway infrastructure in our country is an important foundation for improving the high speed railway service quality and infrastructure maintenance level，which has important significance to China high speed railway development and long－term safe operation.T his paper introduced the latest research results and test application of high speed railway infrastructure service state detection technology，including high speed railway online and offline facilities，traction substation equipment and contact net，data access network technologyand the comprehensive analysis and evaluation system.T his paper alsoconcluded key technology such as the rail absolute stress based on ultrasonic guided wave and the integrity monitoring and evaluation technology，and main innovation points including high speed railway detection and monitoring system based on multi source data integration，which suggests that further exploration should be made for the wide application pattern of detection and monitoring system in China high speed railway.

High speed railway;Online facilities;Offline facilities;T raction substation;Access network;System integration

U238;U216.3;U226.5

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.01

(责任审编 李付军)

1003－1995(2015)10－0001－06

2015－09－10;

2015－09－20

国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2011AA11A102)

赵有明(1965—)，男，研究员，硕士。