高速铁路基础设施综合检测监测技术探讨

姚 冬，陈东生，陶 凯，杨 飞，王燕国

(1.中国国家铁路集团有限公司工电部，北京 100844；2.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081)

引言

自2008年中国进入高铁时代至今已11年，过去五年新增铁路营业里程和投产高铁里程均创历史最高纪录，截至2019年底全国铁路运营里程13.9万km，其中高铁3.5万km。从规模质量上看，我国拥有世界上发达的铁路网和高铁网；从技术水平上看，运用了先进的工电技术；从设备维护上看，初步构建了科学有效的维护管理体系。

近年来，面对路网规模扩大、维修支出增加、经营压力加大的挑战，维修部门越来越重视科学维护和降本增效，努力提高维修养护的效率和经营管理效益，开始积极推行机械化维修和集中修，生产管理模式由粗放式向精细化、集约化发展。但是“提质增效”仍然是维修管理中最薄弱的环节，维修部门还未按照“市场意识、竞争意识、效益意识、成本意识”考察投入产出比和投资回报率；设备等级管理、等级差异化维修还处于摸索阶段。鉴于上述情况，随着铁路国铁集团推进高铁综合维修生产一体化改革，有必要按照“资源集中，统一管理调配使用”原则，从系统融合角度探讨高铁基础设施综合维修管理技术发展。

1 铁路基础设施检测监测技术概况[1-10]

1.1 国外铁路基础设施检测监测技术

铁路发达国家积极探索利用高新技术提高基础设施检测能力和效率，研制开发具有综合性、高精度、高速度、高智能、高可靠性的检测设备，检测和维修管理技术实现了重大飞跃。

1.1.1 日本

日本新干线除采用East-i综合检测车对线路进行综合检测外，还在综合检测车前方和地板下部安装摄像装置，结合定期的轨道检测数据，进行垂直和斜向拍摄，采集扣件、夹板螺栓和钢轨图像，将数据传送到维护工区的数据库，利用专用图像生成软件，检查轨道部件状态。此外，日本利用隧道检查设备对隧道内部缺陷进行探测，对隧道表面裂纹、损伤等进行拍摄检查。

新干线维修保养工作是在COSMOS系统(计算机综合管理系统)的统一管理下进行的。维护作业管理系统是COSMOS系统的子系统之一，是综合维修体制的重要体现和支撑系统。检测数据上传到中央计算机，在此进行数据处理分析，生成维修计划。然后将处理数据传输给维修工区计算机终端，并将检测数据输出成图表来指导维修作业。同时，维修工区会将复测数据反馈给运行本部。

1.1.2 法国

法国利用综合检测列车(IRIS 320型)对高速铁路的轨道、通信信号、接触网等进行等速综合检测；利用检测车(Mauzin型)进行铁路线路轨道几何状态的检测；利用检测车(Mélusine型)在300km时速下定期对TVM轨道电路特性、轨道对列车的无线电系统、轨道几何状态、受电弓及接触网的工作状态等进行检测。利用接触网检测车(VZC172型)定期进行接触网静态特征记录工作(运行速度为160 km/h，检测速度为50 km/h)，可以实现自动测量接触线厚度、记录接触网动态性能(偏移及接触线高度)、受电质量(自动探测电弧)，以及可能出现的障碍和受电弓在接近最高限速时的异常冲击等。利用通信信号检测车(HELENE型)以200 km时速进行巡回检测信号和通信系统，包括UM71轨道电路的特性、检测补偿装置、电气绝缘节的质量(纵向和横向干扰)、牵引回流失衡、信息定时发送器、地对车无线通讯设备。此外，还利用不同超声波器材定期检测轨道内部问题；部署固定监测装置对高速铁路沿线的固定设施、移动设备、自然灾害和侵入限界等进行监测；根据任务需要，利用搭载高清相机、3D激光等传感器的无人机采集沿线细节信息，并采用专业软件进行数据处理和综合分析。

法国高速铁路的远程监测和辅助诊断系统能连续监测基础设施的运转并能定期进行数据分析，以便监测运转异常并发出实施相应预防性维修的工作指示，可以大大减少事故处理时间。如法国高速铁路道岔安装的道岔监测装置，可以监测道岔的最小轮缘槽、密贴间隙、转换力、动作杆位移、基本轨和辙叉心磨耗、钢轨温度等各种数据和道岔环境数据。现场采集的这些道岔信息通过网络传送到维修中心，进行数据处理和储存，为高速道岔维护和使用提供数据，以实现对道岔设备的状态修。

法铁利用Timon系统对基础设施状态进行分析，不断累积数据，目前Timon已经累积了30多年的基础设施检测及养护维修数据。基于上述数据，利用数据挖掘理论及数据综合分析方法，分析线路状态，预测基础设施演变规律，并将分析及预测结果作为养护维修的基础。

1.1.3 德国

德国铁路利用轨道检查车、钢轨探伤车、接触网检测车等专业检测装备对轨道几何、钢轨伤损与磨耗、接触网、限界等进行检测。德国铁路在基础设施管理的合理化和现代化方面投入大量资金，建立了一个统一的组织化的数据处理系统DB-GIS。通过DB-GIS，基础设施管理机构以及外部承包商可以更快捷地存取基础设施的详细信息、大量技术和图像信息，简化了基础设施的维护和管理。Geo系统就是基础设施大地测量数据系统，包括线路地理信息系统(GIS)、地图形式GIS、德国铁路GIS和限界数据系统(LIRA)。

1.1.4 美国

美国铁路采用智能技术措施进行固定设备安全管理。美国铁路每年投入约250亿美元，通过新技术全面监控铁路机车、车辆及线路等系统工作状态，覆盖2.8万辆机车、140万车辆，采用的技术从路基探测雷达涵盖到各类工业物联网传感器。在移动设备及固定设备安全监测与管理方面，普遍采用无人机、超声波、激光、红外、声学等智能传感及动态监测技术，对机车、车辆、钢轨、线路(路基、道床)、桥梁等设备及其关键部件技术状态进行监测，将安全监测数据与设备运用、维修、养护及基础信息进行融合处理、分析，提前发现设备存在的安全隐患，依据设备技术状态进行预防式维修养护，既节约维修成本，又可避免事故发生。此外，采用无人机检测手段进行铁路桥梁健康监测与管理，可对采集图形进行智能识别，提高检测效率；采用超声波技术检测轨道，实时采集气象环境信息；所有信息通过IOT平台进行数据预处理，为后期的预测分析奠定基础。

美国联邦铁路局FRA与各铁路公司共享数据，双方拥有独立的检测设备，数据中心可以协调各公司以获得最佳运输模式与线路安排。AAR收集的各类数据包括列车运行检修情况、货物运输情况、列车径路安排、检测记录的缺陷及故障处理、钢轨磨损情况、钢轨损失和运输调度计划等信息。AAR有专门的IT人员负责对收集的大数据进行分析处理，从而实现预测设备剩余寿命、优化线路设计方案；线路故障情况下自动设计列车迂回线路、制定设备主动维修策略、自动提醒第三方厂商保养维修机车车辆。当前AAR主推的大数据和信息化的一个典型案例就是AHSI系统。AHSI以减少机车车辆故障、提高检测检修质量、提升运输效率为目标，这些目标通过固定资产信息管理、E-train、检测检修质量控制、MRR(铁路维修机械管理)等几个子系统实现。AHSI最终目的旨在实现对列车运行的全过程实时追踪，以实现对列车和线路安全风险的全方位防控。

综上所述：世界铁路发达国家均采用综合检测车、专业检查车对高速铁路基础设施进行全面、周期检测；同时在沿线部署固定在线监测装置，实现固定设施、移动设备、自然灾害和侵入限界等的安全监测；还积极利用无人机、超声波、激光、红外、声学等智能传感及动态监测技术，对基础设施及其关键部件技术状态进行检测监测。

与此同时，世界铁路发达国家搭建统一的综合信息管理分析平台，汇集所有检测监测数据，对数据进行处理分析用于指导养护维修，以及提前发现设备运用存在的安全隐患，依据设备技术状态进行预防式维修养护，既节约维修成本，又可避免事故发生。除此之外，基于上述数据，利用数据挖掘理论及数据融合分析方法，分析线路状态，预测基础设施演变规律，并将分析及预测结果作为养护维修的基础。

1.2 国内铁路基础设施检测监测技术

综合巡检车已经具备轨道外观、接触网部件、电务轨旁设备和线路限界的综合巡检。定期将单节的轨道检查车、接触网检测车和电务检测车挂在旅客列车后，可以对基础设施进行动态检测。为进一步提升检测效率，铁路局每季度将轨道检查车、接触网检测车、电务检测车等专业检测车联挂检测。在运营动车组或电力机车上搭载的检测装置包括车载式线路检查仪、接触网运行状态检测装置(3C)等。此外，还有便携式线路检查仪、接触网安全巡检装置(2C)、工务添乘作业保障系统等添乘检查辅助装置。固定在线监测装置面向周边环境、防灾、防断等安全监控需求，比如在铁路沿线部署的防灾在线监测和综合视频装置，能够监测异物侵限、山体滑坡、泥石流、地震等地质灾害。当前固定在线监测系统按专业隔离，发现的问题处置管理也分散在各个信息系统内，缺少统一平台实施安全监管；有必要整合各专业检测监测需求，统一规划建设，规范数据发布内容和格式，建立统一共享的数据管理平台。现场人工利用小型仪器检查或人工观测工作量大、分散，机械化和电子化程度低，占用人工较多。在站线、支线等动态检测车辆不便全覆盖的检测线路，应以综合性的地面检测小车为主要检测工具，作为动态检测车辆的必要补充，并作为现场复核的重要工具。综合性地面小型检测仪器应集成里程定位设备，并实现检测数据的电子存储、数据导出等功能。此外，地面小型检测仪器的生产制造商多元，存在产品质量和规格差异；仪器日常维护和检定不到位，工作状态难以保证；检测数据发布内容和格式不一致，虽然符合技术条件规定，但与现场需求还有差距。

当前，铁路信息化基础设施相对落后。如果把“网络”比作发展实体经济的“高速公路”，那么要发展信息化、促进两化融合，必须加强、加快铁路信息化基础设施建设。铁路局工务、供电、电务专业的信息化基础设施，如机房、网络、服务器、存储需要集中规划和建设。工务专业以“铁路工务安全生产管理系统”为顶层架构，逐步推进工务专业数据管理的规范化和统一化；供电专业以6C数据中心为顶层架构，实现对6C系统各装置检测数据的集中汇集处理，但目前部分站段还处于建设阶段；电务、房建专业缺少统一的数据管理系统。同时，各专业数据管理系统还与生产指挥系统、调度系统等存在信息隔离的问题，形成了信息孤岛。大数据时代已经到来，数据已经成为重要的生产因素。目前，各专业检测监测数据还处于人工汇总、统计分析、分类展示的初级数据分析阶段。各专业检测监测数据分析人员还缺乏大数据分析意识，各数据分析平台缺少大数据分析架构设计，各专业缺少对大数据技术的应用探索，不能有效提炼出海量的检测监测数据中的宝贵价值[11-12]。

2 铁路综合检测监测技术体系创新

2.1 综合检测监测技术

随着工电供专业检测融合发展，检测设备研发机构需要进一步整合检测监测设备搭载平台，持续提升检测设备集成化和标准化水平。我国铁路基础设施综合检测技术装备包括综合检测列车(350 km/h级和250 km/h级)、综合巡检车、专业检查车、搭载式检测装置、固定监测装置、小型检查仪器和添乘辅助装置。见图1。

图1 铁路基础设施综合检测技术装备装置

2.1.1 综合检测车[13-14]

综合检测车车载基础设施检测系统改进方向如下：①应遵循标准化、模块化、集约化、小型化等设计原则，提高车载基础设施检测系统的集成度、可靠性和可维护性。②提高车载基础设施检测系统对恶劣环境的适应能力；满足高寒运用要求，具备短期高海拔运用能力，满足长期振动环境使用需求。③提高车载基础设施检测系统的抗电磁干扰能力。④采用高性能存储设备、数据冗余备份机制、无线传输加密等方法，提高车载基础设施检测系统的数据安全。⑤提高车载基础设施检测系统的人机交互体验。

2.1.2 综合巡检车

基于自轮运转车辆平台，集成融合轨道、接触网和电务轨旁主体设备外观状态巡检，轨道、接触网几何参数和电务设备电气特性参数检测的综合巡检车，满足站段的检修需求。立足于工电供一体化综合维修需求，综合巡检车配属维修站段运用。车间设巡检管理分析员专岗，负责完成全部项目巡检数据分析与回放；站段对应设巡检管理分析主管工程师，负责完成全段关键项目的巡检数据分析，指导和监督车间数据分析员工作。考虑站段运用和日常检修需求，宜选择安全经济、成熟可靠的车辆平台。

2.1.3 专业检查车

考虑既有铁路局设置检查天窗，25T时速160 km各专业检查车(轨道检查车、电务检测车、接触网检测车)联挂组成专业检查车，用于铁路局对管内线路养护维修质量的检测、考核和评价。与此同时，检测设备研发机构有必要研究网轨检测车，在单节检测车平台上实现轨道检测和接触网检测的功能融合集成。此外，检测设备研发机构需要统一考虑检测定位问题，融合利用射频标签、北斗、车载监测系统中的DMS或EOAS系统(电务专业)、车辆列控LKJ等技术为各个检测系统定位，进一步提高定位精度。未来专业检查车或将逐步被普速综合检测列车(160 km/h级)替代。

2.1.4 搭载式检测装置

目前各专业已有车载式线路检查仪、接触网2C装置、3C装置、搭载式轨道检测装置等，安装于运营动车组或电力机车上。搭载式检测设备是综合一体化检测监测体系不可缺少的部分，是周期性检测的重要补充，后续可进一步将其与动车组整合设计。建议对车载视频检测监测设备和LKJ设备&机车信号监测管理系统进行融合。

2.1.5 地面固定监测装置

对于各专业既有线路障碍监测和危岩落石监测、钢轨锁定轨温监测和无缝道岔位移监测、受电弓滑板状态检测装置(5C)、接触网及供电设备地面监测装置(6C)、综合视频监控系统等，建议开展监测设备统型和融合工作。①监测设备统型。积极推进新技术在监测设备中的应用，对于各专业成熟的专项监测设备，尽快开展统型工作，明确以下内容：设备技术要求、检验检查方法、数据内容格式、上传接口协议。通过前端设备的统型工作，提高设备质量，规范数据发布接口格式，建立统一的数据传输通道和后台接收终端、数据管理分析平台，为实现数据共享和融合分析奠定基础。②监测设备融合。对于功能相似、位置相近的前端监测设备，研究其信息共用和设备融合的可行性。如道岔综合监测(工务电务综合监测)，道岔设备对于工务、电务专业都是关键设备和薄弱环节，两专业分别有道岔监测设备，只是关注点、侧重点不同。应探讨进行综合监测的可行性。

2.1.6 小型专业检测仪器

静态小型专业检查仪器主要由工区使用，如轨道检查仪、钢轨探伤仪、钢轨廓形、波磨、平直度仪器、站台限界检测仪、激光接触网检测仪、便携式无线场强测试仪等，作为动态检测装备的必要补充，并作为现场复核的重要工具。建议后续编制或修订检测装置的技术条件，统一数据发布接口格式，规范检测装置安装接口。同时，建议研究统一的自走行检测平台，支持嵌入钢轨探伤、轨道几何、钢轨廓形与波磨、站台限界、接触网测量、无线场强测试等检查模块。

2.1.7 添乘辅助装置

携带可采集接触网、轨道外观和周边环境的高清视频，能够实时快捷记录观测问题的便携装置完成周期检查和应急检查。

2.2 数据分析应用技术

2.2.1 数据传输网络[15]

铁路基础设施故障预测与健康管理(PHM)流程一般包括四部分，检测监测数据采集与处理、状态检测监测与故障诊断、状态评价与发展预测、养护维修智能决策。其中数据传输是否流畅是智能决策的关键基础，但是既有的网络通道不能满足数据汇聚和处理分析的需求。目前通信数据网络、区间传输光缆及区间电源均归电务专业管理，供电专业在铁路沿线安装的5C和6C设备目前均使用3G/4G公共网络进行数据的传输，数据传输成本高；通过有线的方式对供电的图像和视频数据进行传输，既能降低成本又能增加传输通道保障。整合各专业信息化基础设施资源，包括光缆、机房、网络、电源、服务器、存储等，建立检测监测数据传输专网，统一设计、建设和运维很有必要。见图2。

图2 铁路基础设施检测数据分布式管理架构

2.2.2 汇聚管理数据[16-17]

汇聚管理铁路基础设施检测监测数据是开展故障预测与健康管理工作的前提。为此有必要统一移动检测装备、固定在线监测装置和小型专业检测仪器的检测数据发布格式，便于汇聚管理检测监测数据。具体包括：①统一组织开发专业的检测数据管理软件，实现综合检测车、综合巡检车、专业检查车等检测列车各专业检测数据的分布式统一管理；②积极利用5G和云技术实现检测数据管理分布式网络架构，使用车地无线传输系统发布检测数据；③开展现场人工使用的小型检测仪器的统型工作，编制或修订技术条件，规范其检测数据发布格式；④推广现场检查作业数据记录的移动应用，实现人工观测记录电子化。

2.2.3 集成处理分析

传统的检测监测数据处理分析、故障诊断和状态评价预测由人机交互完成，随着分析参数优化、算法和模型的不断完善，已经具备由数据驱动智能决策的前提。因此，有必要研究搭建检测监测数据处理分析平台，实现检测监测数据自动化预处理分析、历次检测数据趋势分析、多专业关联分析，以及相关联检测参数的综合展示等。具体包括:①部署车载数据在线处理分析软件，实现检测数据里程校正、无效数据标识等在线处理功能。同时，也支持相关联检测参数的综合展示，如综合巡检车的轨道几何和接触网几何参数融合显示。②在地面部署网络化专业数据分析软件，支持对历次检测数据的趋势分析和多专业关联分析应用。如综合检测车的轴箱加速度检测数据(可分析得出轨道冲击指数和钢轨波磨指数)与综合巡检车钢轨表面巡检照片(钢轨表面擦伤)的融合分析与展示；融合分析钢轨探伤数据与线路运输数据，为钢轨检查和大修提供决策依据。

2.2.4 开展大数据典型应用研究[18-20]

大数据时代已经到来，数据已经成为重要的生产要素。有必要通过大数据技术在检测监测数据分析中的典型应用，开拓各专业大数据分析意识，增进大数据应用需求，加快大数据技术在检测监测数据分析中的应用。随着铁路基础设施检测监测系统统型和融合工作的深入开展，尤其是综合巡检车等综合检测装备的广泛应用，必将获取周期稳定、项目齐全、质量可靠的基础设施状态检测数据，为后续基础设施全寿命健康管理和状态修提供不可或缺的数据支撑，有力地推动铁路基础设施大数据技术的应用和发展。

2.3 检测监测技术体系

随着检测及数据分析技术的持续发展，我国铁路基础设施检测监测技术体系将持续融合，向综合化发展，即逐步构建铁路基础设施综合一体化检测体系，包括：①国铁集团检测中心统筹安排综合检测列车，每月2次覆盖全部高速铁路的等速综合检测；②国铁集团检测中心统筹全路专业检查车，每月2次覆盖干线普速铁路专业检查(加挂旅客列车)；③铁路局补充安排本局专业检查车(轨道检查车、电务检测车、接触网检测车，挂旅客列车，也可设置检查天窗进行各专业检测车的联挂检测)检查辖内其他线路；铁路局安排钢轨探伤车等其他专用检查车按周期覆盖检测；④站段自主安排，每月1次覆盖辖内全部线路的时速120 km综合巡检车；⑤按照比例在运营动车组安装搭载式检测装置，补充动态检测设备检测周期间隔期间的安全监测；⑥小型专业检测仪器，如轨道几何检查仪、钢轨探伤仪、钢轨廓形与波磨，主要应用在站线、支线等动态检测车辆不便覆盖的线路，作为动态检测装备的必要补充。⑦添乘检查辅助装置。携带可采集接触网、轨道外观和周边环境的高清视频，能够实时快捷记录观测问题的便携装置完成周期检查和应急检查。

面向高铁工务、电务、供电综合维修生产一体化需求，按照“资源集中、统一管理、综合应用”原则，建设面向综合维修的地面固定监测体系：①梳理既有高速铁路和普速线路的接触网6C、工务8M和电务专业固定监测装置，由通信专业牵头整合监测数据传输网络，保证数据传输的安全性和及时性，各专业配合建立统一的数据管理分析平台。②对于新建线路，将综合维修的地面固定监测需求在设计阶段统一考虑，建设阶段统一部署，监测数据接入统一的数据管理分析平台。③加强新技术应用和推广，如在地质灾害频发的地区采用InSAR技术监测铁路沿线区域的地形和地貌，识别地形、地貌以及表面的微小变化；在灾后利用无人机实施灾情检查和评估工作等。

3 结论和建议

3.1 结论

本文调研国外铁路发达国家和我国铁路基础设施综合检测监测技术现状，针对我国现有检测监测体系，从综合检测监测技术和数据分析应用方面提出创新意见。

3.2 建议

从高速铁路基础设施检测监测及数据分析应用等方面探讨中国高速铁路基础设施综合检测监测技术发展方向，建议如下。

(1)面向高铁工务、电务、供电综合维修生产一体化需求，按照“资源集中、统一平台、集约管理、综合应用”原则，融合发展综合巡检和搭载式检测设备、统型固定在线监测装置和小型检查仪器，构建铁路基础设施综合一体化检测监测体系。

(2)加强铁路基础设施运维管理信息系统建设。整合网络基础资源，建立检测监测数据传输专网；通过检测监测设备统型，统一数据格式，分布式管理基础设施检测监测数据。搭建检测监测数据集成处理分析平台，自动处理、关联分析和展示检测数据及分析成果。利用数据处理、融合分析和挖掘技术，提前发现设备运用存在的安全隐患，分析掌握基础设施演变规律和预测其变化趋势，依据设备技术状态进行预防式维修养护，既提供网络共享平台、节约维修成本，又可提质增效及时消除安全隐患。