高铁线下结构病害可视化方法研究

张广远， 王永卫， 赵维刚， 王保宪

（1. 石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，河北石家庄 050043；2. 石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 050043）

0 引言

高速铁路为我国交通运输作出了巨大贡献，促进了国民经济的发展。但是，从建筑全生命周期角度看，高铁建设只是完成了设计、施工阶段工作［1]，而后期的运营维护对系统性能的可持续性起着重要作用［2]，是列车安全运行的重要保障，能更好地促进政治、经济、文化等发展新增长点的产生［3]。在影响高铁安全的各种因素中，承载列车运行的高铁线下结构（即无砟轨道及其下部各层结构）是否发生病害及其损伤程度直接关系运营安全，包括无砟轨道板裂缝影响轨道寿命、CRTSⅡ型板中CA砂浆层空洞影响无砟轨道板承载力、路基不均匀沉降造成轨道不平顺等。由此可见，高铁线下结构的稳定性和平顺性在运营维护中扮演着重要角色。

对高铁线下结构服役期间隐性病害进行检测，并有效管理和表达检测结果，作好病害多方面、深层次的分析准备，实现病害信息可视化，可更好地促进和指导维修养护工作的开展。由于病害类型多样、位置不定，给数据的记录、整理，以及病害的直观表达带来很大困难。同时，随着现有检测技术的先进化，造成病害数据类型多样，不仅要完成详尽病害参数和数据管理，还需要在管理过程中做好不同病害数据来源的对应工作，以便后期核对和检查。

此外，虽然病害记录手段的研究已在其他行业开展，但高铁线下结构病害可视化研究较少，亟需一种有效方法应用于病害信息的管理、表达和分析，为高铁线下结构的维修养护提供强有力的指导。

1 研究对象

1.1 病害类型

我国高铁线下结构的病害类型多样、位置不定。不同板式无砟轨道及其不同的线下结构，病害类型也不尽相同：（1）CRTSⅠ型双块式无砟轨道。该类型无砟轨道CA 砂浆层可能产生离缝脱空、汲水、裂缝和掉块等病害形式［4]；（2）CRTSⅡ型板式无砟轨道。该类型无砟轨道可能产生轨道板表面开裂、挡肩破损、CA 砂浆层离缝、底座板伤损漏筋等病害形式［5]；（3）CRTSⅢ型板式无砟轨道。该类型无砟轨道自密实混凝土充填层受施工工艺及外部荷载影响，其与底座混凝土层的连接处可能存在层间离缝等缺陷［6]。由于高铁路基受列车及外部环境作用，各层结构产生不均匀沉降，形成轨道不平顺，影响列车安全运行［7]。高铁线下结构部分病害类型示意见图1。

1.2 检测数据类型

检测技术的先进化、多样化有利于高铁线下结构病害研究，病害主要检测方法及其数据类型如下：

（1）回弹法：以回弹距离作为强度的相关指标，推测混凝土强度［8]。测试结果为各测区中测点回弹值的表格形式。

（2）冲击回波：以冲击力激励结构表面产生应力波，应力波传播至结构表面或离缝脱空不密实等缺陷处，介质声阻抗发生变化，通过快速傅里叶变换将时域信号转化为频域信号，最后通过主频模态等变化，综合分析评定结构内部缺陷［9]。

（3）超声波法：超声波通过物体不同位置具有不同波速，通过波速对物体内部信息进行构建，即根据材料和超声波波速的关系确定材料的具体分布［10]。

图1 高铁线下结构部分病害类型示意图

（4）探地雷达：通过天线向被探测结构发射信号，记录并分析材料性能变化引起的反射能量。GPR技术可用于钢筋及裂缝定位［11]。目前，探地雷达一般采集一维、二维和三维数据集，需要对图像进行一定处理［12]。

2 技术分析

计算机产生的海量数据为问题的处理和分析带来困难。针对这种现象，不同的可视化方法可以利用图像处理、计算机图形学对所获大量数据进行处理，使各种难以直观展示的信息被快速接收和理解。在不同行业，用于可视化的技术包括传统的二维可视化方法、数据可视化技术、三维成像技术、科学计算可视化技术、虚拟现实技术以及BIM技术等。

虚拟现实技术和科学计算可视化技术具有天然联系，在科学计算可视化技术中，数据信息的可视化往往需要借助虚拟现实技术构建的三维结构平台表达，因此科学计算可视化需要用虚拟现实技术实现，同时也促进虚拟现实技术的发展。BIM技术包含建筑全生命周期所有信息，近年来也拓展到铁路行业，对于病害信息的表达和管理有很好的应用前景。数据可视化技术处理对象与以上三者不同，更多是为前三者技术中大量的数据信息服务，对其进行后续分析并总结规律。传统的二维可视化方法随着技术及需求的发展，逐步向三维过渡。几种可视化技术关系示意见图2。

图2 几种可视化技术关系示意图

2.1 二维可视化技术

传统方法中有许多三维数据的二维可视化方法。最常用的是地形等高线图，左兴东［13]应用C#对AutoCAD进行开发，调用建模命令实现自动建模，提高等高线图的绘制效率。晕渲图是通过模拟太阳光对地面照射所产生的明暗程度，采用相应灰度色调或彩色色调得到连续变化的色调。光照模型是地貌晕渲图能够在二维平面获得三维立体形态的主要原因，李少梅等［14]推导了晕渲光照模型计算公式，并对该模型的地表灰度值的计算与变化进行了分析研究。分层设色图是应用不同颜色或者灰度级表示不同高度带，该方法可与其他可视化方法叠加，可改善图像的显示效果［15]。

2.2 数据可视化技术

数据可视化技术是一种对于数据视觉表现形式的研究，主要针对大型数据集中的非空间离散数据，将这些多维数据在二维平面中显示，分类分析各特征属性间的关系［16-17]。该技术主要应用于医学、商业、金融、企业管理等方面［18]，可揭示数据的复杂结构，是数据分析中必不可少的工具［19]。

近年来，数据可视化技术被应用于铁路各专业的数据分析和直观表达［20]。李擎等［21]提出一种基于网格化管理思想的铁路轨道状态大数据可视化模型，采用多维尺度分析算法和混合层次K均值聚类算法，对轨道的健康状态进行可视化表达，直观展示轨道网格健康状态的相似性或差异性，提升管理者对轨道健康的把握度。针对海量的高铁沉降监测数据，张倩宁等［22]研究出一种沉降监测数据的集成模型，提高了数据管理效率。

程志强等［23]以TypeScript 为编程语言，结合Bootstrap 和Echarts 等构建林业统计数据可视化系统，实现了数据实时更新、信息空间分布展示及快速查询、数据可视化分析等功能，全面直观展现林业统计数据潜在的属性、空间、时间特性。

2.3 三维成像技术

相比二维可视化技术，三维成像技术更加直观地表达了实际工程信息，可应用于信息、工业和生命科学等更广泛的领域［24]。

在工业领域，对被测物体的三维形状和尺寸的检测至关重要，三维成像的地位也越来越高。基于激光雷达的三维成像技术分辨率高、测量精度高，信息获取方式包括了扫描式三维成像激光雷达、面阵式三维成像激光雷达［25]。利用激光扫描仪可获取目标表面的三维坐标、轮廓信息，迅速准确地建立三维模型［26]。基于机器视觉的三维成像技术也可获取三维场景的图像信息［27]。2014年，重庆大学的李新科针对大跨度斜拉索桥梁的安全性研究出一种机器视觉检测系统；2018年，浙江理工大学的胡浩等［28]提出一种基于机器视觉的小磁瓦表面微小缺陷检测法，进一步开拓了机器视觉市场。由此可见，3D 机器视觉正成为辅助产品制造、质量控制等工作的关键技术之一。在高铁领域，采用光测技术结合机器视觉系统和数字图像处理技术取代全站仪，实现了无砟轨道三维坐标的获取与测量，基于三维成像技术的无砟轨道板尺寸检测工作更加快速、精确［29]。

2.4 科学计算可视化技术

科学计算可视化技术是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法［30]。1987年2月，美国国家科学基金会正式给出科学计算可视化的定义［31]。石教英、蔡文立、李晓梅等专家与学者则为我国的科学计算可视化技术的发展作出了巨大贡献［32]。科学计算可视化就是利用计算机图形学和图像处理技术将获得的数字信息转换为图形、图像以便将数据更加直观地表现出来［33]，广泛运用于医学、地质勘探、有限元分析、流体力学、气象预报等众多领域［34]。

封灵［35]以钻孔获得的数据为基础，利用Visual C++按照面向对象与结构化相结合等原则构建可视化模型。杨峻等［36]通过该技术进行可视化系统设计，使计算分析复杂结构的桥梁空间分析软件3DBridge 建立桥梁模型更加快速，增强了软件的直观性。

2.5 虚拟现实技术

虚拟现实技术利用计算机生成虚拟环境，是一种多源信息融合交互式的三维动态实景和实体行为的系统仿真，主要应用于实时视觉模拟的Vega 软件，也经常应用于基于Internet 的网络虚拟现实的VRML 和X3D软件及其他虚拟现实技术相关软件［37]。

徐卫亚等［38]论证了X3D软件在边坡工程安全监测三维可视化工作中的适应性，实现了三维地质的虚拟建模、三维地质条件可视化查询、边坡安全监测等功能，探究了虚拟现实可视化方法在该方面的可行性。三维地质虚拟模型示意见图3，边坡监测系统界面示意见图4。

图3 三维地质虚拟模型示意图

图4 边坡监测系统界面示意图

虚拟现实技术可应用于隧道维护和安全评估。张云龙等［39]通过建立隧道的三维虚拟模型以及病害模型，将不同病害模型添加至虚拟模型。用户可直观了解病害分布并更具体地查看病害参数信息。隧道病害可视化效果见图5。

图5 隧道病害可视化效果图

2.6 BIM技术

BIM包含建筑项目全生命周期内的时间、成本、位置等信息，既包括建筑的几何信息，也包括非几何信息［40]。一种基于案例推理（CBR）的集成BIM 系统应用于后期建筑维护，但根据麦格劳希尔建筑公司的报告，只有25%的美国公共业主和11%的私营企业为BIM制定了企业正式要求［41]。

随着深基坑开挖项目的推进，会产生大量的监测数据和项目信息。开发基于BIM 技术的基坑监测系统，提供完整的监控视图，对信息进行集成并以多种方式显示，可使复杂数据能以易于理解的可视化格式有效显示［42]。基坑监测系统示意见图6，监测点信息示意见图7。

图6 基坑监测系统示意图

图7 监测点信息示意图

港珠澳大桥借助BIM 技术创建三维可视化模型，实现了检查分析、方案优化等功能［43]；沪通长江大桥为提高钢桥制造质量，采用Tekla 软件建模，实现了节点设计、干涉校核、零件安装顺序模拟等功能，极大提高了钢结构制造的效率和质量，并节约了成本［44]。

为更好解决高铁设计、施工、后期维修养护，铁路BIM 联盟应运而生。铁路BIM 联盟初步建立了铁路BIM标准体系框架，填补了BIM标准体系在铁路行业的空白［45]。BIM 技术在铁路行业的应用虽在起步阶段，但研究及应用已全面展开，“系统”“模型”和“可视化”等关键词出现频度颇高［46]，可根据实际问题将BIM技术应用于铁路可视化工作中，模拟不同结构的真实信息，增强可视化效果［47]。

目前，铁路项目逐渐将BIM 技术作为衡量工程管理与施工质量的重要指标，推广BIM 技术的应用是建设数字铁路、智慧铁路、精品铁路的必然选择。在京沈客专BIM 试点项目中，实现了站前专业协同的BIM设计，完成了工程建设信息的快速传输、数理统计自动分析，给各级管理者作出科学决策提供了依据；阳大铁路在设计建造过程中应用了BIM 技术，这是原铁道第三勘察设计院集团有限公司首次开展长段落的全专业、全生命周期BIM 应用；青连铁路四电BIM 试点项目是首次开展以四电为主的全专业的BIM 应用项目，探索了BIM 技术在设计、施工、运维中的应用，以数字化、信息化和可视化的方式提升了设计精度和深度，并达到施工信息的无缝传递、管理协调、安全质量控制等目的。

另外，韩元利［48]指出了铁路BIM建设的误区，应注意到与建筑行业中BIM 技术的本质区别，针对性提出铁路信息模型（RIM）的概念；赵晓东等［49]将BIM技术应用于铁路信号施工管理过程中，搭建信号设备模型构件库，完成了基于BIM 技术的可视化信号设备模型设计；张艳文［50]将BIM 技术应用于铁路选线工作，提出铁路勘测设计BIM 技术与激光扫描技术结合的创新构想。

3 适应性研究

综上所述，不同领域有其相关的可视化方法应用。目前，通过文献检索未发现完全针对高铁线下结构病害的可视化技术。因此，需要基于高铁线下结构病害可视化表达的适应性，研究一种可行的可视化方法，完成大量病害数据集中管理、病害空间分布的直观表达，进而实现后期数据分析，为线下结构的维修和养护提供帮助和指导。

3.1 可视化技术

3.1.1 二维可视化

由于二维平面的局限性，相关技术人员不能全方位观察目标物，需要通过不同技术和表达方法将描述参数叠加，增强图形可读性。等高线图、晕渲图和分层设色图等作为传统的三维数据的二维可视化方法，有其各自优点并被广泛应用于屏幕显示及平面制图中。

但是，随着需求的增长和可视化要求的提高，传统可视化方法已不满足显示、挖掘隐含信息的要求。另外，以上方法大多用于地形勘察，不适用于铁路轨道，更不适用于无砟轨道多层线下结构病害信息的表达。

3.1.2 数据可视化

根据数据可视化技术概念及其主要应用可以看出，该技术主要应用于显示一个领域内数据的多维属性，以及它们之间存在的关系。该技术多围绕大数据技术应用，成为大数据的一种必要表达形式。通过构建相应的系统平台，对数据进行储存、读取和分析，从而清晰有效地表现大数据中蕴含的规律信息。近年来，数据可视化技术也被应用于铁路相关数据分析，如铁路出行信息可视化、不同时段客流量信息可视化等。

对于高铁线下结构病害可视化，首先要研究通过三维建模方式实现结构以及不同结构处不同病害信息的真实表达，其次是完成繁多的数据类型分类及后期数据综合分析。因此，需要继续研究一种合适的可视化方法解决前者问题，采用数据可视化技术挖掘不同位置病害数据背后的信息，让数据“开口”说话。

3.1.3 三维成像

从铁路及其他工业领域的应用看，三维成像是一种用于获取建模数据的技术，直接关系产品质量和性能评估结果，但并不适用于建立一种富含各种信息的模型载体。在铁路行业中，对无砟轨道建立三维定位系统的数学模型，仅可满足无砟轨道施工测量及建成后的验收测量需要。因此，该技术不适用于高铁线下结构病害的可视化表达，要借助其他技术满足需求。

3.1.4 科学计算可视化、虚拟现实

科学计算可视化、虚拟现实技术的应用领域十分广泛，具有广阔的前景。尽管已有相关学者应用这2种技术在建筑设计、地质结构表达等工作中实现了信息管理和病害可视化，但其在铁路行业应用较少，需要进行相关专业化开发，将该技术以及相关软件进行拓展，才能符合高铁线下结构病害可视化表达的要求。

3.1.5 BIM技术

BIM技术起源于建筑行业，随后被大力推广进入铁路行业。BIM技术可为建筑物的全生命周期提供很好的技术支持，但其在铁路行业多应用于设计、施工阶段，应用场合存在局限性。对于高铁线下结构病害可视化的应用较少，且侧重于三维模型展示，设计、施工和运维阶段没有形成很好的衔接，还需要开发可实现信息表达的病害信息模型。

3.2 可视化软件

为了实现结构信息和检测信息共同可视化的目的，需要借助各种软件进行建模。二维可视化、数据可视化和三维成像等技术在高铁线下结构病害可视化中的应用性较弱，因此分析其他技术的相关可视化软件对高铁线下结构病害可视化工作的适应性。

3.2.1 OpenGL

OpenGL 是指定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业图形程序接口。它用于二维或三维图像，是一个功能强大，调用方便的底层图形库，主要用于三维地形可视化、动画仿真、游戏开发等，经常应用于科学计算可视化技术、虚拟现实技术，文献中也有将该程序接口用于结构可视化工作，因此适用性较强。

2.策略：卖家可选择的标价策略有：其一，标出税额，即化妆品价格不含税额，另标出应纳进口关税、消费税和增值税；其二，不标出税额，即化妆品价格含税额。买家可选择的购买策略有：其一，分别购买单件化妆品；其二，购买套装化妆品。

3.2.2 Revit

Revit 是建筑业BIM体系中应用最广泛的软件之一，已大量应用于铁路行业。Revit 可实现病害模型参数化建模，二次开发能力强大，可根据需求完成相应的管理功能，适用性较强。

3.2.3 Bentley

Bentley 也是一种BIM 软件，能较好解决建筑全生命周期问题，主要应用于工厂设计、道桥、市政、水利等基础建设，但二次开发能力弱于Revit。

3.2.4 Archi CAD

Archi CAD 同样应用于BIM，拥有GDL 技术，用户可根据要求创建智能化的三维建筑和二维图形。该软件有丰富的对象库，但是不能用于细部构造，建模能力较弱，参数化建模复杂，因此不适用于病害信息可视化工作。

4 结论

不同可视化技术有其相应的应用领域，但很少应用于高铁线下结构病害可视化。传统的二维可视化方法及三维成像技术不能满足高铁线下结构病害的表达及复杂病害信息的描述，故不建议将二维可视化方法及三维成像技术应用于高铁线下结构病害可视化工作中。虚拟现实和科学计算可视化技术虽然有一定病害信息可视化应用，但其他行业的病害数据并不等同于高铁线下结构病害信息，需要有针对性地将相关技术拓展到铁路行业，结合高铁线下结构病害可视化表达要求，尝试提供虚拟现实、科学计算可视化技术为高铁线下结构病害可视化工作的可能性。BIM技术在铁路行业已有较多应用。虽然BIM 技术在铁路行业运维阶段应用较少，但可借助相关软件进行开发。与科学计算可视化及虚拟现实技术中的OpenGL相比，Revit软件在建筑结构领域比较有针对性，且二次开发功能比较强大。因此，可在铁路行业现有应用基础上，将BIM技术进行拓展、开发，有针对性地研究一种可视化方法，实现病害数据录入、管理和表达，采用数据可视化技术处理高铁线下结构病害信息，挖掘数据中蕴含的信息，解决病害类型繁杂、检测数据多样、可视化方法匮乏等问题，进而填补高铁线下结构病害信息可视化工作的空白。