高速铁路基础设施检测监测体系框架研究

牛道安， 柯在田， 刘维桢， 李红艳， 赵钢， 刘秀波

（1.中国国家铁路集团有限公司 铁路基础设施检测中心，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；3.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）

1 概述

至2019年底，我国铁路营业里程已达13.9万km，其中高铁3.5万km。为确保高速铁路稳定可靠，满足列车高速运行和繁重运输任务要求，必须采用先进的管理理念和技术手段加强铁路基础设施检测监测工作，以全面动态掌握基础设施运用状态和变化规律，为科学养护维修提供技术支撑。

近年来，在“强基达标、提质增效”背景下，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）在高铁养护维修方面提出了高铁综合维修生产一体化和工电设备修程修制改革，对设备运用状态准确评价、高铁变化规律趋势分析和安全风险预警能力提出了更高标准。铁路基础设施检测监测工作是实现基础设施状态全面感知安全风险预警、设备状态准确评价、故障诊断预测、趋势变化分析，推进实施精准维修和预防性状态修，以及提高维修效率、降低维修成本的重要手段，是确保铁路持续安全运营的重要技防保障。多年来为实现这一目标，工务、电务、供电（简称工电供）分别建立了专业检测监测系统，为保障铁路持续安全运营发挥了重要作用。但随着高铁近年来出现的新情况、新问题，以及铁路高质量发展要求，现有的各专业检测监测系统已不能完全满足高铁发展的要求。高速铁路运营十多年来，出现无砟轨道基础变形、轨道板上拱、隧道空洞掉块、钢轨折断、道岔转换故障、信号电路设计隐患、接触网零部件松脱等突出问题，加之极端恶劣天气和地质灾害频发，铁路运营安全风险和不确定性逐渐增加，特别是未来一段时期，我国铁路建设重点由东部沿海地区向中西部地区转移，新建铁路将面临更多复杂地质、气候、自然环境的考验。为适应高速铁路改革，提高检测装备智能化水平和劳动生产率，迫切需要研究明确高速铁路检测监测体系顶层设计，为高铁检测监测后续工作规划和实施提供指导。结合新形势下高速铁路高质量发展要求和工电设备修程修制改革，研究提出高速铁路基础设施检测监测体系框架，并对该体系功能应用和主要发展方向提出探讨和展望。

2 国内外现状

日本、德国和法国等发达国家，在高速铁路的运营维护方面积累了大量经验，对高铁检测监测非常重视，普遍采用高速综合检测列车、专业检测车和运营列车搭载式检测设备，检测监测设备向综合、在线、智能方向发展。日本、英国、意大利、法国相继研发了综合检测列车，普遍实现了对轨道、接触网、通信和信号等基础设施的等速检测，同时还采用了巡检车、钢轨探伤车、隧道路基地质雷达检测车等进行专项检测［1-2］。目前，日本、德国、英国都在尝试推进运营列车搭载式无人值守检测装备发展，实现基础设施高频检测，及时发现安全隐患［3］。维修管理模式方面，日本实行管、检、修严格分离模式，德国和法国实行管、检、修部分分离模式，检修作业采用专业化队伍和外委方式，并引入全生命周期管理理念。

我国工电供检测监测技术经过多年发展取得了长足进步，自主研发能力不断增强，部分领域达到或接近世界先进水平。成功研制应用了高速综合检测列车、综合巡检车、专业检查车和运营列车在线检测等装备，通信各子系统网管、信号集中监测、风雨雪等气象灾害监测和地震预警监测技术也取得了较大进步，初步建立了工务8M、供电6C、通信各子系统网管、信号集中监测等专业检测监测体系，形成了一套行之有效的检测监测数据分析和结果应用制度、办法和措施，有效保障了客货列车安全运营［4-8］。虽然各专业体系正在逐步完善，但与目前实际运营需求相比还存在一定差距，主要表现在：高铁综合检测缺少350 km/h及以上速度检测平台；综合巡检车智能化水平不高；基于运营列车的工电供在线监测技术仍需进一步提升，监测项目覆盖范围及集成度、配备模式仍需不断完善；车间和工区检查技术水平较低、结构检查还需依靠人工视检，效率低、占用天窗多，缺少快捷高效的检测装备；钢轨探伤、路基隧道、地质雷达等无损检测设备智能化水平不高，需要大量人工判读，效率不高。工电供实时监测设备系统性和可靠性差、标准不规范、监测项目覆盖不全，缺乏有效的道岔、特殊结构和不良地质环境下路基、桥梁、隧道等设备的状态监测设备；地震预警监测装备缺少投入，异物侵限监测和风雨雪等气象灾害监测及视频监测技术需要进一步完善；缺少铁路周边环境的快速监测手段和设备；变电试验设备配置与铁路技术发展需求不匹配，适应性有待提高；部分通信子系统网管、信号集中监测设备对系统数据的处理分析能力弱；缺乏与运营列车在线检测系统的数据共享和集成分析机制［9］。检测监测数据采集、传输、存储能力不足，跨专业信息不能共享，数据孤岛现象严重；数据分析、深度挖掘和应用不足，决策分析手段单一，不能适应工电供设备的预防性状态修和精准维修发展方向。

3 体系框架

高速铁路基础设施检测监测体系，应以安全和运维需求为导向，面向基础设施检测监测对象，在既有专业检测监测系统基础上与时俱进、继承创新，符合系统性、专业化、适用性、经济性等原则，研究提出以实时监测、定期检测为主导的高铁基础设施检测监测体系框架。系统性方面，加强顶层设计，坚持工电供三专业统筹规划、整体部署、全面覆盖、深度融合，充分利用多种检测监测手段的组合优势，发挥整体效应。专业化方面，加强专业检测队伍和专业数据分析队伍建设，加强集约化管理，提高检测质量和劳动生产率。适用性方面，依托检测监测、运营维护、外部环境等全方位数据，按照基础设施分级分类管理要求，考虑设备等级和运用环境差异，制定差异化检测监测模式，为推进实施预防性状态修、精细化管理和精准维修提供技术支撑。经济性方面，立足自主创新，运用现代化信息技术，推进检测监测设备统型和功能融合共享，提高检测监测装备集成度和智能化水平，合理规划检测监测设备部署和运用，减少重复投入，提高体系运转效率。

3.1 体系框架设计

高速铁路基础设施主要包括轨道、路基、桥涵、隧道、接触网、变电所、通信、信号等基础设施本体及其附属物，根据检测监测对象的物理特性、变化规律、病害故障特点、安全预警和维修数据需求，高速铁路基础设施检测监测体系框架包括感知层、传输层、数据资源层、大数据平台层、应用层，其中规范标准和三级管理构架贯穿其中（见图1）。

图1 高速铁路基础设施检测监测体系框架

3.1.1 感知层

铁路基础设施由于列车动力、运行、电力等动态往复荷载作用，以及严寒、风沙、雨雪、冻融、腐蚀等恶劣自然环境与复杂地质条件的共同作用，造成其运行状态不断发生变化。空天车地一体感知是实现基础设施全面感知、实时诊断、智能分析、安全预警、精准研判的重要手段，主要功能是获取基础设施服役状态下实际物理参数（力、振动、电流、电压等）、几何尺寸和图像数据等。感知层按类型可分为移动检测、地面固定监测、空天遥测和人工检查四大类（见图2），按检测监测方式可分为高速综合检测、综合巡检、专业检测、搭载式监测、固定点监测、自感知、卫星遥感、机载检测、专项检测和常规检查等10种方式。

图2 高速铁路基础设施感知层示意图

3.1.2 传输层

传输层是联结感知层、数据资源层和大数据平台层的纽带，其功能是将感知层获取的数据信息，通过铁路专业通信网（GSM-R）、移动通信网（4G、5G）、卫星通信等无线和有线传输方式，及时安全传输至各业务数据管理系统，为大数据平台数据归集共享奠定基础（见图3）。

图3 检测监测数据传输示意图

3.1.3 数据资源层

数据资源层主要归集、存储、管理时序数据、图像数据、结构化数据等，主要包括各类检测监测数据和基础设施台账数据、病害样本数据、外部数据（维修、运输和环境数据等）等。通过传输层，将检测监测数据、业务信息数据和外部相关数据进行汇集、存储、治理和有效组织，为大数据平台分析应用提供数据源（见图4）。

图4 数据资源层示意图

3.1.4 大数据平台层

大数据平台具备数据共享、数据挖掘分析等功能，主要是将数据资源层中的多源数据通过统计查询和人工智能分析，将数据转化为知识，为维修决策提供支持。依托海量检测监测数据和大数据技术，建立机理模型、算法模型和机器学习、聚类分析等算法库，对检测监测数据进行对比分析、趋势分析、关联分析，将海量数据信息化、知识化、可视化，输出故障诊断、故障预测、健康评估和演变规律等客观准确的数据分析结果，为养护维修决策提供科学的数据支撑（见图5）。

3.1.5 应用层

应用层主要为安全评估和维修决策提供支持，包括安全预警、趋势分析、状态评价、维修决策等。应用层以提升基础设施养护维修效率效益为目的，充分运用检测监测大数据分析，将检测监测数据与设备状态、设备维护、设备管理充分关联起来，动态实时掌握各条高铁线路状态变化，掌握设备运行变化规律和未来健康状态，实现对基础设施隐患的精确定位及劣化趋势的超前预警，提高安全风险趋势预警能力，推进铁路基础设施全生命周期管理，切实发挥检测监测体系准确诊断故障、指导精准维修、服务高效的作用，为工电设备养护维修提供决策支持和数据支持。

3.1.6 规范标准

检测监测规范标准是高质量开展检测工作的基础和保障，规范标准主要包括行业法规制度、基础设施设计标准、专业维修规则、基础设施状态评价标准、检测监测数据标准、数据归集管理、接口规范、检测监测设备技术标准、检测监测设备运用管理及评定管理办法。

图5 大数据平台示意图

3.1.7 管理构架

根据高速铁路综合维修生产一体化改革指导意见，提出建立“中国国家铁路集团有限公司铁路基础设施检测中心（简称国铁集团检测中心）、中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所（简称铁科院基础所）/铁路局集团公司工电检测所（简称铁路局工电检测所）、站段检测机构”的三级检测管理架构，负责基础设施检测监测、数据分析及其应用（见图6）。

图6 三级检测管理构架图

国铁集团检测中心，受国铁集团工电部委托管理铁路基础设施检测业务，负责主要基础设施检测任务和检测资源的统筹协调；组织实施国铁基础设施周期性和监督性检测；组织开展路网检测数据归集管理和分析评价，为国铁集团和铁路运输企业提供工作建议；负责检测机构技术监督、检查、评价，主要包括动态检测系统的校准评定、铁路桥梁检定评估机构技术等级评审、检测人员培训及合格认定等工作；组织开展基础设施检测系统和装备的技术创新、维护和升级改造等工作；提出铁路基础设施检测发展规划和技术标准建议等工作。

基础所/工电检测所，在国铁集团检测中心和铁路局集团公司专业部门指导下，负责实施高速铁路综合检测，统筹管理铁路局集团公司检测资源，集中使用轨道、电务、接触网专业检测车等重要检测系统/装备，组织铁路局集团公司管内一体化综合检测，提高检测效率；分层级负责检测数据归集管理和基础设施状态分析评价工作，为铁路局集团公司专业部门提出维修决策建议；负责钢轨探伤管理工作；负责桥梁检定评估和重点桥梁病害的分析指导；完成国铁集团检测中心统筹安排的普速铁路轨道、接触网、通信、信号跨局检测工作。

站段检测机构，负责各级各类动静态检测数据综合分析应用；负责检测问题复核和克缺；负责轨道、桥梁、隧道、路基等工务设备专项检测和常规检查，钢轨伤损检查；重点设施设备定点监测；负责接触网单项设备、电务地面设备的常规检查等。

图7 检测监测体系功能应用

3.2 体系功能与应用

检测监测体系框架实现应充分利用多传感、物联网、5G、人工智能、大数据等新兴技术，综合考虑高速铁路高质量发展和智能高铁发展要求，应用高速综合检测列车、综合巡检车、运营动车组搭载等移动检测，关键设备固定监测和空天遥测等手段，实现高铁基础设施状态的全覆盖感知。构建集多源数据融合、大数据智能分析算法库、统计挖掘、综合分析、隐患预知预判、趋势预测和维修决策服务为一体的基础设施检测监测大数据平台，为高铁运营提供安全预警和维修决策依据。

为实现安全预警和指导养护维修的目标，检测监测体系功能应用应加强以下几方面功能建设（见图7），一是感知层应着力提高检测监测设备智能化水平，加强检测监测设备校准评定，统一检测监测设备技术门槛，确保上线设备具备较高的有效检出率；提高专业化检测队伍集中度，减少小、散、弱现象，通过加大跨局区域化和铁路局检测力量配置，减少站段零散检测工作量，提高检测质量和劳动生产率；固定监测由站段在检测中心和铁路局工电检测所指导下实施；空天遥测应结合智能高铁建设逐步推进。二是检测监测大数据平台层具备数据共享、数据挖掘分析等功能，统一管理检测监测数据和维修信息，集成专业化分析算法，实现多源数据的共享和智能分析。三是决策支持层主要为国铁集团、各铁路局集团公司和站段提供高质量维修决策支持，建立专业化数据分析团队和专家团队，利用多数据源大数据分析方法，及时预测安全风险，精准评估基础设施状态，超前预测趋势变化，有效发挥服务维修决策支持的作用。

4 深化研究方向

随着新一轮科技革命如卫星、无人机、大数据、云计算、物联网、人工智能、新材料、新能源等技术的快速发展，科技创新取得重大突破，高铁检测监测技术必将产生新的变革。提高检测监测设备智能化水平，构建检测监测大数据平台，完善基础设施质量状态评估技术，进一步认知和掌握高铁基础设施变化规律，为提升养护维修的预见性、精准性、经济性提供依据，是高铁检测监测体系发展的重要方向。

4.1 智能检测监测技术

智能检测监测技术重点围绕以下方面开展：一是开展第二代高速综合检测列车和短编组高速综合检测列车研制，丰富检测功能，研发高精度时空同步、基于5G远程车-地交互和病害智能实时诊断的检测系统，进一步提高集成度、安全性和智能化水平，具备检测结果与设备管理单位的远程实时交互、在线诊断服务和安全预警等功能。二是深化工电供设备外观状态巡检技术研究，扩展检测项目、提高检测速度，建立缺陷样本库，利用人工智能技术提升智能巡检水平，实现机器分析为主、人工确认为辅的病害分析和诊断系统。三是研究搭载式检测设备和运营车辆的融合技术，突破检测设备高可靠、易维护、检测数据实时传输等技术，实现基础设施状态高频度安全监测。四是加快推进高铁沿线风、雨、雪、地震、滑坡和异物侵限等灾害监测技术，以及桥梁、隧道、道岔等特殊结构基础设施监测技术研究和应用，提升实时监测系统技术性能，提高安全预警准确性、时效性。最终通过检测监测设备统型、功能融合、关键技术突破、检测模式创新等手段，增加提高劳动效能的方法和手段，逐步减少人工检查工作量。

4.2 构建检测监测大数据平台

按照国铁集团大数据总体规划，依托中国铁路主数据中心构建全路共享通用的基础设施检测监测数据管理和智能化分析平台。一是丰富平台数据资源，由国铁集团检测中心组织归集检测监测数据、维修数据、病害样本数据、基础设施台账数据、环境气候数据等，形成区块链接、互联互通的数据信息传输网络，实现国铁集团、铁路局集团公司、站段三级管理架构的数据平台，破除数据壁垒，化解信息孤岛，提高数据资源共享程度，提升数据管理的信息化水平。二是强化数据治理，规范基础设施全生命周期检测监测数据采集、传输、存储、共享机制，统一数据接口规范和管理标准，实现重点病害整治等信息跟踪和分析结果的推送服务。三是规范三专业故障分级分类描述定义，开展建立各类伤损病害知识图谱库，在数据平台中融入大数据集成分析算法库和人工智能等技术手段，深度挖掘检测数据价值，提升数据运用智能化程度，实现设备故障诊断和预判预警，为基础设施设备全寿命健康管理提供数据支撑和维修决策支持。

4.3 基础设施质量状态评价技术

分级分类建立设备质量评价体系，充分运用高铁运营十年来积累的检测监测、大数据分析技术，加强多源数据融合分析和深度挖掘分析技术研究，不断丰富数据分析方法、评判方法和评价指标，构建完善的高铁基础设施状态评价体系，支撑铁路设备养护维修向低成本、精细化、状态修发展。针对高速铁路的特点，开展工电供综合评价技术指标研究，优化检测监测装备的指标、阈值，使其更加准确地反映设备运用状态。通过不断丰富设备质量状态评价指标，全面准确评价高速铁路基础设施状态、掌握关键设备状态变化规律，指导基础设施精准维修和预防性状态修，提升基础设施维护质量和效率。

5 结束语

随着高铁服役周期的增加和智能检测监测［10］的提出，以及“检、养、修”分开［11］和精准修、状态修运用模式的逐渐推进，要求检测监测工作的专业化程度、检测质量和数据分析质量越来越高。因此，加强高速铁路基础设施检测监测体系建设，实现基础设施对象全覆盖智能感知，构建互联互通检测监测大数据平台，通过加强检测监测和运营维护等数据的关联分析、深度分析和智能分析，动态掌握设备状态和演变规律，提高安全风险预警能力，提供设备养护维修科学决策支持，提高养护维修效率和降低养护维修成本，保障高铁持续安全运营是检测监测体系构建的关键。