铁路工电供检测监测技术现状与发展探讨

2021-01-06涂文靖杨飞曲建军刘秀波

铁路技术创新 2021年6期

涂文靖，杨飞，曲建军，刘秀波

（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）

0 引言

铁路是国家重要基础设施。改革开放以来，特别是近10余年来，我国铁路快速发展，截至2020年底，全国铁路营业里程14.63万km，其中高铁3.79万km，居世界第一。随着铁路运营里程增加和运营时间的积累，铁路工电供设备数量明显增大，检查维修工作量也随之增加，工电供设备维修体制、维修技术等也发生了重大变化。工电供检测监测技术装备是铁路技术装备的重要组成部分，对客货列车安全运行起着基础性保障作用。为进一步精确掌握工电供装备状态变化规律，要求建立高水平、高质量的检测监测技术体系，为运营维护提供有力支撑。

2020年8月，中国国家铁路集团有限公司出台的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》（简称纲要）明确提出了从2021年到21世纪中叶的2个分阶段发展目标。《纲要》针对检测监测技术体系，提出“加大智能检测监测安全保障技术应用，加大大数据、人工智能等新技术应用，构建空天地车一体化的智能监控系统，建设自然灾害以及异物侵限、周界入侵智能监测预警系统，实现关键监测预警信息实时上车交互并与列控、调度指挥系统互联”等任务，为建成服务安全优质、保障坚强有力、实力国际领先的现代化铁路强国提供有力支撑［1］。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，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，我国研究提出高速铁路基础设施检测监测体系框架［2］，以此为基础研究探讨我国铁路检测监测技术的发展方向。

1 国内外现状分析

1.1 国外现状

日本主要采用“黄色医生”和高速综合检测列车East-i对铁路设备进行检测［3-4］，研制了多种轨道检测技术与设备，如基于轴箱加速度的轨道垂向不平顺检测装置、应用于运营列车的搭载式弓网监测系统、采用多通道雷达和激光检测技术的隧道衬砌检测车等。在监测技术与设备方面，日本的监测设备涵盖轨道、钢轨、桥隧、自然灾害及异物侵限监测技术和设备故障监测技术等。这些先进的检测监测技术或设备大大提高了检测监测的精度和智能化水平。

德国铁路的检测监测部门配备OMWE和RaiLAB轨检列车、VT612和ICE高速检测列车、CMT车载监测系统、SPZ钢轨探伤列车等，可较为全面地对铁路各种设备进行检测监测，同时建立数据处理系统DB-GIS，简化了基础设施的维护和管理，搭建了具备对经营状况、设备故障等精确分析功能的数据综合应用平台，对各类检测监测数据进行系统化、规范化管理和综合分析，充分发挥数据综合应用平台的信息化、智能化效益。

法国铁路公司主要采用高速综合检测列车IRIS320和Melusine对铁路设备进行检测，并在运营列车搭载基于无线传感器网络、基于加速度测量的轨道几何状态监测系统，可及时、高效地监测和评价轨道几何状态。同时还配备轨道检测车Mauzin、电务信号检测车Heline、接触网检测车VZC172和通信信号检测车HELENE等专业检测车，有针对性地对工电供专业的不同设备进行专项检测监测［5］。

通过对日本、德国、法国等发达国家铁路工电供检测监测技术装备和发展情况调研可知，世界各国铁路都高度重视工电供检测监测技术的可持续发展，开展顶层设计，将工电供检测监测技术和体系的完善作为重点任务纳入铁路发展规划，有序推进相关工作；积极研究运营列车车载检测设备，持续完善基础设施检测监测技术体系，检测监测设备向综合、在线、智能方向发展；高度重视工电供设备管理和运维的信息化和智能化，正在开展基于大数据的工电供智能运维研究及应用，逐步实现工电供设备运维最优成本管理。

1.2 国内现状

目前，我国已成功研制并应用高速综合检测列车、综合巡检车、专业检查车和运营列车在线检测等检测装备，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灾害监测技术也取得较大进步，工务8M、供电6C、通信各子系统网管、信号集中监测等检测监测技术体系也初步建立，能有效对检测监测数据进行分析和应用，保障客货列车安全运营［2，6-7］。但面对新形势下铁路高质量、高水平发展需求，在检测监测技术方面仍存在若干制约铁路可持续发展的重点问题，与实际运营需求还存在一定差距，主要表现为：

（1）检测监测技术智能化水平不高。我国部分检测监测技术达到世界先进水平，但现有检测监测装备还存在检测项目不够全面、集成度不高、覆盖不广、智能化水平不足的问题。基于当前运营列车的工电供在线设备检测项目覆盖范围及集成度、配备模式仍存在较大缺口，智能化程度不高；工电供等专业检查车功能融合度不高，缺少重载、普速铁路工电供综合检测平台；缺少有效的适用于道岔、特殊结构的状态监测设备；地震预警、异物侵限和气象灾害下的监测设备有待完善；缺少铁路周边环境的快速监测手段和设备；缺少应用于车间和工区快捷高效的检测装备，以取代人工巡视等低效检查手段。

（2）数据分析和故障预警能力不足。我国铁路检测监测数据量呈快速增长趋势，但由于业务系统繁多和相互独立，数据共享和集成分析存在困难，且对不同专业数据的处理分析能力弱，数据挖掘较难，故障精准定位及状态预警能力不强［8］。

2 外部环境需求分析

（1）经济社会发展对工电供检测监测技术高水平发展的需求。随着我国经济进入由高速增长向高质量发展的新阶段，我国铁路必须牢牢把握高质量发展要求，通过更新改造工电供检测监测设备，提升工电供检测监测技术装备现代化水平，通过技术创新确保工电供技术装备检测监测的高质量发展，保持并不断扩大我国铁路在世界铁路的“领跑者”地位，为保障人民群众高效、高质出行提供坚实助力，为建设交通强国和经济社会的高质量发展提供有力支撑［9-10］。

（2）复杂地质气候环境对工电供检测监测技术高水平发展的需求。保障铁路安全可靠运营是铁路行业的永恒主题，随着路网规模的不断扩大，高铁成网运营，高铁开行数量、密度不断增加，运营场景越来越复杂，铁路运营安全风险和不确定性逐步增加。特别是未来一段时期，我国铁路建设重点由东部沿海向中西部地区转移，新建铁路将面临更多复杂地质、气候、自然环境的考验。研究掌握高铁运营安全规律，提高工电供检测监测系统的安全性、有效性及可靠性是我国铁路亟待解决的重点问题之一。

（3）人力资源对工电供检测监测技术高水平发展的需求。随着经济发展、国民收入的提高和路网规模扩大导致工电供运维工作量的增长，铁路工电供部门人力支出也随之大幅增长。为了“降本增效”，面对日益繁重的铁路基础设施检测监测和养护维修工作量，通过提高检测、监测和维修装备的生产效率，实现减员增效、提高企业经济效益成为近年来铁路工电供部门发展的重要方向。

（4）科技创新推动对工电供检测监测技术高水平发展的需求。当今世界已进入知识经济、信息技术的时代，物联网、大数据、人工智能、机器人、高速宽带通信等新技术迅猛发展，新设备、新技术不断开发和应用，为铁路工电供检测监测的智能化发展提供了有利条件。随着新技术与铁路各领域融合的不断深入及新设备在铁路应用的日益广泛，铁路工电供检测监测技术装备将向更可靠、更有效、更自动、更智能的方向不断发展［11-14］。

3 工电供检测监测技术重点发展方向

文献［2］提出：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，形成以实时监测、定期检测为主导的基础设施检测监测体系框架。在此，根据上述体系框架，提出工电供设备状态检测监测项目齐全、评价准确、科学分析、超前研判等目标，推进工电供检测监测装备统型、功能融合、数据共享、智能诊断和健康管理，提升工电供检测监测技术水平为运营维护提供有力支撑。

3.1 推进检测技术的完善和发展

（1）加快基于运营列车的在线检测设备研制和推广应用。以运营列车为平台，研制轨道平顺性状态在线检测设备，实现每天多次检测覆盖和智能诊断；基于列控、通信车载设备关键部件及接口等综合监测关键技术，实现全方位的综合监测和智能诊断。

（2）提升高速综合检测列车技术水平。进一步优化高速综合检测列车的总体设计，提高检测系统的可靠度、集成度，扩展检测功能，提高关键参数精度，完善检测系统状态自诊断功能，实现基础设施状态智能分析。

（3）提高基础设施综合巡检技术水平。进一步提升综合巡检车的检测和智能化诊断技术水平，研究基于图像识别的视频分析技术，提升综合巡检的检测范围和技术水平。

（4）提高隧道和钢轨专业检测车智能化水平。推广隧道衬砌表面病害快速检测系统，实现数据处理和病害诊断的自动化和智能化；研制钢轨状态检查车，实现钢轨探伤、钢轨外观状态、钢轨廓形和钢轨平顺性等项目的综合检测和智能分析。

（5）研制普速、重载综合检测（列）车。研究普速轨道、供电和电务检测融合集成技术，研制普速、重载铁路综合检测车或列车，推进普速、重载综合检测技术应用。

（6）研制小型快捷高效的检测设备，提升车间和工区检查效率。研制小型快捷高效的工务、供电和电务检测设备和智能化分析工具，逐步提升车间和工区检查效率。

3.2 推进监测技术的完善和发展

（1）加强铁路灾害监测系统建设。完善铁路灾害监测技术体系，突破灾害智能监测、自动处置技术；持续发展国产化的风、雨、雪灾害监测设备，确保设备能够通过有效标定校核，实现灾害监测设备自主研发、制造、使用和维护；持续开展高可靠地震预警技术及设备研究，推进地震预警监测系统软硬件升级改造和应用；健全完善灾害监测系统监控单元、异物侵限现场采集设备、风雨雪现场采集设备、铁路局集团公司中心系统等相关标准体系。搭建铁路灾害监测大数据平台，推广铁路灾害监测设备远程智能化运维技术。

（2）加快推进工务监测技术研究和应用。重点推进道岔轨件伤损监测，桥梁结构、路堑及隧道进出口边坡、路基等变形监测，高铁作业门状态远程控制等技术研究和应用。

（3）深入推进通信信号监测技术研究。开展铁路沿线无线电电磁环境的监测技术研究；完善通信各子系统网管和信号集中监测功能，包括GSM-R接口监测、电源环境监测、防雷监测、铁塔监测、光缆监测、干扰监测等，在此基础上建立智能综合运维平台，构建具备全方位实时监测、全生命周期跟踪、智能化分析等功能的综合运维体系；推进信号集中监测系统升级改造，提升对站内、区间轨道电路、道岔、电源的精准监测水平，推广运用区间轨道电路室外监测系统，基本实现高铁线路全覆盖；研究高铁信号设备故障预测与健康管理（PHM）关键技术和高铁信号安全预警技术，增加对轨道电路牵引电流、牵引电流不平衡、钢轨绝缘、道岔转辙设备牵引力等进行实时监测的功能研究；开展对运营列车电务悬挂部件状态检测和故障识别系统的研究。

（4）持续开展牵引供电监测技术研究。进一步完善铁路牵引供电系统的监测功能与性能，构建智能化的牵引供电设备监测系统，实现对牵引变压器、高压开关、高压电缆等关键设备的运行状态、技术参数远程实时在线监测；全面建成全路6C系统数据中心。

3.3 建设检测监测数据融合服务平台，提升数据应用分析水平

（1）全面归集检测数据、现场维修信息、设备基础信息、病害样本等重要数据，构建检测大数据平台。研究建立跨专业信息共享机制，建设检测数据样本库和大数据集成分析算法库，加强检测数据的关联分析、对比分析和趋势分析，提升检测数据分析运用水平，为提高日常养护维修以及大修、技术改造的科学性、预见性和合理性，提供可靠数据支持。

（2）充分运用长期积累的检测数据，形成具有科学评价和辅助决策水平的铁路基础设施运营状态质量分析报告，为铁路运行的安全持续稳定提供有力技术保障。依据检测数据分析结果，进一步优化检测周期和检测预警值，针对不同服务对象，实施差异化管理，提高检测的精准性、经济性。