高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)

趙有明

(中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)

趙有明

(中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)的研究是提高我國高速鐵路服役品質(zhì)和基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修水平的基礎(chǔ)，對我國高速鐵路發(fā)展和長期安全運營具有重要意義。本文系統(tǒng)地介紹了我國高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)的最新研究成果及試驗應(yīng)用情況，包括高速鐵路線上線下設(shè)施、牽引變電設(shè)備、接觸網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)監(jiān)測與檢測技術(shù)和裝備，數(shù)據(jù)接入網(wǎng)技術(shù)和綜合分析評估系統(tǒng)。此外，歸納了研究取得的基于超聲導(dǎo)波的鋼軌絕對應(yīng)力及完整性監(jiān)測評估技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)突破和基于多源數(shù)據(jù)整合的高速鐵路檢測與監(jiān)測系統(tǒng)等主要創(chuàng)新點。建議進一步探討高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測與監(jiān)測系統(tǒng)的推廣應(yīng)用及在我國高速鐵路大范圍應(yīng)用的模式。

高速鐵路 線上設(shè)施 線下設(shè)施 牽引變電 接入網(wǎng) 系統(tǒng)集成

高速鐵路始于1964年開通的日本東海道新干線，此后法國、德國、意大利、西班牙、瑞典、韓國、荷蘭等國也相繼建成了高速鐵路。中國的高速鐵路建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，預(yù)計到2015年底，中國高鐵總里程將達到19 000 km，運營里程約占世界高鐵運營里程的50% 。中國已經(jīng)擁有全世界最大規(guī)模以及最高運營速度的高速鐵路網(wǎng)［1］。

目前高速鐵路軌道形式分為有砟軌道和無砟軌道兩大類。無砟軌道結(jié)構(gòu)具有變形小、結(jié)構(gòu)可靠度高、承載能力強、日常維修量少、使用壽命長等特點，逐漸成為高速鐵路的發(fā)展趨勢。在高速鐵路檢測與養(yǎng)護維修方面，國外采用以車載檢查和地面監(jiān)測相結(jié)合的方式，我國高速鐵路主要采用動態(tài)綜合檢測列車對基礎(chǔ)設(shè)施進行周期性檢測［2］。

高速鐵路露天服役、運營速度高、天窗時間短、受周期疲勞荷載作用等突出特點，決定了高速鐵路服役行為的特殊性以及確保高速鐵路百年使用壽命的困難性。我國高速鐵路建設(shè)速度快、結(jié)構(gòu)形式多樣、運營時間較短，基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)的地面監(jiān)測技術(shù)和裝備無法滿足高速鐵路快速發(fā)展需求。為實現(xiàn)高速鐵路全壽命周期內(nèi)安全運營的目標(biāo)，系統(tǒng)地開展高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)的研究十分必要［3］。2011年科技部立項開展高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)研究，列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)現(xiàn)代交通技術(shù)領(lǐng)域高速鐵路重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制重大項目中。該課題由中國鐵道科學(xué)研究院牽頭，聯(lián)合北京交通大學(xué)、中鐵電氣化局集團有限公司、西南交通大學(xué)、浙江大學(xué)、天津凱發(fā)電氣股份有限公司等單位歷時3年共同完成。本文介紹該課題取得的主要研究成果。

1 高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測體系

圖1是我國高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測的體系架構(gòu)。高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的檢測主要包括了動態(tài)檢測、固定監(jiān)測和人工靜態(tài)檢查3種形式?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)被傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)分析處理中心，中心對基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的檢測數(shù)據(jù)進行狀態(tài)評判、趨勢預(yù)測并給出維護策略，為總公司、路局、站段用戶提供服務(wù)。圖1中白色部分為我國已經(jīng)開展研究的部分，灰色的部分是本課題和今后需要進一步研究的內(nèi)容，如線路的鋼軌應(yīng)力、完整性、磨耗、軌道剛度、線路異物、沉降、邊坡穩(wěn)定性、及牽引供電設(shè)備的狀態(tài)檢測等。本課題的研究成果可完善我國高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測體系［4］。

2 線上基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)

2.1 鋼軌縱向應(yīng)力在線監(jiān)測技術(shù)

在研究半解析有限元的原理和方法的基礎(chǔ)上，對鋼軌的多種模態(tài)進行了分析，利用超聲導(dǎo)波實現(xiàn)了對無縫線路鋼軌縱向應(yīng)力的監(jiān)測，取得了如下成果:

1)應(yīng)用了二維有限元離散的半解析有限元技術(shù)。通過該方法首次求解得到了我國高速鐵路普遍采用的CHN60鋼軌中超聲導(dǎo)波的頻散曲線，并通過半解析有限元方法實現(xiàn)了超聲導(dǎo)波應(yīng)力敏感度分析、激勵響應(yīng)分析。這些理論分析及求解的實現(xiàn)，為進一步研究CHN60鋼軌中超聲導(dǎo)波的特性并將之應(yīng)用于應(yīng)力檢測系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。

2)得到適合應(yīng)力檢測的最優(yōu)模態(tài)。通過半解析有限元方法得到的多個理論分析結(jié)果，基于頻率、應(yīng)力敏感度、振型、激勵位置偏離度、模態(tài)辨識度這5個因子，提出了選取最優(yōu)導(dǎo)波模態(tài)的指標(biāo)模型。通過該模型可以快速選取最適于我國高速鐵路無縫線路應(yīng)力檢測的超聲導(dǎo)波模態(tài)，從而實現(xiàn)了理論分析到工程應(yīng)用的技術(shù)轉(zhuǎn)化。

3)超聲導(dǎo)波群速度精確測量算法。主要包括激勵波形控制算法、信號檢測及處理算法、互相關(guān)等群速度測量算法，實現(xiàn)了導(dǎo)波信號的接收、處理和超聲導(dǎo)波群速度的精確測量。

4)設(shè)計了導(dǎo)波激勵和信號處理系統(tǒng)。根據(jù)半解析有限元得出的頻散曲線和選取出的最優(yōu)模態(tài)，設(shè)計了超聲導(dǎo)波高壓激勵模塊、信號處理和接收模塊、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，實現(xiàn)了導(dǎo)波信號的激勵與接收、導(dǎo)波速度測量、數(shù)據(jù)的無線傳輸和存儲，實現(xiàn)了對無縫線路鋼軌的應(yīng)力檢測。

圖1 高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測體系框架

5)掌握了超聲導(dǎo)波群速度與溫度及應(yīng)力間的變化關(guān)系。通過在環(huán)行鐵道進行的大量現(xiàn)場試驗，掌握了超聲導(dǎo)波群速度與環(huán)境溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，基于大型鋼軌拉壓試驗平臺，獲取了不同應(yīng)力作用下導(dǎo)波群速度的變化規(guī)律。以上數(shù)據(jù)的獲取，為繼續(xù)研究我國無縫線路所有型號鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力與導(dǎo)波群速度的對應(yīng)關(guān)系，建立完整的樣本數(shù)據(jù)庫奠定了理論基礎(chǔ)。

2.2 鋼軌位移與爬行在線監(jiān)測技術(shù)

考慮到現(xiàn)場復(fù)雜測量條件，研發(fā)了基于非接觸測量技術(shù)的鋼軌位移爬行在線監(jiān)測系統(tǒng)和裝備，建立了消除鋼軌溫度變化影響的溫度補償算法，實現(xiàn)了鋼軌位移絕對值測量，并在室內(nèi)進行驗證，在大西高鐵進行了現(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)用。主要成果如下:

1)基于現(xiàn)場測量條件，提出了基于非接觸測量技術(shù)的鋼軌位移爬行在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案。采用非接觸式測量技術(shù)，該裝置的測量單元主體利用磁致扭轉(zhuǎn)波作為信號傳輸媒質(zhì)，且波檢測器只對旋轉(zhuǎn)波特別靈敏，抗干擾性強，能在鐵路現(xiàn)場長期工作。

2)實現(xiàn)了鋼軌位移絕對值測量。測量單元主體接通電源后，即可確定位置磁鐵的位置，工務(wù)部門維修鐵路、斷電對測量精度不造成任何影響。因此，本裝置可以方便、穩(wěn)定、有效地安裝在鐵路沿線，長期監(jiān)測鋼軌縱向位移量，進行鋼軌縱向應(yīng)力分析，從而避免脹軌斷軌的發(fā)生。

3)完成了傳感器的溫度性能、振動性能和電磁干擾的測試，設(shè)計了基于卡爾曼濾波和“溫度—位移”二維補償曲面的溫度補償算法，實現(xiàn)溫度補償和位移修正;設(shè)計了優(yōu)化的傳感器鋼軌夾來減小振動的影響。

2.3 鋼軌完整性在線監(jiān)測技術(shù)

研究了基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的鋼軌完整性實時監(jiān)測技術(shù)。采用超聲導(dǎo)波作為敏感信號，通過導(dǎo)波信號的有無來判斷鋼軌是否完全斷裂，通過導(dǎo)波信號的非正常衰減來判斷鋼軌裂縫等缺陷的發(fā)生。在理論研究的基礎(chǔ)上研制了35 kHz超聲導(dǎo)波探頭，在遠端接收信號時，能夠提取微小信號并進行斷軌判斷。對信號發(fā)送與接收方式進行了創(chuàng)新性的設(shè)計，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。進行了實驗室條件以及現(xiàn)場條件下2 km區(qū)間的功能測試及穩(wěn)定性測試。試驗證明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運行，準(zhǔn)確地檢測發(fā)射端的穩(wěn)定信號，并能夠分辨不同發(fā)射端的信號。

2.4 鋼軌外觀狀態(tài)巡檢技術(shù)

鋼軌外觀狀態(tài)巡檢主要包括軌面?zhèn)麚p和鋼軌輪廓檢測。軌面?zhèn)麚p檢測方面，采用線陣CCD相機等間距運動掃描拍攝鋼軌圖像，提出了鋼軌表面擦傷區(qū)域檢測算法、基于傅里葉變換的鋼軌波磨檢測算法、鋼軌光帶區(qū)域檢測算法。鋼軌廓形測量方面，采用激光攝像技術(shù)、模式識別等技術(shù)，獲取鋼軌輪廓圖像，實現(xiàn)了對鋼軌垂磨、側(cè)磨、軌底坡的測量。研制了車載動態(tài)鋼軌外觀狀態(tài)巡檢系統(tǒng)，為高速鐵路鋼軌外觀狀態(tài)的普查提供了自動化檢測裝備及智能化的技術(shù)分析手段。其作業(yè)效率大約為人工巡查的25倍，采用機器模式識別分析的方式在檢出率和重復(fù)性上均優(yōu)于人工檢查。

2.5 高速鐵路大號碼道岔和伸縮調(diào)節(jié)器服役狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)

在道岔和調(diào)節(jié)器狀態(tài)監(jiān)測方面，研制了基于光纖光柵傳感技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。選用了高靈敏度、高穩(wěn)定性的光柵傳感器作為無縫道岔鋼軌溫度力、鋼軌溫度和橋梁伸縮位移測試傳感器，解決了以往采用電阻應(yīng)變計無法長期測試溫度力和累積位移的難題。

1)道岔和調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性長期監(jiān)測技術(shù)。分析確定了高速鐵路無縫線路穩(wěn)定性理論，建立了穩(wěn)定性計算模型，并提出高速鐵路無縫線路穩(wěn)定性定量計算方法;研制了無縫線路實際鎖定軌溫檢測系統(tǒng)NTS，并進行了標(biāo)定試驗;根據(jù)野外惡劣工況及復(fù)雜多變的現(xiàn)場環(huán)境，對長期檢測所需的傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理、信息管理和網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)器管理等進行了試驗和標(biāo)定，研制了重載鐵路軌道及道岔穩(wěn)定性長期監(jiān)測系統(tǒng)。

2)軌道結(jié)構(gòu)動力性能及安全性檢測技術(shù)。根據(jù)軌道動力學(xué)性能與安全參數(shù)測試的特點，研制了監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)了配套的自動處理軟件。該系統(tǒng)具備長期監(jiān)測列車通過時的輪軌水平力、垂直力、脫軌系數(shù)、輪重減載率，并具備統(tǒng)計評估、現(xiàn)場存儲、查詢、無線數(shù)據(jù)傳輸、服務(wù)器存儲等功能。

3)檢測信息管理和軌道狀態(tài)評估系統(tǒng)。編制了服務(wù)器信息管理軟件，并搭建了服務(wù)器;確定了軌道設(shè)備穩(wěn)定性及鋼軌縱向力評定標(biāo)準(zhǔn);確定了動力安全參數(shù)的評定標(biāo)準(zhǔn);建立了動力學(xué)與安全參數(shù)評估模型。

4)道岔和調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)現(xiàn)場測試及檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。選取長春西站62號大號碼道岔和鄭西高鐵350 km/h雙向調(diào)節(jié)器作為特征地段，安裝了課題研制的監(jiān)測系統(tǒng)，并進行了為期至少12個月的長期監(jiān)測，取得了大量的測試數(shù)據(jù)，分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)所表征的軌溫、鋼軌縱向力和連續(xù)梁梁縫變化等特性。

2.6 軌道綜合剛度檢測及評估技術(shù)

基于移動式線路動態(tài)加載試驗車，通過理論建模、仿真計算、算法研究、系統(tǒng)搭建、試驗驗證、系統(tǒng)完善等取得了以下成果:

1)研究提出了移動加載跟隨技術(shù)方案，采用軟模式作動器并應(yīng)用曲線通過算法，實現(xiàn)了60 km/h以內(nèi)移動加載時加載精度優(yōu)于20 kN;

2)利用研究提出的雙弦測方法，采用激光三角法實現(xiàn)了鋼軌變形的車載檢測;

3)在分析試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了適用于加載車的測力輪對系統(tǒng)方案，采用CAN接口實現(xiàn)了測力輪對系統(tǒng)與剛度檢測系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)的集成;

4)在不同軌道結(jié)構(gòu)處，試驗測試了加載車的定點加載能力;

5)在仿真和試驗分析的基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化的加載模式，并試驗驗證了采用移動檢測結(jié)合定點加載來實現(xiàn)高速鐵路軌道綜合剛度檢測技術(shù)和薄弱軌道結(jié)構(gòu)識別技術(shù)。

2.7 線路異物在線監(jiān)測技術(shù)

在線路異物在線監(jiān)測方面，采用星光級相機實現(xiàn)了不同天氣及光線條件下清晰圖像的獲取。通過開發(fā)去抖和去陰影算法實現(xiàn)了基于單目圖像的異物準(zhǔn)確檢測;通過開發(fā)異物識別與分類算法實現(xiàn)了侵入異物的分類和行為分析;通過單雙目和激光與紅外相機的多源信息融合實現(xiàn)了各種復(fù)雜天氣及光線條件下異物侵入的準(zhǔn)確檢測。該方法可以直接應(yīng)用于高速鐵路線路凈空安全監(jiān)測領(lǐng)域。與目前既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用人工分析相比，該方法能夠自動檢測侵入異物、自動對異物進行分類識別和報警，能為高速鐵路異物自動識別、自然災(zāi)害報警、鐵路設(shè)備形位異常和反恐防暴等重大需求提供技術(shù)支持和條件保障，對提高高速鐵路安全水平具有重要意義。

3 線下基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)

3.1 沉降變形監(jiān)測技術(shù)

在高速鐵路路基工后沉降方面，研制了基于自動全站測量的智能移站沉降變形監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了針對高速鐵路的全站測量、站間走行、動力及電源供給、觀測標(biāo)的合理設(shè)置、遠程控制和遠程數(shù)據(jù)傳輸功能;完善了沉降變形的評估方法，提出了適合運營高鐵的沉降評估方法;開發(fā)了高速鐵路沉降變形評估系統(tǒng)，形成系統(tǒng)的高速鐵路路基沉降變形分析、監(jiān)測、評估技術(shù)體系。

1)獲得了高速鐵路工后沉降變形特征，發(fā)現(xiàn)其具有總沉降量小，將測量精度要求高的特點。這為檢測與監(jiān)測設(shè)備的選型和研發(fā)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

2)研發(fā)了基于全站測量模式的智能移站沉降變形測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速鐵路線下基礎(chǔ)設(shè)施沉降變形智能監(jiān)測，更加適應(yīng)一維方向超長距離分布、周期長、精度要求高的高速鐵路沉降變形監(jiān)測，從根本上實現(xiàn)了工后沉降監(jiān)測的自動化、智能化、高效化和低成本化。

3)提出了高速鐵路路基單點沉降和線路縱向多點差異沉降的綜合評估模式，完善了工后沉降變形監(jiān)測技術(shù)體系，為高速鐵路路基確定合理的運行維護模式提供了理論指導(dǎo)。

3.2 高陡邊坡穩(wěn)定狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

在高陡邊坡多因素穩(wěn)定性影響分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了高陡邊坡的綜合監(jiān)測體系，研發(fā)了高陡邊坡的監(jiān)測技術(shù)及評估體系，并進行了工程驗證。主要成果如下:

1)構(gòu)建了邊坡監(jiān)測體系?；谌S激光掃描技術(shù)對全線邊坡進行初步普查，并結(jié)合工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，將鐵路沿線邊坡分為重點邊坡和一般邊坡，系統(tǒng)分析了邊坡可能存在的安全隱患和監(jiān)測重點。對一般邊坡采用車地應(yīng)答模式的定期監(jiān)測方式;對于重點邊坡，可采用基于光纖光柵和陣列式位移深部土體監(jiān)測的實時監(jiān)測方式。

2)研發(fā)了邊坡車載激光掃描系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的三維可視化技術(shù)，為鐵路沿線邊坡的普查提供了重要的技術(shù)手段。

3)實現(xiàn)了邊坡變形信息的交互式信息采集技術(shù)，為一般鐵路邊坡監(jiān)測提供了技術(shù)支撐。

4)形成了基于光纖傳感和陣列式位移傳感技術(shù)的鐵路邊坡滑坡監(jiān)測技術(shù)，為重點邊坡的實時監(jiān)測提供了技術(shù)支撐。

5)研究了將數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)技術(shù)與智能分析相結(jié)合的鐵路邊坡評估報警系統(tǒng)，可提升鐵路工務(wù)設(shè)備信息化管理水平和養(yǎng)護維修科學(xué)決策水平。

4 牽引變電關(guān)鍵設(shè)備和接觸網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)

4.1 鐵路供電系統(tǒng)運行安全及在線監(jiān)測系統(tǒng)

研究了牽引供電的接觸網(wǎng)、變壓器設(shè)備的熱過負荷等效數(shù)學(xué)模型，報警機制的參數(shù)分析計算和整定方法;研究了鐵路變電所的智能預(yù)警及在線監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了變電站“數(shù)據(jù)集成、業(yè)務(wù)協(xié)同、管理集中、資源共享”的管理要求，實現(xiàn)了信息的集中采集、集中傳輸、集中分析、集中應(yīng)用，實現(xiàn)了與其它系統(tǒng)的交互應(yīng)用。

1)熱過負荷模型研究。分析了變壓器、接觸網(wǎng)的熱過負荷特性，分析了熱過負荷的影響參數(shù)、報警機制及整定方法，形成了熱過負荷保護模型并研制了相應(yīng)保護裝置，能夠有效反映變壓器繞組、接觸網(wǎng)饋線的溫度變化情況，防止其因長期過熱而導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。

2)變電站智能預(yù)警及在線監(jiān)測技術(shù)研究。分析了變電站運行、維護及管理現(xiàn)狀;研究了傳統(tǒng)電氣開關(guān)設(shè)備的智能化組件，集在線監(jiān)視、智能控制、數(shù)字化接口和斷路器的電子操作等一系列的高智能化功能于一體;研究了變電站監(jiān)測信號、控制命令、保護跳閘命令的數(shù)字化采集、傳輸、處理和數(shù)據(jù)共享的技術(shù)，實現(xiàn)了采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的，分為過程層、間隔層和站控層的系統(tǒng)樣機架構(gòu)。能夠根據(jù)智能一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和變電所環(huán)境在線監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘的方式提取有效信息，針對潛在的可能影響到供電安全的異常事件給出報警信息。

4.2 接觸網(wǎng)安全狀態(tài)實時檢測技術(shù)研究

針對接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無備用、運行環(huán)境惡劣和故障率高的特點，合理選擇表征接觸網(wǎng)運行狀態(tài)的特征量，重點對接觸網(wǎng)溫度、張力的監(jiān)測方法進行了研究。實現(xiàn)了基于位移、加速度、鉑電阻測溫與圖像壓縮等技術(shù)的接觸網(wǎng)綜合安全狀態(tài)參數(shù)(張力、抬升量、溫度)的實時監(jiān)測與辨識。

1)研究了基于墜砣高度、接觸線張力、棘輪位置與滑輪偏轉(zhuǎn)角等監(jiān)測量的接觸線斷線及隱患檢測技術(shù)。通過對這些特征量的研究與監(jiān)測，掌握了接觸網(wǎng)的安全運行特征，實現(xiàn)接觸網(wǎng)斷線狀態(tài)實時檢測。

2)研究了基于紅外及鉑電阻傳感測溫等技術(shù)的接觸網(wǎng)溫度檢測方法和基于高精度、強抗干擾的接觸網(wǎng)應(yīng)變檢測技術(shù)。通過溫度和應(yīng)變的監(jiān)測，使得接觸線溫度和應(yīng)變值均在一個合理的閾值范圍內(nèi)，保證接觸線運行狀態(tài)良好，確保列車運行的安全穩(wěn)定。

3)整體完成了補償裝置的張力監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)各信號的采集、通信方式、系統(tǒng)供電方式等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，設(shè)計完成了監(jiān)測系統(tǒng)的原型樣機，并在測試平臺上進行了模擬測試，對測試中反映出來的問題進行了分析并對監(jiān)測系統(tǒng)進行了改進。同時，考慮到現(xiàn)場安裝條件及工作環(huán)境，深入研究了可行的安裝及工作方式，在節(jié)能、安全、可靠三方面對監(jiān)測系統(tǒng)進行了改進。

4.3 接觸網(wǎng)狀態(tài)在線檢測設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)研究

針對弓網(wǎng)電弧和接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛參數(shù)在線檢測開展了大量研究，分述如下:

1)弓網(wǎng)電弧在線監(jiān)測裝置標(biāo)定方法研究。研究弓網(wǎng)電弧光譜輻射特性和電弧特征光提取技術(shù)，建立光譜響應(yīng)度標(biāo)定平臺，以弓網(wǎng)電弧在線檢測裝置為出發(fā)點，提出一套基于弓網(wǎng)電弧在線檢測裝置的標(biāo)定方法，獲取弓網(wǎng)電弧在線檢測裝置的靈敏度曲線，從而解決了弓網(wǎng)電弧不能定量描述的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2)基于牽引電流與弓網(wǎng)電弧的弓網(wǎng)受流質(zhì)量技術(shù)研究。研究牽引電流與弓網(wǎng)電弧的內(nèi)在關(guān)系，提出了一種由于弓網(wǎng)電弧引起的牽引電流暫態(tài)變化評估指標(biāo)——牽引電流擾動量(其值能夠反映電流的穩(wěn)定情況)，定量描述牽引電流的擾動程度。

3)載體振動補償技術(shù)研究。研究車體振動系統(tǒng)產(chǎn)生機理和特征，分析車體振動后表現(xiàn)出的運行特征，研究基于機器視覺技術(shù)的攝像檢測方法。以典型的接觸網(wǎng)綜合車為例，建立了一種車載振動補償計算模型，解決了由于車體自由擺動帶來的檢測精度誤差，提高了檢測精度，達到接觸網(wǎng)“精檢細修”的目的。

4.4 基于受電弓圖像識別技術(shù)的接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測及裝置研制

研究了基于受電弓圖像識別技術(shù)的接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，主要包含受電弓圖像采集及傳輸技術(shù)、受電弓圖像預(yù)處理技術(shù)、受電弓圖像特征提取技術(shù)等。研制了視頻編碼裝置、音響報警裝置及受電弓圖像分析服務(wù)器軟件，形成了基于受電弓圖像識別技術(shù)的接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過架設(shè)在固定位置的照相機拍攝到來列車的受電弓圖像，通過對受電弓圖像的分析間接判斷接觸網(wǎng)狀態(tài)。該系統(tǒng)是一種非接觸式弓網(wǎng)關(guān)系在線監(jiān)測系統(tǒng)，可在不影響列車正常運行的情況下對列車受電弓、接觸網(wǎng)進行監(jiān)測，是現(xiàn)有弓網(wǎng)關(guān)系監(jiān)測系統(tǒng)的有效補充，具有安裝維護方便、便于功能擴展等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。

5 系統(tǒng)集成和工程驗證

5.1 多源檢測數(shù)據(jù)整合與存儲

通過深入分析高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)容和特征，提出了高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)整合與存儲技術(shù)，即將檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一到“設(shè)備—地理—時間”三維數(shù)據(jù)空間內(nèi)。數(shù)據(jù)存儲采用文件服務(wù)器和Oracle數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式，數(shù)據(jù)存儲和處理能力可達到10 TB以上。

系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)管理遵循編碼統(tǒng)一原則，使用了數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了服務(wù)總線、SOA、模塊化技術(shù)。通過數(shù)據(jù)抽取和推送技術(shù)實現(xiàn)了工務(wù)段—鐵路局—總公司系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口。

建立了高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了OTP系統(tǒng)架構(gòu)，規(guī)范了數(shù)據(jù)接口的多源接入。實現(xiàn)了工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施臺賬、檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，接入牽引變電基礎(chǔ)設(shè)施檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了牽引變電基礎(chǔ)設(shè)施檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合顯示。

5.2 高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)綜合分析評估

提出了適用于我國高速鐵路運營特點和設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測與監(jiān)測總體框架體系，為我國高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)的檢查監(jiān)控模式、檢測與監(jiān)測設(shè)備配置及檢修管理提供技術(shù)支持，有力地保障了高速鐵路安全、經(jīng)濟、有序運營。

在高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)中實現(xiàn)了對高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢分析、重復(fù)分析和關(guān)聯(lián)分析，提出了軌道幾何和鋼軌傷損狀態(tài)綜合評估模型，提出了軌道幾何狀態(tài)安全態(tài)勢預(yù)測方法。

5.3 工程驗證

在環(huán)行鐵道動車試驗線對無縫線路鋼軌縱向應(yīng)力、位移、完整性監(jiān)測系統(tǒng)進行了試驗驗證;在滬杭高鐵對異物侵限系統(tǒng)進行了試驗驗證;在昆明局威紅線對高陡邊坡穩(wěn)定監(jiān)測系統(tǒng)進行了驗證;對其余各系統(tǒng)也分別開展了驗證試驗。通過驗證試驗全面考核系統(tǒng)的功能和性能。驗證結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)樣機達到了“具備完整功能的最小系統(tǒng)”的要求。

6 關(guān)鍵技術(shù)突破與創(chuàng)新點

6.1 關(guān)鍵技術(shù)突破

在線路基礎(chǔ)設(shè)施方面取得了5項關(guān)鍵技術(shù)突破:①基于超聲導(dǎo)波的鋼軌絕對應(yīng)力及完整性監(jiān)測評估技術(shù);②基于移動加載車的軌道結(jié)構(gòu)綜合剛度檢測及狀態(tài)評估技術(shù);③基于立體視覺和微波雷達的線路異物侵入自動檢測技術(shù);④基于自動全站測量的智能移站沉降變形監(jiān)測技術(shù);⑤基于微電子機械系統(tǒng)的邊坡狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。

在牽引供電方面關(guān)鍵技術(shù)突破有:①考慮環(huán)境因素影響的變壓器、接觸網(wǎng)熱過負荷計算模型;②基于位移、加速度、鉑電阻測溫的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測技術(shù);③接觸網(wǎng)張力在線傳感技術(shù)、振動監(jiān)測技術(shù);④弓網(wǎng)電弧在線檢測裝置標(biāo)定及檢測系統(tǒng)車體動態(tài)補償技術(shù);⑤消除環(huán)境影響的圖像信息預(yù)處理和圖像特征提取方法;⑥數(shù)據(jù)傳輸及系統(tǒng)集成方面，研發(fā)了傳感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)組網(wǎng)和異構(gòu)特征融合技術(shù)、以及多源數(shù)據(jù)整合與存儲技術(shù)。

6.2 主要創(chuàng)新點

①基于超聲導(dǎo)波的鋼軌完整性監(jiān)測技術(shù);②車輛移動狀態(tài)下高精度加載技術(shù)和鋼軌位移雙弦檢測技術(shù);③單目與雙目視覺相結(jié)合的鐵路異物檢測方式;④基于全站測量模式的智能移站沉降變形測量系統(tǒng);⑤基于車地交互模式和實時在線的邊坡監(jiān)測系統(tǒng);⑥牽引供電系統(tǒng)設(shè)備熱過負荷等效數(shù)學(xué)模型;⑦接觸網(wǎng)綜合安全狀態(tài)多參數(shù)實時傳感與辨識技術(shù);⑧弓網(wǎng)電弧檢測裝置的標(biāo)定方法和車體動態(tài)補償技術(shù);⑨利用色彩信息和p－tile算法的受電弓圖像定位方法;⑩傳感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)組網(wǎng)和異構(gòu)特征融合技術(shù);○11基于多源數(shù)據(jù)整合的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測與監(jiān)測系統(tǒng)。

7 結(jié)語

通過高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)的研究，構(gòu)建了基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，形成了基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測與監(jiān)測技術(shù)體系，既保障了基礎(chǔ)設(shè)施的長期運營安全及服役品質(zhì)，提高了維護水平，又推動了高鐵技術(shù)進步，帶動了技術(shù)創(chuàng)新。此外，培養(yǎng)了一批高端技術(shù)人才。研究成果對我國高速鐵路發(fā)展和長期安全運營具有重要的意義。

建議:①進一步加大檢測與監(jiān)測系統(tǒng)試驗驗證范圍;②進一步提升檢測與監(jiān)測系統(tǒng)的耐久性以及抵抗惡劣氣候的能力;③進一步加強檢測與監(jiān)測系統(tǒng)的推廣應(yīng)用;④隨著檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，需深入研究數(shù)據(jù)分析、挖掘和應(yīng)用技術(shù)。

［1］盧春房.提高鐵路科技創(chuàng)新能力促進鐵路科學(xué)發(fā)展［J］.中國鐵路，2013(2):17－22.

［2］何華武.高速鐵路運行安全檢測監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)［J］.中國鐵路，2013(3):1－7.

［3］盛光祖.黨的十八大對鐵路改革發(fā)展提出的新任務(wù)新要求［J］.中國鐵路，2013(2):4－9.

［4］中國鐵道科學(xué)研究院.高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)檢測技術(shù)［R］.北京:中國鐵道科學(xué)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

(責(zé)任審編 李付軍)

1003－1995(2015)10－0001－06

2015－09－10;

2015－09－20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2011AA11A102)

趙有明(1965—)，男，研究員，碩士。