鐵路基礎(chǔ)設(shè)施搭載式檢測系統(tǒng)的研發(fā)

侯智雄 王昊 戴鵬 李穎 郝蕊 魏世斌

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

軌道交通是由十幾個(gè)系統(tǒng)、幾百個(gè)子系統(tǒng)及成千上萬個(gè)設(shè)備元件共同構(gòu)成的大型復(fù)雜系統(tǒng)。設(shè)備總聯(lián)調(diào)及聯(lián)調(diào)聯(lián)試是軌道交通整個(gè)測試與調(diào)試過程的最后環(huán)節(jié)，是對軌道交通整體系統(tǒng)性能的綜合驗(yàn)證與確認(rèn)。通過各項(xiàng)測試工作，檢驗(yàn)各主要系統(tǒng)間的接口關(guān)系是否正確，運(yùn)作是否協(xié)調(diào)，能力是否滿足各種可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)預(yù)定情況和運(yùn)營要求，并從整體上檢驗(yàn)軌道交通系統(tǒng)運(yùn)作的可用性、穩(wěn)定性和安全性［1］。

軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測是評價(jià)基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量狀態(tài)、指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)作業(yè)、保障行車安全的重要手段，是聯(lián)調(diào)聯(lián)試的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)一般將檢測設(shè)備安裝到專用車輛上構(gòu)成專業(yè)檢測車或綜合檢測車，對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行周期性檢測［2］。檢測內(nèi)容包括軌道、接觸網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的幾何狀態(tài)及其他運(yùn)行參數(shù)［3］。隨著我國高速鐵路網(wǎng)的形成，鐵路線路愈發(fā)密集，線路的開通聯(lián)調(diào)及日常檢測需求極為龐大。城市軌道交通的每條線路運(yùn)營里程較短，不同城市的軌道線路甚至同一城市的不同軌道線路尚不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。針對現(xiàn)有高速鐵路網(wǎng)、既有線鐵路網(wǎng)、城市軌道交通線路，如果對每條線路配備單獨(dú)的檢測車輛，需要巨大的投入，設(shè)備利用率低，且需要對專用車輛進(jìn)行長期維護(hù)［4］。

本文提出一種將檢測設(shè)備搭載于運(yùn)營列車上的新方法，不獨(dú)占車輛資源，實(shí)現(xiàn)隨車檢測，降低了維護(hù)成本，并能提高檢測頻率和效率，更加方便高效地保障軌道交通的運(yùn)行安全。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

運(yùn)營列車上搭載的檢測設(shè)備需要采用小型化設(shè)備，并對設(shè)備的安裝方式、合成算法、檢測方式等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)研究。搭載式檢測系統(tǒng)包含搭載式軌道動態(tài)檢測系統(tǒng)、接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)、通信檢測系統(tǒng)。

1.1 搭載式軌道動態(tài)檢測系統(tǒng)

軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)可以完成對軌道幾何不平順參數(shù)的動態(tài)測量［5］。系統(tǒng)利用慣性器件、高速攝像機(jī)、激光器等傳感器，按照等距離采樣的方式在車輛運(yùn)行過程中完成前端數(shù)據(jù)采集。通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算、數(shù)字信號處理獲得軌道幾何不平順相關(guān)參數(shù)。按照軌道質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，自動對軌道幾何不平順參數(shù)大值、鋼軌廓形偏差值及磨耗大值進(jìn)行超限判斷并分級。按里程統(tǒng)計(jì)各類參數(shù)的偏差種類、分級、扣分等內(nèi)容并形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)軌道幾何參數(shù)的動態(tài)實(shí)時(shí)檢測及分析功能，為軌道養(yǎng)護(hù)維修提供數(shù)據(jù)支持。搭載式軌道動態(tài)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 搭載式軌道動態(tài)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

搭載式檢測梁主要作用是承載檢測設(shè)備，固定激光攝像組件，給慣性組件等檢測設(shè)備提供安裝位置。該檢測梁上安裝有2 個(gè)小型化激光攝像組件和1 個(gè)慣性組件，慣性組件通過外罩進(jìn)行防護(hù)。該檢測梁采用低合金高強(qiáng)度鋼Q345B 焊接而成，表面進(jìn)行噴塑處理。GJ6-BM02 型檢測梁的總質(zhì)量（包括檢測設(shè)備）為185 kg，而該檢測梁小型輕量，總質(zhì)量（包括檢測設(shè)備）僅為45 kg，滿足搭載式設(shè)備的安裝要求。該檢測梁根據(jù)試驗(yàn)車車輛接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過12根M16x80/10.9s螺栓與車輛接口連接固定，滿足車輛在各種工況下的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求。

位于車下的激光攝像組件安裝在檢測梁上，是軌道動態(tài)檢測系統(tǒng)中的重要傳感器組成部件，其重量和大小直接影響到車輛安全。根據(jù)使用車型，設(shè)計(jì)了小型化、輕量化、集成化的組件；針對城市軌道交通小半徑曲線多、構(gòu)架相對于鋼軌位移較大等問題，設(shè)計(jì)了高分辨率、大視野的圖像高速采集和傳輸方案。激光攝像組件分為左右2個(gè)，分別安裝于檢測梁的兩端，通過對視覺圖像的處理得到鋼軌輪廓，進(jìn)而得到鋼軌相對于測量坐標(biāo)系的橫向、垂向位移。由2 根鋼軌的橫向位移合成軌距。橫向位移和垂向位移分別是測量軌向和高低的重要分量。

小型化激光攝像組件（圖2）已完成集成化設(shè)計(jì)，尺寸為270 mm×105 mm×140 mm。

圖2 小型化激光攝像組件

1.2 搭載式接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)

接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)由弓網(wǎng)動態(tài)、接觸網(wǎng)幾何等檢測子系統(tǒng)及對各檢測子系統(tǒng)的集中控制與集成軟件組成，具備在列車以160 km/h 運(yùn)行條件下對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行精確測量的能力，包括接觸線動態(tài)高度、拉出值、線岔或錨段關(guān)節(jié)處接觸線相互位置等幾何參數(shù)和弓網(wǎng)接觸力、硬點(diǎn)（垂向加速度）、離線狀態(tài)（燃弧率）等弓網(wǎng)動態(tài)作用參數(shù)，滿足鐵路接觸網(wǎng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的施工精調(diào)及日常維修和安全運(yùn)營的需要。接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架見圖3。

圖3 接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架

鐵路接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)要求快速準(zhǔn)確采集基礎(chǔ)設(shè)施圖像數(shù)據(jù)。針對這一需求，研究了基于人工智能技術(shù)框架的城市軌道基礎(chǔ)設(shè)施外觀狀態(tài)典型缺陷智能識別系統(tǒng)。該智能識別系統(tǒng)對鋼軌接觸網(wǎng)設(shè)備零部件異常等缺陷進(jìn)行自動識別，有效檢出率高于80%，體現(xiàn)了較高的智能化水平。

為滿足電務(wù)線纜和接觸網(wǎng)故障檢測的需求，提出基于魯棒對比損失函數(shù)優(yōu)化的雙子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。通過學(xué)習(xí)圖像中的關(guān)鍵細(xì)節(jié)變化，實(shí)現(xiàn)了同一檢測目標(biāo)不同周期狀態(tài)的對比分析，解決了電務(wù)軌腰塞釘、接觸網(wǎng)懸掛裝置局部零部件缺陷狀態(tài)的準(zhǔn)確識別等問題。

1.3 搭載式通信檢測系統(tǒng)

搭載式通信檢測系統(tǒng)包括WLAN（Wireless Local Area Network）場強(qiáng)及其服務(wù)質(zhì)量測試子系統(tǒng)、LTE-M（LTE-Machine to Machine）場強(qiáng)及其服務(wù)質(zhì)量測試子系統(tǒng)、TETRA（Trans European Trunked Radio）場強(qiáng)測試子系統(tǒng)、電磁環(huán)境測試子系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括這4個(gè)子系統(tǒng)的硬件組成與連接。

搭載式通信檢測主要包括場強(qiáng)測試和服務(wù)質(zhì)量測試。基于無線解碼技術(shù)的LTE-M 掃頻測試系統(tǒng)依托無線解碼技術(shù)得到的測試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)小區(qū)、小區(qū)的弱覆蓋、小區(qū)的質(zhì)差、小區(qū)的同鄰頻干擾和模三干擾的自動分析?；谛帕罱馕黾夹g(shù)的LTE-M 無線場強(qiáng)及其服務(wù)質(zhì)量測試子系統(tǒng)，依托信令解析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小區(qū)參數(shù)分析、無線參數(shù)分析、測量報(bào)告、層二/層三信令的解析以及吞吐量等業(yè)務(wù)的測試，并實(shí)現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)自動導(dǎo)出和報(bào)表自動統(tǒng)計(jì)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 北京地鐵新機(jī)場線

2018 年搭載式檢測系統(tǒng)在北京新機(jī)場線運(yùn)營電客車上安裝并進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)。該系統(tǒng)設(shè)備精簡，通過嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算輸出，實(shí)現(xiàn)了小型化和數(shù)字化。系統(tǒng)安裝在運(yùn)營列車上，既不影響列車正常運(yùn)營，又可對線路軌道不平順進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過檢測數(shù)據(jù)指導(dǎo)線路維護(hù)，確保線路平順和列車運(yùn)行安全。

搭載式檢測系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)分為軌道幾何波形數(shù)據(jù)和軌道幾何超限數(shù)據(jù)。通過這2種數(shù)據(jù)可以直觀地觀察到軌道幾何變化，指導(dǎo)工務(wù)系統(tǒng)對軌道進(jìn)行維護(hù)及打磨。檢測到的超限數(shù)據(jù)分為1～4級軌道幾何超限數(shù)據(jù)、曲線超限數(shù)據(jù)、TQI 超限數(shù)據(jù)、磨耗超限數(shù)據(jù)等，具有單次檢測分段數(shù)據(jù)、多次檢測合并匯總數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)分析報(bào)表功能，為地面人員提供便捷、實(shí)用的數(shù)據(jù)分析方法。軌道幾何波形如圖4所示。

圖4 軌道幾何波形

設(shè)備試運(yùn)營以來，該系統(tǒng)承擔(dān)了北京地鐵新機(jī)場線聯(lián)調(diào)聯(lián)試軌道動態(tài)質(zhì)量的檢測任務(wù)，設(shè)備狀態(tài)良好，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。超限報(bào)表數(shù)據(jù)見圖5。該系統(tǒng)日均檢測里程達(dá)到500 km，累積檢測線路有效病害10 000 余處，為北京地鐵新機(jī)場線的按時(shí)開通提供了科學(xué)依據(jù)，為指導(dǎo)工務(wù)安全生產(chǎn)提供準(zhǔn)確詳實(shí)的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)成功地在不影響列車運(yùn)營的條件下完成了檢測任務(wù)，為北京地鐵提供了強(qiáng)有力的檢測手段。

圖5 檢測超限報(bào)表

2.2 北京地鐵6號線

接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)分別于2016年4 月 23 日和 2016 年 11 月 14 日安裝于北京地鐵 6 號線23 號車廂和61號運(yùn)營列車2號車廂。車頂設(shè)備見圖6。截止2019 年，已累計(jì)完成檢測1 118 km，完成10 種工況的試驗(yàn)測試。期間系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠并形成2份專項(xiàng)研究報(bào)告，為膨脹元件燒蝕、接觸線波浪磨耗等缺陷的診斷和溯源提供了詳細(xì)數(shù)據(jù)，有效保障了北京地鐵6號線弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖6 車頂設(shè)備

3 結(jié)語

搭載式檢測系統(tǒng)作為我國軌道交通信息化和智能化融合發(fā)展的主要成果之一，是中國軌道交通運(yùn)營維護(hù)技術(shù)體系的主要檢測裝備，也是保持我國鐵路可持續(xù)發(fā)展、支撐軌道交通綜合維修生產(chǎn)一體化改革的關(guān)鍵裝備。

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于北京地鐵新機(jī)場線及6 號線、沈陽地鐵1號線等運(yùn)營電客車上，填補(bǔ)了我國軌道交通裝備在該領(lǐng)域的空白，并將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，市場前景廣闊。2020年國內(nèi)有80個(gè)以上的城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)并投入運(yùn)營，總里程超過6 000 km［6］。按每條線路需搭載1套檢測設(shè)備計(jì)算，未來5～10年全國市場需求達(dá)200套以上。