運營鐵路有砟道床車載式檢測技術(shù)綜述

楊愛紅 王石磊 馮乾旭

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.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京高鐵工務(wù)段，北京 100071

碎石道床是普速鐵路和時速200～250 km高速鐵路有砟軌道的基礎(chǔ)［1］。隨著線路服役時間延長，道床逐漸出現(xiàn)彈性不足、斷面偏離、臟污、翻漿冒泥等劣化現(xiàn)象，需維修或清篩大修?，F(xiàn)行TG/GW102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定，道床維修主要采用周期修制度，如道床清篩周期主要由線路通過總質(zhì)量控制。采用單一因素制定道床維修策略易導(dǎo)致欠修或過度修。道床維修策略的合理制定與道床檢測技術(shù)的發(fā)展、道床狀態(tài)的分析水平密切相關(guān)［2］。

車載式檢測具有快速優(yōu)勢，為獲取路網(wǎng)層基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)提供了重要保障。本文針對有砟道床維修需求，對車載式檢測技術(shù)和缺陷識別方法進(jìn)行分析和歸納，提出道床綜合檢測設(shè)備和技術(shù)發(fā)展建議，為科學(xué)制定修理計劃、合理分配資源和控制成本提供依據(jù)。

1 有砟道床狀態(tài)劣化形式

斷面偏離、臟污、翻漿冒泥是道床狀態(tài)劣化的三種主要形式。斷面偏離包括道砟盈虧和厚度不均。道砟盈虧通過實際斷面與標(biāo)準(zhǔn)斷面的面積差計算得到，虧砟過多將導(dǎo)致軌枕縱橫向阻力減小。厚度不均屬于隱蔽缺陷，日常線路巡查中難以發(fā)現(xiàn)。臟污主要指道砟級配發(fā)生改變，破碎細(xì)小顆粒填充道砟孔隙，影響道床排水性能。翻漿冒泥與氣候環(huán)境、運輸條件、道砟材質(zhì)、基床狀態(tài)、輪載作用下抽吸作用等因素有關(guān)［3］。翻漿冒泥早期處于隱蔽狀態(tài)，發(fā)展至一定程度后會涌現(xiàn)至表面。從表現(xiàn)形式看，道砟盈虧、表面翻漿冒泥屬于表觀缺陷；厚度不均、臟污、內(nèi)部翻漿冒泥屬于隱蔽缺陷。

2 道床表觀缺陷檢測技術(shù)

2.1 檢測方法

激光掃描是車載式道床表觀缺陷檢測的關(guān)鍵技術(shù)。在車載式平臺上安裝高精度掃描傳感器，非接觸獲取道砟表面及線路兩側(cè)一定范圍內(nèi)的點云數(shù)據(jù)。通過確定分析范圍、濾除噪聲數(shù)據(jù)，建立道床實際斷面，并將其與標(biāo)準(zhǔn)斷面比較從而識別道砟盈虧信息［4］。奧地利聯(lián)邦鐵路將激光掃描模塊安裝在軌道維修車上，美國Georgetown 公司在公鐵混用移動平臺上集成了激光掃描儀，最高檢測速度達(dá)80 km/h，激光道間距為100 mm［5-6］。

2.2 狀態(tài)分析及評價方法

可按左右邊坡、左右枕端、枕長范圍分區(qū)評價道砟盈虧，見圖1。基于離散點擬合建立道床實際斷面（圖2），Georgetown 公司針對盈虧分析開發(fā)了BallastSaver 系統(tǒng)，將斷面偏離以三維色階方式呈現(xiàn)，見圖3。

圖1 道床斷面評價區(qū)域劃分

圖2 實際斷面與標(biāo)準(zhǔn)斷面差異

圖3 道床斷面偏離三維色階圖

Sadeghi 等［5］提出了道砟層幾何指數(shù)（Ballast Layer Geometry Index，記為BLGI）。其計算公式為

式中：VDl、VDc、VDr分別為分析單元道床左、中、右道砟虧損體積；VEl、VEc、VEr分別為分析單元道床左、中、右道砟盈余體積；maxV為所有分析單元中對應(yīng)體積的最大值。

線路方向分析單元長度分別采用10、100 m。為突出道砟虧損對軌道穩(wěn)定性的影響，公式中將VDl、VDc、VDr三項參數(shù)提高3倍。

3 道床隱蔽缺陷檢測技術(shù)

3.1 檢測方法

地質(zhì)雷達(dá)法具有快速、無損檢測的特點。地質(zhì)雷達(dá)法的檢測原理如圖4 所示［7］。發(fā)射天線向道床內(nèi)部發(fā)射電磁波，遇到介電特性存在差異的界面或區(qū)域時，電磁波會發(fā)生反射、散射，接收天線記錄回波振幅及時間，形成單道波形。沿線路縱向以指定間隔采樣即可形成由多道波形組成的二維雷達(dá)圖像。通過對單道波形及二維雷達(dá)圖像進(jìn)行分析，即可獲得道床厚度、臟污、翻漿冒泥等缺陷的分布特征。

圖4 雷達(dá)檢測法的檢測原理

近年來英國ZETICA 公司、荷蘭FUGRO 公司（圖5）、俄羅斯GEOTECH 公司等單位研發(fā)了雷達(dá)專項檢測系統(tǒng)，最高檢測速度可達(dá)160 km/h，系統(tǒng)硬件為3 部中頻天線和3 部高頻天線。中頻天線用于獲取厚度不均、翻漿冒泥等缺陷。高頻天線用于獲取臟污缺陷。目前英國采用該系統(tǒng)對繁忙線路每年檢測一次，中國朔黃鐵路公司于2015年引入該系統(tǒng)，用于指導(dǎo)運煤重載線路道床清篩［8］。

圖5 荷蘭FUGRO公司道床檢測系統(tǒng)

3.2 識別方法

雷達(dá)圖像紋理特征解譯是識別隱蔽缺陷的主要方法。根據(jù)圖像中存在的連續(xù)平滑強反射同相軸特征對道床和基床界面進(jìn)行判識，見圖6。根據(jù)圖像中存在的連續(xù)起伏強反射同相軸特征對翻漿冒泥進(jìn)行識別，見圖7?？梢钥闯觯鼐€路方向翻漿冒泥由隱蔽缺陷逐步演化為可見缺陷。經(jīng)開挖驗證，判識結(jié)果準(zhǔn)確。

圖6 道床和基床界面雷達(dá)圖像

圖7 翻漿冒泥雷達(dá)圖像與開挖驗證

雷達(dá)圖像紋理特征解譯對經(jīng)驗依賴性強，分析效率低。為提高數(shù)據(jù)分析效率，國內(nèi)外學(xué)者開展了基于深度學(xué)習(xí)的道床和基床界面、翻漿冒泥的智能識別研究，結(jié)果表明不同采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、樣本庫仍需完善［9-10］。

通路分析是通過對選定的基因按照公共數(shù)據(jù)庫KEGG（https://www.genome.jp/kegg/）進(jìn)行分類，通過離散分布的顯著性分析，得到與實驗?zāi)康挠酗@著相關(guān)的通路分類，本研究利用通路在線分析平臺Omicshare（http://www.omicshare. com）以P＜0.5、FDR＜0.05為參數(shù)獲得鉤藤散治療AD相關(guān)基因的通路富集信息，并使用Cytoscape-v3.6.1構(gòu)建靶點-通路（T-P）網(wǎng)絡(luò)圖。

為實現(xiàn)道床隱蔽缺陷的快速量測，可通過分析雷達(dá)電磁信號的特征確定表征道床狀態(tài)的指標(biāo)。通過物理實驗對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而實現(xiàn)對各指標(biāo)的量化［11］。王石磊等［12］先對雷達(dá)電磁信號時頻特性進(jìn)行分析，然后提取三個指標(biāo)沿線路的變化曲線，發(fā)現(xiàn)三個指標(biāo)與道床服役時間關(guān)聯(lián)性均較強。

Khakiev 等［13-14］對道床分層范圍內(nèi)雷達(dá)反射信號積分得到計算道床濕度的指標(biāo)，對折射率進(jìn)行分析得到計算道床厚度的指標(biāo)。選擇10處開挖驗證，證實了該方法的準(zhǔn)確性。Birhane 等［15］通過對增益調(diào)整后指定范圍信號峰值進(jìn)行檢索，實現(xiàn)了道床和基床界面的自動提取?？梢?，對缺陷進(jìn)行量化識別時，表征指標(biāo)的提取均基于單道雷達(dá)信號的時頻屬性。由于道床散粒體特征及軌枕干擾，各道雷達(dá)信號分析結(jié)果存在離散性，對異常離散數(shù)據(jù)尚需結(jié)合雷達(dá)圖像紋理特征進(jìn)行判識。

3.3 狀態(tài)分析及評價

目前中國尚缺乏道床狀態(tài)分級評價標(biāo)準(zhǔn)，國外對道床狀態(tài)分析及評價方法進(jìn)行了一定的研究。英國ZETICA 公司開發(fā)了碎石道床測試系統(tǒng)，確定了道砟濕度、厚度、臟污指數(shù)等表征道床狀態(tài)的指標(biāo)，并開發(fā)了多元數(shù)據(jù)融合分析系統(tǒng)，見圖8［16］。其中：MP 為里程標(biāo)。

圖8 英國ZETICA公司道床多元數(shù)據(jù)融合分析系統(tǒng)

中國朔黃鐵路公司引進(jìn)該分析系統(tǒng)，將系統(tǒng)輸出的臟污指數(shù)與中國TG/GW102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》中的不潔率進(jìn)行換算，制定了適用于朔黃鐵路的臟污分級標(biāo)準(zhǔn)［8］，見表1。

表1 朔黃鐵路公司道床臟污分級標(biāo)準(zhǔn)

道床檢測數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)維修決策的制定和軌道幾何狀態(tài)異常成因的判識。在軌道和道床檢測數(shù)據(jù)的融合方面，Eriksen 等［17］針對北愛爾蘭鐵路提出了道床質(zhì)量綜合指數(shù)CTQI，依據(jù)CTQI將道床分為4個等級。CTQI由厚度粗糙指數(shù)LRI、道砟超厚指數(shù)BDE和排水質(zhì)量指數(shù)TDQI加權(quán)計算得到，即CTQI=LRI+ 2BDE+TDQI。

Sadeghi等［18］開發(fā)道床雷達(dá)檢測系統(tǒng)，將臟污指數(shù)與軌道高低指數(shù)加權(quán)融合，將融合分析結(jié)果用于道床清篩、搗固、日常維護(hù)策略的制定。

4 道床綜合檢測設(shè)備及技術(shù)發(fā)展建議

4.1 檢測設(shè)備

道床綜合檢測時可在軌道車、鐵路平車等載體上集成表觀缺陷和隱蔽缺陷檢測模塊。美國BALFOUR BEATTY 公司與英國ZETICA 公司研發(fā)了車載式道床綜合檢測裝備（圖9），安裝于公鐵兩用車輛上。

圖9 車載式道床綜合檢測裝備

圖10 DOTX?220型軌道檢測車

4.2 綜合檢測技術(shù)

有砟道床綜合檢測技術(shù)包含地質(zhì)雷達(dá)、表面成像、三維激光掃描三部分。各部分檢測內(nèi)容及其最高檢測速度見表2。地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 有砟道床綜合檢測技術(shù)

表3 地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

本文分析了有砟道床狀態(tài)劣化形式，梳理了車載式檢測、缺陷識別及道床狀態(tài)分析評價方法。得到如下結(jié)論：

1）斷面偏離、臟污及翻漿冒泥是道床狀態(tài)劣化的三種主要形式，斷面偏離包括道砟盈虧和厚度不均。

2）道砟盈虧、表面翻漿冒泥屬于表觀缺陷，可通過激光掃描、表面成像方法檢測，檢測速度可達(dá)80 km/h。厚度不均、臟污、內(nèi)部翻漿冒泥屬于隱蔽缺陷，可通過地質(zhì)雷達(dá)檢測，檢測速度可達(dá)160 km/h。

3）對內(nèi)部翻漿冒泥等需要通過分析雷達(dá)圖像紋理特征的隱蔽缺陷，深度學(xué)習(xí)是實現(xiàn)智能識別的發(fā)展方向。對厚度不均、臟污等隱蔽缺陷，需先分析雷達(dá)電磁信號時頻特性確定表征道床狀態(tài)的指標(biāo)，然后通過物理標(biāo)定對指標(biāo)進(jìn)行量化，從而實現(xiàn)在線識別。

4）在專業(yè)檢測車上集成道床、基床等檢測模塊、開展周期性檢測是實現(xiàn)有砟軌道下部結(jié)構(gòu)狀態(tài)綜合檢測的發(fā)展方向，有利于有砟軌道狀態(tài)異常判識和維修策略的科學(xué)制定。