高速鐵路工務基礎設施狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)的研究

楊飛，曾憲海，黎國清，田新宇，許階

(1.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京 100081;2.中國鐵路總公司運輸局，北京 100866; 3.北京鐵科英邁技術有限公司，北京 100081)

高速鐵路工務基礎設施狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)的研究

楊飛1，曾憲海2，黎國清1，田新宇1，許階3

(1.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京 100081;2.中國鐵路總公司運輸局，北京 100866; 3.北京鐵科英邁技術有限公司，北京 100081)

為保證工務設備及施工作業(yè)的安全，應構建能夠及時發(fā)現(xiàn)并早期預警線路設備故障及沿線環(huán)境影響的高速鐵路工務基礎設施狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對軌道、鋼軌、路基和重點橋隧的狀態(tài)進行檢測與監(jiān)測，對道口、環(huán)境災害、工務機械車運行和施工作業(yè)安全加以監(jiān)控，并利用數(shù)據(jù)集成平臺對數(shù)據(jù)集中管理、共享和綜合分析，為工務設備安全監(jiān)測與管理提供信息服務。論述了該系統(tǒng)的內(nèi)容、功能及可行性。

高速鐵路 基礎設施狀態(tài) 檢測與監(jiān)測

1 概述

高速鐵路對工務基礎設施各類設備的安全以及沿線環(huán)境狀態(tài)提出了更高的要求。為及時發(fā)現(xiàn)線路設備故障、環(huán)境影響和施工作業(yè)隱患，保障行車安全，應構建高速鐵路工務基礎設施狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)，強化早期故障診斷。

近些年來，隨著微電子、傳感器等技術的提高，檢測與監(jiān)測設備的功能也得到了很大提升，高速鐵路檢測與監(jiān)測技術開始由低集成度、分項目的單項檢測逐步發(fā)展為高度集成、多項目的綜合檢測。

發(fā)達國家經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)逐步建成了綜合檢測與監(jiān)測—科學評估—輔助維修的工務檢測維修管理體制，普遍采用檢測車對軌道幾何、鋼軌磨耗、表面?zhèn)麚p、波浪磨耗，線路限界，道床、路基、隧道襯砌、橋梁狀態(tài)等進行檢測。同時，在地面安裝監(jiān)測設備監(jiān)控列車的運行狀態(tài)，并在地面建立綜合數(shù)據(jù)分析和診斷中心，對檢測數(shù)據(jù)和維修信息進行綜合分析處理，制訂養(yǎng)護維修計劃，為管理者的決策提供參考。英國路網(wǎng)公司開發(fā)了多種用于基礎設施、設備狀態(tài)檢測的專業(yè)檢測車，如軌道故障診斷車、超聲波鋼軌探傷車、限界檢測車等，用于對鐵路工務狀態(tài)進行檢測和管理，并建立了工程支持中心，對英國鐵路工務基礎設施進行全生命周期的管理，指導養(yǎng)護維修;意大利鐵路基礎設施檢測及維修公司采用阿基米德號綜合檢測列車對鐵路進行檢測，同時，建立國家鐵路基礎設施數(shù)據(jù)診斷中心對鐵路基礎設施數(shù)據(jù)進行管理、預測分析和決策支持，并與經(jīng)濟資源規(guī)劃數(shù)據(jù)庫相連，以便對鐵路基礎設施進行更有效的管理和決策;德國路網(wǎng)公司對線路的軌道幾何狀態(tài)、限界、鋼軌傷損等進行檢測，并建立了工務管理信息系統(tǒng)，對集中存儲的軌檢數(shù)據(jù)、鋼軌探傷數(shù)據(jù)和波浪磨耗數(shù)據(jù)等進行綜合分析，指導線路的養(yǎng)護維修。

我國也研發(fā)了多種用于基礎設施設備狀態(tài)檢測的檢測車，如高速綜合檢測列車、鋼軌探傷車、工務巡檢車、隧道檢查車等，用于對軌道幾何、輪軌力、鋼軌傷損、扣件狀態(tài)、隧道襯砌狀態(tài)、限界等進行檢測，地面也安裝了斷軌監(jiān)測設備、橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)、沉降自動化監(jiān)測系統(tǒng)、風雨雪監(jiān)測設備等，監(jiān)控基礎設施設備的安全。但我國的各種檢測設備或系統(tǒng)之間相互獨立，種類繁多，數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)中心不能做到數(shù)據(jù)的集中管理，無法進行綜合分析和后期養(yǎng)護維修預測，不利于安全風險源的識別、研判和防控。因此，急需要構建高速鐵路工務基礎設施狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成與總體功能

高速鐵路工務基礎設施狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。該系統(tǒng)是在前期各種檢測設備運行基礎上，通過完善功能、技術集成，形成完整的平臺化的系統(tǒng)。其目的是對高速鐵路的工務基礎設施狀態(tài)進行全方位、全覆蓋、全天候的檢測、監(jiān)測和數(shù)據(jù)綜合運用，具備了檢測、監(jiān)測、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)存儲、綜合分析、數(shù)據(jù)發(fā)布等功能。

高速鐵路工務基礎設施檢測與監(jiān)測系統(tǒng)既包括車載系統(tǒng)又包括地面分散系統(tǒng)，點多面廣，因此需要建設檢測與監(jiān)測信息網(wǎng)絡來實現(xiàn)工務基礎設施各類設備狀態(tài)的自動收集和集中管理，建成分散檢測、集中報警、網(wǎng)絡監(jiān)測、信息共享的工務檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)集成平臺。各類設備必須遵照統(tǒng)一的接口、數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)集成平臺的數(shù)據(jù)交互。集成平臺對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行集成、綜合分析、信息共享，為工務管理決策部門和維修部門服務。

圖1 高速鐵路工務基礎設施狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)組成

3 單項設備組成和功能

3.1 軌道狀態(tài)檢測與監(jiān)測設備

①在軌道檢查車、高速綜合檢測列車上安裝軌道幾何狀態(tài)檢測設備、輪軌動力學檢測設備和車輛動態(tài)響應檢測設備來對軌道幾何狀態(tài)、車輛動態(tài)響應等進行動態(tài)檢測;②在軌道加載檢測車上安裝軌道剛度檢測設備對軌道剛度、結構變形等進行動態(tài)檢測;③在運營車輛上安裝車載式線路檢查儀，或添乘人員攜帶便攜式線路檢查儀，對車體加速度進行動態(tài)檢測;④采用地面監(jiān)測設備對特殊區(qū)段無縫線路鎖定狀態(tài)、道岔和伸縮調(diào)節(jié)器狀態(tài)、軌道結構變形等進行在線監(jiān)測。

3.2 鋼軌狀態(tài)檢測與監(jiān)測設備

①采用巡檢車和探傷車上的軌道巡檢設備對鋼軌的表面狀態(tài)、鋼軌輪廓等進行動態(tài)檢測;②采用鋼軌探傷車、探傷儀對鋼軌內(nèi)部傷損進行檢測;③采用鋼軌探傷車、探傷儀對鋼軌頂面裂紋進行檢測;④在探傷車、軌檢車上安裝鋼軌波浪磨耗檢測設備對鋼軌波浪磨耗進行動態(tài)檢測;⑤采用鋼軌斷軌監(jiān)測設備對鋼軌完整性進行監(jiān)測，實現(xiàn)鋼軌折斷的實時預警和報警。

3.3 路基狀態(tài)檢測與監(jiān)測設備

①采用探地雷達探測設備對道床路基厚度、密實度、含水異常、翻漿冒泥、道砟囊、道床臟污、基床下沉等病害進行檢測;②路基沉降監(jiān)測設備的主要功能是監(jiān)測路基的沉降處所和沉降量;③邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測設備主要監(jiān)測路塹邊坡、崩塌落石、護墻開裂、危巖坍塌、隧道進出口仰坡等危險處所。

3.4 重點橋隧狀態(tài)監(jiān)測設備

①在橋梁結構上安裝橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測結構的動應力、振幅、撓度、支座位移、行車狀態(tài)、環(huán)境等，并能根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)自動分析，從而對橋梁的狀態(tài)進行評估;②采用水文監(jiān)測系統(tǒng)，掌握河流的流速、水位、水深及河流沖刷情況;③通過地質(zhì)雷達對隧道襯砌結構加以檢測，掌握隧道襯砌結構的厚度、襯砌內(nèi)部空洞及疏松、襯砌后部空洞、鋼筋分布等;④通過表面三維或二維成像技術，分析隧道表面的裂縫、剝離掉塊、滲水等缺陷;⑤采用隧道襯砌裂縫監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測隧道襯砌裂縫發(fā)展情況;⑥采用測力傳感器，監(jiān)測襯砌內(nèi)部、鋼拱架或圍巖的應力和水壓力狀態(tài)。

3.5 道口監(jiān)控設備

道口監(jiān)控設備能夠?qū)Φ揽谟行?、準確、實時監(jiān)測，為道口管理人員和列車司機提供報警、預警信息，實時顯示并存儲通過道口的車輛和行人以及道口工作人員的視頻信息。

3.6 環(huán)境災害監(jiān)測設備

對高速鐵路沿線風、雨、雪、地震、限界及異物侵入能夠有效、準確、實時監(jiān)測，為調(diào)度指揮及維護管理提供報警、預警信息。

3.7 工務機械車運行監(jiān)測設備

①防火監(jiān)測設備主要用于監(jiān)測工務機械車的司機室、操作室、發(fā)動機間等關鍵位置的工作環(huán)境溫度，防止發(fā)生火災;②視頻檢測設備實時視頻監(jiān)視和記錄工務機械車的車前車后端、司機室、操作室、動力間和主要作業(yè)機械部位的工作狀態(tài);③軸溫監(jiān)測設備通過安裝在車軸不宜打開檢查的軸箱的溫度傳感器，監(jiān)測并記錄軸箱溫度;④防撞監(jiān)測設備分為兩類:工作裝置防撞監(jiān)測是采用激光測距、無線測距、限位傳感器等手段，測量鐵路設施與工務機械車工作裝置的相對位置，監(jiān)測工作裝置的作業(yè)限界，判斷是否會發(fā)生碰撞;車與車間防撞監(jiān)測是通過測量工務機械車之間的距離，結合車輛行駛的速度，判斷是否會發(fā)生碰撞;⑤超速監(jiān)控設備通過實時監(jiān)控車輛運行的速度、車況、地面軌道信號燈等信息判斷車輛是否超速行駛。

3.8 施工作業(yè)安全監(jiān)控設備

①借助先進成熟的地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和移動通信技術，實現(xiàn)工務作業(yè)的定位跟蹤和數(shù)據(jù)回傳，可為安全生產(chǎn)管理和應急故障處理等提供技術支持;②使用具備攝像功能的移動終端，綜合移動通信、終端軟件遠程控制等技術，實現(xiàn)對路外施工、防洪區(qū)段、現(xiàn)場作業(yè)等現(xiàn)場環(huán)境的實時監(jiān)控，可為安全生產(chǎn)管理、應急故障處理等提供實時可視化支持;③借助遠距離無線通信技術獲取列車位置信息，為工務現(xiàn)場作業(yè)防護提供信息預警;④利用二維碼圖像掃描識別技術在上道作業(yè)和作業(yè)結束下道前點驗人員、機具和主要材料，加強上線作業(yè)安全管理，避免機具和材料遺漏。

4 網(wǎng)絡組成

工務檢測與監(jiān)測網(wǎng)絡應納入鐵路信息網(wǎng)絡，并符合鐵路信息網(wǎng)絡安全有關規(guī)定，其總體結構如圖2所示。

圖2 檢測與監(jiān)測信息網(wǎng)絡總體結構

總公司、鐵路局信息網(wǎng)絡局域網(wǎng)由外部服務網(wǎng)、內(nèi)部服務網(wǎng)和安全生產(chǎn)網(wǎng)組成，工務段信息網(wǎng)絡局域網(wǎng)由內(nèi)部服務網(wǎng)和安全生產(chǎn)網(wǎng)組成。工務檢測與監(jiān)測網(wǎng)絡應包括總公司、鐵路局、工務段檢測與監(jiān)測中心局域網(wǎng)、檢測與監(jiān)測中心廣域網(wǎng)接入、網(wǎng)絡安全、網(wǎng)絡布線等內(nèi)容。工務安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測信息流程設計為:①現(xiàn)場監(jiān)測點將實時采集、監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù)信息發(fā)送到段監(jiān)控中心;②段檢測與監(jiān)測集成平臺匯總各監(jiān)測點、移動檢測設備上傳的檢測與監(jiān)測及設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)送到段監(jiān)控終端;③段監(jiān)控終端接收到傳遞來的監(jiān)測、報警、預警及設備狀態(tài)信息后，按不同警告等級，通知業(yè)務部門及時處理，并反饋處理結果，上報鐵路局檢測與監(jiān)測集成平臺;同時，段檢測與監(jiān)測集成平臺對現(xiàn)場監(jiān)測點設備工作狀態(tài)實行遠程監(jiān)控，及時報警并發(fā)出維修信息。

5 工務檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)集成平臺

工務檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)集成平臺負責高速鐵路工務基礎設施的檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)集中存儲、處理、發(fā)布展示，為工務生產(chǎn)提供決策支持。工務檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)集成平臺分為總公司—路局—工務段三級架構，工務段級集成平臺負責收集各類生產(chǎn)檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)，并向局級集成平臺和總公司集成平臺上報各類匯總數(shù)據(jù);局級集成平臺接收總公司集成平臺下達的各類信息，并轉發(fā)給相關段級集成平臺;總公司集成平臺匯集全路上傳的各類報警、設備故障、處理等信息，集中存儲。

集成平臺存儲和處理的數(shù)據(jù)類型多、結構復雜，系統(tǒng)用戶專業(yè)多樣化、需求復雜，需要有高可擴展性、易用性、高性能、穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用B/S架構，總公司集成平臺系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、WEB服務器、網(wǎng)絡設備和監(jiān)控終端構成;局級集成平臺由檢測數(shù)據(jù)錄入設備、數(shù)據(jù)庫、WEB服務器、網(wǎng)絡設備和監(jiān)控終端構成;段級集成平臺由設置在段管內(nèi)線路上的若干現(xiàn)場監(jiān)測點上的各類固定監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)庫和WEB服務器組成。

在鐵路總公司、鐵路局、各基層站段及車間設立用戶終端，工務管理、檢修人員通過終端上傳、下載、瀏覽各類檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)，以滿足不同部門對設備進行管理維修的需求。

6 總結

為了保障高速鐵路運行安全，預防和避免工務設備故障和沿線環(huán)境事故發(fā)生，以及把控施工作業(yè)安全，需要建立集檢測與監(jiān)測、控制和管理于一體的網(wǎng)絡化、智能化高速鐵路工務基礎設施檢測與監(jiān)測系統(tǒng)。其主要包括軌道、鋼軌、路基、重點橋隧狀態(tài)的檢測與監(jiān)測，以及道口(用于普速)、環(huán)境災害、工務機械車運行、施工作業(yè)安全監(jiān)測、監(jiān)控等，并利用數(shù)據(jù)集成平臺形成數(shù)據(jù)的集中管理、共享和綜合分析，為工務管理部門和作業(yè)、維修部門提供安全監(jiān)測與管理信息服務，以期達到及時發(fā)現(xiàn)和早期預警線路設備故障、環(huán)境影響，保障行車安全的目的。

［1］康熊，王衛(wèi)東，李海浪.高速綜合檢測列車關鍵技術研究［J］.中國鐵路，2012(10):3－7.

［2］王明生，黃守剛.高速鐵路工務地面監(jiān)測與信息管理的若干思考［J］.石家莊鐵道學院學報，2005，18(1):10－12.

［3］宋曉冰.橋梁監(jiān)測、養(yǎng)護與維修的方法［J］.交通世界:建養(yǎng)機械，2010(17):227－228.

［4］中華人民共和國鐵道部.TJ/GW088—2013高速鐵路自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)總體技術方案(暫行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2013.

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［6］中華人民共和國鐵道部.TG/GW115—2012高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.

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［11］中華人民共和國鐵道部.TJ/GW105—2013高速鐵路自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)雪深監(jiān)測設備暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2013.

［12］中華人民共和國鐵道部.TJ/GW090—2013高速鐵路自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)技術條件雨量監(jiān)測設備(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2013.

Study on inspection and monitoring system of high speed railway infrastructure

YANG Fei1，ZENG Xianhai2，LI Guoqing1，TIAN Xinyu1，XU Jie3
(1.Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.Transport Bureau of China Railway Corporation，Beijing 100866，China;3.Beijing IMAP Technology Co.，Ltd.，Beijing 100081，China;)

T o ensure the safety of permanent way infrastructure and maintenance construction，a inspection and monitoring system of high speed railway permanent way infrastructure was presented，which is able to find and warn the infrastructure failure and the effect of environment along lines.T his system can inspect and monitoring the condition of tracks，rails，subgrades and key bridges and tunnels.It can also monitor and control railway crossings，environmental disasters，vehicles of permanent way security and maintenance construction.The data integration platform in this system can be used to manage，share and analyze the inspection and monitoring data so as to service the permanent way departments.The functions and feasibility of the inspection and monitoring system of high speed railway permanent way infrastructure were discussed.

High speed railway;Infrastructure;Inspection and monitoring

U238;U216.3

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.28

(責任審編 李付軍)

1003－1995(2015)10－0132－04

2015－07－30;

2015－08－12

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2014G009－D);國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2013CB036205)

黎國清(1966—)，男，研究員，碩士。