鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全壽命檢測技術(shù)與發(fā)展

牛道安

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

2019年底，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)到13.9萬km，其中高速鐵路3.5萬km。中國已經(jīng)擁有世界上建設(shè)和運(yùn)營規(guī)模最大的高速鐵路交通網(wǎng)絡(luò)，成為世界上高速鐵路運(yùn)營里程最長、在建規(guī)模最大、商業(yè)運(yùn)營速度最高、運(yùn)營場景最豐富的國家。面對如此龐大復(fù)雜的路網(wǎng)規(guī)模，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測一直以來都是鐵路安全體系中重要的組成部分，是鐵路安全運(yùn)行的保障和科學(xué)指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修的重要依據(jù)。

近年來，伴隨著高速鐵路的建設(shè)和運(yùn)營規(guī)模不斷加大，各專業(yè)檢測監(jiān)測技術(shù)得到飛速發(fā)展，研發(fā)形成了以高速綜合檢測列車、綜合巡檢車為代表的先進(jìn)檢測裝備，構(gòu)建起供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C）、工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測監(jiān)測系統(tǒng)（8M）和電務(wù)安全監(jiān)控系統(tǒng)（8D），逐漸探索形成了具有自身特點(diǎn)的檢測監(jiān)測技術(shù)體系，為及時(shí)掌握基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)和演化規(guī)律、科學(xué)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修提供了重要支持［1-3］。

從新線運(yùn)營前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段開始，到工務(wù)、電務(wù)、供電設(shè)備長期的運(yùn)營服役期，乃至設(shè)備大修更新改造，我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測貫穿于基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維全壽命周期管理的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中。當(dāng)前，隨著鐵路領(lǐng)域修程修制改革和運(yùn)維智能化的提出，我國鐵路按照“資源集中、統(tǒng)一管理、綜合應(yīng)用”原則，推進(jìn)檢測監(jiān)測設(shè)備的規(guī)范化、綜合化，實(shí)現(xiàn)功能融合，對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測技術(shù)和管理水平提出了更高要求。

1 聯(lián)調(diào)聯(lián)試

聯(lián)調(diào)聯(lián)試是高速鐵路建設(shè)的重要組成部分，也是開通運(yùn)營前的必要環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)采用測試列車和相關(guān)檢測設(shè)備，對各系統(tǒng)的功能、性能、狀態(tài)和系統(tǒng)間匹配關(guān)系進(jìn)行綜合檢測、驗(yàn)證、調(diào)整和優(yōu)化，使整體系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對確保滿足開通運(yùn)營條件發(fā)揮了重要作用［4］。

自2008年以來，通過技術(shù)探索和工程實(shí)踐，我國已形成了以聯(lián)調(diào)聯(lián)試、動(dòng)態(tài)檢測及運(yùn)行試驗(yàn)為主要內(nèi)容的高速鐵路動(dòng)態(tài)驗(yàn)收模式，構(gòu)建了科學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了符合高速鐵路建設(shè)特點(diǎn)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試成套技術(shù)體系［5］。

在新建線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段須對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行全專業(yè)測試，覆蓋工務(wù)工程、牽引供電、通信信號(hào)等專業(yè)及周邊環(huán)境，對各專業(yè)設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)及服役狀態(tài)進(jìn)行全面測試，從而準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題和隱患，為建設(shè)單位和運(yùn)營單位及時(shí)解決問題、整治隱患提供重要技術(shù)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過10余年的探索，聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)也在向智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、無線傳輸、智能評(píng)判和綜合分析。聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試數(shù)據(jù)還作為新建線路的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，綜合聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)及日常運(yùn)營檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列的聯(lián)合，運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)等手段，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的故障智能診斷及趨勢變化分析，為基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期健康管理提供數(shù)據(jù)支撐。圖1是我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)展示界面。

圖1 聯(lián)調(diào)聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)展示界面

聯(lián)調(diào)聯(lián)試概況

2 運(yùn)營期檢測

2.1 檢測管理概況

為保障運(yùn)營期鐵路運(yùn)營安全，我國建立了檢測中心、工電檢測所和站段檢測機(jī)構(gòu)三級(jí)檢測管理體系，采用動(dòng)態(tài)檢測、重點(diǎn)監(jiān)測和人工檢查相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮了動(dòng)態(tài)檢測高效、重點(diǎn)監(jiān)測全時(shí)的特點(diǎn)。檢測中心組織運(yùn)用高速綜合檢測列車和專業(yè)檢測車對全部高速鐵路線路進(jìn)行周期性檢測和普速鐵路重點(diǎn)線路進(jìn)行監(jiān)督性檢測；鐵路局檢測所運(yùn)用專業(yè)檢測車重點(diǎn)對普速鐵路開展周期性檢測；站段檢測機(jī)構(gòu)運(yùn)用綜合巡檢車以及搭載式和便攜式檢測設(shè)備開展動(dòng)態(tài)檢測和人工檢查，并運(yùn)用各類監(jiān)測設(shè)備對鐵路重點(diǎn)設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

自2008年京津城際開通以來，伴隨高速鐵路運(yùn)營里程的迅速增長，全國高速鐵路綜合檢測里程（年）呈增長趨勢（圖2），由2008年的40萬km持續(xù)增長，至2019年達(dá)到190萬km。隨著高速鐵路工程質(zhì)量及工務(wù)整治水平的提高，運(yùn)營期內(nèi)大值偏差數(shù)量呈明顯下降趨勢（圖3），從各項(xiàng)指標(biāo)來看我國高速鐵路總體運(yùn)行狀態(tài)保持良好的態(tài)勢。

圖2 高速鐵路綜合檢測里程

2.2 檢測裝備和技術(shù)

當(dāng)前，我國鐵路工務(wù)專業(yè)動(dòng)態(tài)檢測裝備主要包括高速綜合檢測列車、綜合巡檢車、軌檢車、探傷車和搭載式監(jiān)測設(shè)備。其中高速綜合檢測列車和綜合巡檢車是近年來取得突破性發(fā)展、最具代表性的工電供一體化檢測裝備。

圖3 高速鐵路軌道幾何百公里大值偏差數(shù)量

高速綜合檢測列車是高速鐵路運(yùn)行狀態(tài)全壽命檢測的重要的移動(dòng)檢測設(shè)備，日、德、法等高速鐵路發(fā)達(dá)國家均采用高速綜合檢測列車對高速鐵路線路進(jìn)行周期性檢測，全面掌握基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)。我國自高速鐵路建設(shè)初期就開始了高速綜合檢測列車的研發(fā)，2008年成功研制了檢測速度250 km/h的0號(hào)高速檢測列車，2011年成功研制了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)最高檢測速度400 km/h的高速綜合檢測列車。目前全路已擁有14列高速綜合檢測列車，檢測速度范圍250～400 km/h，主要用于運(yùn)營線周期性檢測、新線聯(lián)調(diào)聯(lián)試和科學(xué)試驗(yàn)等［6］。

高速綜合檢測列車以動(dòng)車組為載體，按運(yùn)營速度等速檢測線路的軌道幾何狀態(tài)、接觸網(wǎng)狀態(tài)和參數(shù)、車輛輪軌作用力和振動(dòng)加速度、通信和信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)以及監(jiān)視線路周邊環(huán)境（圖4）。綜合系統(tǒng)利用RFID，GPS，LKJ等多種信息源的融合處理，獲取準(zhǔn)確的線路里程信息，通過全車統(tǒng)一同步網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)檢測時(shí)間和空間的同步。

圖4 綜合檢測車技術(shù)

綜合巡檢車在120～160 km/h軌道車上安裝檢測設(shè)備，采用機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)等智能識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工務(wù)、供電和電務(wù)三大專業(yè)關(guān)鍵部件的外觀狀態(tài)巡檢。針對鐵路工電供一體化檢測需求，構(gòu)建了適用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)巡檢的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能感知模型，并在高速鐵路綜合巡檢車成功運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了以機(jī)器替代人工的巡檢方式，大幅提高了檢測勞動(dòng)生產(chǎn)力。通過對基礎(chǔ)設(shè)施缺陷圖像進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了對部分典型缺陷的精確識(shí)別，進(jìn)一步提高了巡檢的智能化水平和巡檢效率，并且實(shí)現(xiàn)了由開放式巡視變?yōu)榭勺匪輽z測、由經(jīng)驗(yàn)管理變?yōu)閿?shù)據(jù)管理的提升。其檢測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步融合分析還將為狀態(tài)修提供更加客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持［7］。巡檢圖像智能識(shí)別模型如圖5所示。

圖5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巡檢圖像智能識(shí)別模型

3 數(shù)據(jù)分析管理與運(yùn)用

1）數(shù)據(jù)歸集與管理

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測數(shù)據(jù)多源異構(gòu)且體量龐大，為保障鐵路安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行并達(dá)到基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修高效、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，我國鐵路于2012年建立了檢測數(shù)據(jù)分析處理中心，為全路基礎(chǔ)設(shè)施檢測數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的存儲(chǔ)和管理平臺(tái)。數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)了周期動(dòng)態(tài)檢測、現(xiàn)場人檢查、固定在線監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集與接入，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的里程校準(zhǔn)、無效數(shù)據(jù)識(shí)別、數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估等，完成了檢查數(shù)據(jù)匯集與存儲(chǔ)管理和數(shù)據(jù)清洗工作。

數(shù)據(jù)中心構(gòu)建了“檢測中心-鐵路局”兩級(jí)分布式數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過各級(jí)數(shù)據(jù)匯集、交互，形成全路檢測數(shù)據(jù)資源目錄，實(shí)現(xiàn)全路檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和共享。

2）檢測數(shù)據(jù)分析運(yùn)用

根據(jù)地面數(shù)據(jù)中心歸集管理的全路基礎(chǔ)設(shè)施檢測數(shù)據(jù)以及設(shè)備基礎(chǔ)臺(tái)賬數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)維修歷史數(shù)據(jù)，定期對高速鐵路線路基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量狀態(tài)開展均衡性和趨勢性分析，診斷識(shí)別典型問題并跟蹤整治情況，形成各類專項(xiàng)分析報(bào)告，為國鐵集團(tuán)和鐵路局提供決策支持。

3）大數(shù)據(jù)分析

通過海量歷史數(shù)據(jù)和多源數(shù)據(jù)開展檢測大數(shù)據(jù)深度挖掘，進(jìn)行設(shè)備質(zhì)量評(píng)價(jià)和設(shè)備狀態(tài)變化趨勢分析（圖6、圖7），掌握設(shè)備變化規(guī)律，進(jìn)行病害成因分析，運(yùn)用預(yù)測與決策技術(shù)，進(jìn)行故障預(yù)測，給出維修建議，指導(dǎo)基礎(chǔ)設(shè)施“狀態(tài)修”和“精準(zhǔn)修”。

圖6 無砟軌道變形分析

圖7 鋼軌波浪磨耗識(shí)別

4 建議與展望

伴隨著新一輪科技革命，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能以及傳感技術(shù)飛速發(fā)展，必將催生檢測監(jiān)測技術(shù)新的變革。面對機(jī)遇和挑戰(zhàn)，如何將現(xiàn)代傳感技術(shù)和信息技術(shù)與高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測工作深度融合，提高檢測設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平？如何充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，認(rèn)知和掌握高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)變化規(guī)律，科學(xué)制定針對性的維修策略，提升養(yǎng)護(hù)維修的預(yù)見性、精準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性？如何發(fā)揮高價(jià)值移動(dòng)檢測設(shè)備運(yùn)用效能、推動(dòng)檢測資源集約化使用，降低檢測裝備對運(yùn)輸資源的占用？如何推進(jìn)智能高速鐵路戰(zhàn)略？這些問題都對檢測監(jiān)測技術(shù)發(fā)展提出迫切要求。

1）完善基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測體系

應(yīng)根據(jù)“以運(yùn)維需求為導(dǎo)向，實(shí)施全面檢測、科學(xué)分析、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)、超前預(yù)警，指導(dǎo)精準(zhǔn)維修”的構(gòu)建原則，完善基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測體系。重點(diǎn)做到以下幾點(diǎn)：動(dòng)態(tài)為主、靜態(tài)為輔，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；解決高速鐵路關(guān)鍵突出問題，普速鐵路推行精準(zhǔn)維修；加強(qiáng)周邊環(huán)境檢測監(jiān)測；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、共享應(yīng)用，發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合分析，提高安全預(yù)警準(zhǔn)確性；豐富評(píng)價(jià)指標(biāo)，完善基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)評(píng)價(jià)體系；優(yōu)化檢測機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)專業(yè)數(shù)據(jù)分析隊(duì)伍建設(shè)。

2）推進(jìn)檢測裝備統(tǒng)型融合和智能化發(fā)展

融合軌道、接觸網(wǎng)、電務(wù)專業(yè)檢測設(shè)備，豐富檢測功能和指標(biāo)，形成適用于普速鐵路的綜合檢測車列，實(shí)現(xiàn)對普速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的多專業(yè)綜合檢測；研發(fā)無人值守等軸重貨運(yùn)線路綜合檢測車和貨運(yùn)線路結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測車；研究搭載式監(jiān)測設(shè)備和車輛的融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備高可靠、易維護(hù)、檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ埽瑢?shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)高頻度安全監(jiān)測。

3）建設(shè)檢測數(shù)據(jù)管理和分析共享平臺(tái)

依托國鐵集團(tuán)大數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建全路共享通用的基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和智能化分析平臺(tái)，形成區(qū)塊鏈接、互聯(lián)互通、上下貫通的數(shù)據(jù)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)國鐵集團(tuán)、鐵路局、站段三級(jí)管理架構(gòu)可共享共用的數(shù)據(jù)管理分析平臺(tái)，破除數(shù)據(jù)壁壘，化解信息孤島，提升數(shù)據(jù)管理的信息化水平。加快大數(shù)據(jù)技術(shù)在檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)挖掘和深度分析力度，豐富數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障診斷和預(yù)判預(yù)警功能，為基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)防性狀態(tài)修和精準(zhǔn)維修提供科學(xué)管理和維修決策支持。

4）深化基礎(chǔ)設(shè)施多源數(shù)據(jù)智能分析應(yīng)用

要融入大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)手段充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，開展病害知識(shí)表征研究，基于大數(shù)據(jù)樣本建立典型病害的知識(shí)圖譜；研究數(shù)據(jù)和機(jī)理驅(qū)動(dòng)的混合建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌檢等時(shí)序數(shù)據(jù)的智能分析，提高結(jié)構(gòu)健康的綜合診斷和預(yù)測能力；借助智能圖像挖掘算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器為主、人工為輔的病害分析和診斷；針對高速鐵路長期運(yùn)行出現(xiàn)新的病害和問題，研究建立新的評(píng)價(jià)方法，完善評(píng)價(jià)體系；研究基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期管理分析平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全壽命周期的健康管理。