鐵路基礎設施搭載式檢測系統的研發

侯智雄 王昊 戴鵬 李穎 郝蕊 魏世斌

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

軌道交通是由十幾個系統、幾百個子系統及成千上萬個設備元件共同構成的大型復雜系統。設備總聯調及聯調聯試是軌道交通整個測試與調試過程的最后環節，是對軌道交通整體系統性能的綜合驗證與確認。通過各項測試工作，檢驗各主要系統間的接口關系是否正確，運作是否協調，能力是否滿足各種可能出現的設計預定情況和運營要求，并從整體上檢驗軌道交通系統運作的可用性、穩定性和安全性［1］。

軌道交通基礎設施狀態檢測是評價基礎設施質量狀態、指導養護作業、保障行車安全的重要手段，是聯調聯試的重要環節。國內一般將檢測設備安裝到專用車輛上構成專業檢測車或綜合檢測車，對基礎設施進行周期性檢測［2］。檢測內容包括軌道、接觸網等基礎設施的幾何狀態及其他運行參數［3］。隨著我國高速鐵路網的形成，鐵路線路愈發密集，線路的開通聯調及日常檢測需求極為龐大。城市軌道交通的每條線路運營里程較短，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現互聯互通。針對現有高速鐵路網、既有線鐵路網、城市軌道交通線路，如果對每條線路配備單獨的檢測車輛，需要巨大的投入，設備利用率低，且需要對專用車輛進行長期維護［4］。

本文提出一種將檢測設備搭載于運營列車上的新方法，不獨占車輛資源，實現隨車檢測，降低了維護成本，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行安全。

1 系統架構

運營列車上搭載的檢測設備需要采用小型化設備，并對設備的安裝方式、合成算法、檢測方式等進行重新設計研究。搭載式檢測系統包含搭載式軌道動態檢測系統、接觸網動態檢測系統、通信檢測系統。

1.1 搭載式軌道動態檢測系統

軌道幾何參數檢測系統可以完成對軌道幾何不平順參數的動態測量［5］。系統利用慣性器件、高速攝像機、激光器等傳感器，按照等距離采樣的方式在車輛運行過程中完成前端數據采集。通過數學模型計算、數字信號處理獲得軌道幾何不平順相關參數。按照軌道質量管理標準，自動對軌道幾何不平順參數大值、鋼軌廓形偏差值及磨耗大值進行超限判斷并分級。按里程統計各類參數的偏差種類、分級、扣分等內容并形成統計報表，實現軌道幾何參數的動態實時檢測及分析功能，為軌道養護維修提供數據支持。搭載式軌道動態檢測系統結構見圖1。

圖1 搭載式軌道動態檢測系統結構

搭載式檢測梁主要作用是承載檢測設備，固定激光攝像組件，給慣性組件等檢測設備提供安裝位置。該檢測梁上安裝有2 個小型化激光攝像組件和1 個慣性組件，慣性組件通過外罩進行防護。該檢測梁采用低合金高強度鋼Q345B 焊接而成，表面進行噴塑處理。GJ6-BM02 型檢測梁的總質量（包括檢測設備）為185 kg，而該檢測梁小型輕量，總質量（包括檢測設備）僅為45 kg，滿足搭載式設備的安裝要求。該檢測梁根據試驗車車輛接口進行設計，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度和疲勞強度要求。

位于車下的激光攝像組件安裝在檢測梁上，是軌道動態檢測系統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。根據使用車型，設計了小型化、輕量化、集成化的組件；針對城市軌道交通小半徑曲線多、構架相對于鋼軌位移較大等問題，設計了高分辨率、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，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，進而得到鋼軌相對于測量坐標系的橫向、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）已完成集成化設計，尺寸為270 mm×105 mm×140 mm。

圖2 小型化激光攝像組件

1.2 搭載式接觸網動態檢測系統

接觸網動態檢測系統由弓網動態、接觸網幾何等檢測子系統及對各檢測子系統的集中控制與集成軟件組成，具備在列車以160 km/h 運行條件下對相關參數進行精確測量的能力，包括接觸線動態高度、拉出值、線岔或錨段關節處接觸線相互位置等幾何參數和弓網接觸力、硬點（垂向加速度）、離線狀態（燃弧率）等弓網動態作用參數，滿足鐵路接觸網聯調聯試的施工精調及日常維修和安全運營的需要。接觸網動態檢測系統設計總體框架見圖3。

圖3 接觸網動態檢測系統設計總體框架

鐵路接觸網動態檢測系統要求快速準確采集基礎設施圖像數據。針對這一需求，研究了基于人工智能技術框架的城市軌道基礎設施外觀狀態典型缺陷智能識別系統。該智能識別系統對鋼軌接觸網設備零部件異常等缺陷進行自動識別，有效檢出率高于80%，體現了較高的智能化水平。

為滿足電務線纜和接觸網故障檢測的需求，提出基于魯棒對比損失函數優化的雙子神經網絡模型。通過學習圖像中的關鍵細節變化，實現了同一檢測目標不同周期狀態的對比分析，解決了電務軌腰塞釘、接觸網懸掛裝置局部零部件缺陷狀態的準確識別等問題。

1.3 搭載式通信檢測系統

搭載式通信檢測系統包括WLAN（Wireless Local Area Network）場強及其服務質量測試子系統、LTE-M（LTE-Machine to Machine）場強及其服務質量測試子系統、TETRA（Trans European Trunked Radio）場強測試子系統、電磁環境測試子系統。硬件系統設計包括這4個子系統的硬件組成與連接。

搭載式通信檢測主要包括場強測試和服務質量測試。基于無線解碼技術的LTE-M 掃頻測試系統依托無線解碼技術得到的測試數據，實現了最優小區、小區的弱覆蓋、小區的質差、小區的同鄰頻干擾和模三干擾的自動分析。基于信令解析技術的LTE-M 無線場強及其服務質量測試子系統，依托信令解析技術實現了小區參數分析、無線參數分析、測量報告、層二/層三信令的解析以及吞吐量等業務的測試，并實現了測試數據自動導出和報表自動統計。

2 應用實例

2.1 北京地鐵新機場線

2018 年搭載式檢測系統在北京新機場線運營電客車上安裝并進行動態試驗。該系統設備精簡，通過嵌入式系統進行實時運算輸出，實現了小型化和數字化。系統安裝在運營列車上，既不影響列車正常運營，又可對線路軌道不平順進行實時檢測，通過檢測數據指導線路維護，確保線路平順和列車運行安全。

搭載式檢測系統檢測到的數據分為軌道幾何波形數據和軌道幾何超限數據。通過這2種數據可以直觀地觀察到軌道幾何變化，指導工務系統對軌道進行維護及打磨。檢測到的超限數據分為1～4級軌道幾何超限數據、曲線超限數據、TQI 超限數據、磨耗超限數據等，具有單次檢測分段數據、多次檢測合并匯總數據等多種數據分析報表功能，為地面人員提供便捷、實用的數據分析方法。軌道幾何波形如圖4所示。

圖4 軌道幾何波形

設備試運營以來，該系統承擔了北京地鐵新機場線聯調聯試軌道動態質量的檢測任務，設備狀態良好，檢測數據準確可靠。超限報表數據見圖5。該系統日均檢測里程達到500 km，累積檢測線路有效病害10 000 余處，為北京地鐵新機場線的按時開通提供了科學依據，為指導工務安全生產提供準確詳實的數據。該系統成功地在不影響列車運營的條件下完成了檢測任務，為北京地鐵提供了強有力的檢測手段。

圖5 檢測超限報表

2.2 北京地鐵6號線

接觸網動態檢測系統試驗樣機分別于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號運營列車2號車廂。車頂設備見圖6。截止2019 年，已累計完成檢測1 118 km，完成10 種工況的試驗測試。期間系統運行穩定可靠并形成2份專項研究報告，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數據，有效保障了北京地鐵6號線弓網系統的安全運行。

圖6 車頂設備

3 結語

搭載式檢測系統作為我國軌道交通信息化和智能化融合發展的主要成果之一，是中國軌道交通運營維護技術體系的主要檢測裝備，也是保持我國鐵路可持續發展、支撐軌道交通綜合維修生產一體化改革的關鍵裝備。

該系統已成功應用于北京地鐵新機場線及6 號線、沈陽地鐵1號線等運營電客車上，填補了我國軌道交通裝備在該領域的空白，并將產生顯著的經濟效益和社會效益，市場前景廣闊。2020年國內有80個以上的城市軌道交通項目建設并投入運營，總里程超過6 000 km［6］。按每條線路需搭載1套檢測設備計算，未來5～10年全國市場需求達200套以上。