高速鐵路綜合檢測平臺在周期性檢查中的應(yīng)用

曲玉福

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 研制綜合檢測平臺的必要性

隨著高速鐵路運(yùn)營規(guī)模的大幅增長，運(yùn)營里程的增加，對設(shè)備養(yǎng)護(hù)提出巨大的挑戰(zhàn)，養(yǎng)護(hù)人員數(shù)量和素質(zhì)跟不上高鐵發(fā)展的速度，依賴員工個人素質(zhì)來判定設(shè)備病害，依靠原始記錄手段收集病害，出現(xiàn)了設(shè)備檢查不能全覆蓋，檢查項(xiàng)目不全，記錄不規(guī)范，過程無追蹤，傷損評定隨意等情況。為了改變現(xiàn)狀，研發(fā)一種效率高、可追溯、智能化檢測設(shè)備。

綜合檢測平臺融合數(shù)字激光雷達(dá)測量設(shè)備，結(jié)合高頻線結(jié)構(gòu)光測量傳感器，可完成高速鐵路工務(wù)設(shè)備周期性檢查項(xiàng)目，見表1。實(shí)現(xiàn)減少現(xiàn)場作業(yè)班次、提高檢測效率、檢查記錄可回放追溯功能。

表1 高速鐵路無砟軌道線路修理規(guī)則規(guī)定檢查周期表

2 綜合檢測平臺的結(jié)構(gòu)和功能

2.1 綜合檢測平臺結(jié)構(gòu)

綜合檢測平臺包含軌道扣件智能檢查儀、軌道板裂紋與離縫檢測儀、鐵路移動三維激光測量系統(tǒng)、隧道全景相機(jī)、鋼軌光帶檢查儀綜合電動平臺6個模塊。外觀靈活，結(jié)構(gòu)小巧，可分體后由汽車運(yùn)輸，也可利用軌道車整體吊裝運(yùn)輸。綜合檢測平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合檢測平臺結(jié)構(gòu)

2.2 綜合檢測平臺功能及技術(shù)參數(shù)

2.2.1 軌道扣件智能檢查儀

系統(tǒng)采用激光檢測和圖像智能分析技術(shù)檢測軌道扣件的完整性及彈條的緊固狀態(tài)。技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 軌道扣件智能檢查儀參數(shù)

2.2.2 軌道板裂紋與離縫檢測儀

系統(tǒng)通過拼接的高分辨率圖片，利用圖像識別技術(shù)檢測識別軌道板裂紋。對比線激光器掃描得到高精度板間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云處理技術(shù)，測量軌道板板間離縫。通過對采集的軌道板與基礎(chǔ)間離縫、表面裂紋數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析，篩選出無砟軌道板裂紋。通過計(jì)算機(jī)的自動學(xué)習(xí)能力與病害圖片庫比對可實(shí)現(xiàn)自動篩選，實(shí)現(xiàn)自動檢測裂紋的寬度、深度和長度等技術(shù)指標(biāo)，技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 軌道板裂紋與離縫檢測儀參數(shù)

2.2.3 鐵路移動三維激光測量系統(tǒng)

利用三維激光測量設(shè)備和高倍相機(jī)相結(jié)合，檢測高鐵基礎(chǔ)橋梁欄桿狀態(tài)、隧道襯砌裂紋及隧道襯砌變形等的三維激光設(shè)備，生成隧道灰度影像圖、隧道深度影像圖。隧道灰度影像圖是利用采集的高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按照高鐵隧道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)云投影，得到隧道壁正射灰度影像。技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 鐵路移動三維激光測量模塊的技術(shù)參數(shù)

2.2.4 鋼軌光帶檢查儀

通過激光器和高速攝像機(jī)采集圖片，從中獲取鋼軌圖像；通過對鋼軌光帶的圖像識別，可判斷光帶寬窄變化狀態(tài)、波形磨耗、掉塊、鋼軌擦傷等病害，利用焊縫處特殊痕跡，可實(shí)現(xiàn)焊縫光帶、狀態(tài)檢測，技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 鋼軌光帶檢測模塊技術(shù)參數(shù)

3 綜合檢測平臺的特點(diǎn)

（1）檢測成果滿足周期性檢查要求。結(jié)合技術(shù)臺賬，如結(jié)合CPⅢ編號、公里標(biāo)、百米標(biāo)、軌枕編號；焊縫編號；橋梁梁編號；隧道內(nèi)每10 m做標(biāo)記，能夠準(zhǔn)確確定病害的位置，精確到具體軌枕上。

（2）可融合現(xiàn)有檢測技術(shù)和信息平臺。如綜合巡檢車扣件圖片、綜合檢測車上軌檢數(shù)據(jù)和車輛動力學(xué)的檢測，檢查設(shè)備更加齊全有效，相互印證，更加客觀評價設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精檢慎修。

（3）可實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命管理。結(jié)合新線接管驗(yàn)收，在初期對線橋設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集，結(jié)合設(shè)計(jì)、施工全過程BIM管理，按照每年2次的周期檢測，建立大數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)智能化管理。

（4）實(shí)現(xiàn)智能對比與病害識別。在完成基礎(chǔ)設(shè)施臺賬及病害基礎(chǔ)庫的條件下，提高自動識別效率與準(zhǔn)確度。構(gòu)建檢測管理平臺，簡化流程。現(xiàn)場采集設(shè)備還需進(jìn)一步優(yōu)化，各系統(tǒng)硬件融合減少上道設(shè)備件數(shù)。優(yōu)化系統(tǒng)功能，補(bǔ)齊短板，提升檢測效率。

（5）進(jìn)一步拓展檢測平臺空間。可以搭載非接觸式的幾何尺寸和焊縫平直度檢查，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)站臺限界的和建筑限界檢查；涵蓋線橋設(shè)備周期檢查項(xiàng)目。可搭載電務(wù)檢查設(shè)備，如區(qū)間應(yīng)答器、信號機(jī)、電容設(shè)備外觀狀態(tài)；也可搭載檢查供電接觸網(wǎng)立柱、接觸網(wǎng)幾何狀態(tài)的檢查設(shè)備。

4 綜合檢測平臺的應(yīng)用

該平臺可以拆分成小的單元，獨(dú)立作業(yè)，通過汽車裝載運(yùn)輸?shù)礁咚勹F路工作通道門，作業(yè)人員再搬運(yùn)到軌道上進(jìn)行組裝，如圖2所示。為了提高效率也可以在鐵路綜合工區(qū)內(nèi)存車線進(jìn)行組裝，天窗給點(diǎn)后，運(yùn)行到車站，由車站進(jìn)入?yún)^(qū)間作業(yè)。也可以通過軌道車結(jié)合平板車運(yùn)輸，將組裝好的綜合檢測平臺，通過軌道車上的吊裝設(shè)備吊到軌道鋼軌上進(jìn)行作業(yè)，如圖3所示。

圖2 分散組裝

圖3 軌道車整體吊裝

該平臺已進(jìn)行了2 000 km的高鐵線路環(huán)境作業(yè)試驗(yàn)。作業(yè)試驗(yàn)區(qū)段基本涵蓋了高鐵的各種基礎(chǔ)設(shè)備。其中線路基礎(chǔ)類型包括路基、橋梁、隧道等，軌道類型包括CRTSI型無砟軌道、CRTSⅡ型無砟軌道、CRTSⅢ型無砟軌道、雙塊式無砟軌道、高鐵有砟軌道等，扣件類型WJ-7、WJ-8、W300-1、彈條Ⅱ型、彈條V型等。

綜合檢測平臺外業(yè)檢測，將檢測數(shù)據(jù)存在設(shè)備的存儲器中，待檢測完畢后，通過轉(zhuǎn)存設(shè)備將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)中心，通過獨(dú)立的分析軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析，按照要求生成病害地點(diǎn)表和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，結(jié)合工務(wù)設(shè)備臺賬，指導(dǎo)工務(wù)養(yǎng)護(hù)部門生產(chǎn)。

4.1 軌道扣件智能檢查儀分析成果

軌道扣件智能檢查儀除實(shí)時檢測扣件彈條的安裝、緊固狀態(tài)外，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)彈條折斷、缺失及扭力矩不達(dá)標(biāo)病害，可實(shí)時聲光報警，同時將檢查結(jié)果保存，內(nèi)業(yè)可將每一套扣件彈條狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)合扣件狀態(tài)作為扣件養(yǎng)護(hù)維修的依據(jù)。

（1）可以檢測每套扣件的彈條中部與絕緣塊之間離縫值，生成獨(dú)立扣件彈條離縫值，此值可以評價區(qū)段內(nèi)扣件扣壓力整體狀態(tài)，為線路維修提供決策，如果整體離縫較多，需要安排集中扣件復(fù)緊，如果是個體離縫值較大，需要安排個體復(fù)緊。扣件彈條離縫值檢測結(jié)果見表6。

表6 扣件彈條離縫值檢測結(jié)果報表

（2）按照不同標(biāo)準(zhǔn)篩選，按《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》中WJ-8B扣件規(guī)定：彈條安裝標(biāo)準(zhǔn)，彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊不宜接觸，兩者間隙不得大于0.5 mm；或使用扭力矩扳手檢測螺旋道釘扭矩時，W1型彈條為130～170 N·m，X2型彈條為90～120 N·m。

經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊不宜接觸，兩者間隙不得大于1 mm，見表7；或使用扭力矩扳手檢測螺旋道釘扭矩時，W1型彈條為130～170 N·m，X2型彈條為90～120 N·m。

表7 扣件檢測異常

（3）通過對自動篩選結(jié)構(gòu)，對具體扣件彈條變形、彈條不落槽、缺少、折斷（如圖4所示）等狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)彈條類型對比，篩選出差異大者，分類匯總，及時納入整治范圍。

圖4 K22+119彈條折斷

（4）按照用戶要求對區(qū)段內(nèi)扣件分段間隙統(tǒng)計(jì)分析，可以得到整體區(qū)段內(nèi)扣件彈條離縫的整體評價，篩選出超限多的區(qū)段針，針對整體評價合理安排整修力量。彈條間隙統(tǒng)計(jì)見表8。

表8 彈條間隙統(tǒng)計(jì)表

本系統(tǒng)可以按照每一公里單獨(dú)分析出本公里范圍內(nèi)超限個數(shù)，根據(jù)個數(shù)合理分配整修力量，多次數(shù)據(jù)對比，掌握扣件彈條離縫值的變化規(guī)律，檢測每公里超限扣件集中分布見表9和圖5。

圖5 每公里超限扣件統(tǒng)計(jì)柱狀圖

表9 每公里超限扣件統(tǒng)計(jì)表

4.2 軌道板裂紋與離縫檢測儀檢測成果

通過軌道板與基礎(chǔ)間離縫、表面裂紋數(shù)據(jù)采集的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析，即可得到軌道板傷損病害成果報表見表10和圖6-圖8，篩選無砟軌道軌道板裂紋。通過與病害圖片比對可實(shí)現(xiàn)自動篩選，裂紋的寬度、深度和長度等技術(shù)指標(biāo)。

圖6 裂縫病害

圖8 砂漿層流漿

4.3 鐵路移動三維激光測量系統(tǒng)檢測成果

本系統(tǒng)是通過高速旋轉(zhuǎn)的激光測量裝置對周圍結(jié)構(gòu)物進(jìn)行測量，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，內(nèi)業(yè)利用分析軟件測量點(diǎn)坐標(biāo)還原，生成掃描結(jié)構(gòu)斷面圖像。利用灰度影像可以進(jìn)行襯砌、變形掉塊、裂縫、滲水等病害的識別。隧道深度影像圖是利用采集的高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成隧道壁形變深度影像，用以輔助隧道灰度影像圖進(jìn)行隧道形變掉塊等病害的進(jìn)一步確認(rèn)，準(zhǔn)確得到對應(yīng)襯砌掉塊位置，明確襯砌大小，位置和深度信息。結(jié)合隧道灰度影像圖、隧道深度影像圖以及軌旁高清圖，生成現(xiàn)場病害信息和高清圖片。

（1）基于隧道灰度影像圖、隧道深度影像圖以及軌旁高清圖進(jìn)行病害檢測工作，先人工篩選出病害庫，再利用機(jī)器學(xué)習(xí)功能，快速篩選出病害處所，人工對機(jī)器篩選出來的病害處所進(jìn)行確認(rèn)，減少人工勞動強(qiáng)度，高速鐵路聲屏障檢查記錄表見表11和圖9。

圖9 **客專線下行K8+323處聲屏障破損一處

表11 高速鐵路聲屏障檢查記錄表

（2）根據(jù)高速鐵路橋梁檢查項(xiàng)目要求對橋梁欄桿和橋梁上的步行板的狀態(tài)進(jìn)行檢查，篩選出橋梁欄桿脫落；步行板折斷、缺失、破損等處所，分類匯總。檢查軌道板上異常情況，如積水、橋面異物統(tǒng)計(jì)報表見表12和圖10、圖11。

圖10 **客專線上行K16+673處橋梁欄桿缺失1片

圖11 **客專線下行K22+833步行板折斷1塊

表12 異常情況統(tǒng)計(jì)

（3）對隧道掃面斷面生成灰度圖分析，篩選出隧道襯砌裂紋、掉塊病害，基于隧道滲水后與周圍襯砌顏色差異，篩選出隧道襯砌滲水地點(diǎn)，同步進(jìn)行隧道襯砌凸凹變形檢測，鐵路建筑限界是否侵限的檢查。生成高速鐵路隧道檢查記錄病害表見表13和圖12、圖13。

圖12 **客專下行K9+712隧道接縫處掉塊

圖13 **客專下行K9+828隧道接縫處掉塊

表13 高速鐵路隧道檢查記錄

4.4 鋼軌光帶檢查儀檢測成果

通過線激光掃描，并將掃描結(jié)果存在存儲器內(nèi)，利用分析軟件從中獲取鋼軌圖像，通過對鋼軌光帶分析，篩選出光帶異常地點(diǎn)，對鋼軌光帶寬窄不一、周期性磨耗、鋼軌表里掉塊、鋼軌表面有遺物情況進(jìn)行人工分析，生成病害庫，利用機(jī)器學(xué)習(xí)手段，實(shí)現(xiàn)自動篩選，人工再次對篩選結(jié)果進(jìn)行甄別，生成鋼軌光帶檢查記錄表見表14和圖14-圖16。將病害地點(diǎn)交給現(xiàn)場檢測人員進(jìn)行分析確認(rèn)，根據(jù)養(yǎng)修周期及病害地點(diǎn)長度和范圍，制定打磨方案，范圍大時安排大型打磨列車打磨，點(diǎn)狀病害時安排小型打磨機(jī)打磨。掉塊深度及長度達(dá)到重傷標(biāo)準(zhǔn)時，及時安排鋼軌更換。

圖14 K8+045右股軌面波磨

圖16 K19+859左股軌面擦傷

表14 鋼軌光帶檢查記錄表

圖15 K9+613焊縫處不平順

5 結(jié)束語

（1）本檢測平臺大大提高了高速鐵路無砟軌道病害的檢測效率，通過對比分析，單項(xiàng)檢測效率可提高4倍以上，本平臺集合了5個項(xiàng)目檢查，整體可提高檢查效率20倍。大大節(jié)省了檢查人員的數(shù)量。也將是未來高速鐵路檢測的發(fā)展方向。

（2）本檢測平臺可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多次對比分析，通過機(jī)器學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)分析手段，融合圖像識別技術(shù)，可大大減少分析工作量，為下一步及時提供檢測成果，指導(dǎo)病害整治提供科學(xué)依據(jù)。

（3）利用空間時間一體手段，可結(jié)合GPS和北斗系統(tǒng)將各個檢查系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一，統(tǒng)一病害地點(diǎn)，對某一處病害可以綜合分析，從路基、橋梁、隧道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物，無砟軌道板道床結(jié)構(gòu)和鋼軌與車輪接觸的輪軌關(guān)系進(jìn)行綜合研判，找出病害的根源，制定根治的整治方案，一次性解決問題，提高病害整治效率和效果。

工務(wù)設(shè)備是高速鐵路安全運(yùn)營的基石，設(shè)備檢查養(yǎng)修也要與時俱進(jìn)，緊跟高速鐵路維修體制改革的步伐，采用成熟的新設(shè)備、新技術(shù)，融合創(chuàng)新，掌握線路設(shè)備技術(shù)狀態(tài)；提升病害判別能力，制定病害根治方法。只有不斷探索，才能提升設(shè)備質(zhì)量、延長設(shè)備使用壽命。