■ 王衛(wèi)東 顧世平 高利民 張文軒 魏世斌 田新宇 任盛偉

高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施綜合檢測技術(shù)

■ 王衛(wèi)東 顧世平 高利民 張文軒 魏世斌 田新宇 任盛偉

高速綜合檢測列車采用慣性測量、射頻定位同步、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換、視頻圖像實時分辨及數(shù)據(jù)綜合處理等先進技術(shù)，能有效提高高鐵線路基礎(chǔ)設(shè)施裝備的檢測效率，為高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的養(yǎng)護維修提供重要的技術(shù)支撐。介紹高速綜合檢測列車檢測系統(tǒng)組成、系統(tǒng)總體框架等，并詳細(xì)闡述各子系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、基本檢測原理和檢測項目。

高速鐵路；綜合檢測列車；基礎(chǔ)設(shè)施；檢測

高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的定期檢測是保障動車組運行安全的必要手段。高速綜合檢測列車是高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的專用檢測裝備，可在等速同步條件下對軌道幾何參數(shù)、弓網(wǎng)關(guān)系狀態(tài)參數(shù)、通信信號工作狀態(tài)參數(shù)、輪軌作用力參數(shù)及列車舒適性指標(biāo)等進行實時檢測與監(jiān)測，并具有檢測結(jié)果的精確定位及檢測數(shù)據(jù)的實時傳輸、合成、存儲、綜合處理和分級評判等功能。高速綜合檢測列車在綜合檢測系統(tǒng)局域網(wǎng)平臺上構(gòu)建了軌道、弓網(wǎng)、輪軌動力學(xué)、通信、信號等檢測系統(tǒng)，同時配置了時空同步校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)綜合處理等設(shè)備，實現(xiàn)了高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)參數(shù)的實時同步檢測、數(shù)據(jù)合成、綜合處理和分級評判，有效提高了高鐵線路基礎(chǔ)設(shè)施裝備的檢測效率，為高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修提供了重要的技術(shù)支撐。高速綜合檢測列車系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)見圖1。

1 軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)

軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)主要由里程校正和定位同步組件、數(shù)據(jù)處理組件、信號處理組件、慣性測量組件、激光攝像組件5部分組成（見圖2），該系統(tǒng)基于慣性測量原理并使用激光攝像式的視覺測量方法，由加速度計、陀螺等慣性器件測量車體和檢測梁的姿態(tài)變化，由視覺測量系統(tǒng)獲取鋼軌相對于檢測梁的橫向和縱向位移，經(jīng)過綜合運算及補償處理，合成得到所需軌道幾何參數(shù)，并在其顯示器上實時顯示軌道幾何波形圖。

軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)能夠測量軌道幾何尺寸并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評判軌道幾何偏差，檢測項目包括：軌距、軌向（左右）、高低（左右）、超高、水平、三角坑、曲率、未平衡超高及其變化率、車體橫向振動加速度、車體垂向振動加速度、軌道質(zhì)量指數(shù)、線路特征標(biāo)志等參數(shù)。軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

圖2 軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)構(gòu)成

表1 軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

2 弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)

弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)包括弓網(wǎng)動態(tài)作用參數(shù)檢測系統(tǒng)、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)、供電參數(shù)檢測系統(tǒng)、接觸網(wǎng)電器連接狀態(tài)檢測系統(tǒng)及對各檢測子系統(tǒng)的集中控制與集成軟件。系統(tǒng)可實時檢測觸線動態(tài)高度、拉出值、線岔或錨段關(guān)節(jié)處接觸線相互位置、定位器坡度等幾何參數(shù)，以及弓網(wǎng)接觸力、硬點（垂向加速度）、離線狀態(tài)（燃弧率）、網(wǎng)壓、動車組側(cè)電流等弓網(wǎng)動態(tài)作用參數(shù)和供電參數(shù)，同時具備采集計算桿位及跨距等輔助信息，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的集成與同步處理、數(shù)據(jù)自動存儲、超限自動判斷、波形分析與對比診斷等功能，滿足指導(dǎo)高速鐵路接觸網(wǎng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試及日常維修的需要。弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)構(gòu)成見圖3。

弓網(wǎng)動態(tài)作用參數(shù)檢測系統(tǒng)采用先進的高壓電磁干擾抑制技術(shù)、高壓端設(shè)備供電技術(shù)、高低壓信號隔離傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了弓網(wǎng)接觸壓力、硬點、沖擊、接觸線動態(tài)高度等參數(shù)的實時檢測。接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)基于多目機器視覺的三角測量原理，由多臺高速線掃描攝像機進行測量，能對接觸線高度、接觸線高差、拉出值等幾何參數(shù)進行精確測量。接觸網(wǎng)電器連接狀態(tài)檢測系統(tǒng)基于高清可見光視頻及紅外視頻融合技術(shù)，實現(xiàn)紅外圖像采集系統(tǒng)構(gòu)建，可清晰完整地動態(tài)獲取接觸網(wǎng)部件紅外圖像；同時建立可見光圖像與紅外圖像的有效融合模型，實現(xiàn)接觸網(wǎng)部件（絕緣子、線夾、線索）等實時狀態(tài)檢測，系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)線索溫度過高等接觸網(wǎng)零部件電氣連接狀態(tài)異常，完善接觸網(wǎng)狀態(tài)評判指標(biāo)。

弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

圖3 弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)構(gòu)成

3 輪軌動力學(xué)檢測系統(tǒng)

輪軌動力學(xué)檢測系統(tǒng)由高精度連續(xù)測量測力輪對、輪軌力數(shù)據(jù)傳輸采集子系統(tǒng)、輪軌力數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)組成（見圖4），能夠連續(xù)測量輪軌垂向力、橫向力等參數(shù)（見表3），計算輪軸力、脫軌系數(shù)、減載率等指標(biāo)。

（1）高精度連續(xù)測量測力輪對：采用有限元仿真計算及實物測試相結(jié)合的方法分析輪對輻板應(yīng)力分布，并完成輪軌力連續(xù)測量技術(shù)方案的設(shè)計、連續(xù)測量測力輪對的制作及標(biāo)定。

（2）輪軌力數(shù)據(jù)傳輸采集子系統(tǒng)：研制新型集流環(huán)裝置，在輪對高速旋轉(zhuǎn)條件下實現(xiàn)測力輪對信號的可靠傳輸；采用IMC信號采集設(shè)備和數(shù)據(jù)采集軟件將測力輪對信號采集保存到數(shù)據(jù)采集計算機中。

（3）輪軌力數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)：將測力輪對應(yīng)變信號數(shù)據(jù)合成計算處理為輪軌間相互作用的垂直方向力、水平方向力及輪軌接觸點，并實時計算脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等指標(biāo)，與檢測列車綜合系統(tǒng)時空同步及數(shù)據(jù)通信。

4 通信檢測系統(tǒng)

我國鐵路GSM-R系統(tǒng)主要承載CTCS-3級列控業(yè)務(wù)、調(diào)度通信、無線調(diào)度命令和車次號信息傳送業(yè)務(wù)。GSM-R作為一種無線通信系統(tǒng)，其通信質(zhì)量首先取決于電磁環(huán)境和場強覆蓋等物理條件，此外，數(shù)字移動通信與模擬通信的區(qū)別在于每個承載業(yè)務(wù)都有完整詳細(xì)的信令控制流程，因而影響GSM-R系統(tǒng)工作狀態(tài)和服務(wù)水平的因素還有賴于網(wǎng)絡(luò)鏈路協(xié)議層的控制參數(shù)。由于鐵路應(yīng)用多為專用業(yè)務(wù)，在應(yīng)用層還有專用協(xié)議和支持專用協(xié)議的應(yīng)用設(shè)備，即使在GSM-R網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)正常的條件下，如果應(yīng)用層的協(xié)議和設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常，也不能確保應(yīng)用業(yè)務(wù)的正常運行。

根據(jù)GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點，參考典型的通信分層模型，首次將通信檢測系統(tǒng)的體系模型分為3個層次、4大功能，實現(xiàn)從物理層到協(xié)議鏈路層再到應(yīng)用層，對GSM-R網(wǎng)絡(luò)進行全方位多層面測試，實現(xiàn)多項目同時檢測、多數(shù)據(jù)源融合及聯(lián)動分析等。系統(tǒng)對軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)方面采用了高度集成化的方式，并具有可擴展性、開放性、智能化分析和自動化檢測等特點，實現(xiàn)了對高速鐵路通信質(zhì)量的全方位檢測和分析。通信檢測系統(tǒng)的體系模型見圖5，主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

表2 弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

圖4 輪軌動力學(xué)檢測系統(tǒng)構(gòu)成

表3 輪軌動力學(xué)檢測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

5 信號檢測系統(tǒng)

信號檢測系統(tǒng)以信號機靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)答器位置表等多種列控設(shè)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過多任務(wù)、多線程等處理方法，實現(xiàn)車載ATP、軌道電路、補償電容、不平衡回流、應(yīng)答器及Um監(jiān)測等多種檢測數(shù)據(jù)的綜合分析。為保證系統(tǒng)工作的可靠性及對設(shè)備運行工作情況監(jiān)控，整個系統(tǒng)設(shè)計分為3層結(jié)構(gòu)：（1）第一層由布置在1、8車的車底傳感器，車頂天線，車內(nèi)信號采集、放大、調(diào)理、信令解析等檢測數(shù)據(jù)處理硬件單元等設(shè)備構(gòu)成，主要完成檢測信號的采集、實時解析。（2）第二層由布置在1、8車內(nèi)部的數(shù)據(jù)服務(wù)器等局域網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成，主要完成面向檢測用戶需求的分項檢測信息功能化處理。（3）第三層由布置在1車的人機交互終端、系統(tǒng)維護通信管理服務(wù)器、綜合智能分析服務(wù)器等設(shè)備構(gòu)成，完成檢測結(jié)果顯示、系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示、系統(tǒng)對外通信管理、檢測數(shù)據(jù)的綜合分析處理功能。信息檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖5 通信檢測系統(tǒng)體系模型

表4 通信檢測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

圖6 信號檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信號檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了高速條件下CTCS-3級列控系統(tǒng)固定設(shè)施的動態(tài)檢測，主要解決了CTCS-3級列控系統(tǒng)信號可靠采集、實時監(jiān)測與分析技術(shù)，車-地報文監(jiān)測分析技術(shù)，實現(xiàn)軌道電路電氣參數(shù)與傳輸特性、應(yīng)答器上行鏈路信號特性、應(yīng)答器報文、車-地報文、有砟與無砟道床條件下補償電容工作狀態(tài)、牽引回流及諧波、車載列控設(shè)備檢測、監(jiān)測及綜合智能分析處理功能，滿足高速鐵路列控設(shè)備的聯(lián)調(diào)聯(lián)試、日常檢測維修和安全運營需求。其各項技術(shù)指標(biāo)見表5。

6 綜合系統(tǒng)

綜合系統(tǒng)包括時空同步與校準(zhǔn)、集中監(jiān)控與局域網(wǎng)絡(luò)、視頻圖像采集處理及檢測結(jié)果綜合處理等系統(tǒng)，其主要功能如下。

（1）實時發(fā)布全列車統(tǒng)一的距離脈沖、時鐘脈沖信號，空間同步精度±0．5 mm，時間同步精度±5 μs，觸發(fā)位于不同平斷面的各檢測系統(tǒng)同步采集。

（2）實時發(fā)布列車統(tǒng)一的速度、時間和里程等信息，時間精度±1 ms，定位精度±2 m。

表5 信號檢測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

（3）車端建立可靠的光纖連接，主干交換帶寬不小于1 000 Mb/s，桌面交換帶寬不小于100 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)自愈時間≤20 ms。

（4）采集高清視頻圖像，同時接收線路名、時間、速度、里程等信息，并按H．264格式編碼。合成RTP包采用組播方式傳出，同時將上述信息存儲在硬盤上，并且在數(shù)據(jù)庫中留下記錄，便于檢索。

綜合系統(tǒng)架構(gòu)見圖7，各檢測系統(tǒng)分布于各車內(nèi)，通過基于光纖通道和光電轉(zhuǎn)換器的3大傳輸網(wǎng)絡(luò)將各檢測系統(tǒng)連接起來，3大網(wǎng)絡(luò)分別為空間同步傳輸網(wǎng)絡(luò)、時空校準(zhǔn)傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。空間同步系統(tǒng)將速度傳感器（光電編碼器）產(chǎn)生的距離脈沖信號通過空間同步傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鬈嚨臋z測系統(tǒng)，觸發(fā)其采樣或進行距離計算；時空校準(zhǔn)系統(tǒng)將定位信息源進行融合處理后，通過時空校準(zhǔn)傳輸網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到各車的檢測系統(tǒng)，從而達到檢測列車在線路上某一特征點或某一處所時，進行里程信息上的校準(zhǔn)操作，時空校準(zhǔn)系統(tǒng)的時間還需要通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對各檢測系統(tǒng)進行時間上的統(tǒng)一；在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上，各節(jié)點的計算機或設(shè)備進行高清高幀視頻、大容量檢測數(shù)據(jù)、文件的交互，最終在數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)進行綜合分析和處理，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至地面數(shù)據(jù)綜合處理中心。

7 數(shù)據(jù)集成及綜合可視化分析系統(tǒng)

圖7 綜合系統(tǒng)架構(gòu)

通過多專業(yè)檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口設(shè)計，實現(xiàn)多專業(yè)檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲管理集成技術(shù)和綜合處理分析技術(shù)，形成車載多專業(yè)檢測數(shù)據(jù)綜合處理分析系統(tǒng)，實現(xiàn)基于精確里程同步的多專業(yè)檢測數(shù)據(jù)透明訪問、綜合分析及歷史比對、多專業(yè)檢測集中操作、發(fā)送大值超限在線報警短信和車-地傳輸功能。

（1）統(tǒng)一存儲和管理軌道幾何、接觸網(wǎng)、動力學(xué)、通信、信號檢測大值報警數(shù)據(jù)，自動獲取軌道、接觸網(wǎng)檢測的大值報警數(shù)據(jù)，并同時向其他檢測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，接收動力學(xué)、通信、信號檢測系統(tǒng)輸入的大值報警數(shù)據(jù)及附件數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供人工輸入、編輯各檢測專業(yè)的大值報警數(shù)據(jù)的界面，并具有編輯大值報警數(shù)據(jù)的附件數(shù)據(jù)功能，滿足各專業(yè)的檢測人員對數(shù)據(jù)交叉訪問和數(shù)據(jù)分析的需求。

（2）系統(tǒng)自動根據(jù)大值報警數(shù)據(jù)形成報警短信并由無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到指定的聯(lián)系人手機或終端設(shè)備中，提供短信發(fā)送狀態(tài)監(jiān)視。同時能通過無線傳輸系統(tǒng)定時向地面數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)列車運行定位數(shù)據(jù)、大值報警數(shù)據(jù)、大值報警附件數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)監(jiān)視。

（3）實時讀取軌道、輪軌力、車輛振動加速度、接觸網(wǎng)檢測產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)，并按里程同步顯示?？捎捎脩暨x擇通道配置顯示波形，可打開單個波形文件并按里程顯示波形?？蓪⒂脩籼峁┑墓?wù)設(shè)備臺賬信息導(dǎo)入，查詢顯示工務(wù)設(shè)備臺賬信息。能夠按5種不同比例顯示軌道、接觸網(wǎng)檢測波形，選擇通道測量任意兩點間的距離、查詢當(dāng)前點通道值和通道名稱、打印波形，并可疊加展示同一檢測專業(yè)多次歷史檢測波形數(shù)據(jù)進行對比，最多可疊加4次。

（4）提供基于Web GIS的檢測數(shù)據(jù)綜合展示平臺。實時接收里程同步數(shù)據(jù)，并展示檢測列車的運行位置信息和當(dāng)前檢測交路、檢測任務(wù)信息，全車各用戶均可通過瀏覽器訪問，并以圖形化方式實時、分級展示大值報警數(shù)據(jù)。

（5）具備各檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)超限大值的實時報警、信息發(fā)布功能。

8 其他系統(tǒng)

此外，還有線路環(huán)境狀態(tài)智能識別系統(tǒng)、視頻壓縮處理系統(tǒng)和檢測列車精確定位裝置。視頻壓縮處理系統(tǒng)采用硬件壓縮方式為視頻采集處理系統(tǒng)提供高清高幀視頻壓縮技術(shù)，檢測列車精確定位裝置采用DGPS/INS技術(shù)為時空校準(zhǔn)系統(tǒng)提供高動態(tài)高精度的定位源。

9 結(jié)束語

通過京滬高速鐵路先導(dǎo)段調(diào)試和驗證試驗，高速綜合檢測列車滿足高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施實時高精度檢測要求，最高檢測速度達到400 km/h。各檢測系統(tǒng)功能齊備，檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、檢測結(jié)果定位準(zhǔn)確性、局域網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)處理功能、車-地?zé)o線傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率等各項技術(shù)指標(biāo)達均到設(shè)計目標(biāo)要求，滿足了新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試、基礎(chǔ)設(shè)施裝備日常檢測及運用需要，為高速鐵路養(yǎng)護維修技術(shù)及安全運營提供了可靠的技術(shù)支撐。

王衛(wèi)東：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，研究員，北京，100081

顧世平：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，副研究員，北京，100081

高利民：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，副研究員，北京，100081

張文軒：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，副研究員，北京，100081

魏世斌：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，研究員，北京，100081

田新宇：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，副研究員，北京，100081

任盛偉：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，研究員，北京，100081

責(zé)任編輯 苑曉蒙

U238；U273

A

0672-061X（2015）02-0011-06

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2008G003-B）。

所獲獎項：2014年度國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎。