陳 嶸，王 源，從建力，王 平

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031；2.南方科技大學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能制造學(xué)院，廣州深圳 518055）

1 引言

截至2019年底，中國內(nèi)地已開通城市軌道交通（簡稱“城軌”）的城市共有40個(gè)，城軌運(yùn)營總里程達(dá)到 6 736.2 km，并將長期保持高速增長[1]。安全是城軌運(yùn)營的生命線，國內(nèi)多個(gè)城軌運(yùn)營服務(wù)持續(xù)時(shí)長18 h左右，是對城軌系統(tǒng)乘客服務(wù)、運(yùn)輸組織、技術(shù)裝備、基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)維安全等子系統(tǒng)的極大挑戰(zhàn)。2020年3月，《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》（以下簡稱《綱要》）提出多項(xiàng)指標(biāo)，提出到2025年和2035年城軌運(yùn)營服務(wù)時(shí)長分別為 19 h 和 20 h[2]。顯然，傳統(tǒng)落后的列車-軌道運(yùn)維技術(shù)、管理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)均不滿足需求，對安全、高效、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的智能運(yùn)維檢測技術(shù)的需求日益突出。

《綱要》確定創(chuàng)建智慧乘客服務(wù)、智能運(yùn)輸組織、智能能源系統(tǒng)、智能列車運(yùn)行、智能技術(shù)裝備、智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能運(yùn)維安全和智慧網(wǎng)絡(luò)管理八大體系，建立一個(gè)城軌云與大數(shù)據(jù)平臺，制定一套中國智慧城軌技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系[3]。這將徹底改變各專業(yè)封閉的內(nèi)部運(yùn)營管理模式，相互之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，融合多源數(shù)據(jù)，發(fā)揮各專業(yè)部門數(shù)據(jù)最大價(jià)值，為制定科學(xué)、高效的養(yǎng)護(hù)維修決策提供數(shù)據(jù)支撐，提高城軌運(yùn)輸效率和降低運(yùn)維成本。

實(shí)現(xiàn)“自感知、自融合、自決策”高度智能的智慧城軌是一個(gè)艱難歷程，離不開云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G通信、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)和專家系統(tǒng)的交叉融合[4]。列車-軌道基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期健康管理是智慧城軌運(yùn)維的主要內(nèi)容，推動列車-軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)信息互聯(lián)融合，是智慧城軌運(yùn)維的重要一步。列車-軌道系統(tǒng)由于受制造工藝、材料參數(shù)匹配、裝配質(zhì)量等影響，因此投入運(yùn)營時(shí)便自帶缺陷[5]，例如，鋼軌矯直引起的周期不平順、軌道幾何不平順、焊接接頭、道岔、車輪偏心等惡化了輪軌接觸狀態(tài)，輪軌接觸位置高頻振動成份造成車輪多邊形磨耗、轉(zhuǎn)向架裂紋、一二系懸掛失效、扣件彈條飛濺、輪軌嘯叫等病害[6-7]，低頻振動成份引起周邊或上蓋建筑二次振動、車輛晃車等，嚴(yán)重時(shí)影響居民正常生活和車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性[8]。上述列車-軌道系統(tǒng)病害將伴隨系統(tǒng)全生命服務(wù)周期，直至系統(tǒng)無法正常服役和更換。若不采取實(shí)時(shí)或高頻次的智能監(jiān)測/檢測技術(shù)和科學(xué)的治理措施，將嚴(yán)重縮短系統(tǒng)服役周期，造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

我國軌道交通工務(wù)工程的傳統(tǒng)檢查方法主要包括添乘列車、人工巡檢、綜合軌檢車、靜態(tài)檢查[9]。添乘列車是由具備豐富經(jīng)驗(yàn)的工作人員乘坐運(yùn)營列車或借助便攜式添乘儀，根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和自身舒適性來快速評估全線軌道狀態(tài)。人工巡視是主要運(yùn)用軌距尺、弦線、磨耗尺等量具對軌距、高低、軌向等進(jìn)行全面檢查和記錄。近年來，各運(yùn)營維保公司提出“檢、養(yǎng)、運(yùn)”組織管理模式，加強(qiáng)工務(wù)工程的線路檢測管理，提高設(shè)備檢查質(zhì)量，推廣使用先進(jìn)的電子檢測設(shè)備，利用科學(xué)的檢測手段和合理的檢測周期指導(dǎo)工務(wù)維修。另一方面，綜合軌檢車對軌距、軌向、高低、水平、三角坑等軌道幾何參數(shù)進(jìn)行周期性的動態(tài)檢測，通過幾何參數(shù)的峰值管理，查找危及行車安全的軌道病害，通過軌道質(zhì)量指數(shù)TQI值實(shí)現(xiàn)對軌道的評價(jià)[10]。針對軌頭磨耗、波浪磨耗、擦傷、肥邊、剝離掉塊、魚鱗狀裂紋、扣件異常等典型軌道病害，采用相機(jī)對軌道進(jìn)行成像，然后利用圖像處理與模式識別技術(shù)對典型缺陷進(jìn)行自動檢測[11]。

列車-軌道病害的多樣性、耦合性、關(guān)聯(lián)性決定了城軌運(yùn)維監(jiān)測/檢測技術(shù)復(fù)雜多樣。通過采集并存儲大量且冗余的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，以現(xiàn)場工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修具體需求為導(dǎo)向，結(jié)合數(shù)據(jù)處理與融合算法分析，引入專家系統(tǒng)評估數(shù)據(jù)分析結(jié)果，形成多源數(shù)據(jù)融合的列車-軌道狀態(tài)檢測與分析技術(shù)。多源數(shù)據(jù)融合包含2層含義：① 相同傳感器多終端檢測數(shù)據(jù)融合可以避免單個(gè)傳感器故障引起的錯(cuò)誤診斷；②不同傳感器檢測數(shù)據(jù)融合可以多角度分析同一病害的多維特征和不同傷損之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。多源數(shù)據(jù)融合可以發(fā)揮各專業(yè)優(yōu)勢，找到過去無法確定的病害誘發(fā)根源。同時(shí)，多源數(shù)據(jù)融合是智能運(yùn)維的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需運(yùn)營維保公司內(nèi)部多部門積極參與合作，實(shí)現(xiàn)互惠共贏，節(jié)省運(yùn)維成本，降低城軌系統(tǒng)運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

總體而言，傳統(tǒng)列車-軌道狀態(tài)檢測手段嚴(yán)重依賴人工干預(yù)，自動化程度低、耗時(shí)長、效率低，極易漏檢而留下安全隱患。在“自主創(chuàng)新、安全可控”技術(shù)路線指導(dǎo)下，我國應(yīng)用科學(xué)研究奠定自主創(chuàng)新發(fā)展基礎(chǔ)，瞄準(zhǔn)世界科技前言，加強(qiáng)應(yīng)用科學(xué)技術(shù)探索，突破生產(chǎn)實(shí)踐中基礎(chǔ)共性技術(shù)的瓶頸，努力取得重大原創(chuàng)性的突破。本文接下來將介紹自主研發(fā)的多項(xiàng)列車-軌道狀態(tài)檢測技術(shù)，以民族品牌創(chuàng)建增強(qiáng)自主創(chuàng)新競爭力，創(chuàng)立自主知識產(chǎn)權(quán)的民族品牌，占有更多的市場份額，及時(shí)形成軌道狀態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)，主導(dǎo)國內(nèi)市場并引導(dǎo)國際市場接納和使用中國標(biāo)準(zhǔn)，提升在國際市場的話語權(quán)。

2 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)大數(shù)據(jù)信息管理技術(shù)

智慧軌道交通的內(nèi)涵是應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)，全面感知、深度互聯(lián)和智能融合設(shè)施、設(shè)備、環(huán)境等實(shí)體信息，經(jīng)自主進(jìn)化，創(chuàng)新服務(wù)、運(yùn)營、建設(shè)管理模式，構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的新一代中國式智慧型軌道交通。近年來，針對軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)演變引起的乘坐舒適性降低、軌道傷損劣化問題，綜合軌道交通領(lǐng)域前沿的精密測量、健康監(jiān)測、智能維護(hù)等方面開展集成創(chuàng)新，融合動檢數(shù)據(jù)、波磨、探傷、光帶等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，搭建起軌道狀態(tài)大數(shù)據(jù)管理信息平臺，如圖1所示。

本著提升軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修的科學(xué)性、高效性、合理性，我國自主研發(fā)了系列軌道精密測量技術(shù)，包括“數(shù)字地鐵”智能監(jiān)測系統(tǒng)、MCR鋼軌短波不平順精密測量儀、MCR道岔幾何精密測量儀、鋼軌光帶數(shù)字化測量與分析儀，以及軌檢車檢測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等，如圖2所示。結(jié)合當(dāng)前5G通信與云服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精密測量結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、云端快速數(shù)據(jù)融合計(jì)算處理、多源信息可視化及維修方案預(yù)決策等。

圖1 軌道狀態(tài)大數(shù)據(jù)管理信息平臺

軌道狀態(tài)大數(shù)據(jù)信息管理技術(shù)，以列車-軌道的安全服役、健康監(jiān)測、智能養(yǎng)護(hù)維修等方面為目標(biāo)，致力于城軌運(yùn)營安全保障和服務(wù)性能保持，助推我國城軌的整體智能化運(yùn)維水平提升；提升城軌裝備維護(hù)智能化程度、提升運(yùn)維效率，減少維護(hù)人工的作業(yè)強(qiáng)度，形成城軌裝備智能化運(yùn)維生產(chǎn)組織模式，實(shí)現(xiàn)對線路、車輛、通訊、人員、備品備件、維修工具等運(yùn)輸資源的動態(tài)監(jiān)測、優(yōu)化配置、精準(zhǔn)調(diào)度和協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)；結(jié)合設(shè)備故障預(yù)測與健康管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理；提升安全運(yùn)營能力，完善智能化巡檢系統(tǒng)，補(bǔ)齊單體設(shè)備+巡邏安檢系統(tǒng)存在的短板；利用人工智能技術(shù)，逐步降低人工巡檢勞動強(qiáng)度。

城軌系統(tǒng)智能運(yùn)維應(yīng)實(shí)現(xiàn)列車-軌道系統(tǒng)服役狀態(tài)全生命周期的閉環(huán)控制，在全生命周期健康檢測中，數(shù)據(jù)的利用體現(xiàn)在通過各級數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的閉環(huán)監(jiān)控上，閉環(huán)監(jiān)控是通過對數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)對列車-軌道系統(tǒng)的可靠性監(jiān)控，流程如下：列車-軌道系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)源→數(shù)據(jù)收集→數(shù)據(jù)分析和處理→既有規(guī)范與專家系統(tǒng)評估→反饋至有關(guān)部門制定養(yǎng)護(hù)維修措施→方案實(shí)施，形成新的數(shù)據(jù)源，如圖3所示。因此，隨著城軌系統(tǒng)智能運(yùn)維理念的提出，列車-軌道狀態(tài)多源數(shù)據(jù)融合分析在有效的管理和應(yīng)用中，將會顯示更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)力量。

圖2 多項(xiàng)新興測量技術(shù)與數(shù)據(jù)服務(wù)閉環(huán)系統(tǒng)

圖3 列車-軌道系統(tǒng)服役狀態(tài)全生命周期的閉環(huán)控制

3 數(shù)字城軌列車-軌道狀態(tài)智能檢測技術(shù)

隨著城軌運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，在運(yùn)營車輛的高頻次、周期性、隨機(jī)性的輪載作用下，軌道結(jié)構(gòu)零部件損傷、曲線地段的鋼軌波磨和全線焊接接頭凹陷廣泛存在，誘發(fā)輪軌系統(tǒng)高頻振動和噪聲，嚴(yán)重影響城軌車輛的運(yùn)行安全性和乘坐舒適性[12]。而當(dāng)前一般采用的人工巡檢、人工添乘等方法檢測效率低、可靠性差，且隧道內(nèi)的工作環(huán)境惡劣，空氣質(zhì)量極差等，早就不能滿足持續(xù)增長的城軌網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營管理需求。城軌檢修模式、智能化水平已經(jīng)成為一個(gè)衡量智慧城軌發(fā)展水平的重要指標(biāo)。

軌道狀態(tài)檢測與診斷方法較多，包括人工巡檢、手推式檢測小車、綜合檢測車，如圖4所示。經(jīng)多年研究積累，研制出一種輕量級、高效性、便捷性的智能傳感終端，可隨機(jī)放置在運(yùn)營車輛上，無需提供多余的輔助措施和信息標(biāo)簽，依據(jù)運(yùn)營維保部門需求，可基于4G/5G通信技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，隨車添乘上下行一圈，即可實(shí)現(xiàn)全線軌道狀態(tài)的檢測與診斷。

智能傳感終端內(nèi)置加速度計(jì)、陀螺儀、麥克風(fēng)等多種傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)營車輛的振動和噪聲，結(jié)合5G通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳和分析，如圖5所示。智能傳感器終端具有多傳感器集成、多點(diǎn)布置、姿態(tài)自校正算法等特點(diǎn)[13]，而姿態(tài)自校正算法為后續(xù)數(shù)據(jù)融合和挖掘提供了技術(shù)支撐。通過運(yùn)營車輛多點(diǎn)布置和大數(shù)據(jù)融合分析，實(shí)現(xiàn)基于強(qiáng)算法的無GPS環(huán)境下列車測速與定位，定位精度達(dá)到米級[14]。

數(shù)字城軌列車振動、噪聲檢測技術(shù)已在國內(nèi)多個(gè)城軌項(xiàng)目合作試用，為更好服務(wù)于城軌運(yùn)營維保部門，完善列車-軌道運(yùn)營狀態(tài)快速評估技術(shù)，明確該項(xiàng)技術(shù)需解決的關(guān)鍵問題及其應(yīng)用價(jià)值，具體如下。

（1）無GPS環(huán)境下列車運(yùn)行里程定位技術(shù)。列車定位算法是該技術(shù)的重要組成部分，精確的定位信息可以提高查找病害的能力，提供準(zhǔn)確的病害定位信息，提升各工務(wù)部門工作效率。該技術(shù)基于慣性傳感器二次積分融合多智能傳感終端測量數(shù)據(jù)[14]，確定無GPS環(huán)境下列車運(yùn)行里程信息，定位精度可控制在20 m范圍內(nèi)。定位技術(shù)原理和評估效果如圖6所示。

圖4 鋼軌短波不平順測量技術(shù)

圖5 數(shù)字城軌列車振動、噪聲檢測系統(tǒng)框架

（2）列車運(yùn)營全過程乘坐舒適性評估。城軌車輛運(yùn)行品質(zhì)的好壞直接影響其乘坐舒適性，主要包括車輛振動、車內(nèi)噪聲等物理因素?；诬囀橇熊囘\(yùn)行品質(zhì)不良的典型表現(xiàn)，是車輛在運(yùn)行中對于某些軌道狀態(tài)不良的動力響應(yīng)，可通過融合多臺智能終端檢測的車體振動數(shù)據(jù)，結(jié)合加速度管理閾值和Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)，評價(jià)車輛運(yùn)行品質(zhì)及局部軌道狀態(tài)。某城軌區(qū)間車輛垂向 / 橫向加速度檢測數(shù)據(jù)和Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)如圖7所示。

（3）運(yùn)營線路鋼軌波磨信息快速評估技術(shù)。國內(nèi)城軌車輛運(yùn)行速度大多集中在80 km/h以下，該速度域內(nèi)車廂噪聲中輪軌激發(fā)噪聲占主導(dǎo)成份，鋼軌波磨的存在會放大相關(guān)頻帶范圍噪聲能量（頻帶范圍與鋼軌波磨波長信息密切相關(guān)），基于智能終端噪聲數(shù)據(jù)，提出波噪比指標(biāo)快速診斷全區(qū)間鋼軌波磨信息，結(jié)合車輛運(yùn)行速度和噪聲主頻確定鋼軌波磨波長和分布位置。某城軌線路全區(qū)間車廂噪聲波噪比指標(biāo)和鋼軌波磨波長信息如圖8 所示。

（4）數(shù)字城軌列車振動、噪聲數(shù)據(jù)管理平臺可視化技術(shù)。智能傳感終端通過5G通信技術(shù)以及百度地圖API接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字城軌軌道狀態(tài)信息可視化，如圖9所示。其可實(shí)時(shí)顯示車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動/噪聲，同時(shí)可查看過去不同歷史時(shí)期的車輛運(yùn)行振動/噪聲；提供全線鋼軌波磨等傷損具體里程位。列車-軌道智能監(jiān)測技術(shù)的主要優(yōu)勢包括替代人工檢測，提供軌道狀態(tài)診斷報(bào)告和維修效果分析報(bào)告，不會對正常運(yùn)營產(chǎn)生任何干擾，檢測結(jié)果信息可拓展性強(qiáng)。

圖6 無GPS環(huán)境下列車定位技術(shù)原理和應(yīng)用對比

圖7 某城軌區(qū)間智能終端檢測數(shù)據(jù)

目前鋼軌打磨車的每次打磨能力是0.1～0.2 mm[15]，當(dāng)工務(wù)人員巡檢發(fā)現(xiàn)鋼軌波磨時(shí)，此時(shí)波磨發(fā)展已經(jīng)較為嚴(yán)重，需要對其進(jìn)行多次打磨，打磨成本十分高昂；有時(shí)打磨不到位，波磨在沒有及時(shí)被消除的情況下繼續(xù)使用，導(dǎo)致波磨繼續(xù)蔓延，最后只能換軌。通過采集波磨早期階段激發(fā)的輪軌噪聲，掌握區(qū)間鋼軌波磨發(fā)展規(guī)律，可為科學(xué)、高效、經(jīng)濟(jì)地打磨鋼軌提供數(shù)據(jù)支撐。

圖8 運(yùn)營線路鋼軌波磨信息快速評估技術(shù)

4 鋼軌軌面短波精密測量技術(shù)

自人們發(fā)現(xiàn)波磨到現(xiàn)在的100多年的時(shí)間里，相關(guān)專家對波磨進(jìn)行了不懈地研究和試驗(yàn)。雖然人們已經(jīng)掌握了諸多影響波磨的因素，但至今為止，除了鋼軌打磨，并沒有發(fā)現(xiàn)一種被大家公認(rèn)的行之有效的預(yù)防措施。

因此，獲取真實(shí)的鋼軌波磨幅值和波長信息，是制定科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的鋼軌打磨方案的依據(jù)。課題組自主研發(fā)的MCR軌面短波精密測量儀，具有抗干擾性強(qiáng)、檢測速度快（正常步行速度）且定位精度高的特點(diǎn)，可進(jìn)行全線路不間斷連續(xù)測量（包括道岔區(qū)短波不平順測量），測量精度可達(dá)微米級。該測量儀可同時(shí)對雙股4線鋼軌波磨進(jìn)行測量，極大地提升了軌鋼短波不平順測量效率。

道岔是軌道結(jié)構(gòu)一大薄弱環(huán)節(jié)，受力、工作環(huán)境極其復(fù)雜，軌道幾何保持性差，是軌道工務(wù)重點(diǎn)維保對象 。該測量儀對單組18號無縫可動心道岔（標(biāo)準(zhǔn)長度78 m）進(jìn)行單向測量時(shí)長為1.5 min，實(shí)現(xiàn)了快速對岔區(qū)短波不平順的診斷與測量，為現(xiàn)場道岔快速檢測與打磨提供有力技術(shù)支撐。

MCR軌面短波精密測量技術(shù)已在國鐵和城軌線路中多次試用，如圖10所示，其有效檢測波長范圍為10～3 000 mm，重復(fù)測量精度為2 μm，同時(shí)具有強(qiáng)抗干擾性。圖11為現(xiàn)場測試結(jié)果。

5 軌道幾何狀態(tài)評估與演變預(yù)測技術(shù)

軌道不平順是輪軌系統(tǒng)的激擾源，其會造成車體振動變大，影響旅客乘坐舒適度，同時(shí)會加劇輪軌間沖擊，引起極大的相互作用力，進(jìn)而導(dǎo)致軌道和車輛部件的損傷，是軌道工務(wù)工作重心[16]。

目前，軌道工務(wù)部門大量的軌道幾何檢測數(shù)據(jù)有較大的挖掘價(jià)值，僅用單次檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值管理和區(qū)段TQI評估，無法進(jìn)行多次檢測數(shù)據(jù)融合，得到更有價(jià)值的軌道幾何演變惡化趨勢。為修正軌檢車多次軌道幾何檢測數(shù)據(jù)里程偏差，課題組基于圖像卷積方法對軌檢車的軌道幾何數(shù)據(jù)里程進(jìn)行修正，修正精度為0.15 m，可融合和觀察軌道幾何歷史檢測數(shù)據(jù)，為軌道狀態(tài)演變預(yù)測、軌道狀態(tài)異常評估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供技術(shù)支撐，如圖12所示。

圖9 數(shù)字城軌振動/噪聲/波磨信息可視化

圖10 MCR軌面短波精密測量儀

圖11 MCR軌面短波精密測量儀現(xiàn)場測試結(jié)果

6 結(jié)束語

綜上所述，在列車-軌道狀態(tài)檢測技術(shù)不斷完善情況下，如何發(fā)揮既有技術(shù)檢測數(shù)據(jù)潛在價(jià)值是城軌運(yùn)營部門面臨的共同難題。目前，列車-軌道結(jié)構(gòu)病害誘因與治理措施尚未明確，無法形成城軌系統(tǒng)智能運(yùn)維閉環(huán)系統(tǒng)，多源數(shù)據(jù)融合是尋找列車-軌道結(jié)構(gòu)傷損誘因與傷損發(fā)展規(guī)律的有效途徑，對制定適應(yīng)于中國城軌全生命周期的健康管理規(guī)范、推動智慧運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展具有重要技術(shù)支撐。

圖12 軌道幾何不平順多次測量數(shù)據(jù)里程修正對比