張茂軒 孫善超 楊 飛 孫加林 張玉華

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

極端環(huán)境下的鐵路工程需要面對(duì)崇山峻嶺、地形高差、地震頻發(fā)、復(fù)雜地質(zhì)、季節(jié)凍土、山地災(zāi)害、高原缺氧以及生態(tài)環(huán)保等建設(shè)難題[1-2]。同時(shí)，建設(shè)完成后，長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)維修過程中還將面臨地震、落石、泥石流、滑坡等突發(fā)自然災(zāi)害以及高地?zé)嵋鸬乃淼阑A(chǔ)設(shè)施變形、長(zhǎng)大坡道條件下鋼軌傷損等一系列問題，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)工作提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)工作在我國(guó)高速、普速以及重載鐵路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修過程中發(fā)揮著維修決策支撐作用。極端條件下，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料與形式復(fù)雜、服役條件復(fù)雜、維持高品質(zhì)困難等使得準(zhǔn)確把握基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)多維度時(shí)空變化的動(dòng)態(tài)服役性能困難重重。同時(shí)，極端條件下復(fù)雜的線路條件及特殊的工程環(huán)境不僅會(huì)導(dǎo)致災(zāi)害多發(fā)，也使得病害的檢查和發(fā)現(xiàn)更加困難。現(xiàn)有的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)裝備已無(wú)法全面滿足極端條件下的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)需求，亟需研發(fā)一系列適用于極端條件下復(fù)雜艱險(xiǎn)地區(qū)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能檢測(cè)裝備，保障鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的安全服役狀態(tài)。

1 極端條件下基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)需求

1.1 軌道幾何檢測(cè)需求

軌道檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)極端條件下的鐵路軌道進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，需能夠全面掌握線路質(zhì)量狀態(tài)，指導(dǎo)工程人員針對(duì)性地養(yǎng)護(hù)維修，減少盲目性，降低維修成本；能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)危及行車安全的軌道病害，杜絕安全隱患；能夠科學(xué)地評(píng)價(jià)不同區(qū)段的線路質(zhì)量狀態(tài)，檢驗(yàn)維修作業(yè)的效果，作為各級(jí)管理部門進(jìn)行線路質(zhì)量宏觀管理和檢查考核的重要依據(jù)。同時(shí)，還需能夠在極端自然環(huán)境下具備無(wú)人值守功能，檢測(cè)項(xiàng)目包括基本軌道幾何項(xiàng)目(軌距、左高低、右高低、左軌向、右軌向、水平、三角坑)、車體響應(yīng)(車體橫向加速度、車體垂向加速度)和輔助性評(píng)判指標(biāo)(軌道質(zhì)量指數(shù)、軌距變化率、曲率變化率)。

1.2 車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測(cè)需求

1.2.1 全頻段車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)采集需求

受特殊的地理、地質(zhì)以及氣候條件影響，某些線路自然條件極端特殊，海拔落差大、坡度陡以及高地應(yīng)力等因素可能導(dǎo)致后期運(yùn)營(yíng)過程中線路幾何形位及鋼軌表面狀態(tài)發(fā)生較大變化，進(jìn)而引發(fā)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的異常。而軌道狀態(tài)直接決定軌道-車輛系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和舒適性[3]，軌道狀態(tài)通過輪對(duì)傳遞到車輛上，不同頻段的軌道狀態(tài)可在軸箱、構(gòu)架、車體上分別產(chǎn)生不同響應(yīng)，因此需采集全頻段車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能引起可靠性及安全性隱患的鋼軌表面短波不平順和軌道中長(zhǎng)波不平順。

1.2.2 短波軌道病害智能識(shí)別需求

在較高的運(yùn)營(yíng)速度下，軌道短波病害易通過輪對(duì)在軸箱上產(chǎn)生較大的振動(dòng)響應(yīng)，增加軌道-車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷的概率，因此，軌道短波病害越來(lái)越受到人們的重視。軌道短波病害通常指波長(zhǎng) 1 m 及以下的軌道短波不平順，其幅值多在 0.02～2 mm 之間。其表現(xiàn)形式主要為鋼軌表面波磨、焊接接頭凸凹不平、道岔狀態(tài)不良等。軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)波長(zhǎng)通常在 3～120 m 之間，難以對(duì)上述軌道短波病害進(jìn)行有效檢測(cè)，需研究其它的診斷和動(dòng)態(tài)評(píng)判手段。軌道短波病害產(chǎn)生的振動(dòng)通過輪對(duì)直接傳遞到軸箱上，因此，軸箱的振動(dòng)加速度可直接反映軌道短波不平順狀態(tài)。利用軸箱加速度診斷軌道短波病害是目前的科研熱點(diǎn)，采用軸箱加速度診斷軌道短波病害可在軌道短波病害早期即進(jìn)行診斷，能更直接反應(yīng)軌道車輛系統(tǒng)的高頻振動(dòng)，且軸箱加速度檢測(cè)設(shè)備易于安裝維護(hù)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可安裝在普通的運(yùn)行車輛上。

1.2.3 中長(zhǎng)波軌道病害智能識(shí)別需求

極端條件下，鐵路路基沉降不均勻、路橋過渡段軌下基礎(chǔ)差異等中長(zhǎng)波軌道幾何不平順在車體、構(gòu)架加速度上可產(chǎn)生明顯響應(yīng)，易導(dǎo)致車輛運(yùn)行不穩(wěn)，降低乘客乘坐舒適性。目前的軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)僅能對(duì)軌道長(zhǎng)波不平順做出診斷，對(duì)于路基沉降不均、路橋過渡段等存在的病害沒有系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)，因此有必要利用車體加速度進(jìn)行深入挖掘，對(duì)路基沉降不均、路橋過渡段等存在的問題進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)傳統(tǒng)軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。

1.3 接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)需求

1.3.1 幾何參數(shù)及外觀狀態(tài)

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)是接觸網(wǎng)在空間中位置關(guān)系的基本狀態(tài)參數(shù)，參數(shù)穩(wěn)定可靠是保障接觸網(wǎng)與受電弓安全、平順、高質(zhì)量滑動(dòng)接觸的基本技術(shù)要求。接觸網(wǎng)幾何參數(shù)靜態(tài)值是接觸網(wǎng)在無(wú)外部擾動(dòng)條件下靜止?fàn)顟B(tài)相對(duì)于軌道參考坐標(biāo)系的數(shù)值，主要用于施工驗(yàn)收和現(xiàn)場(chǎng)維修作業(yè)；接觸網(wǎng)幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)值是接觸網(wǎng)在受電弓滑動(dòng)接觸作用下振動(dòng)狀態(tài)相對(duì)于受電弓參考坐標(biāo)系的數(shù)值，主要用于評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)服役性能。

接觸網(wǎng)是由多種零部件采用螺栓緊固、壓接等方式組成的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)。受弓網(wǎng)振動(dòng)、風(fēng)負(fù)荷和溫度變化等因素影響，接觸網(wǎng)零部件易發(fā)生松脫、卡滯、斷裂等問題，影響供電系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.3.2 弓網(wǎng)相互作用參數(shù)

受電弓與接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行關(guān)系是接觸網(wǎng)運(yùn)用狀態(tài)的重要表現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外通常采用弓網(wǎng)接觸力、燃弧等參數(shù)評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流性能，在綜合檢測(cè)車、搭載式檢測(cè)設(shè)備中應(yīng)用廣泛。

1.3.3 主導(dǎo)電回路及絕緣狀態(tài)

主導(dǎo)電回路自牽引變電所引入接觸網(wǎng)系統(tǒng)，在接觸網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)由承力索、接觸網(wǎng)、電聯(lián)接線、吊弦等諸多環(huán)節(jié)構(gòu)成靜態(tài)電接觸導(dǎo)電回路，經(jīng)受電弓與接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)電接觸環(huán)節(jié)將電能輸送到車內(nèi)動(dòng)力環(huán)節(jié)。接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件種類繁多、形式多樣，使得主導(dǎo)電回路電接觸狀態(tài)十分復(fù)雜。高速鐵路牽引電流具有富諧波、多變化的特點(diǎn)，對(duì)于電接觸環(huán)節(jié)的不良作用點(diǎn)影響巨大，長(zhǎng)時(shí)間作用會(huì)導(dǎo)致器件溫度升高并喪失機(jī)械強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)造成承力索斷股、接觸網(wǎng)電腐蝕磨耗、聯(lián)接點(diǎn)斷裂、線夾脫落等，造成牽引供電故障或弓網(wǎng)事故。

絕緣配合及其狀態(tài)監(jiān)測(cè)是電氣工程領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。絕緣子是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)和接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，絕緣子承受著工作電壓和各種過電壓，并承擔(dān)接觸懸掛和支持結(jié)構(gòu)的重量及氣候影響產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷。在極端條件下，鐵路外部供電能力弱，主導(dǎo)電回路無(wú)備用，絕緣配合十分脆弱，因此需重點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)測(cè)。

1.3.4 外部環(huán)境

接觸網(wǎng)設(shè)備暴露在戶外環(huán)境中，易受鳥害、危樹、異物等周邊環(huán)境的影響。根據(jù)電氣化鐵路多年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和故障統(tǒng)計(jì)，外部環(huán)境已成為影響鐵路供電穩(wěn)定性和可靠性的重要因素。在供電段日常工作中，處理鳥害、危樹、異物等已成為常態(tài)化工作。因此需加強(qiáng)對(duì)外部環(huán)境的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)。

1.3.5 全線視頻監(jiān)控

接觸網(wǎng)設(shè)備沿線路架設(shè)，零部件及電氣絕緣環(huán)節(jié)眾多，發(fā)生故障時(shí)難以準(zhǔn)確定位，且故障分析多依靠跳閘固標(biāo)、司機(jī)報(bào)告等，缺少必要的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)有鐵路綜合視頻設(shè)置間隔較大，相機(jī)技術(shù)參數(shù)無(wú)法滿足對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，因此需設(shè)計(jì)針對(duì)極端條件兼顧多專業(yè)需求的全線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1.4 通信檢測(cè)需求

1.4.1 鐵路專用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

目前，我國(guó)新建鐵路移動(dòng)通信主要采用GSM-R系統(tǒng)，其承載了調(diào)度語(yǔ)音通信、列控信息、機(jī)車同步操控信息、調(diào)度命令、無(wú)線車次號(hào)、車載設(shè)備監(jiān)測(cè)信息傳送等業(yè)務(wù)。GSM-R為第二代窄帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)的吞吐量和數(shù)據(jù)鏈路數(shù)均非常有限，且不具備承載視頻業(yè)務(wù)的能力，已不能滿足智能鐵路發(fā)展的需求。

第五代移動(dòng)通信技術(shù)(簡(jiǎn)稱5G或5G技術(shù))是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。近年來(lái)，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織及各國(guó)政府與運(yùn)營(yíng)商的努力下，5G 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程不斷加速，中美日韓及歐洲一些國(guó)家5G 頻譜規(guī)劃相繼出臺(tái)，全球大多數(shù)主流運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始部署 5G 網(wǎng)絡(luò)。在鐵路行業(yè)，5G-R也已確定為新一代無(wú)線通信的發(fā)展方向，可將5G-R技術(shù)作為鐵路下一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)制式，應(yīng)用于鐵路正線連續(xù)廣覆的場(chǎng)景，毫米波技術(shù)可應(yīng)用于站場(chǎng)、樞紐和其他局部地區(qū)。

1.4.2 多制式綜合承載傳輸平臺(tái)

極端自然條件下，各類業(yè)務(wù)對(duì)無(wú)線通信傳輸帶寬、實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性等存在多維度、差異化的需求，采用單一運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，無(wú)法充分利用鐵路周邊的多種網(wǎng)絡(luò)資源，難以提供高帶寬、高可靠性的通信保障。因此應(yīng)采用支持多種不同制式的綜合承載傳輸平臺(tái)，對(duì)下允許接入多種不同制式、不同運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)；對(duì)上感知用戶需求與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，通過服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)適配，為用戶選擇最適宜的網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供透明的車地傳輸通道。鐵路綜合承載傳輸平臺(tái)示意如圖1所示。

圖1 極端條件下鐵路綜合承載傳輸平臺(tái)示意圖

1.5 信號(hào)檢測(cè)需求

極端條件下，線路沿線地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，氣候惡劣，公路交通極不發(fā)達(dá)，運(yùn)營(yíng)人員駐守困難，維護(hù)人員到達(dá)艱難。信號(hào)系統(tǒng)選用應(yīng)具備高可靠、集中操控功能，應(yīng)能與其他專業(yè)的相關(guān)系統(tǒng)充分交換信息，智能化指揮、控制列車運(yùn)行，滿足動(dòng)車組(包括動(dòng)力集中動(dòng)車組)和內(nèi)燃、電力等機(jī)車運(yùn)行控制需求。軌旁信號(hào)設(shè)備應(yīng)由區(qū)間設(shè)備和車站設(shè)備構(gòu)成：(1)區(qū)間根據(jù)線路接收衛(wèi)星信號(hào)狀況配置少量無(wú)源應(yīng)答器，用于列車定位、等級(jí)轉(zhuǎn)換等；(2)車站根據(jù)站場(chǎng)規(guī)模、作業(yè)類型等，配置集中聯(lián)鎖設(shè)備或遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

基于以上考慮，極端條件下，鐵路信號(hào)設(shè)備檢測(cè)需求主要包括軌旁應(yīng)答器動(dòng)態(tài)檢測(cè)和列控車載設(shè)備監(jiān)測(cè)。

1.6 綜合巡檢需求

極端環(huán)境下，高海拔、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、氣溫低、缺氧、凍土、大風(fēng)沙等或?qū)⒔o鐵路綜合巡檢帶來(lái)很多問題。

(1)高原地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)影響相機(jī)感光器件，氣溫低、海拔高影響光照強(qiáng)度，進(jìn)而影響圖像清晰度。因此，圖像采集存在光照不均勻、背景多變且復(fù)雜、存在噪聲等問題，需研究專門的圖像檢測(cè)算法。

(2)沿線低氣溫及特殊的地質(zhì)條件使得鐵路路基病害更為復(fù)雜，對(duì)路基病害的檢測(cè)是鐵路綜合巡檢的重要問題。

(3)鐵路隧道占比大，檢測(cè)需求更為突出。

(4)沿線存在低溫特性的鐵路，綜合巡檢設(shè)備需具備較好的耐寒性能。

2 極端條件下基礎(chǔ)設(shè)施智能檢測(cè)保障技術(shù)

2.1 極端條件下工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)技術(shù)

2.1.1 軌道幾何

軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)一直是檢查軌道病害、指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修、保障行車安全的重要手段，檢測(cè)項(xiàng)目包括基本軌道幾何項(xiàng)目(軌距、左高低、右高低、左軌向、右軌向、水平、三角坑)和車體的響應(yīng)。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 軌道檢測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)表

極端條件下，鐵路軌道檢測(cè)設(shè)備研制的基本技術(shù)方案為：在運(yùn)營(yíng)車或檢測(cè)車車體設(shè)備倉(cāng)安裝檢測(cè)梁，以檢測(cè)梁作為慣性基準(zhǔn)，將慣性傳感器集成，采用嵌入式微處理板卡實(shí)時(shí)同步采集多路傳感器數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸。系統(tǒng)可在不同運(yùn)行速度和不同運(yùn)行方向條件下檢測(cè)，能選擇不同截止波長(zhǎng)的空間曲線輸出軌道不平順，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 搭載式軌道檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少設(shè)備數(shù)量和占用體積，軌道檢測(cè)系統(tǒng)需采用新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將所有測(cè)量用的傳感器都安裝在車體下方，由檢測(cè)梁、激光攝像組件、集成式慣性組件、嵌入式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和嵌入式圖像處理計(jì)算機(jī)組成。這種結(jié)構(gòu)在保證檢測(cè)精度的情況下，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，同時(shí)能滿足惡劣環(huán)境條件下的安裝需求，使檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低系統(tǒng)故障率。

2.1.2 車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)

軌道狀態(tài)通過輪對(duì)傳遞到車輛上，不同頻段的軌道狀態(tài)可在軸箱、構(gòu)架、車體上分別產(chǎn)生不同的響應(yīng)。通過不同頻段的車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)可識(shí)別不同波長(zhǎng)的軌道不平順病害。

(1)短波軌道病害智能識(shí)別

采用軸箱加速度在軌道短波病害早期即對(duì)病害進(jìn)行診斷，更直接地反應(yīng)軌道車輛系統(tǒng)高頻振動(dòng)。

(2)中長(zhǎng)波軌道病害智能識(shí)別

大多數(shù)構(gòu)架報(bào)警處的軌道幾何均未超出維修限值，報(bào)警的主要原因是輪軌型面匹配不合理，結(jié)合構(gòu)架加速度對(duì)車輛異常振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)判對(duì)保障鐵路行車安全意義重大。同時(shí)可利用車體加速度進(jìn)行深入挖掘，對(duì)路基沉降不均、路橋過渡段存在的問題進(jìn)行檢測(cè)。

(3)道岔狀態(tài)智能評(píng)價(jià)

極端條件下，人員駐守困難，道岔養(yǎng)護(hù)維修成本高，人工靜態(tài)檢測(cè)困難，需研究基于多源檢測(cè)數(shù)據(jù)的道岔狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法。

2.1.3 橋梁

(1)橋梁檢查智能化支撐裝備

結(jié)合常規(guī)跨度橋梁結(jié)構(gòu)及服役特點(diǎn)，對(duì)檢查關(guān)鍵支撐設(shè)備進(jìn)行專項(xiàng)研究，建立橋梁全方位檢查設(shè)備及技術(shù)保障體系。將無(wú)人機(jī)、攀爬或?qū)к壥綑C(jī)器人、索纜構(gòu)件巡查機(jī)器人[4-11]等技術(shù)應(yīng)用于極端條件下鐵路橋梁檢查中，提出技術(shù)條件，指導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及運(yùn)用。鐵路橋梁檢查智能化支撐裝備布局如圖3所示。

圖3 極端條件下鐵路常規(guī)橋梁檢查智能化支撐裝備布局圖

(2)橋梁精準(zhǔn)養(yǎng)修智能化平臺(tái)

基于橋梁狀態(tài)劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，建立橋梁精準(zhǔn)檢測(cè)信息模型，充分發(fā)揮各先進(jìn)檢查設(shè)備效能，融合深度學(xué)習(xí)等人工智能先進(jìn)技術(shù)，以橋梁檢查為先導(dǎo)，以精準(zhǔn)狀態(tài)評(píng)定為基礎(chǔ)，面向極端條件下鐵路橋梁構(gòu)建完整的檢養(yǎng)修技術(shù)體系。

2.1.4 隧道

極端條件下，鐵路隧道設(shè)施智能保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)由快速檢測(cè)、數(shù)據(jù)管理、理論分析和評(píng)價(jià)階段4個(gè)階段組成，如圖4所示。

圖4 極端條件下鐵路隧道設(shè)施智能檢測(cè)保障系統(tǒng)圖

(1)快速檢測(cè)階段

運(yùn)用快速檢測(cè)設(shè)備對(duì)極端條件下鐵路隧道進(jìn)行周期性檢測(cè)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和數(shù)據(jù)分析處理。

(2)數(shù)據(jù)管理階段

對(duì)極端條件下鐵路沿線各隧道數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包含隧道勘察、設(shè)計(jì)、施工、竣工資料和隧道檢測(cè)資料等，并研究隧道病害或缺陷量化評(píng)定指標(biāo)。依據(jù)隧道地質(zhì)水文狀況和檢測(cè)結(jié)果評(píng)定指標(biāo)，對(duì)隧道狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定結(jié)果正常則進(jìn)入下一個(gè)檢測(cè)周期，若評(píng)定結(jié)果為病害對(duì)隧道穩(wěn)定具有一定的危害性，則進(jìn)入理論分析階段。

(3)理論分析階段

若快速檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在危害隧道穩(wěn)定性的缺陷或病害，則必須對(duì)隧道缺陷或病害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)隧道水文、地質(zhì)圍巖狀況、支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、混凝土強(qiáng)度等進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。結(jié)合檢測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算，建立隧道模型進(jìn)行有限元計(jì)算，依據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，建立隧道健康狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)隧道狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(4)評(píng)價(jià)階段

綜合以上階段數(shù)據(jù)，建立隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隧道安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出養(yǎng)護(hù)維修策略，保障隧道后續(xù)健康。

2.1.5 鋼軌探傷

極端地理、氣候條件下，鐵路長(zhǎng)大坡道多、沿線溫差大，鋼軌傷損的類型、數(shù)量、傷損發(fā)展規(guī)律、傷損破壞嚴(yán)重程度均較既有鋼軌有所不同。鋼軌表面擦傷、表面裂紋、軌頭磨耗等類型的傷損比例會(huì)顯著提高；較小的鋼軌內(nèi)部或軌底傷損就可能導(dǎo)致斷軌；受環(huán)境限制，采用鋼軌探傷儀進(jìn)行鋼軌檢測(cè)或傷損復(fù)核存在困難。因此，極端條件下的鋼軌探傷需具備精準(zhǔn)、可靠、無(wú)人操作、設(shè)備易于維護(hù)、鋼軌狀態(tài)評(píng)價(jià)等能力[12-17]?；谏鲜鲆蛩?，極端條件下的鐵路鋼軌探傷應(yīng)從如下角度展開：

(1)以大型鋼軌探傷車為主進(jìn)行檢測(cè)

大型鋼軌探傷車檢測(cè)速度快，檢測(cè)效率高，人員工作環(huán)境較好，可在風(fēng)、雨、雪、夜間等自然條件下作業(yè)。因此，極端條件下的鐵路鋼軌傷損檢測(cè)需以鋼軌探傷車檢測(cè)為主，少用或不用鋼軌探傷儀。

(2)確保檢測(cè)傷損定位準(zhǔn)確

長(zhǎng)大區(qū)間傷損定位誤差較大時(shí)，需采用多種方式提高傷損定位精度，將傷損定位在亞米級(jí)。

(3)鋼軌檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空融合分析

將鋼軌探傷車采集到的鋼軌傷損數(shù)據(jù)在空間上、時(shí)間上進(jìn)行融合分析，通過歷史周期自動(dòng)對(duì)比，及時(shí)監(jiān)測(cè)鋼軌傷損的發(fā)展變化情況，結(jié)合鋼軌使用條件，對(duì)鋼軌傷損的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1.6 綜合巡檢

鐵路綜合巡檢應(yīng)大量采用高科技手段，集成攝像采集、激光掃描、計(jì)算機(jī)圖像處理、智能化分析判斷等先進(jìn)技術(shù)[18-20]，主要用于軌道檢測(cè)、接觸網(wǎng)檢測(cè)、軌旁設(shè)備檢測(cè)、限界檢測(cè)等，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患，并有針對(duì)性地進(jìn)行處理。

(1)高原鐵路圖像檢測(cè)技術(shù)

針對(duì)背景復(fù)雜的軌道狀態(tài)圖像，應(yīng)加大基于深度學(xué)習(xí)的圖像檢測(cè)算法研究，提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。

(2)鐵路高精度點(diǎn)云智能處理技術(shù)

二維圖像檢測(cè)方法無(wú)法有效獲取凹凸型缺陷的三維深度信息，應(yīng)采取更加高效準(zhǔn)確的三維掃描技術(shù)獲取空間信息，其具有自動(dòng)化程度高、作業(yè)時(shí)間短、受天氣影響小、數(shù)據(jù)精度高等特點(diǎn)。

(3)先進(jìn)人工智能探地雷達(dá)技術(shù)

極端條件下，鐵路路基病害問題較為嚴(yán)重[21]，研究和發(fā)展具有快速、高效、連續(xù)、高分辨的路基質(zhì)量檢測(cè)新技術(shù)迫在眉睫。基于人工智能技術(shù)，研究先進(jìn)的人工智能探地雷達(dá)，提高探地雷達(dá)的分辨率、精確度、探測(cè)效率、數(shù)據(jù)解析效率。

2.2 極端條件下鐵路接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)

2.2.1 動(dòng)態(tài)檢測(cè)

動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要是以專業(yè)檢測(cè)車和運(yùn)營(yíng)列車為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)狀態(tài)的快速高效檢測(cè)，解決接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量、外觀狀態(tài)巡檢、弓網(wǎng)相互作用參數(shù)評(píng)價(jià)、主導(dǎo)電回路及絕緣狀態(tài)檢測(cè)等[22]。

(1)高速動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)

高速綜合檢測(cè)列車以動(dòng)車組或運(yùn)營(yíng)列車為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)等速檢測(cè)，日常運(yùn)營(yíng)檢測(cè)每10～15 d/次，檢測(cè)參數(shù)包括接觸線高度、拉出值、硬點(diǎn)、弓網(wǎng)接觸力、燃弧、接觸線間水平距離、接觸線間垂直距離、接觸網(wǎng)電壓、動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)電流、定位器坡度、定位點(diǎn)(支柱)、跨距等。

(2)參數(shù)外觀巡檢技術(shù)

綜合巡檢車采用自走形軌道車平臺(tái)，綜合多專業(yè)檢測(cè)功能，其接觸網(wǎng)部分具有對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)、環(huán)境視頻等項(xiàng)目進(jìn)行綜合巡檢的功能。

(3)基于運(yùn)營(yíng)列車的搭載式檢測(cè)技術(shù)

在運(yùn)營(yíng)列車、動(dòng)車組等載體上安裝搭載式安全監(jiān)測(cè)裝置，用于對(duì)供電接觸網(wǎng)運(yùn)用狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，要滿足每條線3次/d以上的檢測(cè)要求。車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置(3C)主要對(duì)接觸網(wǎng)及受電弓狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，監(jiān)測(cè)預(yù)警異常狀態(tài)，用于接觸網(wǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)和巡視檢查。3C裝置能反映實(shí)時(shí)弓網(wǎng)關(guān)系，在指導(dǎo)安全生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。接觸網(wǎng)安全巡檢裝置(2C)利用攝像技術(shù)獲取接觸網(wǎng)設(shè)施及相關(guān)周邊環(huán)境的視頻信息，用于巡視檢查接觸網(wǎng)的技術(shù)狀態(tài)和外部環(huán)境，指導(dǎo)接觸網(wǎng)的運(yùn)行維修。

2.2.2 地面監(jiān)測(cè)

在電氣化鐵路的局界、段界、聯(lián)絡(luò)線、動(dòng)車組(電力機(jī)車)出入庫(kù)區(qū)、車站等處安裝受電弓滑板狀態(tài)檢測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)受電弓滑板的技術(shù)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)受電弓滑板的異常狀態(tài)，指導(dǎo)接觸網(wǎng)的運(yùn)行維修。

在接觸網(wǎng)的特定位置設(shè)置固定式監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)振動(dòng)特性、線索溫度、補(bǔ)償位移、絕緣狀態(tài)等參數(shù)或特定位置的接觸網(wǎng)技術(shù)狀態(tài)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過有線或無(wú)線方式進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警。

2.3 極端條件下鐵路通信信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)技術(shù)

2.3.1 通信

綜合極端條件下鐵路專用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和多制式傳輸平臺(tái)的需要，通信智能檢測(cè)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多制式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、服務(wù)質(zhì)量及電磁環(huán)境檢測(cè)，主要技術(shù)方向包括：

(1)基于IP化的新一代鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)5G-R智能檢測(cè)技術(shù)

通過對(duì)鐵路新一代無(wú)線通信系統(tǒng)5G-R的系統(tǒng)需求、技術(shù)方案及業(yè)務(wù)承載的研究，提出5G-R網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、分組域的服務(wù)質(zhì)量、鐵路沿線5G-R的電磁環(huán)境和應(yīng)用業(yè)務(wù)等檢測(cè)參數(shù)和檢測(cè)方法，建立5G-R網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)規(guī)范和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

(2)鐵路沿線公網(wǎng)覆蓋智能檢測(cè)技術(shù)

從滿足用戶通話及數(shù)據(jù)傳輸需求的角度，研究極端條件下公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)在鐵路沿線的無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、上下行數(shù)據(jù)傳輸速率及吞吐量業(yè)務(wù)等檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)衛(wèi)星通信網(wǎng)智能檢測(cè)技術(shù)

衛(wèi)星通信為極端條件下鐵路的后備通信模式，需定期對(duì)其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。同時(shí)，極端條件下，鐵路可能采用完全基于無(wú)線的移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)，以北斗定位作為列車定位基準(zhǔn)，鐵路沿線需要布設(shè)衛(wèi)星差分基站，用于提供一定范圍內(nèi)的衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)，以提高車載設(shè)備衛(wèi)星定位的精度，該衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量也需進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。因此需開展衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的智能檢測(cè)技術(shù)研究。

(4)多制式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境智能檢測(cè)技術(shù)

為提高鐵路無(wú)線通信的可靠性，極端條件下將采用多制式、多運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)為鐵路數(shù)據(jù)傳輸提供承載。不同制式和不同運(yùn)營(yíng)商使用的無(wú)線電頻率不同，不同頻率的無(wú)線電傳播性能差異大，加之極端條件下可能存在的大量隧道使得無(wú)線電傳輸環(huán)境復(fù)雜，必然會(huì)造成不同信號(hào)間的干擾影響。因此，需研究多制式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境智能檢測(cè)技術(shù)，在空間和時(shí)間上進(jìn)行劃分，優(yōu)化鐵路整體無(wú)線電磁環(huán)境。

(5)隧道內(nèi)通信設(shè)備巡檢智能檢測(cè)技術(shù)

目前，鐵路隧道內(nèi)的無(wú)線通信覆蓋普遍采用直放站加漏纜的方式，需每隔1.5 km左右設(shè)置1個(gè)中繼站，中間區(qū)域通過漏泄電纜進(jìn)行連接。每月要對(duì)漏纜徑路進(jìn)行檢查，每年對(duì)漏纜吊掛件、吊線、固定件進(jìn)行檢查。在極端條件下，該維護(hù)工作難度大。因此，需采用高速高清圖像采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)通信設(shè)備外觀狀態(tài)的拍攝，采用圖像自動(dòng)識(shí)別方式發(fā)現(xiàn)設(shè)備外觀破損、卡具脫落、接頭脫落等故障。

2.3.2 信號(hào)

極端條件下，區(qū)間信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備故障難以及時(shí)得到維修，因此，需考慮設(shè)備的高可靠性和冗余性?？煽啃钥赏ㄟ^采用特殊的材料和工藝來(lái)達(dá)到，冗余性可通過多種制式系統(tǒng)的共存和互為備份來(lái)實(shí)現(xiàn)。鐵路信號(hào)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)包括地面應(yīng)答器檢測(cè)、車載無(wú)線通信接口監(jiān)測(cè)和車載ATP/ATO運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。極端條件下，鐵路信號(hào)智能檢測(cè)技術(shù)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 極端條件下鐵路信號(hào)智能檢測(cè)技術(shù)架構(gòu)圖

(1)地面應(yīng)答器智能檢測(cè)技術(shù)

應(yīng)答器動(dòng)態(tài)檢測(cè)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)有源及無(wú)源應(yīng)答器報(bào)文數(shù)據(jù)、電氣接口參數(shù)和外觀狀態(tài)的檢測(cè)。采用射頻分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)用BTM裝置下行信號(hào)和應(yīng)答器上行信號(hào)各參數(shù)的解析和記錄，采用高速圖像采集及機(jī)器學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)答器外觀破損、螺栓松動(dòng)等問題的智能識(shí)別。通過大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析，提前發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不良的應(yīng)答器，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)答器設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)。

(2)車載無(wú)線通信接口智能監(jiān)測(cè)

車載無(wú)線通信接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線空口采集技術(shù)，監(jiān)測(cè)車載電臺(tái)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)間的空中接口，獲取無(wú)線通信終端與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交互的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析，定位通信超時(shí)故障，監(jiān)測(cè)車載無(wú)線通信終端工作情況，監(jiān)測(cè)分析其收發(fā)數(shù)據(jù)是否正確，與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的交互過程是否正確。

(3)車載ATP/ATO運(yùn)行監(jiān)測(cè)

ATP/ATO運(yùn)行監(jiān)測(cè)包括車載電臺(tái)與車載ATP/ATO間的數(shù)據(jù)接口監(jiān)測(cè)和ATP/ATO設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)對(duì)車載ATP/ATO與地面控車設(shè)備各層之間的消息交換及對(duì)車載列控設(shè)備記錄單元數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和分析，監(jiān)測(cè)車載設(shè)備工作狀態(tài)，驗(yàn)證車載設(shè)備接收地面線路數(shù)據(jù)的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈，研究極端條件下鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能檢測(cè)保障技術(shù)，對(duì)于促進(jìn)地區(qū)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施是車輛安全、平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，檢測(cè)是掌握線路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)的重要手段。特殊的自然條件給線路后期的養(yǎng)護(hù)維修提出了較大的挑戰(zhàn)，本文提出適用于極端條件下的鐵路檢測(cè)技術(shù)體系架構(gòu)、研發(fā)適用于極端環(huán)境下的智能化、無(wú)人化、搭載式、便維修、適應(yīng)和可靠性強(qiáng)的檢測(cè)設(shè)備，對(duì)維持極端條件下鐵路良好的運(yùn)行條件具有關(guān)鍵性作用。