高速鐵路基礎設施綜合檢測技術

■ 王衛東 顧世平 高利民 張文軒 魏世斌 田新宇 任盛偉

高速鐵路基礎設施綜合檢測技術

■ 王衛東 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、網絡數據交換、視頻圖像實時分辨及數據綜合處理等先進技術，能有效提高高鐵線路基礎設施裝備的檢測效率，為高速鐵路基礎設施的養護維修提供重要的技術支撐。介紹高速綜合檢測列車檢測系統組成、系統總體框架等，并詳細闡述各子系統的系統組成、基本檢測原理和檢測項目。

高速鐵路；綜合檢測列車；基礎設施；檢測

高速鐵路基礎設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設施的專用檢測裝備，可在等速同步條件下對軌道幾何參數、弓網關系狀態參數、通信信號工作狀態參數、輪軌作用力參數及列車舒適性指標等進行實時檢測與監測，并具有檢測結果的精確定位及檢測數據的實時傳輸、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局域網平臺上構建了軌道、弓網、輪軌動力學、通信、信號等檢測系統，同時配置了時空同步校準、數據網絡與視頻監控、數據綜合處理等設備，實現了高速鐵路基礎設施狀態參數的實時同步檢測、數據合成、綜合處理和分級評判，有效提高了高鐵線路基礎設施裝備的檢測效率，為高速鐵路基礎設施養護維修提供了重要的技術支撐。高速綜合檢測列車系統技術架構見圖1。

1 軌道幾何狀態檢測系統

軌道幾何狀態檢測系統主要由里程校正和定位同步組件、數據處理組件、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變化，由視覺測量系統獲取鋼軌相對于檢測梁的橫向和縱向位移，經過綜合運算及補償處理，合成得到所需軌道幾何參數，并在其顯示器上實時顯示軌道幾何波形圖。

軌道幾何狀態檢測系統能夠測量軌道幾何尺寸并按照相關標準評判軌道幾何偏差，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、軌道質量指數、線路特征標志等參數。軌道幾何狀態檢測系統主要技術指標見表1。

圖1 系統技術架構

圖2 軌道幾何狀態檢測系統構成

表1 軌道幾何狀態檢測系統主要技術指標

2 弓網檢測系統

弓網檢測系統包括弓網動態作用參數檢測系統、接觸網幾何參數檢測系統、供電參數檢測系統、接觸網電器連接狀態檢測系統及對各檢測子系統的集中控制與集成軟件。系統可實時檢測觸線動態高度、拉出值、線岔或錨段關節處接觸線相互位置、定位器坡度等幾何參數，以及弓網接觸力、硬點（垂向加速度）、離線狀態（燃弧率）、網壓、動車組側電流等弓網動態作用參數和供電參數，同時具備采集計算桿位及跨距等輔助信息，實現多源數據的集成與同步處理、數據自動存儲、超限自動判斷、波形分析與對比診斷等功能，滿足指導高速鐵路接觸網聯調聯試及日常維修的需要。弓網檢測系統構成見圖3。

弓網動態作用參數檢測系統采用先進的高壓電磁干擾抑制技術、高壓端設備供電技術、高低壓信號隔離傳輸技術，實現了弓網接觸壓力、硬點、沖擊、接觸線動態高度等參數的實時檢測。接觸網幾何參數檢測系統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、拉出值等幾何參數進行精確測量。接觸網電器連接狀態檢測系統基于高清可見光視頻及紅外視頻融合技術，實現紅外圖像采集系統構建，可清晰完整地動態獲取接觸網部件紅外圖像；同時建立可見光圖像與紅外圖像的有效融合模型，實現接觸網部件（絕緣子、線夾、線索）等實時狀態檢測，系統可以及時發現線索溫度過高等接觸網零部件電氣連接狀態異常，完善接觸網狀態評判指標。

弓網檢測系統主要技術指標見表2。

圖3 弓網檢測系統構成

3 輪軌動力學檢測系統

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

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

（2）輪軌力數據傳輸采集子系統：研制新型集流環裝置，在輪對高速旋轉條件下實現測力輪對信號的可靠傳輸；采用IMC信號采集設備和數據采集軟件將測力輪對信號采集保存到數據采集計算機中。

（3）輪軌力數據綜合分析子系統：將測力輪對應變信號數據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、輪重減載率和輪軸橫向力等指標，與檢測列車綜合系統時空同步及數據通信。

4 通信檢測系統

我國鐵路GSM-R系統主要承載CTCS-3級列控業務、調度通信、無線調度命令和車次號信息傳送業務。GSM-R作為一種無線通信系統，其通信質量首先取決于電磁環境和場強覆蓋等物理條件，此外，數字移動通信與模擬通信的區別在于每個承載業務都有完整詳細的信令控制流程，因而影響GSM-R系統工作狀態和服務水平的因素還有賴于網絡鏈路協議層的控制參數。由于鐵路應用多為專用業務，在應用層還有專用協議和支持專用協議的應用設備，即使在GSM-R網絡狀態正常的條件下，如果應用層的協議和設備狀態出現異常，也不能確保應用業務的正常運行。

根據GSM-R網絡結構和應用特點，參考典型的通信分層模型，首次將通信檢測系統的體系模型分為3個層次、4大功能，實現從物理層到協議鏈路層再到應用層，對GSM-R網絡進行全方位多層面測試，實現多項目同時檢測、多數據源融合及聯動分析等。系統對軟硬件設計和實現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，實現了對高速鐵路通信質量的全方位檢測和分析。通信檢測系統的體系模型見圖5，主要技術指標見表4。

表2 弓網檢測系統主要技術指標

圖4 輪軌動力學檢測系統構成

表3 輪軌動力學檢測系統主要技術指標

5 信號檢測系統

信號檢測系統以信號機靜態數據庫、應答器位置表等多種列控設計數據為基礎，通過多任務、多線程等處理方法，實現車載ATP、軌道電路、補償電容、不平衡回流、應答器及Um監測等多種檢測數據的綜合分析。為保證系統工作的可靠性及對設備運行工作情況監控，整個系統設計分為3層結構：（1）第一層由布置在1、8車的車底傳感器，車頂天線，車內信號采集、放大、調理、信令解析等檢測數據處理硬件單元等設備構成，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車內部的數據服務器等局域網設備構成，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、系統維護通信管理服務器、綜合智能分析服務器等設備構成，完成檢測結果顯示、系統工作狀態顯示、系統對外通信管理、檢測數據的綜合分析處理功能。信息檢測系統結構見圖6。

圖5 通信檢測系統體系模型

表4 通信檢測系統主要技術指標

圖6 信號檢測系統結構

信號檢測系統實現了高速條件下CTCS-3級列控系統固定設施的動態檢測，主要解決了CTCS-3級列控系統信號可靠采集、實時監測與分析技術，車-地報文監測分析技術，實現軌道電路電氣參數與傳輸特性、應答器上行鏈路信號特性、應答器報文、車-地報文、有砟與無砟道床條件下補償電容工作狀態、牽引回流及諧波、車載列控設備檢測、監測及綜合智能分析處理功能，滿足高速鐵路列控設備的聯調聯試、日常檢測維修和安全運營需求。其各項技術指標見表5。

6 綜合系統

綜合系統包括時空同步與校準、集中監控與局域網絡、視頻圖像采集處理及檢測結果綜合處理等系統，其主要功能如下。

（1）實時發布全列車統一的距離脈沖、時鐘脈沖信號，空間同步精度±0．5 mm，時間同步精度±5 μs，觸發位于不同平斷面的各檢測系統同步采集。

（2）實時發布列車統一的速度、時間和里程等信息，時間精度±1 ms，定位精度±2 m。

表5 信號檢測系統主要技術指標

（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，網絡自愈時間≤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，并且在數據庫中留下記錄，便于檢索。

綜合系統架構見圖7，各檢測系統分布于各車內，通過基于光纖通道和光電轉換器的3大傳輸網絡將各檢測系統連接起來，3大網絡分別為空間同步傳輸網絡、時空校準傳輸網絡和數據網絡。空間同步系統將速度傳感器（光電編碼器）產生的距離脈沖信號通過空間同步傳輸網絡傳輸到各車的檢測系統，觸發其采樣或進行距離計算；時空校準系統將定位信息源進行融合處理后，通過時空校準傳輸網絡實時發送到各車的檢測系統，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操作，時空校準系統的時間還需要通過數據網絡對各檢測系統進行時間上的統一；在數據網絡上，各節點的計算機或設備進行高清高幀視頻、大容量檢測數據、文件的交互，最終在數據綜合處理系統進行綜合分析和處理，并通過無線數據傳輸系統傳輸至地面數據綜合處理中心。

7 數據集成及綜合可視化分析系統

圖7 綜合系統架構

通過多專業檢測系統數據接口設計，實現多專業檢測數據的統一存儲管理集成技術和綜合處理分析技術，形成車載多專業檢測數據綜合處理分析系統，實現基于精確里程同步的多專業檢測數據透明訪問、綜合分析及歷史比對、多專業檢測集中操作、發送大值超限在線報警短信和車-地傳輸功能。

（1）統一存儲和管理軌道幾何、接觸網、動力學、通信、信號檢測大值報警數據，自動獲取軌道、接觸網檢測的大值報警數據，并同時向其他檢測系統提供數據接口，接收動力學、通信、信號檢測系統輸入的大值報警數據及附件數據。系統提供人工輸入、編輯各檢測專業的大值報警數據的界面，并具有編輯大值報警數據的附件數據功能，滿足各專業的檢測人員對數據交叉訪問和數據分析的需求。

（2）系統自動根據大值報警數據形成報警短信并由無線傳輸系統發送到指定的聯系人手機或終端設備中，提供短信發送狀態監視。同時能通過無線傳輸系統定時向地面數據中心轉發列車運行定位數據、大值報警數據、大值報警附件數據，并提供數據傳輸狀態監視。

（3）實時讀取軌道、輪軌力、車輛振動加速度、接觸網檢測產生的波形數據，并按里程同步顯示。可由用戶選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。可將用戶提供的工務設備臺賬信息導入，查詢顯示工務設備臺賬信息。能夠按5種不同比例顯示軌道、接觸網檢測波形，選擇通道測量任意兩點間的距離、查詢當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多次歷史檢測波形數據進行對比，最多可疊加4次。

（4）提供基于Web GIS的檢測數據綜合展示平臺。實時接收里程同步數據，并展示檢測列車的運行位置信息和當前檢測交路、檢測任務信息，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據。

（5）具備各檢測系統檢測數據超限大值的實時報警、信息發布功能。

8 其他系統

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

9 結束語

通過京滬高速鐵路先導段調試和驗證試驗，高速綜合檢測列車滿足高速鐵路基礎設施實時高精度檢測要求，最高檢測速度達到400 km/h。各檢測系統功能齊備，檢測數據的準確性、可靠性、檢測結果定位準確性、局域網絡帶寬、數據處理功能、車-地無線傳輸系統數據傳輸速率等各項技術指標達均到設計目標要求，滿足了新建高速鐵路聯調聯試、基礎設施裝備日常檢測及運用需要，為高速鐵路養護維修技術及安全運營提供了可靠的技術支撐。

王衛東：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，研究員，北京，100081

顧世平：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，副研究員，北京，100081

高利民：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，副研究員，北京，100081

張文軒：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，副研究員，北京，100081

魏世斌：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，研究員，北京，100081

田新宇：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，副研究員，北京，100081

任盛偉：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，研究員，北京，100081

責任編輯 苑曉蒙

U238；U273

A

0672-061X（2015）02-0011-06

鐵道部科技研究開發計劃項目（2008G003-B）。

所獲獎項：2014年度國家科學技術進步獎二等獎。