鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全壽命檢測技術(shù)與發(fā)展

牛道安

（中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

2019年底，我國鐵路營業(yè)里程達到13.9萬km，其中高速鐵路3.5萬km。中國已經(jīng)擁有世界上建設(shè)和運營規(guī)模最大的高速鐵路交通網(wǎng)絡(luò)，成為世界上高速鐵路運營里程最長、在建規(guī)模最大、商業(yè)運營速度最高、運營場景最豐富的國家。面對如此龐大復雜的路網(wǎng)規(guī)模，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測一直以來都是鐵路安全體系中重要的組成部分，是鐵路安全運行的保障和科學指導線路養(yǎng)護維修的重要依據(jù)。

近年來，伴隨著高速鐵路的建設(shè)和運營規(guī)模不斷加大，各專業(yè)檢測監(jiān)測技術(shù)得到飛速發(fā)展，研發(fā)形成了以高速綜合檢測列車、綜合巡檢車為代表的先進檢測裝備，構(gòu)建起供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C）、工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測監(jiān)測系統(tǒng)（8M）和電務(wù)安全監(jiān)控系統(tǒng)（8D），逐漸探索形成了具有自身特點的檢測監(jiān)測技術(shù)體系，為及時掌握基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)和演化規(guī)律、科學指導養(yǎng)護維修提供了重要支持［1-3］。

從新線運營前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段開始，到工務(wù)、電務(wù)、供電設(shè)備長期的運營服役期，乃至設(shè)備大修更新改造，我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測貫穿于基礎(chǔ)設(shè)施運維全壽命周期管理的各個環(huán)節(jié)當中。當前，隨著鐵路領(lǐng)域修程修制改革和運維智能化的提出，我國鐵路按照“資源集中、統(tǒng)一管理、綜合應(yīng)用”原則，推進檢測監(jiān)測設(shè)備的規(guī)范化、綜合化，實現(xiàn)功能融合，對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測技術(shù)和管理水平提出了更高要求。

1 聯(lián)調(diào)聯(lián)試

聯(lián)調(diào)聯(lián)試是高速鐵路建設(shè)的重要組成部分，也是開通運營前的必要環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)采用測試列車和相關(guān)檢測設(shè)備，對各系統(tǒng)的功能、性能、狀態(tài)和系統(tǒng)間匹配關(guān)系進行綜合檢測、驗證、調(diào)整和優(yōu)化，使整體系統(tǒng)達到設(shè)計要求，對確保滿足開通運營條件發(fā)揮了重要作用［4］。

自2008年以來，通過技術(shù)探索和工程實踐，我國已形成了以聯(lián)調(diào)聯(lián)試、動態(tài)檢測及運行試驗為主要內(nèi)容的高速鐵路動態(tài)驗收模式，構(gòu)建了科學系統(tǒng)的評價指標，建立了符合高速鐵路建設(shè)特點的聯(lián)調(diào)聯(lián)試成套技術(shù)體系［5］。

在新建線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段須對基礎(chǔ)設(shè)施進行全專業(yè)測試，覆蓋工務(wù)工程、牽引供電、通信信號等專業(yè)及周邊環(huán)境，對各專業(yè)設(shè)備的主要技術(shù)指標及服役狀態(tài)進行全面測試，從而準確發(fā)現(xiàn)問題和隱患，為建設(shè)單位和運營單位及時解決問題、整治隱患提供重要技術(shù)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過10余年的探索，聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)也在向智能化發(fā)展，實現(xiàn)了聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)的自動采集、無線傳輸、智能評判和綜合分析。聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試數(shù)據(jù)還作為新建線路的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，綜合聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)及日常運營檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行時間序列的聯(lián)合，運用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、機器學習、專家系統(tǒng)等手段，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的故障智能診斷及趨勢變化分析，為基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期健康管理提供數(shù)據(jù)支撐。圖1是我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)展示界面。

圖1 聯(lián)調(diào)聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)展示界面

聯(lián)調(diào)聯(lián)試概況

2 運營期檢測

2.1 檢測管理概況

為保障運營期鐵路運營安全，我國建立了檢測中心、工電檢測所和站段檢測機構(gòu)三級檢測管理體系，采用動態(tài)檢測、重點監(jiān)測和人工檢查相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮了動態(tài)檢測高效、重點監(jiān)測全時的特點。檢測中心組織運用高速綜合檢測列車和專業(yè)檢測車對全部高速鐵路線路進行周期性檢測和普速鐵路重點線路進行監(jiān)督性檢測；鐵路局檢測所運用專業(yè)檢測車重點對普速鐵路開展周期性檢測；站段檢測機構(gòu)運用綜合巡檢車以及搭載式和便攜式檢測設(shè)備開展動態(tài)檢測和人工檢查，并運用各類監(jiān)測設(shè)備對鐵路重點設(shè)備運用狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

自2008年京津城際開通以來，伴隨高速鐵路運營里程的迅速增長，全國高速鐵路綜合檢測里程（年）呈增長趨勢（圖2），由2008年的40萬km持續(xù)增長，至2019年達到190萬km。隨著高速鐵路工程質(zhì)量及工務(wù)整治水平的提高，運營期內(nèi)大值偏差數(shù)量呈明顯下降趨勢（圖3），從各項指標來看我國高速鐵路總體運行狀態(tài)保持良好的態(tài)勢。

圖2 高速鐵路綜合檢測里程

2.2 檢測裝備和技術(shù)

當前，我國鐵路工務(wù)專業(yè)動態(tài)檢測裝備主要包括高速綜合檢測列車、綜合巡檢車、軌檢車、探傷車和搭載式監(jiān)測設(shè)備。其中高速綜合檢測列車和綜合巡檢車是近年來取得突破性發(fā)展、最具代表性的工電供一體化檢測裝備。

圖3 高速鐵路軌道幾何百公里大值偏差數(shù)量

高速綜合檢測列車是高速鐵路運行狀態(tài)全壽命檢測的重要的移動檢測設(shè)備，日、德、法等高速鐵路發(fā)達國家均采用高速綜合檢測列車對高速鐵路線路進行周期性檢測，全面掌握基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)。我國自高速鐵路建設(shè)初期就開始了高速綜合檢測列車的研發(fā)，2008年成功研制了檢測速度250 km/h的0號高速檢測列車，2011年成功研制了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)最高檢測速度400 km/h的高速綜合檢測列車。目前全路已擁有14列高速綜合檢測列車，檢測速度范圍250～400 km/h，主要用于運營線周期性檢測、新線聯(lián)調(diào)聯(lián)試和科學試驗等［6］。

高速綜合檢測列車以動車組為載體，按運營速度等速檢測線路的軌道幾何狀態(tài)、接觸網(wǎng)狀態(tài)和參數(shù)、車輛輪軌作用力和振動加速度、通信和信號系統(tǒng)關(guān)鍵指標以及監(jiān)視線路周邊環(huán)境（圖4）。綜合系統(tǒng)利用RFID，GPS，LKJ等多種信息源的融合處理，獲取準確的線路里程信息，通過全車統(tǒng)一同步網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)各專業(yè)檢測時間和空間的同步。

圖4 綜合檢測車技術(shù)

綜合巡檢車在120～160 km/h軌道車上安裝檢測設(shè)備，采用機器視覺和深度學習等智能識別技術(shù)，實現(xiàn)工務(wù)、供電和電務(wù)三大專業(yè)關(guān)鍵部件的外觀狀態(tài)巡檢。針對鐵路工電供一體化檢測需求，構(gòu)建了適用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)巡檢的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能感知模型，并在高速鐵路綜合巡檢車成功運用，實現(xiàn)了以機器替代人工的巡檢方式，大幅提高了檢測勞動生產(chǎn)力。通過對基礎(chǔ)設(shè)施缺陷圖像進行學習，實現(xiàn)了對部分典型缺陷的精確識別，進一步提高了巡檢的智能化水平和巡檢效率，并且實現(xiàn)了由開放式巡視變?yōu)榭勺匪輽z測、由經(jīng)驗管理變?yōu)閿?shù)據(jù)管理的提升。其檢測數(shù)據(jù)的進一步融合分析還將為狀態(tài)修提供更加客觀準確的數(shù)據(jù)支持［7］。巡檢圖像智能識別模型如圖5所示。

圖5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巡檢圖像智能識別模型

3 數(shù)據(jù)分析管理與運用

1）數(shù)據(jù)歸集與管理

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測數(shù)據(jù)多源異構(gòu)且體量龐大，為保障鐵路安全、平穩(wěn)、高效運行并達到基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修高效、經(jīng)濟的目標，我國鐵路于2012年建立了檢測數(shù)據(jù)分析處理中心，為全路基礎(chǔ)設(shè)施檢測數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的存儲和管理平臺。數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)了周期動態(tài)檢測、現(xiàn)場人檢查、固定在線監(jiān)測和養(yǎng)護維修作業(yè)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實時收集與接入，并進行數(shù)據(jù)的里程校準、無效數(shù)據(jù)識別、數(shù)據(jù)質(zhì)量評估等，完成了檢查數(shù)據(jù)匯集與存儲管理和數(shù)據(jù)清洗工作。

數(shù)據(jù)中心構(gòu)建了“檢測中心-鐵路局”兩級分布式數(shù)據(jù)平臺，通過各級數(shù)據(jù)匯集、交互，形成全路檢測數(shù)據(jù)資源目錄，實現(xiàn)全路檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和共享。

2）檢測數(shù)據(jù)分析運用

根據(jù)地面數(shù)據(jù)中心歸集管理的全路基礎(chǔ)設(shè)施檢測數(shù)據(jù)以及設(shè)備基礎(chǔ)臺賬數(shù)據(jù)、養(yǎng)護維修歷史數(shù)據(jù)，定期對高速鐵路線路基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量狀態(tài)開展均衡性和趨勢性分析，診斷識別典型問題并跟蹤整治情況，形成各類專項分析報告，為國鐵集團和鐵路局提供決策支持。

3）大數(shù)據(jù)分析

通過海量歷史數(shù)據(jù)和多源數(shù)據(jù)開展檢測大數(shù)據(jù)深度挖掘，進行設(shè)備質(zhì)量評價和設(shè)備狀態(tài)變化趨勢分析（圖6、圖7），掌握設(shè)備變化規(guī)律，進行病害成因分析，運用預測與決策技術(shù)，進行故障預測，給出維修建議，指導基礎(chǔ)設(shè)施“狀態(tài)修”和“精準修”。

圖6 無砟軌道變形分析

圖7 鋼軌波浪磨耗識別

4 建議與展望

伴隨著新一輪科技革命，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能以及傳感技術(shù)飛速發(fā)展，必將催生檢測監(jiān)測技術(shù)新的變革。面對機遇和挑戰(zhàn)，如何將現(xiàn)代傳感技術(shù)和信息技術(shù)與高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測工作深度融合，提高檢測設(shè)備自動化、智能化水平？如何充分運用大數(shù)據(jù)技術(shù)，認知和掌握高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)變化規(guī)律，科學制定針對性的維修策略，提升養(yǎng)護維修的預見性、精準性、經(jīng)濟性？如何發(fā)揮高價值移動檢測設(shè)備運用效能、推動檢測資源集約化使用，降低檢測裝備對運輸資源的占用？如何推進智能高速鐵路戰(zhàn)略？這些問題都對檢測監(jiān)測技術(shù)發(fā)展提出迫切要求。

1）完善基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測體系

應(yīng)根據(jù)“以運維需求為導向，實施全面檢測、科學分析、準確評價、超前預警，指導精準維修”的構(gòu)建原則，完善基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測體系。重點做到以下幾點：動態(tài)為主、靜態(tài)為輔，提高勞動生產(chǎn)率；解決高速鐵路關(guān)鍵突出問題，普速鐵路推行精準維修；加強周邊環(huán)境檢測監(jiān)測；實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、共享應(yīng)用，發(fā)揮數(shù)據(jù)價值；實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合分析，提高安全預警準確性；豐富評價指標，完善基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)評價體系；優(yōu)化檢測機構(gòu)，加強專業(yè)數(shù)據(jù)分析隊伍建設(shè)。

2）推進檢測裝備統(tǒng)型融合和智能化發(fā)展

融合軌道、接觸網(wǎng)、電務(wù)專業(yè)檢測設(shè)備，豐富檢測功能和指標，形成適用于普速鐵路的綜合檢測車列，實現(xiàn)對普速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的多專業(yè)綜合檢測；研發(fā)無人值守等軸重貨運線路綜合檢測車和貨運線路結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測車；研究搭載式監(jiān)測設(shè)備和車輛的融合技術(shù)，實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備高可靠、易維護、檢測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)裙δ?，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)高頻度安全監(jiān)測。

3）建設(shè)檢測數(shù)據(jù)管理和分析共享平臺

依托國鐵集團大數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建全路共享通用的基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和智能化分析平臺，形成區(qū)塊鏈接、互聯(lián)互通、上下貫通的數(shù)據(jù)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)國鐵集團、鐵路局、站段三級管理架構(gòu)可共享共用的數(shù)據(jù)管理分析平臺，破除數(shù)據(jù)壁壘，化解信息孤島，提升數(shù)據(jù)管理的信息化水平。加快大數(shù)據(jù)技術(shù)在檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用，加強大數(shù)據(jù)挖掘和深度分析力度，豐富數(shù)據(jù)分析方法，實現(xiàn)設(shè)備故障診斷和預判預警功能，為基礎(chǔ)設(shè)施預防性狀態(tài)修和精準維修提供科學管理和維修決策支持。

4）深化基礎(chǔ)設(shè)施多源數(shù)據(jù)智能分析應(yīng)用

要融入大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)手段充分挖掘數(shù)據(jù)價值，開展病害知識表征研究，基于大數(shù)據(jù)樣本建立典型病害的知識圖譜；研究數(shù)據(jù)和機理驅(qū)動的混合建模技術(shù)，實現(xiàn)軌檢等時序數(shù)據(jù)的智能分析，提高結(jié)構(gòu)健康的綜合診斷和預測能力；借助智能圖像挖掘算法實現(xiàn)機器為主、人工為輔的病害分析和診斷；針對高速鐵路長期運行出現(xiàn)新的病害和問題，研究建立新的評價方法，完善評價體系；研究基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期管理分析平臺的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)全壽命周期的健康管理。