張茂軒 孫善超 楊 飛 孫加林 張玉華

(中國鐵道科學(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，建設(shè)完成后，長期養(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、長大坡道條件下鋼軌傷損等一系列問題，對基礎(chǔ)設(shè)施檢測工作提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

基礎(chǔ)設(shè)施檢測工作在我國高速、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)多維度時空變化的動態(tài)服役性能困難重重。同時，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)施檢測和養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)裝備已無法全面滿足極端條件下的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測需求，亟需研發(fā)一系列適用于極端條件下復(fù)雜艱險地區(qū)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能檢測裝備，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)施檢測需求

1.1 軌道幾何檢測需求

軌道檢測系統(tǒng)對極端條件下的鐵路軌道進(jìn)行動態(tài)檢測，需能夠全面掌握線路質(zhì)量狀態(tài)，指導(dǎo)工程人員針對性地養(yǎng)護(hù)維修，減少盲目性，降低維修成本；能夠及時發(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)地評價不同區(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，還需能夠在極端自然環(huán)境下具備無人值守功能，檢測項(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 車輛動態(tài)響應(yīng)檢測需求

1.2.1 全頻段車輛動態(tài)響應(yīng)信號采集需求

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態(tài)響應(yīng)信號，以及時發(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波不平順。

1.2.2 短波軌道病害智能識別需求

在較高的運(yùn)營速度下，軌道短波病害易通過輪對在軸箱上產(chǎn)生較大的振動響應(yīng)，增加軌道-車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷的概率，因此，軌道短波病害越來越受到人們的重視。軌道短波病害通常指波長 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。軌道幾何檢測系統(tǒng)的檢測波長通常在 3～120 m 之間，難以對上述軌道短波病害進(jìn)行有效檢測，需研究其它的診斷和動態(tài)評判手段。軌道短波病害產(chǎn)生的振動通過輪對直接傳遞到軸箱上，因此，軸箱的振動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，且軸箱加速度檢測設(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 中長波軌道病害智能識別需求

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系統(tǒng)僅能對軌道長波不平順做出診斷，對于路基沉降不均、路橋過渡段等存在的病害沒有系統(tǒng)性的評價，因此有必要利用車體加速度進(jìn)行深入挖掘，對路基沉降不均、路橋過渡段等存在的問題進(jìn)行檢測，進(jìn)而對傳統(tǒng)軌道幾何檢測系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。

1.3 接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測需求

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)在無外部擾動條件下靜止?fàn)顟B(tài)相對于軌道參考坐標(biāo)系的數(shù)值，主要用于施工驗(yàn)收和現(xiàn)場維修作業(yè)；接觸網(wǎng)幾何參數(shù)動態(tài)值是接觸網(wǎng)在受電弓滑動接觸作用下振動狀態(tài)相對于受電弓參考坐標(biāo)系的數(shù)值，主要用于評價接觸網(wǎng)的動態(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、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)。國內(nèi)外通常采用弓網(wǎng)接觸力、燃弧等參數(shù)評價弓網(wǎng)受流性能，在綜合檢測車、搭載式檢測設(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)動態(tài)電接觸環(huán)節(jié)將電能輸送到車內(nèi)動力環(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)，對于電接觸環(huán)節(jié)的不良作用點(diǎn)影響巨大，長時間作用會導(dǎo)致器件溫度升高并喪失機(jī)械強(qiáng)度，嚴(yán)重時造成承力索斷股、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)電回路無備用，絕緣配合十分脆弱，因此需重點(diǎn)進(jìn)行檢測、監(jiān)測。

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)營經(jīng)驗(yàn)和故障統(tǒng)計，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)對外部環(huán)境的檢測、監(jiān)測。

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)生故障時難以準(zhǔn)確定位，且故障分析多依靠跳閘固標(biāo)、司機(jī)報告等，缺少必要的檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)有鐵路綜合視頻設(shè)置間隔較大，相機(jī)技術(shù)參數(shù)無法滿足對接觸網(wǎng)狀態(tài)的監(jiān)測，因此需設(shè)計針對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 通信檢測需求

1.4.1 鐵路專用移動通信網(wǎng)絡(luò)

目前，我國新建鐵路移動通信主要采用GSM-R系統(tǒng)，其承載了調(diào)度語音通信、列控信息、機(jī)車同步操控信息、調(diào)度命令、無線車次號、車載設(shè)備監(jiān)測信息傳送等業(yè)務(wù)。GSM-R為第二代窄帶移動通信系統(tǒng)，承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時的吞吐量和數(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。

第五代移動通信技術(shù)(簡稱5G或5G技術(shù))是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)。近年來，在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織及各國政府與運(yùn)營商的努力下，5G 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程不斷加速，中美日韓及歐洲一些國家5G 頻譜規(guī)劃相繼出臺，全球大多數(shù)主流運(yùn)營商已經(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線通信的發(fā)展方向，可將5G-R技術(shù)作為鐵路下一代無線移動通信系統(tǒng)技術(shù)制式，應(yīng)用于鐵路正線連續(xù)廣覆的場景，毫米波技術(shù)可應(yīng)用于站場、樞紐和其他局部地區(qū)。

1.4.2 多制式綜合承載傳輸平臺

極端自然條件下，各類業(yè)務(wù)對無線通信傳輸帶寬、實(shí)時性、安全性、可靠性等存在多維度、差異化的需求，采用單一運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，無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，對下允許接入多種不同制式、不同運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)；對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示意如圖1所示。

圖1 極端條件下鐵路綜合承載傳輸平臺示意圖

1.5 信號檢測需求

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)營人員駐守困難，維護(hù)人員到達(dá)艱難。信號系統(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，滿足動車組(包括動力集中動車組)和內(nèi)燃、電力等機(jī)車運(yùn)行控制需求。軌旁信號設(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)星信號狀況配置少量無源應(yīng)答器，用于列車定位、等級轉(zhuǎn)換等；(2)車站根據(jù)站場規(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，鐵路信號設(shè)備檢測需求主要包括軌旁應(yīng)答器動態(tài)檢測和列控車載設(shè)備監(jiān)測。

1.6 綜合巡檢需求

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

(1)高原地區(qū)太陽輻射強(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，對路基病害的檢測是鐵路綜合巡檢的重要問題。

(3)鐵路隧道占比大，檢測需求更為突出。

(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)施智能檢測保障技術(shù)

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

2.1.1 軌道幾何

軌道幾何檢測系統(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 軌道檢測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)表

極端條件下，鐵路軌道檢測設(shè)備研制的基本技術(shù)方案為：在運(yùn)營車或檢測車車體設(shè)備倉安裝檢測梁，以檢測梁作為慣性基準(zhǔn)，將慣性傳感器集成，采用嵌入式微處理板卡實(shí)時同步采集多路傳感器數(shù)據(jù)，通過實(shí)時數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號傳輸。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，能選擇不同截止波長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，軌道檢測系統(tǒng)需采用新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將所有測量用的傳感器都安裝在車體下方，由檢測梁、激光攝像組件、集成式慣性組件、嵌入式數(shù)據(jù)處理計算機(jī)和嵌入式圖像處理計算機(jī)組成。這種結(jié)構(gòu)在保證檢測精度的情況下，極大地簡化了系統(tǒng)，同時能滿足惡劣環(huán)境條件下的安裝需求，使檢測系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低系統(tǒng)故障率。

2.1.2 車輛動態(tài)響應(yīng)

軌道狀態(tài)通過輪對傳遞到車輛上，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態(tài)響應(yīng)可識別不同波長的軌道不平順病害。

(1)短波軌道病害智能識別

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

(2)中長波軌道病害智能識別

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

(3)道岔狀態(tài)智能評價

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)檢測困難，需研究基于多源檢測數(shù)據(jù)的道岔狀態(tài)綜合評價方法。

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

基于橋梁狀態(tài)劣化評定標(biāo)準(zhǔn)，建立橋梁精準(zhǔn)檢測信息模型，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)計由快速檢測、數(shù)據(jù)管理、理論分析和評價階段4個階段組成，如圖4所示。

圖4 極端條件下鐵路隧道設(shè)施智能檢測保障系統(tǒng)圖

(1)快速檢測階段

運(yùn)用快速檢測設(shè)備對極端條件下鐵路隧道進(jìn)行周期性檢測，對采集到的數(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、施工、竣工資料和隧道檢測資料等，并研究隧道病害或缺陷量化評定指標(biāo)。依據(jù)隧道地質(zhì)水文狀況和檢測結(jié)果評定指標(biāo)，對隧道狀態(tài)進(jìn)行評定，評定結(jié)果正常則進(jìn)入下一個檢測周期，若評定結(jié)果為病害對隧道穩(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，則必須對隧道缺陷或病害進(jìn)行監(jiān)測，并對隧道水文、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。結(jié)合檢測結(jié)果與理論計算，建立隧道模型進(jìn)行有限元計算，依據(jù)計算和試驗(yàn)結(jié)果，建立隧道健康狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)體系，對隧道狀態(tài)進(jìn)行評價。

(4)評價階段

綜合以上階段數(shù)據(jù)，建立隧道結(jié)構(gòu)安全評價標(biāo)準(zhǔn)，對隧道安全進(jìn)行評價，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、無人操作、設(shè)備易于維護(hù)、鋼軌狀態(tài)評價等能力[12-17]?；谏鲜鲆蛩兀瑯O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

大型鋼軌探傷車檢測速度快，檢測效率高，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需以鋼軌探傷車檢測為主，少用或不用鋼軌探傷儀。

(2)確保檢測傷損定位準(zhǔn)確

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

(3)鋼軌檢測數(shù)據(jù)時空融合分析

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

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、接觸網(wǎng)檢測、軌旁設(shè)備檢測、限界檢測等，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險隱患，并有針對性地進(jìn)行處理。

(1)高原鐵路圖像檢測技術(shù)

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

(2)鐵路高精度點(diǎn)云智能處理技術(shù)

二維圖像檢測方法無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，其具有自動化程度高、作業(yè)時間短、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)量檢測新技術(shù)迫在眉睫?；谌斯ぶ悄芗夹g(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)檢測技術(shù)

2.2.1 動態(tài)檢測

動態(tài)檢測主要是以專業(yè)檢測車和運(yùn)營列車為平臺，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)狀態(tài)的快速高效檢測，解決接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測量、外觀狀態(tài)巡檢、弓網(wǎng)相互作用參數(shù)評價、主導(dǎo)電回路及絕緣狀態(tài)檢測等[22]。

(1)高速動態(tài)檢測技術(shù)

高速綜合檢測列車以動車組或運(yùn)營列車為平臺，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)等速檢測，日常運(yùn)營檢測每10～15 d/次，檢測參數(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，綜合多專業(yè)檢測功能，其接觸網(wǎng)部分具有對接觸網(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)營列車的搭載式檢測技術(shù)

在運(yùn)營列車、動車組等載體上安裝搭載式安全監(jiān)測裝置，用于對供電接觸網(wǎng)運(yùn)用狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，要滿足每條線3次/d以上的檢測要求。車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測裝置(3C)主要對接觸網(wǎng)及受電弓狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時動態(tài)檢測，監(jiān)測預(yù)警異常狀態(tài)，用于接觸網(wǎng)實(shí)時動態(tài)檢測和巡視檢查。3C裝置能反映實(shí)時弓網(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

在電氣化鐵路的局界、段界、聯(lián)絡(luò)線、動車組(電力機(jī)車)出入庫區(qū)、車站等處安裝受電弓滑板狀態(tài)檢測裝置，用于監(jiān)測受電弓滑板的技術(shù)狀態(tài)，及時發(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)測裝置，監(jiān)測接觸網(wǎng)振動特性、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)測數(shù)據(jù)通過有線或無線方式進(jìn)行實(shí)時傳輸，發(fā)現(xiàn)異常及時報警。

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

2.3.1 通信

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

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

通過對鐵路新一代無線通信系統(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)的無線場強(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)等檢測參數(shù)和檢測方法，建立5G-R網(wǎng)絡(luò)的檢測規(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)營商網(wǎng)絡(luò)在鐵路沿線的無線場強(qiáng)覆蓋、上下行數(shù)據(jù)傳輸速率及吞吐量業(yè)務(wù)等檢測技術(shù)和檢測標(biāo)準(zhǔn)。

(3)衛(wèi)星通信網(wǎng)智能檢測技術(shù)

衛(wèi)星通信為極端條件下鐵路的后備通信模式，需定期對其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)檢測。同時，極端條件下，鐵路可能采用完全基于無線的移動閉塞列車控制系統(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)星信號質(zhì)量也需進(jìn)行動態(tài)檢測。因此需開展衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的智能檢測技術(shù)研究。

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

為提高鐵路無線通信的可靠性，極端條件下將采用多制式、多運(yùn)營商的無線通信網(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)營商使用的無線電頻率不同，不同頻率的無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線電傳輸環(huán)境復(fù)雜，必然會造成不同信號間的干擾影響。因此，需研究多制式無線網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境智能檢測技術(shù)，在空間和時間上進(jìn)行劃分，優(yōu)化鐵路整體無線電磁環(huán)境。

(5)隧道內(nèi)通信設(shè)備巡檢智能檢測技術(shù)

目前，鐵路隧道內(nèi)的無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個中繼站，中間區(qū)域通過漏泄電纜進(jìn)行連接。每月要對漏纜徑路進(jìn)行檢查，每年對漏纜吊掛件、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)對隧道內(nèi)通信設(shè)備外觀狀態(tài)的拍攝，采用圖像自動識別方式發(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

極端條件下，區(qū)間信號系統(tǒng)設(shè)備故障難以及時得到維修，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實(shí)現(xiàn)。鐵路信號檢測技術(shù)應(yīng)包括地面應(yīng)答器檢測、車載無線通信接口監(jiān)測和車載ATP/ATO運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測。極端條件下，鐵路信號智能檢測技術(shù)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 極端條件下鐵路信號智能檢測技術(shù)架構(gòu)圖

(1)地面應(yīng)答器智能檢測技術(shù)

應(yīng)答器動態(tài)檢測應(yīng)實(shí)現(xiàn)對有源及無源應(yīng)答器報文數(shù)據(jù)、電氣接口參數(shù)和外觀狀態(tài)的檢測。采用射頻分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對檢測用BTM裝置下行信號和應(yīng)答器上行信號各參數(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)對應(yīng)答器外觀破損、螺栓松動等問題的智能識別。通過大量動態(tài)數(shù)據(jù)的趨勢分析，提前發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不良的應(yīng)答器，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)答器設(shè)備的壽命預(yù)測。

(2)車載無線通信接口智能監(jiān)測

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

(3)車載ATP/ATO運(yùn)行監(jiān)測

ATP/ATO運(yùn)行監(jiān)測包括車載電臺與車載ATP/ATO間的數(shù)據(jù)接口監(jiān)測和ATP/ATO設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測。實(shí)現(xiàn)對車載ATP/ATO與地面控車設(shè)備各層之間的消息交換及對車載列控設(shè)備記錄單元數(shù)據(jù)的實(shí)時記錄和分析，監(jiān)測車載設(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

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動脈，研究極端條件下鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能檢測保障技術(shù)，對于促進(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、無人化、搭載式、便維修、適應(yīng)和可靠性強(qiáng)的檢測設(shè)備，對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。