杨飞，曾宪海，黎国清，田新宇，许阶

(1.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京 100081;2.中国铁路总公司运输局，北京 100866; 3.北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081)

高速铁路工务基础设施状态检测与监测系统的研究

杨飞1，曾宪海2，黎国清1，田新宇1，许阶3

(1.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京 100081;2.中国铁路总公司运输局，北京 100866; 3.北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081)

为保证工务设备及施工作业的安全，应构建能够及时发现并早期预警线路设备故障及沿线环境影响的高速铁路工务基础设施状态检测与监测系统。该系统可对轨道、钢轨、路基和重点桥隧的状态进行检测与监测，对道口、环境灾害、工务机械车运行和施工作业安全加以监控，并利用数据集成平台对数据集中管理、共享和综合分析，为工务设备安全监测与管理提供信息服务。论述了该系统的内容、功能及可行性。

高速铁路 基础设施状态 检测与监测

1 概述

高速铁路对工务基础设施各类设备的安全以及沿线环境状态提出了更高的要求。为及时发现线路设备故障、环境影响和施工作业隐患，保障行车安全，应构建高速铁路工务基础设施状态检测与监测系统，强化早期故障诊断。

近些年来，随着微电子、传感器等技术的提高，检测与监测设备的功能也得到了很大提升，高速铁路检测与监测技术开始由低集成度、分项目的单项检测逐步发展为高度集成、多项目的综合检测。

发达国家经过多年的研究，已经逐步建成了综合检测与监测—科学评估—辅助维修的工务检测维修管理体制，普遍采用检测车对轨道几何、钢轨磨耗、表面伤损、波浪磨耗，线路限界，道床、路基、隧道衬砌、桥梁状态等进行检测。同时，在地面安装监测设备监控列车的运行状态，并在地面建立综合数据分析和诊断中心，对检测数据和维修信息进行综合分析处理，制订养护维修计划，为管理者的决策提供参考。英国路网公司开发了多种用于基础设施、设备状态检测的专业检测车，如轨道故障诊断车、超声波钢轨探伤车、限界检测车等，用于对铁路工务状态进行检测和管理，并建立了工程支持中心，对英国铁路工务基础设施进行全生命周期的管理，指导养护维修;意大利铁路基础设施检测及维修公司采用阿基米德号综合检测列车对铁路进行检测，同时，建立国家铁路基础设施数据诊断中心对铁路基础设施数据进行管理、预测分析和决策支持，并与经济资源规划数据库相连，以便对铁路基础设施进行更有效的管理和决策;德国路网公司对线路的轨道几何状态、限界、钢轨伤损等进行检测，并建立了工务管理信息系统，对集中存储的轨检数据、钢轨探伤数据和波浪磨耗数据等进行综合分析，指导线路的养护维修。

我国也研发了多种用于基础设施设备状态检测的检测车，如高速综合检测列车、钢轨探伤车、工务巡检车、隧道检查车等，用于对轨道几何、轮轨力、钢轨伤损、扣件状态、隧道衬砌状态、限界等进行检测，地面也安装了断轨监测设备、桥梁健康监控系统、沉降自动化监测系统、风雨雪监测设备等，监控基础设施设备的安全。但我国的各种检测设备或系统之间相互独立，种类繁多，数据格式不统一，数据中心不能做到数据的集中管理，无法进行综合分析和后期养护维修预测，不利于安全风险源的识别、研判和防控。因此，急需要构建高速铁路工务基础设施状态检测与监测系统。

2 系统组成与总体功能

高速铁路工务基础设施状态检测与监测系统组成如图1所示。该系统是在前期各种检测设备运行基础上，通过完善功能、技术集成，形成完整的平台化的系统。其目的是对高速铁路的工务基础设施状态进行全方位、全覆盖、全天候的检测、监测和数据综合运用，具备了检测、监测、数据交互、数据存储、综合分析、数据发布等功能。

高速铁路工务基础设施检测与监测系统既包括车载系统又包括地面分散系统，点多面广，因此需要建设检测与监测信息网络来实现工务基础设施各类设备状态的自动收集和集中管理，建成分散检测、集中报警、网络监测、信息共享的工务检测与监测数据集成平台。各类设备必须遵照统一的接口、数据格式和通信协议，实现与数据集成平台的数据交互。集成平台对各系统数据进行集成、综合分析、信息共享，为工务管理决策部门和维修部门服务。

图1 高速铁路工务基础设施状态检测与监测系统组成

3 单项设备组成和功能

3.1 轨道状态检测与监测设备

①在轨道检查车、高速综合检测列车上安装轨道几何状态检测设备、轮轨动力学检测设备和车辆动态响应检测设备来对轨道几何状态、车辆动态响应等进行动态检测;②在轨道加载检测车上安装轨道刚度检测设备对轨道刚度、结构变形等进行动态检测;③在运营车辆上安装车载式线路检查仪，或添乘人员携带便携式线路检查仪，对车体加速度进行动态检测;④采用地面监测设备对特殊区段无缝线路锁定状态、道岔和伸缩调节器状态、轨道结构变形等进行在线监测。

3.2 钢轨状态检测与监测设备

①采用巡检车和探伤车上的轨道巡检设备对钢轨的表面状态、钢轨轮廓等进行动态检测;②采用钢轨探伤车、探伤仪对钢轨内部伤损进行检测;③采用钢轨探伤车、探伤仪对钢轨顶面裂纹进行检测;④在探伤车、轨检车上安装钢轨波浪磨耗检测设备对钢轨波浪磨耗进行动态检测;⑤采用钢轨断轨监测设备对钢轨完整性进行监测，实现钢轨折断的实时预警和报警。

3.3 路基状态检测与监测设备

①采用探地雷达探测设备对道床路基厚度、密实度、含水异常、翻浆冒泥、道砟囊、道床脏污、基床下沉等病害进行检测;②路基沉降监测设备的主要功能是监测路基的沉降处所和沉降量;③边坡稳定性监测设备主要监测路堑边坡、崩塌落石、护墙开裂、危岩坍塌、隧道进出口仰坡等危险处所。

3.4 重点桥隧状态监测设备

①在桥梁结构上安装桥梁监测系统，监测结构的动应力、振幅、挠度、支座位移、行车状态、环境等，并能根据监测到的数据自动分析，从而对桥梁的状态进行评估;②采用水文监测系统，掌握河流的流速、水位、水深及河流冲刷情况;③通过地质雷达对隧道衬砌结构加以检测，掌握隧道衬砌结构的厚度、衬砌内部空洞及疏松、衬砌后部空洞、钢筋分布等;④通过表面三维或二维成像技术，分析隧道表面的裂缝、剥离掉块、渗水等缺陷;⑤采用隧道衬砌裂缝监测系统，监测隧道衬砌裂缝发展情况;⑥采用测力传感器，监测衬砌内部、钢拱架或围岩的应力和水压力状态。

3.5 道口监控设备

道口监控设备能够对道口有效、准确、实时监测，为道口管理人员和列车司机提供报警、预警信息，实时显示并存储通过道口的车辆和行人以及道口工作人员的视频信息。

3.6 环境灾害监测设备

对高速铁路沿线风、雨、雪、地震、限界及异物侵入能够有效、准确、实时监测，为调度指挥及维护管理提供报警、预警信息。

3.7 工务机械车运行监测设备

①防火监测设备主要用于监测工务机械车的司机室、操作室、发动机间等关键位置的工作环境温度，防止发生火灾;②视频检测设备实时视频监视和记录工务机械车的车前车后端、司机室、操作室、动力间和主要作业机械部位的工作状态;③轴温监测设备通过安装在车轴不宜打开检查的轴箱的温度传感器，监测并记录轴箱温度;④防撞监测设备分为两类:工作装置防撞监测是采用激光测距、无线测距、限位传感器等手段，测量铁路设施与工务机械车工作装置的相对位置，监测工作装置的作业限界，判断是否会发生碰撞;车与车间防撞监测是通过测量工务机械车之间的距离，结合车辆行驶的速度，判断是否会发生碰撞;⑤超速监控设备通过实时监控车辆运行的速度、车况、地面轨道信号灯等信息判断车辆是否超速行驶。

3.8 施工作业安全监控设备

①借助先进成熟的地理信息系统、全球定位系统和移动通信技术，实现工务作业的定位跟踪和数据回传，可为安全生产管理和应急故障处理等提供技术支持;②使用具备摄像功能的移动终端，综合移动通信、终端软件远程控制等技术，实现对路外施工、防洪区段、现场作业等现场环境的实时监控，可为安全生产管理、应急故障处理等提供实时可视化支持;③借助远距离无线通信技术获取列车位置信息，为工务现场作业防护提供信息预警;④利用二维码图像扫描识别技术在上道作业和作业结束下道前点验人员、机具和主要材料，加强上线作业安全管理，避免机具和材料遗漏。

4 网络组成

工务检测与监测网络应纳入铁路信息网络，并符合铁路信息网络安全有关规定，其总体结构如图2所示。

图2 检测与监测信息网络总体结构

总公司、铁路局信息网络局域网由外部服务网、内部服务网和安全生产网组成，工务段信息网络局域网由内部服务网和安全生产网组成。工务检测与监测网络应包括总公司、铁路局、工务段检测与监测中心局域网、检测与监测中心广域网接入、网络安全、网络布线等内容。工务安全监控系统监测信息流程设计为:①现场监测点将实时采集、监测到的各种数据信息发送到段监控中心;②段检测与监测集成平台汇总各监测点、移动检测设备上传的检测与监测及设备状态数据，并发送到段监控终端;③段监控终端接收到传递来的监测、报警、预警及设备状态信息后，按不同警告等级，通知业务部门及时处理，并反馈处理结果，上报铁路局检测与监测集成平台;同时，段检测与监测集成平台对现场监测点设备工作状态实行远程监控，及时报警并发出维修信息。

5 工务检测与监测数据集成平台

工务检测与监测数据集成平台负责高速铁路工务基础设施的检测与监测数据集中存储、处理、发布展示，为工务生产提供决策支持。工务检测与监测数据集成平台分为总公司—路局—工务段三级架构，工务段级集成平台负责收集各类生产检测与监测数据，并向局级集成平台和总公司集成平台上报各类汇总数据;局级集成平台接收总公司集成平台下达的各类信息，并转发给相关段级集成平台;总公司集成平台汇集全路上传的各类报警、设备故障、处理等信息，集中存储。

集成平台存储和处理的数据类型多、结构复杂，系统用户专业多样化、需求复杂，需要有高可扩展性、易用性、高性能、稳定性。系统采用B/S架构，总公司集成平台系统由数据库、WEB服务器、网络设备和监控终端构成;局级集成平台由检测数据录入设备、数据库、WEB服务器、网络设备和监控终端构成;段级集成平台由设置在段管内线路上的若干现场监测点上的各类固定监测设备、数据传输单元、数据库和WEB服务器组成。

在铁路总公司、铁路局、各基层站段及车间设立用户终端，工务管理、检修人员通过终端上传、下载、浏览各类检测与监测数据，以满足不同部门对设备进行管理维修的需求。

6 总结

为了保障高速铁路运行安全，预防和避免工务设备故障和沿线环境事故发生，以及把控施工作业安全，需要建立集检测与监测、控制和管理于一体的网络化、智能化高速铁路工务基础设施检测与监测系统。其主要包括轨道、钢轨、路基、重点桥隧状态的检测与监测，以及道口(用于普速)、环境灾害、工务机械车运行、施工作业安全监测、监控等，并利用数据集成平台形成数据的集中管理、共享和综合分析，为工务管理部门和作业、维修部门提供安全监测与管理信息服务，以期达到及时发现和早期预警线路设备故障、环境影响，保障行车安全的目的。

［1］康熊，王卫东，李海浪.高速综合检测列车关键技术研究［J］.中国铁路，2012(10):3－7.

［2］王明生，黄守刚.高速铁路工务地面监测与信息管理的若干思考［J］.石家庄铁道学院学报，2005，18(1):10－12.

［3］宋晓冰.桥梁监测、养护与维修的方法［J］.交通世界:建养机械，2010(17):227－228.

［4］中华人民共和国铁道部.TJ/GW088—2013高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统总体技术方案(暂行)［S］.北京:中国铁道出版社，2013.

［5］中国铁路总公司.TG/GW217—2014轨道检查车运用管理办法［S］.北京:中国铁路总公司，2014.

［6］中华人民共和国铁道部.TG/GW115—2012高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2012.

［7］中华人民共和国铁道部.TG/GW116—2013高速铁路有砟轨道线路维修规则(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2013.

［8］国家铁路局.TB 10621—2014高速铁路设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2014.

［9］中国铁路总公司.TG/GW209—2014高速铁路桥梁运营性能检定规定(试行)［S］.北京:中国铁路总公司，2014.

［10］中国铁路总公司.TJ/GW127—2014铁路工务综合巡检系统暂行技术条件［S］.北京:中国铁路总公司，2014.

［11］中华人民共和国铁道部.TJ/GW105—2013高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统雪深监测设备暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2013.

［12］中华人民共和国铁道部.TJ/GW090—2013高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统技术条件雨量监测设备(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2013.

Study on inspection and monitoring system of high speed railway infrastructure

YANG Fei1，ZENG Xianhai2，LI Guoqing1，TIAN Xinyu1，XU Jie3
(1.Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.Transport Bureau of China Railway Corporation，Beijing 100866，China;3.Beijing IMAP Technology Co.，Ltd.，Beijing 100081，China;)

T o ensure the safety of permanent way infrastructure and maintenance construction，a inspection and monitoring system of high speed railway permanent way infrastructure was presented，which is able to find and warn the infrastructure failure and the effect of environment along lines.T his system can inspect and monitoring the condition of tracks，rails，subgrades and key bridges and tunnels.It can also monitor and control railway crossings，environmental disasters，vehicles of permanent way security and maintenance construction.The data integration platform in this system can be used to manage，share and analyze the inspection and monitoring data so as to service the permanent way departments.The functions and feasibility of the inspection and monitoring system of high speed railway permanent way infrastructure were discussed.

High speed railway;Infrastructure;Inspection and monitoring

U238;U216.3

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.28

(责任审编 李付军)

1003－1995(2015)10－0132－04

2015－07－30;

2015－08－12

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014G009－D);国家重点基础研究发展计划项目(2013CB036205)

黎国清(1966—)，男，研究员，硕士。