侯智雄 王昊 戴鹏 李颖 郝蕊 魏世斌

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

轨道交通是由十几个系统、几百个子系统及成千上万个设备元件共同构成的大型复杂系统。设备总联调及联调联试是轨道交通整个测试与调试过程的最后环节，是对轨道交通整体系统性能的综合验证与确认。通过各项测试工作，检验各主要系统间的接口关系是否正确，运作是否协调，能力是否满足各种可能出现的设计预定情况和运营要求，并从整体上检验轨道交通系统运作的可用性、稳定性和安全性［1］。

轨道交通基础设施状态检测是评价基础设施质量状态、指导养护作业、保障行车安全的重要手段，是联调联试的重要环节。国内一般将检测设备安装到专用车辆上构成专业检测车或综合检测车，对基础设施进行周期性检测［2］。检测内容包括轨道、接触网等基础设施的几何状态及其他运行参数［3］。随着我国高速铁路网的形成，铁路线路愈发密集，线路的开通联调及日常检测需求极为庞大。城市轨道交通的每条线路运营里程较短，不同城市的轨道线路甚至同一城市的不同轨道线路尚不能实现互联互通。针对现有高速铁路网、既有线铁路网、城市轨道交通线路，如果对每条线路配备单独的检测车辆，需要巨大的投入，设备利用率低，且需要对专用车辆进行长期维护［4］。

本文提出一种将检测设备搭载于运营列车上的新方法，不独占车辆资源，实现随车检测，降低了维护成本，并能提高检测频率和效率，更加方便高效地保障轨道交通的运行安全。

1 系统架构

运营列车上搭载的检测设备需要采用小型化设备，并对设备的安装方式、合成算法、检测方式等进行重新设计研究。搭载式检测系统包含搭载式轨道动态检测系统、接触网动态检测系统、通信检测系统。

1.1 搭载式轨道动态检测系统

轨道几何参数检测系统可以完成对轨道几何不平顺参数的动态测量［5］。系统利用惯性器件、高速摄像机、激光器等传感器，按照等距离采样的方式在车辆运行过程中完成前端数据采集。通过数学模型计算、数字信号处理获得轨道几何不平顺相关参数。按照轨道质量管理标准，自动对轨道几何不平顺参数大值、钢轨廓形偏差值及磨耗大值进行超限判断并分级。按里程统计各类参数的偏差种类、分级、扣分等内容并形成统计报表，实现轨道几何参数的动态实时检测及分析功能，为轨道养护维修提供数据支持。搭载式轨道动态检测系统结构见图1。

图1 搭载式轨道动态检测系统结构

搭载式检测梁主要作用是承载检测设备，固定激光摄像组件，给惯性组件等检测设备提供安装位置。该检测梁上安装有2 个小型化激光摄像组件和1 个惯性组件，惯性组件通过外罩进行防护。该检测梁采用低合金高强度钢Q345B 焊接而成，表面进行喷塑处理。GJ6-BM02 型检测梁的总质量（包括检测设备）为185 kg，而该检测梁小型轻量，总质量（包括检测设备）仅为45 kg，满足搭载式设备的安装要求。该检测梁根据试验车车辆接口进行设计，通过12根M16x80/10.9s螺栓与车辆接口连接固定，满足车辆在各种工况下的静强度和疲劳强度要求。

位于车下的激光摄像组件安装在检测梁上，是轨道动态检测系统中的重要传感器组成部件，其重量和大小直接影响到车辆安全。根据使用车型，设计了小型化、轻量化、集成化的组件；针对城市轨道交通小半径曲线多、构架相对于钢轨位移较大等问题，设计了高分辨率、大视野的图像高速采集和传输方案。激光摄像组件分为左右2个，分别安装于检测梁的两端，通过对视觉图像的处理得到钢轨轮廓，进而得到钢轨相对于测量坐标系的横向、垂向位移。由2 根钢轨的横向位移合成轨距。横向位移和垂向位移分别是测量轨向和高低的重要分量。

小型化激光摄像组件（图2）已完成集成化设计，尺寸为270 mm×105 mm×140 mm。

图2 小型化激光摄像组件

1.2 搭载式接触网动态检测系统

接触网动态检测系统由弓网动态、接触网几何等检测子系统及对各检测子系统的集中控制与集成软件组成，具备在列车以160 km/h 运行条件下对相关参数进行精确测量的能力，包括接触线动态高度、拉出值、线岔或锚段关节处接触线相互位置等几何参数和弓网接触力、硬点（垂向加速度）、离线状态（燃弧率）等弓网动态作用参数，满足铁路接触网联调联试的施工精调及日常维修和安全运营的需要。接触网动态检测系统设计总体框架见图3。

图3 接触网动态检测系统设计总体框架

铁路接触网动态检测系统要求快速准确采集基础设施图像数据。针对这一需求，研究了基于人工智能技术框架的城市轨道基础设施外观状态典型缺陷智能识别系统。该智能识别系统对钢轨接触网设备零部件异常等缺陷进行自动识别，有效检出率高于80%，体现了较高的智能化水平。

为满足电务线缆和接触网故障检测的需求，提出基于鲁棒对比损失函数优化的双子神经网络模型。通过学习图像中的关键细节变化，实现了同一检测目标不同周期状态的对比分析，解决了电务轨腰塞钉、接触网悬挂装置局部零部件缺陷状态的准确识别等问题。

1.3 搭载式通信检测系统

搭载式通信检测系统包括WLAN（Wireless Local Area Network）场强及其服务质量测试子系统、LTE-M（LTE-Machine to Machine）场强及其服务质量测试子系统、TETRA（Trans European Trunked Radio）场强测试子系统、电磁环境测试子系统。硬件系统设计包括这4个子系统的硬件组成与连接。

搭载式通信检测主要包括场强测试和服务质量测试。基于无线解码技术的LTE-M 扫频测试系统依托无线解码技术得到的测试数据，实现了最优小区、小区的弱覆盖、小区的质差、小区的同邻频干扰和模三干扰的自动分析。基于信令解析技术的LTE-M 无线场强及其服务质量测试子系统，依托信令解析技术实现了小区参数分析、无线参数分析、测量报告、层二/层三信令的解析以及吞吐量等业务的测试，并实现了测试数据自动导出和报表自动统计。

2 应用实例

2.1 北京地铁新机场线

2018 年搭载式检测系统在北京新机场线运营电客车上安装并进行动态试验。该系统设备精简，通过嵌入式系统进行实时运算输出，实现了小型化和数字化。系统安装在运营列车上，既不影响列车正常运营，又可对线路轨道不平顺进行实时检测，通过检测数据指导线路维护，确保线路平顺和列车运行安全。

搭载式检测系统检测到的数据分为轨道几何波形数据和轨道几何超限数据。通过这2种数据可以直观地观察到轨道几何变化，指导工务系统对轨道进行维护及打磨。检测到的超限数据分为1～4级轨道几何超限数据、曲线超限数据、TQI 超限数据、磨耗超限数据等，具有单次检测分段数据、多次检测合并汇总数据等多种数据分析报表功能，为地面人员提供便捷、实用的数据分析方法。轨道几何波形如图4所示。

图4 轨道几何波形

设备试运营以来，该系统承担了北京地铁新机场线联调联试轨道动态质量的检测任务，设备状态良好，检测数据准确可靠。超限报表数据见图5。该系统日均检测里程达到500 km，累积检测线路有效病害10 000 余处，为北京地铁新机场线的按时开通提供了科学依据，为指导工务安全生产提供准确详实的数据。该系统成功地在不影响列车运营的条件下完成了检测任务，为北京地铁提供了强有力的检测手段。

图5 检测超限报表

2.2 北京地铁6号线

接触网动态检测系统试验样机分别于2016年4 月 23 日和 2016 年 11 月 14 日安装于北京地铁 6 号线23 号车厢和61号运营列车2号车厢。车顶设备见图6。截止2019 年，已累计完成检测1 118 km，完成10 种工况的试验测试。期间系统运行稳定可靠并形成2份专项研究报告，为膨胀元件烧蚀、接触线波浪磨耗等缺陷的诊断和溯源提供了详细数据，有效保障了北京地铁6号线弓网系统的安全运行。

图6 车顶设备

3 结语

搭载式检测系统作为我国轨道交通信息化和智能化融合发展的主要成果之一，是中国轨道交通运营维护技术体系的主要检测装备，也是保持我国铁路可持续发展、支撑轨道交通综合维修生产一体化改革的关键装备。

该系统已成功应用于北京地铁新机场线及6 号线、沈阳地铁1号线等运营电客车上，填补了我国轨道交通装备在该领域的空白，并将产生显著的经济效益和社会效益，市场前景广阔。2020年国内有80个以上的城市轨道交通项目建设并投入运营，总里程超过6 000 km［6］。按每条线路需搭载1套检测设备计算，未来5～10年全国市场需求达200套以上。