重载铁路综合检测列车和数据综合分析系统

彭丽宇，陶凯，黎国清

(1．朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350;2．中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081)

重载铁路综合检测列车和数据综合分析系统

彭丽宇1，陶凯2，黎国清2

(1．朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350;2．中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081)

针对重载铁路维护检测工作的实际情况，以朔黄铁路为例，阐述重载铁路综合检测列车的关键技术及地面数据综合分析技术。朔黄铁路综合检测列车采用先进、科学的检测技术，对线路轨道、道床、路基、牵引供电、通信、信号、周边环境中影响列车运行安全的技术指标和相关信息进行实时检测，并具有时空同步定位、大容量数据传输和数据综合分析功能，对于综合评价基础设施服役状态，科学指导重载铁路基础设施养护维修发挥了重要作用。

重载铁路;检测列车;综合检测;数据分析

重载铁路由于荷载大和列车密度大，对线路维护检测提出了更高的要求，不仅维护检测的工作量日益增大，而且技术要求也越来越高。传统的线路维护检测方式和技术已很难适应当前铁路的发展，面临着巨大的挑战。

国外重载运输发达的国家对重载铁路的检修观念侧重于预防性保养。在状态检测方面，美国、加拿大等国家采用轨道检查车和钢轨探伤车，对轨道几何形态、钢轨磨耗、钢轨伤损进行检查;采用车载新型探地雷达装置检查路基病害。在养护维修方面，采用大型养路机械进行综合维修、钢轨打磨，并采用涂油技术降低轮轨磨耗，保证线路质量状态。

朔黄铁路西起山西省神池县神池南站，与神朔铁路相联，东至河北省黄骅市黄骅港口货场，正线总长585 km，是我国西煤东运第2大通道。随着朔黄铁路运量的迅速增长，为满足高密度、大运量的运输要求，满足朔黄铁路运营维护的需求，亟需探索更有效、更全面的检测方式，缓解繁忙运输与线路维护检测之间的矛盾，并对设备动态质量状态进行综合分析，提升运营维护管理和技术水平，保障重载列车高密度安全平稳运行。

1 朔黄铁路综合检测列车关键技术

朔黄铁路综合检测列车是一列装有专用检测设备，对线路轨道、道床、路基、牵引供电、通信、信号、周边环境中影响列车运行安全的技术指标和相关信息进行实时检测，并具有时空同步定位、大容量数据传输和综合分析处理功能的检测车，采用3辆编组，检测速度80 km/h，最高运行速度120 km/h。综合检测列车及其功能系统如图1、图2所示。综合检测列车已经应用于新建重载线路基础设施的联调联试、综合试验和运营期间周期性检测。综合检测列车能够综合利用线路天窗，极大提高线路检测效率，缓解维修天窗不足与运输任务繁重之间的矛盾。

图1 朔黄铁路综合检测列车

图2 朔黄铁路综合检测列车功能系统

1.1 综合系统

综合系统由列车数据网络、同步定位系统和环境视频监视系统组成，主要实现检测车的精确定位，发布检测车统一的速度、时钟和里程信息，对列车运行前后方环境昼夜实时监测。综合系统结构如图3所示。

图3 综合系统结构

1.1.1 列车数据网络

列车数据网络选用工业级千兆网管型2层主干以太网交换机和3层交换机搭建，3层交换机支持环网冗余协议，与各车的2层主干交换机组成冗余环网，环网都拥有高达1 000 M光纤带宽的通讯能力，满足全车数据传输。

1.1.2 同步定位系统

同步定位系统为全车不同断面的检测系统提供同步采集信号、精确里程定位信息等，包括空间同步子系统及时空校准子系统2部分。其中，空间同步子系统将安装在轴头的光电编码器所产生的距离脉冲信号通过空间同步传输通道传输给分布在全车不同车厢内的各检测系统，可作为检测系统的采样触发和距离计算的信号源;时空校准子系统将整车各检测系统计算机的系统时钟与GPS时钟精确同步，为各检测系统计算机提供实时、准确的线路里程信息。

1.1.3 环境视频监视系统

环境视频监视系统对列车运行环境进行实时视频监视。

1.2 轨道几何状态检测技术

轨道几何检测系统采用惯性测量原理、捷联式结构和非接触测量方法，应用图像处理技术、陀螺平台、数字滤波、计算机实时数据处理等高新技术，可测量轨距、轨向、高低、曲率、水平(超高)以及长波长高低、轨向等轨道几何不平顺参数。轨道几何状态检测系统结构如图4所示。使用激光摄像系统测量钢轨相对于检测梁的横向和纵向位移;使用加速度计、陀螺、位移计等多种传感器测量车体和检测梁的姿态变化。将需要检测的位移、速度、加速度等物理量转换为相应的电模拟信号，通过信号转接及监视单元输入到信号处理单元。信号处理单元将信号放大和模拟滤波处理后再经过信号转接及监视单元输入到数据采集和处理计算机。该计算机对输入模拟信号进行A/D模数转换、存储、数字滤波、修正以及补偿处理，经过综合运算，合成得到所需轨道几何参数，并在其显示器上实时显示轨道几何波形图。

图4 轨道几何状态检测系统结构

1.3 接触网检测技术

朔黄铁路综合检测列车接触网检测系统由弓网动态作用参数及接触线几何参数检测子系统组成。

1.3.1 接触式检测

接触式检测用于检测弓网动态作用参数，即测量受电弓与接触导线之间的垂直接触力、硬点(受电弓弓头的加速度)、拉出值(根据力传感器信号计算)、接触导线高度以及受电弓基座处的加速度，同时也对受电弓运行环境进行监测和采集。接触式检测系统结构如图5所示。

系统需对受电弓进行改造，在2个滑板底部与支持机构间共安装4个应变式压力传感器测量滑板支持机构对滑板的反作用力，即弓网接触压力。在静止状态下作用力即为滑板与接触线间接触压力。在动态下还需对由滑板加速度引起的惯性力和滑板受到的空气动力进行修正，以提高接触压力测量精度。

图5 接触式检测系统结构

1.3.2 非接触式检测

非接触式检测原理为三角测量方法。将摄像机安装在可固定于任何车辆上的抗扭曲光学轨道上。调节摄像机，以使其视野覆盖接触网所在平面并处于最佳角度，并且覆盖整个测量区域。可通过分析图像信号计算接触线与4个摄像机位置之间的角度，并利用三角关系计算接触线位置。非接触式检测系统结构如图6所示。

图6 非接触式检测系统结构

1.4 超声波钢轨探伤技术

采用超声波探测钢轨伤损，通过系统配备的4个A型探轮和2个B型探轮，能够检测钢轨中不同位置和不同取向的伤损。探轮及声束如图7所示。

图7 探轮及声束示意

当探轮中的压电晶体(晶片)受到高电压脉冲激励之后，会按照自身固有的振动频率振动，比如2.25 MHz。如果这个振动被引入到钢轨中，将会在钢轨中传播。一旦钢轨中存在缺陷或空洞，部分超声波能量将被反射回来，反射回来的能量被晶片接收后即为回波。

各种不同的超声晶片得到的回波在超声换能器中被转化成电信号，再经过模拟处理、数字处理、空间转换、伤损识别，最终在显示控制计算机上以B型(探轮)图显示出来，完成钢轨不同部位、不同形态伤损的检测过程。超声检测系统伤损数据处理流程如图8所示。

图8 伤损数据处理流程

1.5 道床路基检测技术

探地雷达要得到高质量的数据，必须克服钢轨，尤其是混凝土轨枕的干扰。为此，采用了多通道高速扫描探地雷达系统，以通道间的发射时间延迟来消除干扰。通道之间的发射时间延迟是由控制单元控制，即第1通道发射信号，第1通道接收回波信号;接下来第2通道发射信号，第2通道接收回波信号;再接下来第3通道发射信号，第3通道接收回波信号，如此循环。

铁路线路路基多通道高速扫描探地雷达系统由发射天线、接收天线、控制单元和工控数据采集计算机(含A/D转换)组成，如图9所示。配套的数据采集软件能够进行数据采集、显示、存储和回放。

图9 多通道高速扫描探地雷达系统结构

2 重载铁路检测数据综合分析技术

重载铁路主要特点是列车密度大和车辆轴重大，轨道结构承受较大的动态荷载，轨道几何状态的平顺性也不容易保持;而路基道床病害增多会导致线路的不平顺性加剧，产生更大的动态荷载，加速钢轨伤损的产生。同时轨道几何的不平顺还可能引起弓网受流状态的恶化，甚至有可能在耦合作用下导致弓网安全性指标超限。

针对重载铁路的运输和维护特点，对路基道床、钢轨伤损和轨道几何状态检测数据进行综合分析，判别各种病害产生的原因及其关联性，从而提出综合性评价指标;并对轨道几何状态与弓网受流性能、接触线动态几何参数之间的关联性进行研究，准确发现问题根源，科学指导养护维修。

2.1 检测数据管理模式

根据轨道几何检测、接触网检测、路基道床状态检测、钢轨伤损检测等各类非结构化检测数据的特点，结合朔黄铁路动态检测的日常检测业务管理规定，研究多专业动态检测数据的统一接口和整合存储管理机制，以保证多种检测数据关联分析的需要，利用数据仓库技术为建立稳定、高效的检测数据管理平台提供技术保证。

2.2 检测数据综合分析技术

1)轨道几何、路基道床、钢轨伤损检测数据关联性综合分析

在积累一定时期的检测数据的基础上，结合运量、气候等因素，研究朔黄铁路路基沉降、道床状态恶化的特点及规律。同时对轨道几何、路基沉降、道床状态以及钢轨伤损检测数据进行综合分析，建立关联分析模型，摸索重载铁路轨道质量综合性评价方法和指标，利用关联分析模型进行仿真计算，开展专项试验研究进行验证，提出朔黄铁路总体评价管理建议值。

2)接触网和轨道几何检测数据关联性综合分析

轨道几何不平顺有可能影响弓网受流性能和弓网间的动态作用，在特殊线路条件下幅值较大的轨道几何不平顺甚至有可能导致受电系统的故障;对于综合检测列车而言，轨道几何状态的变化也会影响到接触网的动态检测结果。这就要求在进行接触网系统质量评价和制定维修方案时，除了对接触网动态检测波形进行历史对比分析和结合弓网接触视频进行分析外，还必须对接触网状态不良处所的轨道几何不平顺状态进行综合分析。

在获得大量检测数据、现场复核数据和维修作业数据的基础上，通过建立接触网几何、受流性能与轨道几何状态的关联关系模型，研究其相关性，提出综合分析方法和相关指标，并通过实测和专项试验进行验证。

3)钢轨伤损综合分析

钢轨伤损除了由于疲劳应力作用造成的内部核伤外，钢轨表面也会受到接触应力的作用而产生裂纹，形成轨面伤损，在受到锈蚀等作用下有可能发展成重伤，影响行车安全。通过对钢轨表面擦伤检测系统的钢轨表面伤损数据的积累和深入分析，结合探伤车检测数据、探伤仪检测数据、人工检查观测数据，摸索在朔黄铁路运营及气候条件下钢轨表面伤损、钢轨磨耗、钢轨内部伤损的发生、发展变化规律，为钢轨打磨、修理、更换等维修决策提供支持。

4)轨道大值病害成因综合分析

大值病害是指有可能影响运营安全的设备不良状态，比如大幅值的轨道不平顺和钢轨内部伤损，如果不能及时发现和有效处理，则可能引起非常严重的后果。为了提高运营安全性，除了加强检测环节对于大值病害的识别和对已发现的大值病害的作业管理外，还要结合历史检测数据、相关项目检测数据和静态检查数据进行综合分析，确定引起大值病害的真正原因，有针对性地提出整治处理建议，才能有效地指导现场维修，避免大值病害频繁发生。

3 结论

1)综合检测列车应用在重载铁路上，可以综合同步采集轨道、路基、接触网、通信、信号等数据，周期性获取重载线路的基础设施状态检测数据，并基于此综合评估重载铁路基础设施服役状态，科学指导养护维修，提高轨道养护维修效率。周期性的检测可以实现预防性修理，进行资源的合理化配置，实现铁路的经济化维修。

2)重载铁路周期性检测工作是一项综合性的系统工程，大量数据的挖掘分析势必对重载铁路设计、施工、养护维修等各方面优化改进产生重要的影响。为此，建立地面检测数据综合分析处理中心，整合存储和管理综合检测列车、钢轨探伤车、轨道检查车、电务试验车等动态检测数据，为综合分析重载铁路的状态研究提供数据基础。

3)基于最新的轨道结构理论研究和线路养护维修经验，深入挖掘各类非结构化检测数据，综合评估设备质量状态，为养护维修决策提供数据支持，一方面提高维修作业效率和减少工作量，最大程度地减少对运输组织的干扰;另一方面经济、有效地检测和消除重载线路各种病害，确保设备质量状态安全可靠，并且处于可修复的“弹性”范围内。

［1］何华武．高速铁路运行安全检测监测与监控技术［J］．中国铁路，2013(3):1-7．

［2］李海浪，王卫东，康洪军，等．CRH380B-002高速综合检测列车总体架构设计［J］．铁道建筑，2014(2):109-112．

［3］国际重载协会．国际重载铁路最佳应用指南-线路施工与运营维修［M］．北京:中国铁道出版社，2011．

［4］中国铁道科学研究院．基于轨检数据的轨道状态预测和维修辅助决策方法的研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2009．

［5］魏世斌，刘伶萍，赵延峰，等．GJ-6型轨道检测系统［J］．铁道建筑，2011(11):98-101．

［6］侯卫星，刘刚，康熊．0号高速综合检测列车［M］．北京:中国铁道出版社，2010．

Comprehensive Inspection Train and Data Comprehensive Analysis System of Heavy Haul Railway

PENG Liyu1，TAO Kai2，LI Guoqing2
(1．Shuohuang Railway Development Co．，Ltd．，Suning Hebei 062350，China; 2．Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to the actual situation of the heavy haul railway maintenance and inspection work，the key technologies and ground data comprehensive analysis of comprehensive inspection train in heavy haul railway were discussed by taking Shuohuang railway as an example．T he comprehensive inspection train in Shuohuang railway uses advanced and scientific inspection technologies，which could realize real-time detection for technical indexes and related informations which affect the train operation safety in the condition of track，ballast bed，subgrade，traction power supply，communication，signal and surrounding environment，and has the functions of spatial and temporal synchronization，large capacity data transmission and data comprehensive analysis．T he comprehensive inspection train plays a very important role for the comprehensive evaluation of the infrastructure service status and the scientific guidance for the maintenance and repair of heavy haul railway infrastructure．

Heavy haul railway;Inspection train;Comprehensive inspection;Data analysis

U239．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．29

1003-1995(2016)12-0109-05

(责任审编周彦彦)

2016-06-20;

2016-09-08

国家国际科技合作专项项目(2015DFA81780);中国铁道科学研究院基金(2015YJ092)

彭丽宇(1979—)，男，博士研究生。