高速铁路运营监测技术综述与展望

张冠军

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

根据“十四五”现代综合交通运输体系发展规划，预计到2025年底，全国铁路营业里程将达16.5万km左右，其中高速铁路(含部分城际铁路)为5万km左右[1]。随着中国高铁运营规模的不断扩大，受高速铁路长期露天服役、运营速度快、天窗维修时间短、周期疲劳荷载强度大等多重因素影响，如何保障高速铁路在良好服役状态下安全运行，是铁路运营管理部门一直面临的挑战。

高速铁路运营期监测是确保高速铁路运营安全的重要性基础工作，对高速铁路基础设施及其外部环境等进行全过程、周期性的监测数据采集，解算分析和评估预警，掌握其变化规律，采取针对性预防措施，是保障高速铁路平稳、舒适、安全运行的基础。中国高速铁路历经十几年的运营实践，监测覆盖范围不断增加，技术手段和方法不断发展创新，逐渐初步形成了具有中国特色的运营期精测网复测、基础变形监测等技术体系和系统方案。包括规程规范、特殊装备、作业标准及技术成果等，特别是在精密控制网维护、基础构筑物变形监测、外部环境与灾害监测、轨道平顺性检测、大型构筑物健康监测等方面，有了许多开创性的应用。但在高速铁路运营期监测实践过程中，还存在监测的内涵和外延不完全明确，监测技术体系和学科建设方面研究不够，相关制度办法及技术标准体系建设不完善，动、静态检测监测需要进一步结合，多手段、多系统的融合不足，基准维护和变形监测的实时性、智能化、可靠性还有待提高等诸多问题。以下结合运营高速铁路监测工程实践经验，从工程测量专业角度定义高速铁路运营监测，并对运营监测的基本概念、分类、特点、内容和技术方法、发展趋势等进行系统研究。

1 高速铁路运营监测概念及特点

1.1 运营监测的定义

从测绘学科和工程测量专业的角度来看，运营监测属于铁路工程测量。按铁路工程勘察设计、施工建设、运营维护全生命周期阶段的不同，铁路工程测量可分为铁路勘测、铁路施工测量和铁路运营监测(见图1)[2]。从土木工程结构专业角度，对结构运营健康状况的监测也可称为运营监测，即一种为保障工程结构的正常使用和安全可靠，对运营阶段环境和荷载作用下结构的静动态响应进行监测、获取结构状态信息、并对其服役状态评估和报警的活动。

图1 铁路工程测量阶段划分

高速铁路运营监测是为满足高速铁路运营维护任务而进行的测量工作。服务对象是高速铁路，服务阶段是运营维护，专业性质是工程测量。其目的是了解运营期间高速铁路基础设施的服役状态，以满足高速铁路养护维修的需要，包括测量、监测和几何状态类检测等工作。

1.2 运营监测的分类

(1)按测量内容可分为控制网复测与维护、线路复测、变形监测、结构健康监测、轨道几何状态测量等。变形监测包括构筑物基础变形监测、外部环境安全监测、自然灾害监测、地质灾害监测、邻近营业线施工安全监测等。构筑物基础变形监测又可分为普查性监测和重点段监测。

(2)按监测量可分为以几何量监测为主的变形监测，以物理量监测为主的应力应变监测，以及以气象要素监测为主的环境监测。

(3)按测量方式可分为人工监测、自动化监测。人工监测主要指使用大地测量仪器进行的平面和垂直位移监测等几何量监测，自动化监测有全站仪自动化、GNSS自动化及利用其他传感器进行的自动化监测。

(4)按是否需要上线测量作业可分为线下监测和线上监测。线下监测主要指在高速铁路用地界外线下进行测量工作，线上监测是指需要在天窗作业时间按运营线安全管理规定上线进行测量的工作。

(5)按管理部门不同可分为工务类监测、电务类监测、房建类监测等。

(6)按构筑物或结构物类型可分为线路轨道监测、路基监测、桥梁监测、隧道监测、站房监测等。

1.3 运营监测与综合检测、变形监测、结构健康监测的关系

我国高速铁路综合检测技术体系包括供电安全检测监测系统(6C)、工务基础设施状态检测监测系统(8M)和电务安全监控系统(8D)等，即“动态检测”。采用基于列车网络控制系统的高速列车状态检测，基于地面设备的高速列车状态检测、基础设施地面检测监测以及基础设施搭载运营车检测技术[3]。

高速铁路基础设施检测监测体系框架包括感知层、传输层、数据资源层、大数据平台层、应用层。其中，感知层为检测监测手段，按类型可分为移动检测、地面固定监测、空天遥测和人工检查大类，按检测监测方式，可分为高速综合检测、综合巡检、专业检测、搭载式监测、固定点监测、自感知、卫星遥感、机载检测、专项检测和常规检查等方式[4-5]。而基础设施地面检测监测技术为“静态检测”，其中最重要的监测工作即为运营监测，运营监测是高速铁路综合检测监测技术重要的组成部分。

变形监测主要是指监测变形体在形状和位置上的变化，并对变形进行分析和预测、预警，传统变形监测主要是监测几何量的变化。高速铁路运营期间的变形监测主要是对受运营或周边建设影响的桥梁、路基、隧道等构筑物和受运营影响的周边地表、建筑物、管线等进行监测。

结构健康监测是指利用各类监测、检测和检查手段，获取反映环境作用、结构响应和工程功能等事项的有效数据，并通过这些数据对基础设施的服役状况和性能变化进行分析和预测，从而对已发生和将要发生的异常进行预(报)警，为后续的健康评估提供基本依据[7]。结构健康监测也属于高速铁路运营监测的内容，而变形监测是结构健康监测中重要的手段和组成部分。

1.4 运营监测的特点

(1)系统性：运营监测是一个系统性工作，涉及铁路运营基础设施整个系统，必须从整体性和系统性的角度出发，从静、动态相结合，从线路、轨道、路基、桥梁、隧道、站场、接触网等专业和铁路管理部门相结合，系统进行监测方案设计、监测和分析评估。

(2)服务性：监测的目的是为铁路安全运行保障和科学指导线路养护维修提供重要依据，主要为铁路运营维修和安全运营服务。

(3)长期性、周期性和时效性：为掌握铁路运营期间基础设施服役健康状态，伴随运营过程需要长期进行检测监测。与变形监测的特点一样，需要进行周期性的观测和分析，及时、实时发现基础设施或外部影响铁路基础设施的安全隐患，以便铁路管理部门及时采取措施，为铁路安全运营保驾护航。

(4)复杂性：包括监测技术本身的复杂性和监测生产组织的复杂性两个方面。技术复杂性体现在监测项目种类多、监测仪器设备种类多、监测技术手段需要综合应用等。生产组织复杂性体现在天窗作业时间短，夜间进行测量工作，线上线下各类监测工作内容繁杂，线上作业前需与铁路局工务、电务、公安、车站等部门签订安全协议，沟通、协调、配合工作量大。

(5)先进性：技术先进性体现在监测技术手段空天地多样化，使用自动化、智能化监测仪器设备和传感器，以及使用线上远程控制采集、传输、处理和预警系统平台等。

(6)精确性：轨道控制网及轨道平顺性检测精度、平面位移和沉降变形监测精度，以及利用自动化传感器监测精度均在亚毫米级，相比一般的工程测量，监测精度要求高。

2 高速铁路运营监测主要内容及技术方法

运营监测的主要内容有控制网复测与维护、线路复测、基础变形监测、结构健康监测、轨道几何状态测量、外部环境与地质灾害监测、邻近营业线施工安全监测等。

2.1 控制网复测与维护

铁路工务部门作为精测网的管理单位，负责精测网的复测和日常维护工作。复测维护的内容主要有CP0、CPⅠ、线路水准基点线下控制网、线上加密CPⅡ及加密水准基点、轨道控制网(CPⅢ)测量。一般采用传统的GNSS、水准测量、边角测量等大地测量及工程测量方法进行。目前，精测网复测周期一般为3年，最长不超过5年，其中线路水准基点、线上加密水准点、CPⅢ高程网在开通运营后2年内复测1次。对于沉降段、轨道异常变形、CPⅢ精度不能满足日常养护维修使用要求时，进行不定期复测[8]。

2.2 线路复测

高速铁路既有线路复测指对线路及设备设施现状进行测量，其中线路平纵断面、设备设施台账、建筑限界等是测量的主要内容，可采用轨道几何状态测量仪、车载移动测量系统等进行测量。

2.3 基础变形监测

运营高速铁路基础变形监测是指对路基、桥涵、隧道的沉降监测和水平位移监测[9]。

(1)变形监测网：变形监测网由基准网和观测网组成，基准网分为水平位移监测基准网和垂直位移监测基准网。变形监测点由基准点、工作基点和监测点组成。

(2)路基变形监测：运营期路基变形监测主要包括路堤、路堑监测，路基每个断面的观测点分布在轨道、路肩、路堤或路堑上。高路堤、深路堑及沿线有滑坡监测时，监测点布设在滑坡体上，并按滑动方向及特征布设若干断面，并在影响路基段加密布设观测断面。

(3)桥梁变形监测：桥梁变形监测包括桥梁墩身和梁体徐变变形观测。也可布设倾角计、静力水准仪等自动化监测传感器进行监测。

(4)隧道变形监测：主要对不良地质、断层、衬砌结构裂缝较多等地段进行监测，监测点一般布设在隧道顶部、底部、两腰，以及相应段落内的轨道上。常采用三维激光扫描、收敛计、裂缝计、应力计等。

(5)过渡段变形监测：根据结构的不同，在过渡段监测时，需要考虑不同结构特点，布设不同密度的监测断面。

(6)普查性监测与重点段监测：普查性监测的目的是发现沉降变形地段，一般在运营初期进行。根据普查性监测结果，合理确定重点监测地段并开展重点段周期性监测，并结合精测网复测成果、日常检查维修情况，以及动、静态检测数据，合理确定重点段监测范围和监测周期。

2.4 结构健康监测

结构健康监测的主要内容有地面加速度、风环境、结构表面风压，以及结构应力、变形，振动加速度，表面温度，表面裂缝等[7]。

(1)桥梁健康监测：对复杂结构、特殊结构桥梁应建立监测系统，主要监测结构变形、振动特性、温度、支座、基础沉降等参数，以监测和评估桥梁结构服役的健康状况。

(2)隧道健康监测：对特长隧道设置防灾救援监控系统，对隧道内通风、照明、消防设备进行监控；对于复杂地质隧道设置衬砌结构变形安全监测系统，对隧道衬砌变形及运用状态进行监测。

(3)站房健康监测：针对大型及特大型铁路客站、特殊及复杂结构客站的结构，利用无损、实时的方式采集工程结构响应与环境信息，分析评判结构的健康状态，并对异常状态进行报警。铁路站房结构健康监测主要针对运营期，可综合考虑施工监测与运营监测相结合，使监测工作具有连续性和长期性。

2.5 轨道几何状态测量

高速铁路轨道的高平顺性和精确的几何线性参数是保证高速列车安全和舒适运行的基础条件，轨道几何状态包括轨道内部几何尺寸与外部几何尺寸，如轨距、轨向、高低、水平、扭曲、与设计高程及中线的偏差等，精度要求为毫米级，传统的铁路测量方法和精度已不能满足高速铁路建设及运营要求。对轨道几何状态的测量使用轨道几何状态测量系统，系统由轨道几何状态测量仪(也称轨检小车)、惯导系统、测量机器人(伺服全站仪)、计算机及软件系统等组成[10-11]。

2.6 外部环境与地质灾害监测

(1)区域地面沉降：受区域地质构造、采矿、采油、采水等自然和人类活动影响，在城市、平原地区多存在不同程度的地面沉降，如华北地区、长三角地区等。地面沉降会直接影响高速铁路线下基础构筑物的稳定性，尤其是地面的不均匀沉降、沉降漏斗边缘范围内对线桥结构影响更为显著，对高速铁路沿线区域地面沉降进行监测，掌握其沉降地段和沉降变化量，对于综合分析基础设施沉降及轨道平顺性，确保高速铁路动车组运行的安全平稳性和舒适度具有十分重要的意义[12]。区域地面沉降监测方法有水准测量、GNSS高程测量以及InSAR监测等，可结合精测网在地表加密点进行监测，也可设置分层标进行分层监测，并同期进行水位观测。

(2)沿线地质灾害监测：主要针对自然和地质原因引发的高速铁路路堑边坡、铁路沿线洪水、滑坡、泥石流、崩塌落石等地质灾害进行监测。应进一步完善和推广遥感技术，并建立地质灾害监测报警系统。

(3)外部环境变化监测：铁路外部环境复杂，按照外部环境隐患成因、可能造成的后果、涉及专业等因素，可将隐患分为危险品、硬飘浮物、轻飘浮物、违建违占、违法施工、树木种植、道口安全等。铁路外部环境安全监测可采用定期排查和实时监测结合的方案，通过遥感技术定期对铁路沿线风险源进行排查，确定重点防护区域，然后采用技术手段对其进行实时监测[13]。

(4)气象及异物侵限监测：主要对高速铁路沿线风、雨、雪、地震等自然气象灾害，以及侵入铁路界限内的突发异物进行实时监测，并提供报警、预警信息，防止或减少灾害对高速铁路列车运行安全的影响[14]。风、雨、雪等自然灾害监测主要利用各类传感器进行数据采集，并通过网络技术形成监测系统。异物侵限监测技术主要分为非接触式与接触式。非接触式监测技术主要包括激光扫描技术、红外探测技术、智能视频分析技术等；接触式监测主要包括双电网监测技术和光纤光栅探测[15]。

2.7 邻近高速铁路营业线施工安全监测

邻近高速铁路营业线施工安全监测是指邻近营业线施工期间对铁路运营设备设施的变形监测工作[16]，一般也称为涉铁监测。铁路运营设备设施指铁路工务、供电、电务等设备设施，站台、站房、人行天桥、地道、库房等关系铁路行车运营的构筑物。

3 高速铁路运营监测技术展望

随着高速铁路运营里程和运营服役时间增加，铁路基础设施、设备养护维修问题日益突显，只有不断提高监测精度、效率，才能为铁路运营提供更便捷、快速、准确的基础性数据。为适应中国高速铁路快速发展的需要，运营监测技术仍需与时俱进开展深入研究。

(1)控制测量基准维护体系研究。如建立覆盖高速铁路线路的北斗地基增强系统，建立线路高精度精化大地水准面模型，实现基准维护和运营监测的准适时或动态联动、数据共享等。

(2)监测技术和监测手段研究。随着测绘新技术和大数据、物联网、人工智能、传感技术的融合发展，监测技术方法必将不断变革、创新。高速铁路运营监测仅依靠传统的大地测量、工程测量手段已经难以满足需要，高速铁路运营监测仪器设备应向自动化传感器应用及实时监测方向发展，将各类传感器、北斗、遥感、视频影像等多手段、多系统进行综合交叉融合应用，并集多种监测技术和手段于一体，应用范围逐渐扩大，以实现快捷适时、自动化、智能化、网络化监测。

(3)监测系统自动化研究。监测数据采集从沉降、平面变形的一、二维向实时三维转变；从接触式监测向非接触式监测方向发展；从静态监测向移动监测方向发展；数据从测量点、线路平纵断面线、线路地形图等几何元素向高密度空间三维、点云、三维可视化以及设计模型的构建方向发展。实现监测设备高可靠、易维护、检测数据实时传输等功能，监测要素、图形、图像、通信和数据处理分析能力进一步加强，实现对基础设施状态高频适时、可靠监测。

(4)监测系统智能化研究。高速铁路运营监测从各类分散的单独系统向综合运营监测，覆盖全路的综合化、网络化、智能化系统发展；从定性和传统经验管理向定量化科学管理发展；从静态检测向动态检测、综合检测融合发展。形成系统、智能的动静态综合检测监测系统。

4 结语

从工程测量专业角度定义了高速铁路运营监测的基本概念，系统阐述了运营监测的分类方式、特点和主要内容，分析其与综合检测、变形监测、结构健康监测的关系，对运营监测的主要内容和技术方法进行系统介绍，并对未来发展趋势和研究方向进行了技术展望，对丰富运营监测技术体系和方法、发展路径、监测技术手段和方法创新方向具有指导意义，对工务管理部门和监测实施单位的运营监测工作具有一定的参考价值。