城际铁路道岔设备智能运维关键技术及应用研究

王东妍，马颖伟，李宇初，李俊波，沈 鹍，李娟

0 引言

城际铁路功能定位主要为实现各城市中心城区的快速联系、带动周边片区城市更新、缓解部分地区节假日客流的交通压力，城际铁路网建设需求更倾向于“公交化运营、一体化管理、一站式服务”的目标[1]，具有高峰时段客流量大、经过主要城区且地下站多、客运需求变化大等特点。城际铁路与其他轨道交通存在信号制式不同[2]，列车运行时间间隔短，要求线路具有较高的折返能力，保持道岔设备良好状态就显得尤为重要。

道岔设备是城际线路的三大薄弱环节之一，城际铁路不同于高速铁路，列车运行时间间隔短，发车密度大，多为短途旅行或通勤乘客，对时间效率要求高，舒适度要求相对较低，线路辐射范围较小，站点密集，线路具有较高的折返能力。城际铁路正线及侧向接发列车的到发线上的道岔不应小于12号。道岔号越大其长度越长，还需考虑站坪长度，控制土建投资。李俊波等[3]分析工程建设与运维管理的差异，探究运用数据驱动策略构建设备建设期和运维期数据衔接与运用方法。周纪武等[4]开展多源融合感知道岔状况和多引擎融合可视化数据分析研究，实现对道岔全生命周期跟踪监测。何晨等[5]依靠建筑信息模型(BIM)的信息传递属性，开展工电联检联修可视化研究。魏建华等[6]开展道岔结合部关键数据测量和管理研究，将测量数据进行管理及建模分析，给出对道岔部件的整治和维修建议。在轨道交通领域[7-8]，深入分析道岔病害成因，提出针对性的整治措施。同时对道岔的质量评价和状态评估开展研究[9-11]，提出多种道岔状态评估方法，为道岔养护维修提供合理化建议。在道岔应用方面[12-15]，基于检测监测系统数据，提出针对不同场景的道岔运维管理系统建设。以上研究有力地推进了道岔设备全生命周期管理技术的研究，但对数据源质量要求很高，未考虑日常检测检查、养护维修数据的标准化。既有研究也未考虑随着既有道岔服役时间增加，道岔质量度过稳定期后，整组周期性检查频率和效率需要提升，道岔设备需要进行全面质量评定，以及检测监测及维修生产数据的传递。

因此，有必要运用全生命周期理念，开展城际铁路道岔设备智能运维关键技术研究，通过分析城际铁路道岔运维和技术管理现状，探索城际铁路道岔专项评定管理体系和道岔专项评定管理系统设计，为道岔运维管理的信息化、智能化提供有力支撑。

1 城际铁路道岔管理现状

1.1 城际道岔运维现状

（1）运维管理模式。目前，城际铁路运维管理单位均分专业管理，通号中心和维修中心独立设立，道岔设备的维修往往需要工务和电务专业共同参与，尤其涉及密贴等问题，需要多专业联合分析决策，工务和电务专业联合整治。

（2）检测检查手段。道岔的平顺性和结构状态评估包括轨道几何不平顺、降低值、密贴、钢轨、纵向位移、联结零件、道床状态、标志标识8个项点，由于检测项点较多，现有道岔检测检查手段涉及的检测装备较多，如轨检小车、轨距尺、尖心轨降低值仪、钢轨廓形仪等，1 组道岔检查需要180 min天窗才能完成，检测效率低下，亟需研发适应于道岔专项的检测装备。

（3）道岔状态评定。最早开通的城际铁路运行已超过12 年，根据道岔的服役期规则，随运营时间延长设备质量整体呈下降趋势。客运专线道岔中，无砟道岔稳定期运营时间一般为3～9 年，超过9年的道岔质量衰减缓慢，运营超过12年衰减加快。亟需开展城际铁路整组道岔全面评估，研发评价模型支撑城际铁路道岔状态评定。客运专线无砟道岔不同开通运营时间的道岔评估结果占比如图1所示。

图1 客运专线无砟道岔不同开通运营时间的道岔评估结果占比Fig.1 Proportion of turnout evaluation results of ballastless turnouts on passenger dedicated lines at different opening and operation time

1.2 存在问题

（1）数据共享不充分。城际铁路道岔设备运维数据涉及设计、施工及运维阶段，不同阶段的数据无法共通；道岔运维管理部门分属于工务和电务专业，不同管理部门应用的系统不尽相同；同时部分专业应用系统模块较多，多系统之间无关联数据流转，无法实现系统互联互通、数据共享共用。

（2）数据标准不规范。建设期和运维期数据由于其管理机构、专业划分、编码体系、里程体系等区别导致数据无法互通，信息化建设顶层设计缺失，存在“信息孤岛”，导致数据的标准规范尚不统一，影响数据分析挖掘、全生命周期信息管理。亟需统一数据标准，确保城际专网数据与外部数据能够共享。同时，移动检测、固定监测、静态检查方面的数据也需进行规范化采集与接收。

（3）数据分析不深入。随着安全信息化建设的不断推进，以及大数据分析技术的日趋成熟，已积累大量的设备基础数据、状态数据、检测数据、维修数据和视频数据等多种数据，但大部分数据仅停留在可视化展示、简单的统计分析和比较，检测监测数据来源较多，数据融合分析所属维度不尽相同，因而设备的故障诊断和健康管理分析较难。

2 系统设计

2.1 建设目标

基于城际铁路道岔管理现状，需针对道岔设备进行整组全面评估，开展城际铁路道岔专项评定管理体系研究，实现综合检测、全面分析、精准修理。城际铁路道岔专项评定管理系统是以道岔设备资产管理为核心，综合利用动静态检测、检查数据的基础上，通过量化分析，分析设备质量变化趋势，辅助编制生产计划，实现从检测检查、状态评定、养护维修、整治验收的生产信息化闭环管理。通过系统的开发应用，整体掌握道岔运行状态，科学指导生产，全面提高道岔设备质量。道岔生产信息化闭环管理如图2所示。

图2 道岔生产信息化闭环管理Fig.2 Closed-loop management of turnout production informatization

2.2 系统架构

城际铁路道岔专项评定管理系统采用B/S 架构。系统逻辑架构包括感知层、数据资源层、数据平台层和应用层。城际铁路道岔专项评定管理系统系统逻辑架构图如图3所示。

（1）感知层。主要获取道岔设备动态检测和静态数据，包括道岔几何尺寸数据、结构化病害数据、图像等非结构化数据。

（2）数据资源层。主要提供数据存储、分析和可视化所需的基础软硬件支撑，将检测检查数据和设备信息数据进行汇集、存储、抽取、清洗等操作，为数据分析提供数据源。

（3）数据平台层。主要具备数据共享、数据挖掘分析等功能，依托海量检测检查数据，建立数据挖掘等分析算法，对检测检查数据进行比较分析、趋势分析、量化分析。

（4）应用层。结合实际应用需求，实现道岔设备的评定管理，包括设备台账、检测检查、状态评定、养护维修、整治验收等功能。

2.3 功能设计

通过对城际铁路道岔的全面评估和整治，实现检测检查、状态评定、养护维修、整治验收等的生产信息化闭环管理。城际铁路道岔专项评定管理系统功能模块如图4所示。

图4 城际铁路道岔专项评定管理系统功能模块Fig.4 Function module of special evaluation management system for intercity railway turnout

2.3.1 设备台账

（1）技术台账管理。运营管理单位接管设备时，会实地勘察设备，根据运维期的规则重新进行道岔设备技术台账的核定。技术台账设置时主要对道岔编号、道岔种类、轨型、辙叉号、设计图号等进行梳理。由于道岔结构材料的多样性，形成道岔大轨件技术台账。通过手持终端+二维码的方式进行大轨件的换轨上下道运用跟踪，实现道岔设备的全生命周期管理。

（2）设备履历管理。道岔设备全生命周期管理以道岔资产数据为核心，实现设备检测监测、分析、计划、作业、验收的闭环管理。结合道岔台账、大轨件台账、设备检测缺陷、特性测试、生产维修更换、车站配线图及道岔图号设计图等历史记录，形成涵盖道岔生命周期的一岔一档资料。道岔设备履历管理如图5所示。

图5 道岔设备履历管理Fig.5 Track record management of turnout equipment

（3）道岔图号管理。城际铁路道岔图号是按道岔型号进行具体结构设计得到的产品名称，包含道岔类型、辙叉号、轨型等信息。每个道岔图号均有设计铺设图，按照整体设计图、转辙部分和辙叉部分分别展示，同时展示特殊部位的层次结构设计，并附钢轨、转辙机、辙叉、垫板、螺栓等部件的代码、图号、名称、规格、数量、材质信息，结合道岔检测检查数据与铺设图精准对位，融合分析出设备精确调整量，为设备精整精修提供数字化基础。

2.3.2 检测检查

道岔设备的检测监测检查数据主要来源于综合检测车、车载晃车、各类监测传感器、轨检小车及人工静态检查。道岔设备质量评定以整组道岔为单位进行优良失格评价，根据评定规则，开展道岔设备质量评定标准梳理，为道岔质量精准评估及精细化管理提供基础；细化道岔部位，通过二维或三维可视化方式[16]，图标区分病害项目，直观查看道岔病害位置及病害详细信息。

（1）质量评定标准。根据道岔设备质量评定规则，开展道岔静态病害标准梳理，分为多种情况。一是测量作业验收容许偏差管理，需要根据偏差范围进行拆分，如几何尺寸、降低值、道床状态等；二是扣分条件描述为“问题+数量+单位”，无峰值要求，需要将合并的问题类型进行拆分，道岔零部件应“紧、密、润、靠”，病害需要达到整治限度，如钢轨的伤损和病害限制标准，联结零件的扣件损坏、失效等。

（2）道岔部位细化。道岔的尖轨、导曲线、辙叉和护轨部分容易产生各种病害，城际铁路以单开道岔为主，设备根据结构划分为转辙部分、连接部分、辙叉及护轨部分。转辙部分区分前顺坡终点、直曲基本轨、直曲尖轨；连接部分区分导曲上下股、外直导股、内直导股；辙叉及护轨部分区分辙叉前中后直曲股、弹性可弯中心后部直曲股、翼轨和护轨。在此基础上，区分前部、中前部、中部、中后部、后部。单开可动心道岔部位细化表如表1所示。

表1 单开可动心道岔部位细化表Tab.1 Detailed table of single movable center turnout

（3）道岔智能巡检机器人。道岔开展整组全面检查，现有道岔检查装备种类较多，针对几何尺寸、降低值、密贴等均需要不同的装备，检测精度依赖检查人员的经验，检查精准度会直接影响对设备状态的分析评价，因而需要开展道岔智能巡检机器人多传感器一体化技术研究，实现对多种状态参数进行一体化综合检测，实现动态条件下的等距离采样，以提高检测频率和检测精度。

2.3.3 状态评定

（1）综合评价算法。整组道岔设备状态评定采用百分制，按照质量评定标准规则扣除应减的分值，得到设备的状态评估值，该值反映各项点的状态优良程度。道岔现有状态评估也可以采用各项点加权平均方法得出，各项指标的权重系数，采用层次分析法[17]确定。层次分析法是一种定性与定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法。目标层为整组道岔评估方法的权重系数，准则层选择轨道几何不平顺、降低值、密贴、钢轨、纵向位移、联结零件、道床状态、标志标识8 个项点作为评价指标(记为C1，C2，…，C8)，通过综合重要度的计算，对所有的方案进行优先排序，确定出最优方案。

评价指标之间两两比较，比较各评价指标C1，C2，…，C8对整组道岔评估的重要性。采用1—9标度方法判断两元素的相对重要性。层次分析法各元素比值定义如表2所示。

表2 层次分析法各元素比值定义Tab.2 Definition of element ratio in analytic hierarchy process

构造判断矩A=(aij)8×8。其中，aij>0；aji=1/aij；i=1，2，…，8；j=1，2，…，8。提取数值，得到判断矩阵如下。

求得归一化特征向量λ，即为各权重系数。

对判断矩阵A进行一致性检验，其最大特征值λmax=8.63，评价指标个数n=8，判断矩阵偏移一致性指标CI计算公式如下。

对于8阶矩阵，随机一致性指标RI=1.41，一致性比率CR计算公式如下。

CR=0.064<0.1，因而判断矩阵A满足一致性检验。

（2）状态分析管理。道岔病害产生因素，考虑结构分布的空间效应、结构损伤的多尺度效应，通过对道岔状态整体评估，对移动检测、固定监测、静态检查缺陷问题进行入库分析，动态检测问题进行现场复核，按照可调权重算法对道岔单元进行量化评分，深入研究道岔病害特点，综合分析道岔结构病害劣化的规律，找出设备病害成因，辅助开展养护维修决策。道岔设备状态分布图如图6所示。

图6 道岔设备状态分布图Fig.6 Turnout equipment status distribution

2.3.4 养护维修

（1）作业项目标准。道岔设备检查入库的缺陷均有对应的作业项目进行匹配。作业项目标准化可以对施工维修作业的工作量进行量化，更好地控制成本。作业项目标准化可以确定作业内容、劳动组织人数、项目定额、施工维修、作业等级等。

（2）生产作业方案。道岔设备根据状态评估后，可筛选出病害重点单元，根据道岔设备的优良率开展道岔整体养护维修，结合车间每月初步工作计划，统筹考虑各工区各专业作业实际情况，根据各专业作业验收标准进行作业方案编制，明确作业内容、分组、作业小组负责人及成员分工；如果涉及工电联整问题，需要工务和电务联合编制作业方案，按照电务为主体提报天窗计划，实现天窗资源综合利用，提高维修作业效率。道岔生产作业方案如图7所示。

图7 道岔生产作业方案Fig.7 Turnout production operation plan

2.3.5 整治评价

道岔按整治方案作业后，需要对道岔进行检查验收，道岔恢复到设计线形线位，质量评定要达到优秀。系统中“一岔一档”功能，对每组道岔的检查概述、评价结果、评估得分、整治结果、整治情况描述、整治得分进行统一展示。

2.3.6 汇总分析

道岔设备状态随服役时间延长逐渐劣化，依据评估中发现的问题开展数据统计、原因分析与作业整治工作；依据道岔设备数量及评估结果数据，从道岔设备所属线路、开通运营时间、病害类型、道岔图号等角度开展设备时空汇总分析，开展道岔服役状态影响因素分析，并自动生成汇总报表。

3 关键技术

（1）研究道岔智能巡检机器人一体化技术，提升道岔周期性整组全面检查效率。面向道岔智能巡检需求，研究智能巡检机器人一体化设计技术，涵盖相机、北斗、惯性测量单元(IMU)等主要传感器，研究轨距、廓形、尖心轨降低值等道岔关键几何参数的检查方法，实现道岔工务几何参数快速检测。通过模块化设计集成多传感器，便于传感器以及机器人零部件的拆装，提高检测道岔上下道的便捷性，并预留其他综合检测传感器接口，方便实现机器人检测功能的定制化拓展。研究适用于全平纵断面的智能巡检机器人平台运动控制技术，构建基于锂电池的电机驱动系统，实现机器人平台不低于3 h 续航、最高不低于20 km/h 检测速度的自走行动力运行，实现道岔直线、不同半径曲线、不同坡度等的全适应巡检作业需求。

（2）基于设备单元综合评价算法，分析设备质量变化趋势，提出科学的设备养护维修建议。利用检测检查数据对道岔设备缺陷进行识别，根据问题严重程度分级纳入设备问题库，诊断设备故障，对设备质量状态进行专业和融合评价，按照可调权重算法对各专业设备单元进行量化评分，得到设备的状态评估值，筛选重点病害单元，提出科学的设备养护维修建议。积累道岔相同病害的故障历史数据，建立知识库，从故障数量、位置、频次等维度分析状态演化机理与规律，为设备养护维修决策提供全方位的信息服务，提高设备养护维修决策的科学性。

（3）运用全生命周期理念，实现道岔缺陷的全过程闭环管理。开展道岔专项评估整治工作，以高效组织生产过程为核心，建立检测检查、状态评定、养护维修、整治验收闭环生产组织流程。以“计划修+状态修”管理模式，结合天窗计划，实现年月周日计划编制，以工单驱动人、机、物等维修资源，实现道岔缺陷的全过程闭环管理。通过对道岔和大轨件设备资产数据、道岔部位数据、病害标准数据、作业项目数据进行细化，建立完善的数据管理体系，运用全生命周期理念，对大轨件设备从上线、运行、维护到更换的全过程进行科学的闭环管理，完成数据价值传递，形成基础履历数据，为设备质量状态融合评价提供数据基础，预测局部大轨件下道，实现道岔设备的全生命周期管理。

4 系统应用

穗莞深城际铁路(新塘南—深圳机场)全长76 km，包含道岔设备53 组，主要以客运专线18 号道岔为主，以及少量的12 号道岔，图号分别为客专线(07)001、客专线(10)017 和SC340，现由中国铁路广州局集团有限公司代为运营。2022年开展正线道岔评估整治工作，坚持先评估后整治的原则，结合动、静态检测数据以及道岔动作电流、功率曲线、缺口监测数据，会同电务运维部门逐组分析问题，共同研究制定工电联整方案，做到“一岔一档”“一岔一案”。道岔评估整治台账如图8所示。

图8 道岔评估整治台账Fig.8 Turnout evaluation and regulation ledger

从道岔评估汇总得出，道岔整组质量状态以一般状态为主，部分良好，无优秀状态道岔；从铺设年份分析，道岔均铺设8 年以上，道岔质量度过稳定期，质量状态开始进入衰减期，需要周期性检查铺设超过10 年的道岔质量状态；从病害分类分析得出，道岔以密贴问题为主，还有一些联结零件和钢轨问题，需要工务和电务专业进行联合分析，给出合理化的作业方案，开展联合整治验收；从道岔图号分析，客专线(10)017 道岔设备平均分数较客专线(07)001 高，客专线(07)001 号道岔设备需要优先进行评估整治。道岔评估汇总分析如图9所示。

图9 道岔评估汇总分析Fig.9 Turnout evaluation summary analysis

由于绝大部分道岔未进行大修更换，城际铁路运营时间可等同于道岔服役时间，同一线路的不同区段运量各异，统计困难，同时城际铁路属于客运线路，因此不考虑运量对道岔的影响。仅从运营时间看，随着运营时间的延长，道岔的保养质量逐渐降低，运营初期，时间不足3年时，大部分道岔保养质量在优秀范围；运营时间超过3年不足9年时，道岔整体状态进入一个稳定期，保养质量较初期有所下降，但发展较慢，约一半道岔保养质量可以达到优秀；运营时间为9～12 年时，道岔整体状态明显开始衰减。在道岔存在的几何尺寸、密贴、联结零件等8 类病害中，密贴病害数量明显多于其他病害，以尖心轨不足位移以及尖心轨尖端、滑床板离缝等问题为主。在扣分最高的项点中，客专线系列道岔尖心轨尖端间隙超限问题较多。按照部分典型病害及结合部问题快速高效整治要求，将道岔巡检整修纳入一体化计划管理，实行工电联合检查、精细制订作业方案、共同整治，严禁单一作业；做好病害分级管控，对道岔尖轨硬弯、密贴超限等疑难病害及时采取有效措施进行根治；强化信息沟通，共享检测、监测数据，形成动态“一岔一档”，及时分析劣化规律，实现道岔设备质量动态可控、常态达标，进一步优化提升道岔设计、制造和维护管理水平。

5 结束语

城际铁路道岔专项评定管理系统已在穗莞深城际铁路运行1 年，积累了大量道岔日常检查和评定数据，通过检测设备研发，提高道岔检测效率，结合道岔变化规律，优化道岔检查周期，同时积累了近3 年的道岔养护维修工单数据，根据道岔质量评定数据，提出合理化的单专业或多专业的养修方案。基于上述数据的持续积累，可以辅助城际铁路运营管理单位，持续追踪道岔质量状态，继续优化评价算法和权重，对道岔养修规律进行探索，指导道岔设备的大修和维修。根据既有道岔的养护维修规律，为未来新线城际线路道岔设计和养护维修提供有效支撑，有效提升城际铁路道岔设备的智能运维水平。未来，还可以继续优化道岔智能巡检机器人设计，减少人工检查工作量，提升道岔检查效率。