注：本文為期刊公眾號(hào)簡(jiǎn)版，完整版已發(fā)群內(nèi)自取。

牛道安，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司

曲建軍，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所

楊飛，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所

劉金朝，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所

0.引言

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)工作是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施全面感知、安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、設(shè)備狀態(tài)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)、故障診斷預(yù)測(cè)、趨勢(shì)變化分析、推進(jìn)實(shí)施精準(zhǔn)維修和預(yù)防性維修以及提高維修效率、降低維修成本的重要手段，是確保鐵路持續(xù)安全運(yùn)營(yíng)的重要技防保障。隨著基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)設(shè)備的不斷研發(fā)應(yīng)用，我國(guó)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)體系不斷完善，積累了大量設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)。中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司“十四五”發(fā)展規(guī)劃提出，依托中國(guó)鐵路主數(shù)據(jù)中心構(gòu)建全路共享通用的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理分析專業(yè)化、自動(dòng)化與智能化，提高數(shù)據(jù)分析效率，為保障鐵路安全運(yùn)營(yíng)和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施科學(xué)經(jīng)濟(jì)養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)支撐。

軌道作為影響線路行車安全的主要結(jié)構(gòu)之一，其質(zhì)量狀態(tài)檢測(cè)與科學(xué)管理是工務(wù)部門養(yǎng)護(hù)維修的重要內(nèi)容。目前，我國(guó)的軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝備包括高速綜合檢測(cè)列車、綜合巡檢車和軌道檢查車、鋼軌探傷車、隧道檢測(cè)車等系列專業(yè)檢查車，對(duì)軌道幾何、軸箱加速度、輪軌力、道床臟污和路基病害等進(jìn)行周期性檢測(cè)，最高檢測(cè)頻率可達(dá)每月2次以上，按現(xiàn)行檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)周本刊特稿用于評(píng)判軌道短波不平順。目前，已在14輛高速綜合檢測(cè)列車上安裝了車輛加速度檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集列車在運(yùn)行過(guò)程中的車輛橫向與垂向軸箱加速度。當(dāng)前每季度對(duì)全國(guó)高速鐵路軌道短波狀態(tài)進(jìn)行一次覆蓋性檢測(cè)。期，檢測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)可支撐歷史10年和未來(lái)30年檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理分析，可滿足月平均3TB的增量需求。大量累積的動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)蘊(yùn)含了豐富的線路設(shè)備狀態(tài)信息，是工務(wù)管理部門盤(pán)活數(shù)據(jù)資產(chǎn)、深挖數(shù)據(jù)價(jià)值，以軌道檢測(cè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工務(wù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修的科學(xué)化、合理化，全面實(shí)施狀態(tài)修及預(yù)防修的寶貴數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是我國(guó)線路設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1.軌道狀態(tài)檢測(cè)和大數(shù)據(jù)管理

1.1 軌道幾何檢測(cè)

軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)是采用綜合檢測(cè)列車或軌檢車的軌道檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)軌道的高低（左右）、軌向（左右）、三角坑、軌距、水平幾何形位進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)輸出車體（橫、垂）加速度。截至2021年底，高鐵線路配備14列高速綜合檢測(cè)列車，執(zhí)行周期15d左右的覆蓋性檢測(cè)，普速線路配備59輛軌道檢查車，根據(jù)線路允許速度或年通過(guò)總質(zhì)量，對(duì)線路正線進(jìn)行每月1或2遍檢查。軌道幾何檢測(cè)對(duì)于評(píng)價(jià)線路狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)軌道病害、指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修具有重要作用。

軌道幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)主要依據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)區(qū)段局部峰值（偏差）和軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）均值進(jìn)行管理，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析、理論仿真成果形成了我國(guó)高速鐵路200~250km/h、250（不含）~350km/h各速度等級(jí)的軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值及普速線路軌道動(dòng)態(tài)幾何不平順容許偏差管理值，將偏差分為日常保持、計(jì)劃維修、臨時(shí)補(bǔ)修和限速共Ⅰ—Ⅳ級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)管理。普速鐵路線路TQI依照速度等級(jí)分為Ⅰ—Ⅲ級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)管理，為大型養(yǎng)路機(jī)械搗固等維修的驗(yàn)收、優(yōu)先安排與及時(shí)維修提供依據(jù)。

1.2 軸箱加速度檢測(cè)

軸箱加速度檢測(cè)能夠反應(yīng)由車輛輪對(duì)直接傳遞到軸箱上的軌道短波不平順引起的高頻振動(dòng)響應(yīng)，可以用于評(píng)判軌道短波不平順。目前，已在14輛高速綜合檢測(cè)列車上安裝了車輛加速度檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集列車在運(yùn)行過(guò)程中的車輛橫向與垂向軸箱加速度。當(dāng)前每季度對(duì)全國(guó)高速鐵路軌道短波狀態(tài)進(jìn)行一次覆蓋性檢測(cè)。

根據(jù)各線路軌道沖擊指數(shù)的分布規(guī)律，提出適用于高速鐵路軌道短波健康狀態(tài)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。通過(guò)長(zhǎng)期檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)存在的鋼軌焊縫不良、擦傷、硌傷、波磨等多種類型短波病害，檢出率超過(guò)85%。

1.3 輪軌力檢測(cè)

輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)由測(cè)力輪對(duì)技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)輪軌間橫向和垂向作用力，輸出脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等運(yùn)行安全性指標(biāo)參數(shù)（見(jiàn)表2），對(duì)軌道整體狀態(tài)是否滿足車輛運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)異常輪軌力響應(yīng)檢測(cè)軌道病害，指導(dǎo)軌道線路的狀態(tài)維修，降低輪軌疲勞損傷。

輪軌力數(shù)據(jù)還可以結(jié)合頻譜分析、滑動(dòng)濾波等技術(shù)，分析科學(xué)評(píng)價(jià)線路動(dòng)態(tài)性能，根據(jù)輪軌異常信號(hào)挖掘軌道缺陷，消除潛在的車輛運(yùn)行安全隱患，其主要應(yīng)用于2個(gè)方面：高頻輪軌力數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)軌面短波病害、中低頻輪軌力數(shù)據(jù)預(yù)警軌下基礎(chǔ)異常狀態(tài)，目前在我國(guó)高速鐵路的軌道狀態(tài)評(píng)判中發(fā)揮重要作用。

1.4 道床狀態(tài)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)是檢測(cè)道床狀態(tài)的重要手段，能夠反映影響道床力學(xué)性能及軌道平順性、穩(wěn)定性的重要因素——道床臟污程度，用于指導(dǎo)大機(jī)清篩作業(yè)?；诶走_(dá)檢測(cè)技術(shù)的道床臟污狀態(tài)識(shí)別方法可分為基于雷達(dá)圖像處理的定性分析方法和基于雷達(dá)信號(hào)信息挖掘的定量分析方法，2種方法均基于雷達(dá)發(fā)射的電磁信號(hào)在道床—基床層發(fā)生反射、散射等，最終被雷達(dá)接收天線接收，通過(guò)數(shù)據(jù)處理形成雷達(dá)信號(hào)圖像（見(jiàn)圖1）。

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基于前期檢測(cè)、取樣等試驗(yàn)分析，持續(xù)推進(jìn)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在道床臟污檢測(cè)方面的應(yīng)用，并已在專業(yè)檢測(cè)車上集成高、低頻雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)道床—基床層位線、含水、翻漿冒泥、道床臟污等項(xiàng)目的綜合檢測(cè)，并輸出關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的量化檢測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2）。

1.5 軌道結(jié)構(gòu)外觀檢測(cè)

高速鐵路綜合巡檢車以基于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施外部結(jié)構(gòu)巡檢為主，輔以軌道幾何、線路限界等幾何形位檢測(cè)，具有檢測(cè)項(xiàng)目全面、檢測(cè)信息量大、數(shù)據(jù)一致性高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)多專業(yè)巡檢系統(tǒng)的綜合集成設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施巡檢圖像數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集、典型缺陷圖像智能識(shí)別算法3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)，在線路設(shè)備工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修方面實(shí)現(xiàn)鋼軌傷損識(shí)別、扣件缺陷識(shí)別、無(wú)砟道床異物識(shí)別等功能，缺陷典型圖像見(jiàn)圖3。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，高速鐵路綜合巡檢車在設(shè)備外觀狀態(tài)檢查中發(fā)揮了重要作用，對(duì)設(shè)備病害的檢出數(shù)量和檢查效率大幅優(yōu)于裝備配屬前，顯著提升了線路設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)綜合保障能力。

1.6 鋼軌探傷

鋼軌探傷車采用超聲波檢測(cè)原理檢測(cè)鋼軌內(nèi)部疲勞傷損，可檢測(cè)鋼軌軌頭、軌腰及其延伸部位內(nèi)部缺陷，主要包括軌頭橫向裂紋、軌頭軌腰縱向水平裂紋、螺孔裂紋、軌腰斜裂紋和軌底橫向裂紋等，鋼軌探傷車典型病害見(jiàn)圖4。

高速鐵路主要以探傷車為主、探傷儀為輔的方式對(duì)正線鋼軌進(jìn)行周期性探傷，探傷車檢查發(fā)現(xiàn)的傷損應(yīng)采用探傷儀進(jìn)行復(fù)核。使用探傷車對(duì)正線鋼軌每年檢查不少于7遍，冬季應(yīng)適當(dāng)縮短檢查周期。目前我國(guó)全路共計(jì)58臺(tái)鋼軌探傷車，2021年共完成136萬(wàn)km檢測(cè)，報(bào)告27680處傷損報(bào)警，為保障線路安全發(fā)揮了重要作用。

2.多源數(shù)據(jù)融合分析及其應(yīng)用

在對(duì)軌道動(dòng)靜態(tài)幾何、車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)、地質(zhì)雷達(dá)等多源檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空高精度配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，揭示多源檢測(cè)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與傳遞規(guī)律，為軌道彈性不良篩查、連續(xù)多波周期性不平順識(shí)別、道床臟污狀態(tài)評(píng)估等提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 軌道幾何動(dòng)、靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)融合分析

扣件松脫、軌枕空吊、道床松散與板結(jié)等軌下結(jié)構(gòu)隱蔽病害會(huì)引發(fā)軌道彈性狀態(tài)不良問(wèn)題，在日常設(shè)備檢查中不易察覺(jué)，已成為養(yǎng)護(hù)維修難點(diǎn)。通過(guò)提取和分析軌道幾何動(dòng)、靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道彈性不良區(qū)段的有效篩查。

以某有砟線路區(qū)段為對(duì)象，對(duì)比動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)融合篩查結(jié)果與移動(dòng)線路加載車檢測(cè)數(shù)據(jù)。若以動(dòng)、靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差2mm作為管理值，可篩選出4處潛在軌道彈性不良區(qū)段A—D（見(jiàn)圖5（a））。剛度加載車試驗(yàn)結(jié)果表明，潛在不良區(qū)段A—D的軌道剛度波動(dòng)顯著，普遍超出40~80kN/m，而正常區(qū)段的軌道剛度集中在60kN/m附近（見(jiàn)圖5（b））?？梢?jiàn)，融合分析軌道幾何動(dòng)、靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠有效篩查出潛在的軌道彈性不良處所。

2.2 軌道幾何與車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)融合分析

融合分析軌道幾何與車輛響應(yīng)數(shù)據(jù)，能夠有效識(shí)別連續(xù)多波不平順的幾何特征，并借助車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性評(píng)價(jià)不平順的影響程度，為養(yǎng)護(hù)維修決策提供更為全面的技術(shù)參考。

以某有砟高鐵出現(xiàn)32m簡(jiǎn)支梁徐變上拱病害的線路區(qū)段為例，部分區(qū)段高低不平順情況見(jiàn)圖6。分別提取簡(jiǎn)支梁梁縫與跨中處的高低不平順?lè)逯导跋鄳?yīng)處所的車體與構(gòu)架垂向加速度峰值開(kāi)展關(guān)聯(lián)性分析（見(jiàn)圖7）。由圖可知，在相同高低不平順?lè)禇l件下，梁縫處構(gòu)架加速度比跨中處幅值更大，而車體垂向加速度的規(guī)律卻與之相反，說(shuō)明構(gòu)架加速度對(duì)簡(jiǎn)支梁梁縫處“低塌”高低不平順更為敏感，而車體垂向加速度對(duì)簡(jiǎn)支梁跨中處高低不平順更為敏感，可為相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修決策提供依據(jù)。

2.3 軌道幾何與地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)融合分析

隨著軌道幾何與地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)融合分析的不斷深入，逐漸形成了基于軌道幾何和地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)的道床狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法以及道床病害識(shí)別方法。

軌道幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)可對(duì)有砟軌道平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)，是當(dāng)前道床養(yǎng)護(hù)維修決策的主要參考指標(biāo)；地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)可對(duì)道床臟污狀態(tài)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，為大機(jī)清篩提供依據(jù)。利用軌道幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算軌道幾何劣化，結(jié)合高、低頻地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)道床嚴(yán)重臟污劣化、翻漿冒泥等病害的排查及精確定位分析。通過(guò)對(duì)比不同清篩年限的地質(zhì)雷達(dá)圖像呈現(xiàn)不同臟污程度地段的軌道幾何變化量，可以看出臟污程度越嚴(yán)重，其軌道幾何變化量越大（見(jiàn)圖8），因此軌道幾何與道床檢測(cè)的融合分析將為道床修理提供更加全面、準(zhǔn)確的決策依據(jù)。

3.軌道病害診斷和預(yù)警分析

線路病害引起軌道幾何不平順偏差超限需要一定的發(fā)展時(shí)間，除個(gè)別病害區(qū)段在2次動(dòng)態(tài)檢測(cè)中間呈突變特征外，絕大多數(shù)病害區(qū)段屬于持續(xù)發(fā)展類型，因此可以基于軌道幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)分析，對(duì)線路病害進(jìn)行預(yù)警，防止偏差增大影響線路安全和穩(wěn)定，為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)。

基于高鐵無(wú)砟和有砟軌道線路海量數(shù)據(jù)，對(duì)軌道、道岔、路基、橋梁、隧道等不同結(jié)構(gòu)處典型病害的波形特征和演變規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)合精準(zhǔn)的里程校正波形，實(shí)現(xiàn)了基于軌道幾何動(dòng)檢數(shù)據(jù)的趨勢(shì)預(yù)警技術(shù)，研判預(yù)警了鋼軌單點(diǎn)沖擊變形、道岔狀態(tài)不良、無(wú)砟軌道接縫拉裂、高溫脹板、低溫凍脹，路基、橋墩和過(guò)渡段不均勻沉降，簡(jiǎn)支梁溫度變形等（見(jiàn)圖9、圖10）；根據(jù)預(yù)警結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核整治，有效遏止了病害進(jìn)一步發(fā)展。

線路受到簡(jiǎn)支梁徐變軌道結(jié)構(gòu)變形和路基沉降影響，軌道不平順呈現(xiàn)出持續(xù)劣化的趨勢(shì)，通過(guò)精測(cè)精搗和精調(diào)作業(yè)可使不平順恢復(fù)到較好水平。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)檢測(cè)，高速綜合檢測(cè)列車收集了大量動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)，多個(gè)檢測(cè)日期的軌道不平順構(gòu)成了時(shí)間序列，反映出線路的變化發(fā)展?fàn)顟B(tài)，基于軌道不平順的慣性發(fā)展規(guī)律，結(jié)合當(dāng)前軌道狀況，區(qū)分長(zhǎng)期劣化、周期性變形和人工作業(yè)干預(yù)趨勢(shì)，通過(guò)ARMA、RNN、LSTM、TCN等模型預(yù)測(cè)軌道平順性的未來(lái)發(fā)展（見(jiàn)圖11）。

4.軌道維修決策技術(shù)

將軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用到維修決策技術(shù)中，是周期修體制向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)?；跉v史軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)，可統(tǒng)計(jì)分析TQI指數(shù)累積分布情況，結(jié)合維修管理標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此確定需要進(jìn)行軌道維修作業(yè)的重點(diǎn)區(qū)段；同時(shí)可結(jié)合TQI指數(shù)的劣化速率分析建立TQI預(yù)測(cè)模型，以達(dá)到軌道狀態(tài)惡化重點(diǎn)區(qū)段預(yù)警目的，為軌道“狀態(tài)修”計(jì)劃的確定提供依據(jù)。

為更經(jīng)濟(jì)科學(xué)的制定軌道維修計(jì)劃，將全生命周期理念和經(jīng)濟(jì)成本分析引入決策過(guò)程，建立有砟軌道大機(jī)搗固維修決策模型，結(jié)合維修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、大機(jī)作業(yè)能力、連續(xù)作業(yè)區(qū)段等，建立綜合效益最佳的目標(biāo)函數(shù)，形成最終維修決策方案（見(jiàn)圖12），指導(dǎo)工務(wù)部門科學(xué)選擇最優(yōu)作業(yè)時(shí)間和地點(diǎn)。

5.結(jié)束語(yǔ)

隨著檢測(cè)手段和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，工務(wù)部門積累了海量多源檢測(cè)數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)各類型數(shù)據(jù)之間的融合分析與對(duì)比，是分析線路設(shè)備狀態(tài)評(píng)估及運(yùn)維決策的重要基礎(chǔ)。基于軌道幾何、車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)、地質(zhì)雷達(dá)、軸箱加速度、巡檢數(shù)據(jù)等多源軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，為工務(wù)設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修提供了科學(xué)依據(jù)，并有效預(yù)防病害的發(fā)生。未來(lái)立足于保障鐵路行車安全，滿足安全管控和養(yǎng)護(hù)維修的業(yè)務(wù)需要，合理配置人力資源，在現(xiàn)有完善檢測(cè)技術(shù)裝備體系基礎(chǔ)上，充分考慮工務(wù)設(shè)備智能化運(yùn)維的發(fā)展方向，滿足工務(wù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修的新需求。

來(lái)源：《中國(guó)鐵路》編輯部