鐵路工電供檢測監(jiān)測技術現(xiàn)狀與發(fā)展探討

涂文靖，楊飛，曲建軍，劉秀波

（1.中國國家鐵路集團有限公司 工電部，北京 100844；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

鐵路是國家重要基礎設施。改革開放以來，特別是近10余年來，我國鐵路快速發(fā)展，截至2020年底，全國鐵路營業(yè)里程14.63萬km，其中高鐵3.79萬km，居世界第一。隨著鐵路運營里程增加和運營時間的積累，鐵路工電供設備數(shù)量明顯增大，檢查維修工作量也隨之增加，工電供設備維修體制、維修技術等也發(fā)生了重大變化。工電供檢測監(jiān)測技術裝備是鐵路技術裝備的重要組成部分，對客貨列車安全運行起著基礎性保障作用。為進一步精確掌握工電供裝備狀態(tài)變化規(guī)律，要求建立高水平、高質量的檢測監(jiān)測技術體系，為運營維護提供有力支撐。

2020年8月，中國國家鐵路集團有限公司出臺的《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》（簡稱綱要）明確提出了從2021年到21世紀中葉的2個分階段發(fā)展目標?！毒V要》針對檢測監(jiān)測技術體系，提出“加大智能檢測監(jiān)測安全保障技術應用，加大大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術應用，構建空天地車一體化的智能監(jiān)控系統(tǒng)，建設自然災害以及異物侵限、周界入侵智能監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)關鍵監(jiān)測預警信息實時上車交互并與列控、調度指揮系統(tǒng)互聯(lián)”等任務，為建成服務安全優(yōu)質、保障堅強有力、實力國際領先的現(xiàn)代化鐵路強國提供有力支撐［1］。為適應高速鐵路改革，提高檢測裝備智能化水平和勞動生產率，結合新形勢下高速鐵路高質量發(fā)展要求和工電設備修程修制改革，我國研究提出高速鐵路基礎設施檢測監(jiān)測體系框架［2］，以此為基礎研究探討我國鐵路檢測監(jiān)測技術的發(fā)展方向。

1 國內外現(xiàn)狀分析

1.1 國外現(xiàn)狀

日本主要采用“黃色醫(yī)生”和高速綜合檢測列車East-i對鐵路設備進行檢測［3-4］，研制了多種軌道檢測技術與設備，如基于軸箱加速度的軌道垂向不平順檢測裝置、應用于運營列車的搭載式弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、采用多通道雷達和激光檢測技術的隧道襯砌檢測車等。在監(jiān)測技術與設備方面，日本的監(jiān)測設備涵蓋軌道、鋼軌、橋隧、自然災害及異物侵限監(jiān)測技術和設備故障監(jiān)測技術等。這些先進的檢測監(jiān)測技術或設備大大提高了檢測監(jiān)測的精度和智能化水平。

德國鐵路的檢測監(jiān)測部門配備OMWE和RaiLAB軌檢列車、VT612和ICE高速檢測列車、CMT車載監(jiān)測系統(tǒng)、SPZ鋼軌探傷列車等，可較為全面地對鐵路各種設備進行檢測監(jiān)測，同時建立數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DB-GIS，簡化了基礎設施的維護和管理，搭建了具備對經(jīng)營狀況、設備故障等精確分析功能的數(shù)據(jù)綜合應用平臺，對各類檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)化、規(guī)范化管理和綜合分析，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)綜合應用平臺的信息化、智能化效益。

法國鐵路公司主要采用高速綜合檢測列車IRIS320和Melusine對鐵路設備進行檢測，并在運營列車搭載基于無線傳感器網(wǎng)絡、基于加速度測量的軌道幾何狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可及時、高效地監(jiān)測和評價軌道幾何狀態(tài)。同時還配備軌道檢測車Mauzin、電務信號檢測車Heline、接觸網(wǎng)檢測車VZC172和通信信號檢測車HELENE等專業(yè)檢測車，有針對性地對工電供專業(yè)的不同設備進行專項檢測監(jiān)測［5］。

通過對日本、德國、法國等發(fā)達國家鐵路工電供檢測監(jiān)測技術裝備和發(fā)展情況調研可知，世界各國鐵路都高度重視工電供檢測監(jiān)測技術的可持續(xù)發(fā)展，開展頂層設計，將工電供檢測監(jiān)測技術和體系的完善作為重點任務納入鐵路發(fā)展規(guī)劃，有序推進相關工作；積極研究運營列車車載檢測設備，持續(xù)完善基礎設施檢測監(jiān)測技術體系，檢測監(jiān)測設備向綜合、在線、智能方向發(fā)展；高度重視工電供設備管理和運維的信息化和智能化，正在開展基于大數(shù)據(jù)的工電供智能運維研究及應用，逐步實現(xiàn)工電供設備運維最優(yōu)成本管理。

1.2 國內現(xiàn)狀

目前，我國已成功研制并應用高速綜合檢測列車、綜合巡檢車、專業(yè)檢查車和運營列車在線檢測等檢測裝備，通信各子系統(tǒng)網(wǎng)管、信號集中監(jiān)測、風雨雪等氣象災害監(jiān)測和地震災害監(jiān)測技術也取得較大進步，工務8M、供電6C、通信各子系統(tǒng)網(wǎng)管、信號集中監(jiān)測等檢測監(jiān)測技術體系也初步建立，能有效對檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和應用，保障客貨列車安全運營［2，6-7］。但面對新形勢下鐵路高質量、高水平發(fā)展需求，在檢測監(jiān)測技術方面仍存在若干制約鐵路可持續(xù)發(fā)展的重點問題，與實際運營需求還存在一定差距，主要表現(xiàn)為：

（1）檢測監(jiān)測技術智能化水平不高。我國部分檢測監(jiān)測技術達到世界先進水平，但現(xiàn)有檢測監(jiān)測裝備還存在檢測項目不夠全面、集成度不高、覆蓋不廣、智能化水平不足的問題?；诋斍斑\營列車的工電供在線設備檢測項目覆蓋范圍及集成度、配備模式仍存在較大缺口，智能化程度不高；工電供等專業(yè)檢查車功能融合度不高，缺少重載、普速鐵路工電供綜合檢測平臺；缺少有效的適用于道岔、特殊結構的狀態(tài)監(jiān)測設備；地震預警、異物侵限和氣象災害下的監(jiān)測設備有待完善；缺少鐵路周邊環(huán)境的快速監(jiān)測手段和設備；缺少應用于車間和工區(qū)快捷高效的檢測裝備，以取代人工巡視等低效檢查手段。

（2）數(shù)據(jù)分析和故障預警能力不足。我國鐵路檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)量呈快速增長趨勢，但由于業(yè)務系統(tǒng)繁多和相互獨立，數(shù)據(jù)共享和集成分析存在困難，且對不同專業(yè)數(shù)據(jù)的處理分析能力弱，數(shù)據(jù)挖掘較難，故障精準定位及狀態(tài)預警能力不強［8］。

2 外部環(huán)境需求分析

（1）經(jīng)濟社會發(fā)展對工電供檢測監(jiān)測技術高水平發(fā)展的需求。隨著我國經(jīng)濟進入由高速增長向高質量發(fā)展的新階段，我國鐵路必須牢牢把握高質量發(fā)展要求，通過更新改造工電供檢測監(jiān)測設備，提升工電供檢測監(jiān)測技術裝備現(xiàn)代化水平，通過技術創(chuàng)新確保工電供技術裝備檢測監(jiān)測的高質量發(fā)展，保持并不斷擴大我國鐵路在世界鐵路的“領跑者”地位，為保障人民群眾高效、高質出行提供堅實助力，為建設交通強國和經(jīng)濟社會的高質量發(fā)展提供有力支撐［9-10］。

（2）復雜地質氣候環(huán)境對工電供檢測監(jiān)測技術高水平發(fā)展的需求。保障鐵路安全可靠運營是鐵路行業(yè)的永恒主題，隨著路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，高鐵成網(wǎng)運營，高鐵開行數(shù)量、密度不斷增加，運營場景越來越復雜，鐵路運營安全風險和不確定性逐步增加。特別是未來一段時期，我國鐵路建設重點由東部沿海向中西部地區(qū)轉移，新建鐵路將面臨更多復雜地質、氣候、自然環(huán)境的考驗。研究掌握高鐵運營安全規(guī)律，提高工電供檢測監(jiān)測系統(tǒng)的安全性、有效性及可靠性是我國鐵路亟待解決的重點問題之一。

（3）人力資源對工電供檢測監(jiān)測技術高水平發(fā)展的需求。隨著經(jīng)濟發(fā)展、國民收入的提高和路網(wǎng)規(guī)模擴大導致工電供運維工作量的增長，鐵路工電供部門人力支出也隨之大幅增長。為了“降本增效”，面對日益繁重的鐵路基礎設施檢測監(jiān)測和養(yǎng)護維修工作量，通過提高檢測、監(jiān)測和維修裝備的生產效率，實現(xiàn)減員增效、提高企業(yè)經(jīng)濟效益成為近年來鐵路工電供部門發(fā)展的重要方向。

（4）科技創(chuàng)新推動對工電供檢測監(jiān)測技術高水平發(fā)展的需求。當今世界已進入知識經(jīng)濟、信息技術的時代，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機器人、高速寬帶通信等新技術迅猛發(fā)展，新設備、新技術不斷開發(fā)和應用，為鐵路工電供檢測監(jiān)測的智能化發(fā)展提供了有利條件。隨著新技術與鐵路各領域融合的不斷深入及新設備在鐵路應用的日益廣泛，鐵路工電供檢測監(jiān)測技術裝備將向更可靠、更有效、更自動、更智能的方向不斷發(fā)展［11-14］。

3 工電供檢測監(jiān)測技術重點發(fā)展方向

文獻［2］提出：鐵路基礎設施檢測監(jiān)測體系，應以安全和運維需求為導向，面向基礎設施檢測監(jiān)測對象，在既有專業(yè)檢測監(jiān)測系統(tǒng)基礎上與時俱進、繼承創(chuàng)新，形成以實時監(jiān)測、定期檢測為主導的基礎設施檢測監(jiān)測體系框架。在此，根據(jù)上述體系框架，提出工電供設備狀態(tài)檢測監(jiān)測項目齊全、評價準確、科學分析、超前研判等目標，推進工電供檢測監(jiān)測裝備統(tǒng)型、功能融合、數(shù)據(jù)共享、智能診斷和健康管理，提升工電供檢測監(jiān)測技術水平為運營維護提供有力支撐。

3.1 推進檢測技術的完善和發(fā)展

（1）加快基于運營列車的在線檢測設備研制和推廣應用。以運營列車為平臺，研制軌道平順性狀態(tài)在線檢測設備，實現(xiàn)每天多次檢測覆蓋和智能診斷；基于列控、通信車載設備關鍵部件及接口等綜合監(jiān)測關鍵技術，實現(xiàn)全方位的綜合監(jiān)測和智能診斷。

（2）提升高速綜合檢測列車技術水平。進一步優(yōu)化高速綜合檢測列車的總體設計，提高檢測系統(tǒng)的可靠度、集成度，擴展檢測功能，提高關鍵參數(shù)精度，完善檢測系統(tǒng)狀態(tài)自診斷功能，實現(xiàn)基礎設施狀態(tài)智能分析。

（3）提高基礎設施綜合巡檢技術水平。進一步提升綜合巡檢車的檢測和智能化診斷技術水平，研究基于圖像識別的視頻分析技術，提升綜合巡檢的檢測范圍和技術水平。

（4）提高隧道和鋼軌專業(yè)檢測車智能化水平。推廣隧道襯砌表面病害快速檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和病害診斷的自動化和智能化；研制鋼軌狀態(tài)檢查車，實現(xiàn)鋼軌探傷、鋼軌外觀狀態(tài)、鋼軌廓形和鋼軌平順性等項目的綜合檢測和智能分析。

（5）研制普速、重載綜合檢測（列）車。研究普速軌道、供電和電務檢測融合集成技術，研制普速、重載鐵路綜合檢測車或列車，推進普速、重載綜合檢測技術應用。

（6）研制小型快捷高效的檢測設備，提升車間和工區(qū)檢查效率。研制小型快捷高效的工務、供電和電務檢測設備和智能化分析工具，逐步提升車間和工區(qū)檢查效率。

3.2 推進監(jiān)測技術的完善和發(fā)展

（1）加強鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)建設。完善鐵路災害監(jiān)測技術體系，突破災害智能監(jiān)測、自動處置技術；持續(xù)發(fā)展國產化的風、雨、雪災害監(jiān)測設備，確保設備能夠通過有效標定校核，實現(xiàn)災害監(jiān)測設備自主研發(fā)、制造、使用和維護；持續(xù)開展高可靠地震預警技術及設備研究，推進地震預警監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件升級改造和應用；健全完善災害監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控單元、異物侵限現(xiàn)場采集設備、風雨雪現(xiàn)場采集設備、鐵路局集團公司中心系統(tǒng)等相關標準體系。搭建鐵路災害監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺，推廣鐵路災害監(jiān)測設備遠程智能化運維技術。

（2）加快推進工務監(jiān)測技術研究和應用。重點推進道岔軌件傷損監(jiān)測，橋梁結構、路塹及隧道進出口邊坡、路基等變形監(jiān)測，高鐵作業(yè)門狀態(tài)遠程控制等技術研究和應用。

（3）深入推進通信信號監(jiān)測技術研究。開展鐵路沿線無線電電磁環(huán)境的監(jiān)測技術研究；完善通信各子系統(tǒng)網(wǎng)管和信號集中監(jiān)測功能，包括GSM-R接口監(jiān)測、電源環(huán)境監(jiān)測、防雷監(jiān)測、鐵塔監(jiān)測、光纜監(jiān)測、干擾監(jiān)測等，在此基礎上建立智能綜合運維平臺，構建具備全方位實時監(jiān)測、全生命周期跟蹤、智能化分析等功能的綜合運維體系；推進信號集中監(jiān)測系統(tǒng)升級改造，提升對站內、區(qū)間軌道電路、道岔、電源的精準監(jiān)測水平，推廣運用區(qū)間軌道電路室外監(jiān)測系統(tǒng)，基本實現(xiàn)高鐵線路全覆蓋；研究高鐵信號設備故障預測與健康管理（PHM）關鍵技術和高鐵信號安全預警技術，增加對軌道電路牽引電流、牽引電流不平衡、鋼軌絕緣、道岔轉轍設備牽引力等進行實時監(jiān)測的功能研究；開展對運營列車電務懸掛部件狀態(tài)檢測和故障識別系統(tǒng)的研究。

（4）持續(xù)開展牽引供電監(jiān)測技術研究。進一步完善鐵路牽引供電系統(tǒng)的監(jiān)測功能與性能，構建智能化的牽引供電設備監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對牽引變壓器、高壓開關、高壓電纜等關鍵設備的運行狀態(tài)、技術參數(shù)遠程實時在線監(jiān)測；全面建成全路6C系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。

3.3 建設檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)融合服務平臺，提升數(shù)據(jù)應用分析水平

（1）全面歸集檢測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場維修信息、設備基礎信息、病害樣本等重要數(shù)據(jù)，構建檢測大數(shù)據(jù)平臺。研究建立跨專業(yè)信息共享機制，建設檢測數(shù)據(jù)樣本庫和大數(shù)據(jù)集成分析算法庫，加強檢測數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析、對比分析和趨勢分析，提升檢測數(shù)據(jù)分析運用水平，為提高日常養(yǎng)護維修以及大修、技術改造的科學性、預見性和合理性，提供可靠數(shù)據(jù)支持。

（2）充分運用長期積累的檢測數(shù)據(jù)，形成具有科學評價和輔助決策水平的鐵路基礎設施運營狀態(tài)質量分析報告，為鐵路運行的安全持續(xù)穩(wěn)定提供有力技術保障。依據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析結果，進一步優(yōu)化檢測周期和檢測預警值，針對不同服務對象，實施差異化管理，提高檢測的精準性、經(jīng)濟性。

4 結束語

為適應鐵路高水平發(fā)展要求，必須通過科研創(chuàng)新、資源配套、科技管理、人才戰(zhàn)略和合作交流等手段，為檢測監(jiān)測技術體系的不斷健全和完善提供強有力的保障措施，持續(xù)優(yōu)化完善檢測監(jiān)測技術體系，實現(xiàn)全覆蓋、全天候監(jiān)測及智能化診斷，保持并不斷擴大我國鐵路在世界鐵路的“領跑者”地位。