轨检车车载轨道状态巡检技术及应用

轨检车车载轨道状态巡检技术及应用
介绍了轨道状态巡检技术在国内、国外的研究现状，以及轨检车车载轨道巡检系统的基本原理。

并结合该系统在广铁集团的运用及管理情况，就存在的问题提出了建议和今后的研究方向。

标签：轨检车；轨道状态；巡检技术；现场应用
1 前言
在自然环境和列车长年累月的作用下，铁路线路会发生轨道多种几何尺寸变化、钢轨表面擦伤、内部伤损、路基道床变形、扣件丢失或偏移等多种病害问题。

这些问题不仅会影响车辆运营，严重时更会危及行车安全。

目前，我国铁路运营里程已达13万公里，传统的人工巡道检查方式已经难以满足现代化铁路线路外观状态高效、安全检查的需要。

在此背景下，提出了在检测列车上安装巡检设备，将线路的外观状态拍摄下来，并设计相应的图像识别系统来智能分析和处理所记录的图像，从中发现线路病害。

2 国内外现状
发达国家，如澳大利亚、德国、日本等国在2000年前后，已经开始研制智能化轨道状态巡检设备；意大利Mermec、美国Ensco等公司在2000～2005年间，研制成功了智能化轨道状态巡检系统并投产使用；我国和法国等国家在2005～2010年间，开始研制轨道状态巡检系统；2010～2015年，是巡检系统智能化技术深化研究发展及应用普及阶段，北美率先开始应用3D巡检技术。

我国于2005年立项展开巡检技术研究，2010年在5台GTC-60型钢轨探伤车上装备“钢轨表面擦伤检测系统”，并在当年成功研制了车载轨道状态巡检系统。

2013年后，GTC-80型钢轨探伤车开始装备车载轨道状态巡检系统。

截至目前，全路GTC-80型装备数量已超过20套。

GTC-80型设备较适用于高铁无砟线路检测，且运行速度慢，很难将现有线路完全覆盖。

基于此种情况，2016年由原广州铁路（集团）公司工务检测设计所立项，中国铁道科学研究院基础设施检测研究所研发，适用于普速线路有砟轨道的轨检车车载轨道状态巡检系统，在广铁轨检车（WX999246）车上安装调试完成并投入使用。

3 基本原理
3.1 系统功能及特点
轨检车车载轨道状态巡检系统是一套自动化、智能化的检测设备，系统触发采样的固定间距为1.6 mm，达到的最高巡检速度为160 km/h，检测范围涵盖了
道床区域内可见的多种设备的外观状态。

主要检测的特征目标包括钢轨、扣件、道床等。

其中对钢轨而言，主要关注其顶面光带，表面擦伤等特征；对于扣件主要检测出现弹条缺失、折断和松动后出现明显移位的现象；对于轨道板部分，虽然目前还不能进行全面的自动分析，但检测人员可以通过看图发现道床裂纹、破損等问题，如图1所示。

3.2 系统原理
该系统在设计原理上共分为三个子系统来对轨道部件结构外观状态进行巡视检查。

基于视觉检测原理，在专业检测车底部安装由五路高清晰度线阵相机组成的成像系统，拍摄获取到轨道的可见光图像；然后应用图像分析和模式识别技术软件自动检测轨道结构及外观状态，筛选出疑似病害；随后由检测人员对疑似病害进行人工识别，确认有效病害，并形成书面报告下发设备管理单位来指导现场维修。

系统的整体结构及功能如图2所示。

3.2.1 数据采集子系统
主要由安装在巡检梁上的五套高清线阵相机及两排照射光源构成，其中每股轨道配备了两组相机、道心配备一组相机，照射光源保证系统能在光线不足的环境下工作，装车设备如图3所示。

系统设计利用了线阵CCD自扫描速度快、频率响应高，适合用于动态扫描的优点，通过在车轮轴头加装与轮轴转动联动的脉冲编码器，驱动相机在检测过程中等间距触发采样，并将连续的一维像元按照设定宽度拼接形成二维可视图像，图像里程与现场实际里程一致，一并压缩成数据文件存储到磁盘。

轨道图像如图4所示。

3.2.2 数据分析子系统
图像采集完成后，分析系统从图像数据中查找出潜在的轨道病害。

数据分析系统主要由图像管理浏览软件以及智能分析软件构成。

在分析理念的设计上采用了自动识别为主，人工识别为辅的工作模式。

用户可通过专业定制软件浏览、检索轨道图像。

针对典型的且模式较为固定的轨道病害，如钢轨表面擦伤、扣件异常，采用智能模块进行自动分析。

自动分析系统首先对所有图像数据进行普查并报告疑似病害，随后检测人员对预报结果进行筛选后，确认有效病害。

系统可在应用过程中自动积累病害样本。

随着样本缺陷的不断丰富，分析系统通过“机器学习”能力提升系统的智能度，从而提升普查结果的准确性。

系统数据分析软件的工作界面如图5所示。

3.2.3 信息管理子系统
为将数据分析子系统分析完的图像数据信息分类管理，故建立了具有检索、查询、电子报表等功能的信息管理体系。

该系统可以将分析出的轨道病害自动生成标识有准确里程及病害分类的图文报表。

该报表经过检测人员确认无误后下发现场管理单位，来指导现场维修作业。

4 管理与运用
4.1 管理方面
为切实发挥轨道状态巡检系统的作用，加强对线路轨道病害的巡视监控，规范工务巡检系统的运用管理，保障线路行车安全，根据铁路总公司《铁路工务巡检系统使用管理办法》，广铁集团制定《广铁集团工务巡检系统运用管理实施细则》。

该细则明确规定了轨检车车载轨道状态巡检系统的运用管理、数据分析、检查周期、维护与保养、考核办法等全面的管理办法。

4.2 运用方面
广州局轨检车（WX999246）运用两年来巡检统计结果，共检测42189.6km，共发现扣件异常2685处，现场复核2685处，确认病害数量2637处，准确率98.2%。

轨面擦伤236处，现场复核236处，确认病害数量230处，准确率97.5%，如表1所示。

从复核情况来看，轨检车车载轨道巡检系统巡检准确率高，可部分替代人工巡检，大大减轻了巡检人员劳动强度。

相对于传统人工巡查方式，该系统在检测效率、巡检人员人身安全等方面已表现出极大的优越性，在线路工务设备的检查维护中日益发挥出重要的作用。

5 问题与建议
轨检车车载轨道状态巡检技术的推广应用为工务现场提供了安全、快捷的手段，专为此制定的运用管理细则也促进了工务现场有针对性的维护维修。

自动巡检识别技术较原始的人工巡检方式更加的高效、安全、省力，为普速线路自动化、快速化运营提供了有力的保障。

而该系统在广铁运用两年以来，也发现了一些有待改善的问题。

（1）由于轨检车平时运行速度快，检测地域跨度大、交路长，故在检测过程中会经常出现摄像机镜头被污物遮挡，拍摄图片效果模糊的情况。

而运行途中又无法对镜头进行清理，故造成系统识别及人工识别困难的情况，如图6所示。

针对该种情况，结合现场检测经验，建议在以后的研发过程中能够优化巡检梁结构及采用抗污效果更好的镜头来代替现有镜头。

（2）由于轨检车平时检测的线路多数都为有砟线路，扣件經常会被石砟等异物遮挡，系统会将该种情况判定为待定情况，该种数据占待定数据的80%左右，给人工判定增加了极大的工作量。

建议在以后的研发过程中能够继续优化数据分析系统，使系统识别更准确。

（3）轨道状态巡检系统检测原理是以高速连续拍照的形式来进行，原始数据都是以大量的图片形式来保存的，这就造成了巡检原始数据量巨大的情况，不利于现场历史原始数据的保存。

建议在以后的研发过程中能够优化原始数据存储
格式，使数据量压缩到合理的范围，以便于数据储存。

（4）现有的轨道状态巡检系统是采用可视化2D图像记录轨道设备的外观状态。

为了更加全面、准确、高效的发现线路缺陷，建议将3D巡检技术应用到巡检系统中，使该系统进一步完善，更好的为工务现场服务。

参考文献
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[3]马臣希，张二永，方玥，韩强. 车载轨道状态巡检技术发展及应用[J].中国铁路，2017，（10）：91-95.。