1.2 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)最初是相互獨(dú)立的，功能相對單一，如單獨(dú)的監(jiān)測橋梁、隧道等設(shè)施的監(jiān)測系統(tǒng)和獨(dú)立的防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，并無全方位、功能齊全的監(jiān)測系統(tǒng)。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在生產(chǎn)中探索、在事故經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)，以傳感、通信等技術(shù)為支撐，逐步得到發(fā)展和完善，在鐵路運(yùn)行安全保障中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1.2.1 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測方式

我國現(xiàn)有的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測方式可分為三類：人工巡檢、巡檢車和在線監(jiān)測傳感器[20-22]。

1.人工巡檢

人工巡檢是最傳統(tǒng)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境檢測手段。鐵路路基、路軌、道岔、信號燈、鐵路橋梁、通信線路等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測離不開巡線員、檢修員定期巡檢，巡線員攜帶檢測設(shè)備等工具，測量完結(jié)果后通過紙質(zhì)記錄再人工錄入后臺系統(tǒng)。如圖1-2所示為巡檢人員正在檢查鐵路軌面水平高差。

人工巡檢是自然災(zāi)害的檢測重要方式之一[32]，當(dāng)巡檢人員偵測到山體滑坡、地質(zhì)傾斜和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，及時(shí)上報(bào)情況以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。人工巡檢也廣泛應(yīng)用于地質(zhì)條件的監(jiān)測，在特殊地形地貌區(qū)域進(jìn)行典型調(diào)查和實(shí)地量測，另外地質(zhì)條件微小變動(dòng)需要專業(yè)監(jiān)測儀器進(jìn)行監(jiān)測。特殊的氣象變化也通過人工方式監(jiān)測，列車乘務(wù)人員、司機(jī)和車站值班人員時(shí)刻注意著天氣情況，遇到大雨、暴雪、能見度低等情況會(huì)及時(shí)通知司機(jī)限速行駛甚至停止運(yùn)行。

2.巡檢車

巡檢車的應(yīng)用大大提高了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測的效率、精度和效果。我國鐵路主要采用巡檢車對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行周期性檢測。10～15天的周期性檢測普遍采用綜合檢測列車及專用檢測裝備進(jìn)行鐵路固定設(shè)施的安全檢測，檢測數(shù)據(jù)由綜合檢測數(shù)據(jù)分析處理平臺存儲和分析。如圖1-3所示為正在工作的巡檢車，新一代CRH380A-001、CRH380B-002綜合檢測列車集成了軌道、弓網(wǎng)、動(dòng)力學(xué)、通信、信號和綜合系統(tǒng)六大系統(tǒng)[33]（見圖1-4），能夠滿足350km/h等級高速綜合檢測。軌道檢測系統(tǒng)可精準(zhǔn)測量軌距、軌向、高度、水平等軌道集合參數(shù)，其中軌道長波不平順檢測精度到達(dá)毫米級；弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)可檢測接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)作用、接觸線磨耗和受流參數(shù)；動(dòng)力學(xué)檢測系統(tǒng)可檢測輪軌加速度和輪軌作用力，通過列車動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性評價(jià)軌道平順性；通信檢測系統(tǒng)具有全球鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication-Railway，GSM-R）場強(qiáng)覆蓋、應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量檢測及評定功能；信號檢測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集并分析軌道電路、應(yīng)答器、車載自動(dòng)保護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）的信號參數(shù)；綜合系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車輛的精準(zhǔn)定位和檢測信息的實(shí)時(shí)傳輸。

綜合檢測數(shù)據(jù)分析處理平臺對檢測數(shù)據(jù)集中存儲管理，通過綜合分析研究，評價(jià)基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)用狀態(tài)，預(yù)測基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)變化趨勢和演變規(guī)律，提出養(yǎng)護(hù)維修建議。另外，為滿足線路限界、軌道狀態(tài)、鋼軌探傷、接觸網(wǎng)等檢測需要，鐵路部門還配置軌道檢查車、鋼軌探傷車、限界檢查車、接觸網(wǎng)檢查車、電務(wù)檢查車等適合各專業(yè)檢測的專用檢測裝備。

3.在線監(jiān)測系統(tǒng)

在線監(jiān)測系統(tǒng)是目前應(yīng)用越來越廣泛的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測手段，在基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測方面，基礎(chǔ)設(shè)施的微小變化需要專業(yè)檢測傳感器進(jìn)行監(jiān)測。如圖1-5所示為道岔在線監(jiān)測系統(tǒng)，安裝密貼位移傳感器、應(yīng)力傳感器、振動(dòng)傳感器和加速度傳感器等智能傳感器于道岔處及轉(zhuǎn)轍機(jī)等部位，可實(shí)時(shí)監(jiān)測尖軌和基本軌的貼合程度、尖軌開口量、轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換力、動(dòng)態(tài)力和振動(dòng)的幅度、鋼軌溫濕度等[34]。在路基沉降監(jiān)測中，可將靜力水準(zhǔn)儀應(yīng)用于鐵路路基監(jiān)測，設(shè)定預(yù)警閾值，對路基沉降超限情況進(jìn)行預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)既有線路路基沉降自動(dòng)監(jiān)測與預(yù)警[26]。鋼軌、軌道板和梁體上安裝有加速度傳感器、應(yīng)力傳感器和振動(dòng)傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測軌道的服役狀態(tài)。在運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測方面，在線監(jiān)測傳感器應(yīng)用廣泛，自然災(zāi)害重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域安裝地面?zhèn)鞲性O(shè)備，對地震、山體滑坡和泥石流等災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測，遇到異常情況設(shè)備及時(shí)發(fā)出警告，避免發(fā)生交通安全事故發(fā)生[37]。

1.2.2 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測需求

面向鐵路安全保障、能力保持、智能運(yùn)維、應(yīng)急保障與災(zāi)害防控自動(dòng)化、智能化與自主化的需求，亟需加強(qiáng)我國既有線路監(jiān)測系統(tǒng)的升級改造，同時(shí)強(qiáng)化新建線路監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與建設(shè)。

我國最早于1876年建設(shè)鐵路，遠(yuǎn)早于高速公路，鐵路長期以來一直在滿足沿線老百姓出行方面發(fā)揮著巨大作用，同時(shí)也為長途重載貨物的運(yùn)輸貢獻(xiàn)了巨大力量。然而，我國大部分既有線路是20世紀(jì)建設(shè)并投入運(yùn)營的，隨著我國鐵路運(yùn)行速度和運(yùn)輸能力的快速大幅提升，既有鐵路基礎(chǔ)設(shè)施面臨設(shè)施設(shè)備性能退化及其與周邊復(fù)雜惡劣環(huán)境相互作用的多重風(fēng)險(xiǎn)，在支持安全保障、能力保持、高效運(yùn)維、災(zāi)害預(yù)防的檢測監(jiān)測設(shè)施設(shè)備配置與部署方面存在巨大缺口，無法滿足鐵路安全行車、高效運(yùn)營和應(yīng)急處置的更高需求。

對新建線路而言，我國鐵路建設(shè)經(jīng)過多年高速發(fā)展，東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，鐵路網(wǎng)絡(luò)密度不斷增加，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施已初具規(guī)模。相比之下，中西部、東北和西南邊疆等人口相對稀少且鐵路環(huán)境更加惡劣復(fù)雜的地區(qū)，成為了下一步國家鐵路新建規(guī)劃的重點(diǎn)。這給新建線路基礎(chǔ)設(shè)施及其行車安全帶來巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也對監(jiān)測設(shè)施自動(dòng)化、智能化、無人化提出更迫切的需求與更高的要求。主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面[23-31]：

（1）監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)布局亟需完善

既有鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)大多根據(jù)既有線路建設(shè)時(shí)期的監(jiān)測需求進(jìn)行部署，隨著鐵路運(yùn)營里程的不斷累加和運(yùn)行環(huán)境的變化，導(dǎo)致既有監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測點(diǎn)不足、監(jiān)測位置不合理、監(jiān)測覆蓋不全面等問題。如何根據(jù)鐵路系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀選擇合適的監(jiān)測設(shè)備類型，合理地布置各類設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局化、精準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)化對鐵路系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，是鐵路監(jiān)測系統(tǒng)首要考慮的問題。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)亟需重構(gòu)優(yōu)化

鐵路沿線已經(jīng)建設(shè)了很多安全監(jiān)測系統(tǒng)，范圍涉及鐵路電務(wù)、工務(wù)、機(jī)務(wù)、車輛等多個(gè)方面，為我國鐵路的安全運(yùn)營提供了重要保障和有力支持。但是，這些安全監(jiān)測系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)，大都采用獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)和不同的數(shù)據(jù)通信接口及協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，難以實(shí)現(xiàn)對各安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的維護(hù)和管理，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)利用率差、信息共享率低、監(jiān)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性差，鐵路各部門之間協(xié)調(diào)溝通效果不佳。同時(shí)，既有監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)多以有線通信為主，存在建設(shè)維護(hù)成本高、可擴(kuò)展性差等問題。因此，亟需構(gòu)建面向鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)化通信網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮無線傳感網(wǎng)的優(yōu)勢，以提升系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行效能。

（3）監(jiān)測系統(tǒng)信息共享度亟需提高

既有鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、通信設(shè)備、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備、監(jiān)控終端及傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并與調(diào)度指揮、信號、牽引變電等系統(tǒng)相聯(lián)。系統(tǒng)主要功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)測功能、報(bào)警限速提示功能、緊急處置功能和查詢統(tǒng)計(jì)功能等，但由于系統(tǒng)按線建設(shè)，致使同一鐵路局管內(nèi)各條鐵路的災(zāi)害監(jiān)測和報(bào)警信息不能共享、不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。在鐵路信息化總體規(guī)劃指導(dǎo)下，需建設(shè)鐵路局中心系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、互聯(lián)互通，與相鄰鐵路局災(zāi)害監(jiān)測報(bào)警信息及路內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

（4）監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化、無人化能力亟需提升

由于新建鐵路大多要修建在人口較為稀少或環(huán)境相對惡劣的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)盡量減少監(jiān)測系統(tǒng)對人的依賴，提升系統(tǒng)的無人化監(jiān)測能力；增強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化程度和可靠性要求，盡量減少或盡量消除監(jiān)測誤報(bào)情況，減少線路中心服務(wù)器、工務(wù)監(jiān)控終端、基站、線路系統(tǒng)終端設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備故障；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境態(tài)勢進(jìn)行智能預(yù)測，及時(shí)排除系統(tǒng)故障隱患，從而增強(qiáng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的智能化水平，提高系統(tǒng)可靠性。

1.2.3 鐵路系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)存問題

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)近幾十年來，在新技術(shù)賦能和新需求驅(qū)動(dòng)下不斷發(fā)展與進(jìn)步，一直在保障鐵路系統(tǒng)高安全運(yùn)行、高效能運(yùn)輸和高品質(zhì)服務(wù)方面持續(xù)發(fā)揮重要作用。但是，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)行模式仍然存在一定的問題，難以適應(yīng)大范圍既有線路監(jiān)測系統(tǒng)升級改造以及新建線路監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)的需求，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面[37-42]：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)體系

我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)近幾年來在部署規(guī)模和應(yīng)用上都取得了巨大進(jìn)步，但是，在設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中也存在一定的問題：首先，從系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展歷程角度，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建是以事故經(jīng)驗(yàn)為導(dǎo)向建設(shè)的，系統(tǒng)隨著現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的積累不斷升級，兼容性、擴(kuò)展性和適應(yīng)性存在一定的不足；其次，從鐵路運(yùn)營管理模式角度，系統(tǒng)是以路局或者線路為單位進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)與構(gòu)建，不同單位系統(tǒng)構(gòu)建存在理念與技術(shù)路線的差異；再次，從系統(tǒng)信息化建設(shè)與運(yùn)行的角度，感知技術(shù)復(fù)雜多樣、傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式繁雜、系統(tǒng)間聯(lián)系松散、網(wǎng)絡(luò)資源共享程度低，且缺乏統(tǒng)一的管理維護(hù)平臺。因此，亟需構(gòu)建一套完整統(tǒng)一的架構(gòu)體系，指導(dǎo)和引領(lǐng)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與建設(shè)，保證不同系統(tǒng)間的兼容性和互操作能力，以及對未來需求、場景及技術(shù)革新的適應(yīng)性。

（2）大范圍、立體化、高適應(yīng)性的監(jiān)測系統(tǒng)

鐵路網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)集成了基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)、車流網(wǎng)與客流網(wǎng)的多重耦合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，有明顯的級聯(lián)失效特征，即某一區(qū)域、路段或者站點(diǎn)失效，均有可能影響整個(gè)路網(wǎng)的通行能力及運(yùn)行效率。我國鐵路網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多樣，基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)的變化具有很強(qiáng)的不確定性，因此，需要建立一套基于“空-天-車-地”一體化的監(jiān)測體系，以實(shí)現(xiàn)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境大范圍、立體化、全天候的監(jiān)測，最大限度地保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性；同時(shí)，我國鐵路系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境具有很強(qiáng)的時(shí)空多變性，且部分區(qū)域環(huán)境較為惡劣，這就要求鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有很好的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，保障監(jiān)測的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性。

（3）智能高效的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用模式

現(xiàn)有鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以中心化的“邊緣感知+云端決策”管理與應(yīng)用模式為主。傳感器感知數(shù)據(jù)需傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心完成存儲、處理、分析、決策等一系列操作，對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲容量和計(jì)算能力提出較高要求。中心化的模式具有實(shí)時(shí)性差、運(yùn)維成本高、可拓展性差、彈性能力低的缺點(diǎn)，實(shí)時(shí)性差主要表現(xiàn)在：所有數(shù)據(jù)信息的處理和應(yīng)用都經(jīng)歷“邊-云-邊”的傳輸-計(jì)算-決策-控制過程，數(shù)據(jù)傳輸距離長、丟包率高、時(shí)延大，大大降低了應(yīng)急決策與控制的實(shí)時(shí)性；運(yùn)維成本高主要表現(xiàn)在：現(xiàn)有鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及其運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器及其通信設(shè)備以電源供電和有線通信為主，多以地埋方式進(jìn)行鋪設(shè)，大大增加了系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)維的難度及其成本，尤其在山區(qū)、峽谷和凍土等條件惡劣地區(qū)，運(yùn)維難度與成本更高；可拓展性差表現(xiàn)在：在目前“電源供電+有線傳輸”模式下，每增加一個(gè)感知或者傳輸節(jié)點(diǎn)，都需要通過開挖地面、布線等施工流程來部署新的電力和通信線路，施工成本高步驟復(fù)雜；彈性能力低表現(xiàn)在：該模式下系統(tǒng)不具備自組網(wǎng)能力，部分節(jié)點(diǎn)或者線路損壞可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體失效，系統(tǒng)整體抗風(fēng)險(xiǎn)、抗沖擊能力差。因此，亟需以新型邊緣計(jì)算、無線傳感網(wǎng)、5G通信等先進(jìn)技術(shù)為支撐，構(gòu)建新的基于“邊云協(xié)同”的系統(tǒng)應(yīng)用模式，以提高監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)維及運(yùn)行效能。