1.2 铁路基础设施及运行环境状态监测技术应用现状

铁路基础设施及其运行环境状态监测系统最初是相互独立的，功能相对单一，如单独的监测桥梁、隧道等设施的监测系统和独立的防灾监测系统，并无全方位、功能齐全的监测系统。铁路基础设施及其运行环境状态监测系统在生产中探索、在事故经验中总结，以传感、通信等技术为支撑，逐步得到发展和完善，在铁路运行安全保障中发挥着越来越重要的作用。

1.2.1 铁路基础设施及运行环境状态监测方式

我国现有的铁路基础设施及运行环境状态监测方式可分为三类：人工巡检、巡检车和在线监测传感器[20-22]。

1.人工巡检

人工巡检是最传统的铁路基础设施及其运行环境检测手段。铁路路基、路轨、道岔、信号灯、铁路桥梁、通信线路等铁路基础设施的状态监测离不开巡线员、检修员定期巡检，巡线员携带检测设备等工具，测量完结果后通过纸质记录再人工录入后台系统。如图1-2所示为巡检人员正在检查铁路轨面水平高差。

人工巡检是自然灾害的检测重要方式之一[32]，当巡检人员侦测到山体滑坡、地质倾斜和泥石流等地质灾害时，及时上报情况以规避风险。人工巡检也广泛应用于地质条件的监测，在特殊地形地貌区域进行典型调查和实地量测，另外地质条件微小变动需要专业监测仪器进行监测。特殊的气象变化也通过人工方式监测，列车乘务人员、司机和车站值班人员时刻注意着天气情况，遇到大雨、暴雪、能见度低等情况会及时通知司机限速行驶甚至停止运行。

2.巡检车

巡检车的应用大大提高了铁路基础设施检测的效率、精度和效果。我国铁路主要采用巡检车对基础设施进行周期性检测。10～15天的周期性检测普遍采用综合检测列车及专用检测装备进行铁路固定设施的安全检测，检测数据由综合检测数据分析处理平台存储和分析。如图1-3所示为正在工作的巡检车，新一代CRH380A-001、CRH380B-002综合检测列车集成了轨道、弓网、动力学、通信、信号和综合系统六大系统[33]（见图1-4），能够满足350km/h等级高速综合检测。轨道检测系统可精准测量轨距、轨向、高度、水平等轨道集合参数，其中轨道长波不平顺检测精度到达毫米级；弓网检测系统可检测接触网几何参数、弓网动态作用、接触线磨耗和受流参数；动力学检测系统可检测轮轨加速度和轮轨作用力，通过列车动态响应特性评价轨道平顺性；通信检测系统具有全球铁路移动通信系统（Global System for Mobile Communication-Railway，GSM-R）场强覆盖、应用业务服务质量检测及评定功能；信号检测系统可实时采集并分析轨道电路、应答器、车载自动保护（Automatic Train Protection，ATP）的信号参数；综合系统可实现车辆的精准定位和检测信息的实时传输。

综合检测数据分析处理平台对检测数据集中存储管理，通过综合分析研究，评价基础设施的运用状态，预测基础设施状态变化趋势和演变规律，提出养护维修建议。另外，为满足线路限界、轨道状态、钢轨探伤、接触网等检测需要，铁路部门还配置轨道检查车、钢轨探伤车、限界检查车、接触网检查车、电务检查车等适合各专业检测的专用检测装备。

3.在线监测系统

在线监测系统是目前应用越来越广泛的铁路基础设施及其运行状态监测手段，在基础设施监测方面，基础设施的微小变化需要专业检测传感器进行监测。如图1-5所示为道岔在线监测系统，安装密贴位移传感器、应力传感器、振动传感器和加速度传感器等智能传感器于道岔处及转辙机等部位，可实时监测尖轨和基本轨的贴合程度、尖轨开口量、转辙机转换力、动态力和振动的幅度、钢轨温湿度等[34]。在路基沉降监测中，可将静力水准仪应用于铁路路基监测，设定预警阈值，对路基沉降超限情况进行预警，从而实现既有线路路基沉降自动监测与预警[26]。钢轨、轨道板和梁体上安装有加速度传感器、应力传感器和振动传感器，可实时监测轨道的服役状态。在运行环境监测方面，在线监测传感器应用广泛，自然灾害重点监测区域安装地面传感设备，对地震、山体滑坡和泥石流等灾害进行监测，遇到异常情况设备及时发出警告，避免发生交通安全事故发生[37]。

1.2.2 铁路基础设施及运行环境状态监测需求

面向铁路安全保障、能力保持、智能运维、应急保障与灾害防控自动化、智能化与自主化的需求，亟需加强我国既有线路监测系统的升级改造，同时强化新建线路监测系统的规划、设计与建设。

我国最早于1876年建设铁路，远早于高速公路，铁路长期以来一直在满足沿线老百姓出行方面发挥着巨大作用，同时也为长途重载货物的运输贡献了巨大力量。然而，我国大部分既有线路是20世纪建设并投入运营的，随着我国铁路运行速度和运输能力的快速大幅提升，既有铁路基础设施面临设施设备性能退化及其与周边复杂恶劣环境相互作用的多重风险，在支持安全保障、能力保持、高效运维、灾害预防的检测监测设施设备配置与部署方面存在巨大缺口，无法满足铁路安全行车、高效运营和应急处置的更高需求。

对新建线路而言，我国铁路建设经过多年高速发展，东部沿海发达地区人口密集，经济发达，铁路网络密度不断增加，铁路基础设施已初具规模。相比之下，中西部、东北和西南边疆等人口相对稀少且铁路环境更加恶劣复杂的地区，成为了下一步国家铁路新建规划的重点。这给新建线路基础设施及其行车安全带来巨大挑战，同时也对监测设施自动化、智能化、无人化提出更迫切的需求与更高的要求。主要体现在以下四个方面[23-31]：

（1）监测系统节点布局亟需完善

既有铁路基础设施及其运行环境监测节点大多根据既有线路建设时期的监测需求进行部署，随着铁路运营里程的不断累加和运行环境的变化，导致既有监测系统存在监测点不足、监测位置不合理、监测覆盖不全面等问题。如何根据铁路系统运行现状选择合适的监测设备类型，合理地布置各类设备，进而实现全局化、精准化、实时化对铁路系统基础设施及其运行环境状态进行监测预警，是铁路监测系统首要考虑的问题。

（2）监测系统通信网络亟需重构优化

铁路沿线已经建设了很多安全监测系统，范围涉及铁路电务、工务、机务、车辆等多个方面，为我国铁路的安全运营提供了重要保障和有力支持。但是，这些安全监测系统在建设时，大都采用独立的通信网络和不同的数据通信接口及协议，网络标准不统一，难以实现对各安全监测系统进行统一的维护和管理，导致网络利用率差、信息共享率低、监测数据关联性差，铁路各部门之间协调沟通效果不佳。同时，既有监测系统网络多以有线通信为主，存在建设维护成本高、可扩展性差等问题。因此，亟需构建面向铁路基础设施及其运行环境状态监测的标准化通信网络，充分发挥无线传感网的优势，以提升系统的建设与运行效能。

（3）监测系统信息共享度亟需提高

既有铁路基础设施及其运行环境状态监测系统由现场监测设备、通信设备、监控数据处理设备、监控终端及传输网络构成，并与调度指挥、信号、牵引变电等系统相联。系统主要功能包括实时监测功能、报警限速提示功能、紧急处置功能和查询统计功能等，但由于系统按线建设，致使同一铁路局管内各条铁路的灾害监测和报警信息不能共享、不能实现互联互通。在铁路信息化总体规划指导下，需建设铁路局中心系统，实现各灾害监测系统的数据交换、互联互通，与相邻铁路局灾害监测报警信息及路内外相关系统实现数据共享。

（4）监测系统自动化、智能化、无人化能力亟需提升

由于新建铁路大多要修建在人口较为稀少或环境相对恶劣的地区，应当尽量减少监测系统对人的依赖，提升系统的无人化监测能力；增强监测系统自动化程度和可靠性要求，尽量减少或尽量消除监测误报情况，减少线路中心服务器、工务监控终端、基站、线路系统终端设备等关键设备故障；根据历史数据对基础设施及其运行环境态势进行智能预测，及时排除系统故障隐患，从而增强监测预警系统的智能化水平，提高系统可靠性。

1.2.3 铁路系统基础设施及运行环境状态监测系统现存问题

铁路基础设施及运行环境状态监测系统近几十年来，在新技术赋能和新需求驱动下不断发展与进步，一直在保障铁路系统高安全运行、高效能运输和高品质服务方面持续发挥重要作用。但是，铁路基础设施及其运行环境监测系统的设计、建设与运行模式仍然存在一定的问题，难以适应大范围既有线路监测系统升级改造以及新建线路监测系统设计与建设的需求，主要体现在以下三个方面[37-42]：

（1）标准化的监测系统架构体系

我国铁路基础设施及运行环境状态监测系统近几年来在部署规模和应用上都取得了巨大进步，但是，在设计和建设过程中也存在一定的问题：首先，从系统建设发展历程角度，铁路基础设施及其运行环境监测系统的构建是以事故经验为导向建设的，系统随着现场经验的积累不断升级，兼容性、扩展性和适应性存在一定的不足；其次，从铁路运营管理模式角度，系统是以路局或者线路为单位进行独立设计与构建，不同单位系统构建存在理念与技术路线的差异；再次，从系统信息化建设与运行的角度，感知技术复杂多样、传输网络组网方式繁杂、系统间联系松散、网络资源共享程度低，且缺乏统一的管理维护平台。因此，亟需构建一套完整统一的架构体系，指导和引领铁路基础设施与运行环境监测系统的规划、设计与建设，保证不同系统间的兼容性和互操作能力，以及对未来需求、场景及技术革新的适应性。

（2）大范围、立体化、高适应性的监测系统

铁路网络作为一个集成了基础设施网、车流网与客流网的多重耦合复杂网络，有明显的级联失效特征，即某一区域、路段或者站点失效，均有可能影响整个路网的通行能力及运行效率。我国铁路网络覆盖范围大、运行环境复杂多样，基础设施及其运行环境状态的变化具有很强的不确定性，因此，需要建立一套基于“空-天-车-地”一体化的监测体系，以实现对铁路基础设施及其运行环境大范围、立体化、全天候的监测，最大限度地保障系统运行的安全性和可靠性；同时，我国铁路系统运行环境具有很强的时空多变性，且部分区域环境较为恶劣，这就要求铁路基础设施及其运行环境状态监测系统具有很好的环境适应性和可靠性，保障监测的连续性、稳定性和可靠性。

（3）智能高效的监测系统应用模式

现有铁路基础设施及运行环境状态监测系统以中心化的“边缘感知+云端决策”管理与应用模式为主。传感器感知数据需传输到数据中心完成存储、处理、分析、决策等一系列操作，对数据中心的数据存储容量和计算能力提出较高要求。中心化的模式具有实时性差、运维成本高、可拓展性差、弹性能力低的缺点，实时性差主要表现在：所有数据信息的处理和应用都经历“边-云-边”的传输-计算-决策-控制过程，数据传输距离长、丢包率高、时延大，大大降低了应急决策与控制的实时性；运维成本高主要表现在：现有铁路基础设施及其运行环境监测系统的传感器及其通信设备以电源供电和有线通信为主，多以地埋方式进行铺设，大大增加了系统建设与运维的难度及其成本，尤其在山区、峡谷和冻土等条件恶劣地区，运维难度与成本更高；可拓展性差表现在：在目前“电源供电+有线传输”模式下，每增加一个感知或者传输节点，都需要通过开挖地面、布线等施工流程来部署新的电力和通信线路，施工成本高步骤复杂；弹性能力低表现在：该模式下系统不具备自组网能力，部分节点或者线路损坏可能会导致系统整体失效，系统整体抗风险、抗冲击能力差。因此，亟需以新型边缘计算、无线传感网、5G通信等先进技术为支撑，构建新的基于“边云协同”的系统应用模式，以提高监测系统的建设、运维及运行效能。