之前，小編曾在文章《這條“寶藏賽道”麻煩激光企業(yè)多重視……》中，呼吁大家關(guān)注激光檢測(cè)這條潛藏著萬億級(jí)市場(chǎng)空間的賽道。今天，咱們?cè)偕钊肓牧募す鈾z測(cè)細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域中的“重頭戲”——激光檢測(cè)在軌道安全中的應(yīng)用。

列車、高鐵、地鐵如今已成為現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系的重要支柱，憑借快速、便捷、安全等顯著優(yōu)勢(shì)，不僅極大地改變了人們的出行方式，更重塑了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的格局。然而，軌道在長期承受列車巨大荷載，以及復(fù)雜多變環(huán)境因素的“雙重夾擊”下，自身狀態(tài)會(huì)悄然發(fā)生變化。磨損、變形、裂紋等問題如同隱藏的“定時(shí)炸彈”，一旦沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，極有可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，對(duì)乘客生命財(cái)產(chǎn)安全和鐵路運(yùn)輸正常秩序構(gòu)成巨大威脅。因此，高效、精準(zhǔn)地對(duì)軌道進(jìn)行健康檢測(cè)，成為保障軌道交通安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

GTS系列激光跟蹤儀

激光檢測(cè)技術(shù)憑借高精度、非接觸、快速測(cè)量等一系列“硬核”優(yōu)點(diǎn)，在軌道安全檢測(cè)領(lǐng)域迅速站穩(wěn)腳跟，成為現(xiàn)代軌道交通安全檢測(cè)體系中不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)，為軌道安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)有力的技術(shù)支撐。毫不夸張地說，在軌道安全檢測(cè)領(lǐng)域，激光檢測(cè)技術(shù)就是不可或缺的“剛需”！

這還是一個(gè)規(guī)模超乎想象的激光檢測(cè)應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)國家“十四五”規(guī)劃，到2025年，全國鐵路總里程目標(biāo)設(shè)定為16.5萬公里，其中高鐵里程達(dá)5萬公里。放眼全球，鐵路總里程數(shù)更是驚人，國際鐵路聯(lián)盟近年數(shù)據(jù)顯示，全球鐵路總里程（涵蓋干線鐵路、支線鐵路、地鐵、輕軌等各類鐵路）約在130萬至150萬公里之間。面對(duì)如此龐大的應(yīng)用市場(chǎng)，激光企業(yè)難道不應(yīng)該將其列為重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域嗎？

激光檢測(cè)技術(shù)原理與具體應(yīng)用

激光是一種具有高亮度、高單色性、高相干性和高方向性的特殊光源。激光檢測(cè)技術(shù)主要基于激光與被測(cè)物體相互作用后產(chǎn)生的各種光學(xué)效應(yīng)來獲取物體的信息。

激光軌道檢測(cè)系統(tǒng)通常由激光發(fā)射器、接收器和數(shù)據(jù)處理單元共同協(xié)作。激光發(fā)射器發(fā)射出的激光束精準(zhǔn)地照射到軌道表面，接收器隨即“上陣”，捕捉并分析反射回來的激光信號(hào)。通過對(duì)這些反射激光的偏移角度等數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，系統(tǒng)就能精確計(jì)算出軌距、水平、高低等軌道幾何參數(shù)，為列車安全、穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

激光軌道檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

在軌道檢測(cè)工作中，激光測(cè)距、激光掃描和激光干涉等技術(shù)都是“得力干將”。

激光測(cè)距技術(shù)的工作原理有點(diǎn)像給軌道“量身高”。它通過測(cè)量激光從發(fā)射出去，到被物體反射回來接收所經(jīng)歷的時(shí)間，再結(jié)合光速，就能計(jì)算出測(cè)量儀器與被測(cè)物體表面之間的距離。以脈沖激光測(cè)距儀為例，它發(fā)射出短脈沖激光，當(dāng)激光碰到軌道表面，部分激光被反射回來，儀器記錄下激光往返的時(shí)間，距離值就輕松得出了。這項(xiàng)技術(shù)主要用于測(cè)量軌道幾何參數(shù)，在軌距測(cè)量、軌道水平測(cè)量等工作中發(fā)揮著重要作用。

激光掃描技術(shù)則更像是給軌道“做3D建?！?。它利用激光束在一定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，獲取物體表面多個(gè)點(diǎn)的距離信息，從而構(gòu)建出物體的三維輪廓。憑借這一能力，它可以快速獲取大面積的軌道表面數(shù)據(jù)，無論是檢測(cè)軌道的整體形狀、磨損狀況，還是查看扣件狀態(tài)、高低不平順等問題，都能輕松勝任。

激光干涉技術(shù)的“本事”在于測(cè)量微小變化。它基于光的干涉原理，通過分析兩束或多束激光干涉條紋的變化，能夠精確測(cè)量物體的微小位移、變形等物理量。在軌道檢測(cè)中，它是檢測(cè)軌道部件微小變形和應(yīng)力變化的“高手”，像軌道裂紋檢測(cè)（激光超聲檢測(cè)技術(shù)、激光全息干涉技術(shù)都是有效的裂紋檢測(cè)方法）、道床狀態(tài)檢測(cè)等工作，都少不了它的參與。

激光檢測(cè)在軌道安全中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

隨著軌道網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，列車運(yùn)行速度持續(xù)提升，對(duì)軌道安全檢測(cè)的實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)性提出了更高要求。傳統(tǒng)軌道檢測(cè)車（TRV）方法雖然檢測(cè)結(jié)果較為精確，但檢測(cè)頻率低，通常每月才進(jìn)行一次檢測(cè)，檢測(cè)周期長，很難及時(shí)捕捉到突發(fā)性的軌道退化問題，潛在安全隱患容易“漏網(wǎng)”。

相比之下，激光檢測(cè)技術(shù)憑借五大“獨(dú)家優(yōu)勢(shì)”，一躍成為軌道安全檢測(cè)的“剛需”技術(shù)。

優(yōu)勢(shì)一：高精度測(cè)量

激光檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量精度堪稱“一絕”，能夠達(dá)到毫米甚至亞毫米級(jí)。憑借如此高的精度，它可以準(zhǔn)確獲取軌道的各種幾何參數(shù)和表面缺陷信息，為軌道的精細(xì)化維護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，讓軌道維護(hù)工作做到“心中有數(shù)”。

優(yōu)勢(shì)二：非接觸式檢測(cè)

激光檢測(cè)無需與被測(cè)物體直接接觸，這就避免了傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)方法可能對(duì)軌道造成的損傷。而且，它不受軌道表面油污、灰塵等雜質(zhì)的影響，即使軌道表面“臟兮兮”，也不影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

軌道交通激光檢測(cè)

優(yōu)勢(shì)三：快速高效

激光檢測(cè)系統(tǒng)的工作效率非常高，它可以在列車運(yùn)行過程中“見縫插針”，快速完成對(duì)軌道的檢測(cè)工作。一些先進(jìn)的激光檢測(cè)設(shè)備更是“給力”，能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)公里甚至數(shù)十公里的軌道進(jìn)行全面檢測(cè)，及時(shí)揪出潛在問題，大大提高了軌道檢測(cè)的效率。

優(yōu)勢(shì)四：數(shù)據(jù)豐富且直觀

激光檢測(cè)技術(shù)就像一個(gè)“數(shù)據(jù)收集大師”，能夠獲取大量的軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件處理和分析后，會(huì)生成直觀的圖表、圖像和報(bào)告。對(duì)于軌道維護(hù)人員來說，這些可視化的數(shù)據(jù)結(jié)果就像“說明書”，便于他們理解和分析軌道狀態(tài)，從而制定出合理的維護(hù)計(jì)劃。

優(yōu)勢(shì)五：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

激光檢測(cè)技術(shù)還能實(shí)時(shí)“盯著”軌道狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軌道的動(dòng)態(tài)變化情況。當(dāng)它與列車運(yùn)行控制系統(tǒng)“聯(lián)手”時(shí)，一旦軌道出現(xiàn)異常，就能迅速發(fā)出警報(bào)，為保障列車運(yùn)行安全爭取到寶貴的反應(yīng)時(shí)間。

不過，激光檢測(cè)技術(shù)在軌道安全檢測(cè)應(yīng)用中也并非一帆風(fēng)順，還面臨著諸多挑戰(zhàn)。軌道所處的環(huán)境復(fù)雜多變，強(qiáng)風(fēng)、暴雨、沙塵等惡劣天氣，以及周圍的電磁干擾等，都可能對(duì)激光檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致檢測(cè)精度和可靠性下降。而且，激光檢測(cè)設(shè)備價(jià)格普遍昂貴，設(shè)備的維護(hù)和校準(zhǔn)不僅需要專業(yè)技術(shù)人員，還得配備特定的設(shè)備，這無疑增加了檢測(cè)成本與維護(hù)成本。如何降低設(shè)備成本，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命，成為推廣激光檢測(cè)技術(shù)必須攻克的難題。另外，面對(duì)海量的檢測(cè)數(shù)據(jù)，如何開發(fā)出能夠快速、準(zhǔn)確處理和分析數(shù)據(jù)，并提取有價(jià)值信息的激光檢測(cè)系統(tǒng)，也是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

更關(guān)鍵的是，目前針對(duì)激光檢測(cè)技術(shù)在軌道安全檢測(cè)中的應(yīng)用，相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還不夠完善。不同廠家的檢測(cè)設(shè)備和方法存在差異，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果缺乏可比性。因此，建立統(tǒng)一、科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)于保障激光檢測(cè)技術(shù)的正確應(yīng)用和檢測(cè)結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。

激光檢測(cè)在軌道安全檢測(cè)中的未來趨勢(shì)

目前，國內(nèi)已經(jīng)有一些激光企業(yè)“快人一步”，通過艱苦研發(fā)推出了解決方案或相關(guān)產(chǎn)品，并在市場(chǎng)上占據(jù)了一定份額。

無錫亮源激光早在2011年，就與鐵路行業(yè)的高科技企業(yè)開展了列車在線檢測(cè)項(xiàng)目合作。經(jīng)過與合作伙伴三年的艱苦研發(fā)和反復(fù)試驗(yàn)，他們確立了一套列車在線檢測(cè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這套標(biāo)準(zhǔn)不僅為我國鐵路安全運(yùn)行提供了一種高效、穩(wěn)定的檢測(cè)方法，也奠定了公司在鐵路檢測(cè)領(lǐng)域的產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢(shì)地位。

凱普林推出的單管半導(dǎo)體激光器-空間光產(chǎn)品系列（包括K915FD2WN-12.00WN0N和K808FD2WN-10.00WN0N等型號(hào)），為激光軌道檢測(cè)系統(tǒng)提供了高效、穩(wěn)定的激光光源。有了這個(gè)“光源利器”，軌道幾何參數(shù)的無接觸高效精準(zhǔn)測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)，就像是為軌道交通裝上了一雙敏銳的“超級(jí)眼”，擁有超遠(yuǎn)的視野和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)捕捉能力，成為維護(hù)軌道交通安全的得力助手……

但面對(duì)未來的挑戰(zhàn)，激光檢測(cè)技術(shù)還有很大的提升空間。小編推測(cè)，未來的激光檢測(cè)技術(shù)將向著多技術(shù)融合、智能化、微型化、集成化等趨勢(shì)發(fā)展。

在多技術(shù)融合方面，激光檢測(cè)技術(shù)或?qū)⑴c聲學(xué)檢測(cè)、電磁檢測(cè)等其他檢測(cè)技術(shù)深度“牽手”，充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵軌道更加全面、準(zhǔn)確的檢測(cè)。不久前，清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)就帶來了一項(xiàng)“黑科技”——基于激光干涉測(cè)量與現(xiàn)有電信光纖網(wǎng)絡(luò)的分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)把高鐵電纜槽內(nèi)的光纖變成了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工具，通過分析列車通過時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，利用平均功率譜密度（A-PSD）作為健康指標(biāo)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道基礎(chǔ)設(shè)施的長期穩(wěn)定性評(píng)估。在長達(dá)14個(gè)月的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中，4類典型軌道結(jié)構(gòu)（有砟軌道橋梁、無砟軌道橋梁、有砟軌道路基、無砟軌道路基）的A-PSD保持穩(wěn)定，充分驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。而且，該系統(tǒng)還能靈敏檢測(cè)出3毫米級(jí)的軌道蠕變變形，在軌道維護(hù)后，也能迅速反映出狀態(tài)改善情況。隨著技術(shù)不斷迭代和數(shù)據(jù)持續(xù)積累，這一系統(tǒng)有望成為智能高鐵運(yùn)維的核心工具。

清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)軌道段布局（覆蓋有砟/無砟軌道橋梁與路基，光纖沿電纜槽部署并形成環(huán)路）

在智能化發(fā)展方面，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展，激光檢測(cè)技術(shù)或?qū)⒁肷疃葘W(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析和診斷，從而達(dá)到軌道病害智能識(shí)別和預(yù)警的效果。同時(shí)，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，還能預(yù)測(cè)軌道狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，為軌道維護(hù)提供更科學(xué)、更精準(zhǔn)的決策依據(jù)。

在微型化與集成化方面，為了更方便地將檢測(cè)設(shè)備安裝在列車或軌道旁的監(jiān)測(cè)設(shè)施上，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道的分布式、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)降低設(shè)備功耗，提高設(shè)備的便攜性和易用性，更加小型化、集成化的激光檢測(cè)設(shè)備將成為未來研發(fā)的必然方向。

此外，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，除了現(xiàn)有的軌道幾何參數(shù)測(cè)量、表面缺陷檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域，激光檢測(cè)技術(shù)還將在軌道材料性能檢測(cè)、軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍，為高鐵軌道的全生命周期管理提供更加全面、更加完善的技術(shù)支持。