本书针对影响高速铁路轨道平顺性的检测与评价的若干关键问题，在总结现有轨道几何状态检测与监测技术、轨道刚度检测方法、无缝线路状态监测理论、无砟轨道病害检测方法和高速道岔状态监测技术的基础上，分析了我国高速铁路轨道平顺性检测与监测方面面临的主要挑战；系统研究了轨道静态不平顺的高效检测理论与方法、轨道不平顺的动力学控制理论及评估技术、轨道宽频动刚度的检测理论与方法、基于模态的无砟道床伤损检测理论与方法、影响高速铁路高平顺性的无缝线路断轨与温度力监测技术，及高速道岔钢轨裂纹监测技术等；提出了加强我国高速铁路轨道平顺性检测、监测与评估的若干建议。

京沪高铁线已运营十年，复兴号使得单程时间缩到至4小时18分，高铁时代的双城记改变着我们对地域的理解。在高速、大运量、运营时间累计，我们对高铁的要求也在不断改变，稳静舒适度一直是高铁在便捷以外给乘客的另一大体验。既有的高铁线下部基础沉降等变形直接影响轨道平顺性，另一方面受轨道使用过程手多因素耦合效应影响状态劣化；另一方面随着运营规模的不断扩大，高品质的高铁建设仍然需求量较大。科学评估是高铁运营安全的重要保障，加强我国高速铁路轨道平顺性监测、监测与评估的建议。

高速铁路技术是现代中国一张靓丽的国家名片，承载着中华民族伟大复兴的梦想。高速铁路正以高速度、高安全性和高平稳性的高品质出行，高智能化的建设与运维管理，成为中国高端制造、高端运输的支柱。为实现高速铁路的建设、运营和维护目标，具有高平顺性、高稳定性和高可靠性的高速铁路轨道工程成为高速铁路基础设施子系统中最为关键的组成部分。不断发展和探索利用现代测试技术和信息处理技术，对影响高速铁路高平顺性、高安全性和高可靠性的轨道工程关键结构状态、典型病害分布、主要敏感参数等开展系统的检测、监测与分析，构建高速铁路轨道工程高平顺性的系统诊断与评估方法，是确保高速铁路安全、高效运行的重要保证。近年来，作者及其团队在国家自然科学基金委员会高铁联合基金项目高速铁路轨道结构检测关键理论与方法(编号：U1234201)、高速铁路道岔轮轨接触行为、性能演化与损伤机理研究(编号：U1734207)及国家自然科学基金委员会国家杰出青年科学基金项目高速铁路轨道结构服役安全关键科学问题研究(编号：51425804)的支持下，针对影响高速铁路线路高平顺性的若干重点难点问题，进行了大量探索。本书即为相关成果系统性、阶段性的总结，希望为中国高速铁路快速、健康、稳定的发展提供助力。
全书共分7章，重点围绕影响我国高速铁路高平顺性的轨道几何状态、轨道刚度参数、无缝线路安全、无砟轨道病害和高速道岔安全，介绍了相关研究成果。具体内容如下：
第1章主要针对我国高速铁路轨道维护检修体系、现代轨道几何状态检测与监测技术进行了综述，并提出了我国高速铁路轨道平顺性检测方面目前面临的主要挑战。
第2章深入推导了轨道静态几何不平顺的弦测法基本公式，建立了一弦N点弦测法的优化方法及反演理论，并提出了控制误差放大系数和提高检测波长、精度的相关途径，分析了惯性导航系统技术的工作原理，最后提出了相对与绝对结合的高效检测技术。
第3章主要介绍了高速铁路轨道不平顺动力学控制理论及评估技术，在全面总结国内外轨道不平顺评价方法的基础上，通过分析轨道不平顺与轮轨系统的频率响应关系，梳理了高低、水平、轨向和轨距不平顺的敏感波长分布，提出基于动力学的轨道不平顺加权评价方法。
第4章重点介绍了轨道动刚度检测理论的研究进展，在概述轨道静、动刚度检测技术的基础上，从轨道结构动力特性的角度分析了轨道刚度的内涵，提出了轨道结构宽频动刚度的计算理论及测试、分析方法。
第5章主要介绍了无砟轨道伤损检测的若干研究进展，重点介绍了模态法检测理论中的固有频率检测法、曲率模态检测法和高斯曲率检测法，就应用冲击回波检测无砟轨道若干典型伤损进行了理论仿真和试验验证，提出了无砟轨道伤损检测的系统设计方案。
第6章重点针对高速铁路无缝线路运营安全监测中的温度力及断轨监测技术做了介绍，总结了无缝线路监测、检测的主要技术，分析了广泛使用的双向应变法及衍生方法的组桥方案、误差组成，提出了基于异包层的光纤光栅传感监测方法，并提出了针对高速铁路轨道结构中至关重要的桥上无缝道岔的系统监测方案。
第7章主要介绍了高速道岔裂纹监测系统，在总结道岔钢轨伤损及道岔监测系统应用现状的基础上，重点介绍了针对严重威胁高速道岔运营安全的钢轨裂纹开展监测研究的相关成果，深入研究了基于声发射技术的道岔裂纹伤损识别算法，并形成了符合我国国情、路情的高速道岔监测系统解决方案。
本书参考引用了西南交通大学轨道工程团队多年来的部分研究成果，也参考和引用了大量国内外其他研究者的研究成果，并尽可能地在参考文献部分列出，但也难免有所遗漏，在此向广大研究者和同仁谨致崇高的感谢！
在本书写作过程中，得到课题组李成辉、刘学毅、陈嵘、赵才有、徐井芒、韦凯、何庆、杨荣山、赵坪锐、任娟娟、郭利康和刘钰等老师的全力协助，得到了国家自然科学基金会、中国铁路总公司、中国铁路南昌局集团有限公司、中国铁路上海局集团有限公司和中国铁路成都局集团有限公司、成都地铁、深圳地铁等单位的大力支持，得到四川西南交大铁路发展股份有限公司、萨伏威（西安）导航技术有限公司等单位提供的宝贵素材，并得到历届研究生王源、徐金辉、谢铠泽、刘浩、胡志鹏、韦安祺、刘冬娅、温静、杨翠平、杨敏婕、刘鉴兴、李敏一、戴佳程等同学的鼎力帮助，在此表示衷心的感谢！
本书力求抛砖引玉，为铁道工程相关专业的研究人员、工务管理人员、大专院校老师及研究生提供参考。受作者水平所限，书中谬误和疏漏在所难免，恳请广大读者批评指正，作者将万分感激，并努力在今后的研究中不断改进与完善。

作者2019年于成都

王平，工学博士，西南交通大学教授,博士生导师。现为高速铁路线路工程教育部重点实验室主任、西南交通大学道路与铁道工程系主任、高速铁路轨道结构理论与安全服役技术四川省科技创新团队带头人。曾获享受国务院政府特殊津贴专家、教育部新世纪人才、四川省学术及技术带头人等称号，并于2014年获得国家杰出青年科学基金。长期从事铁路轨道方面的教学与科研工作，是西南交通大学道路与铁道工程国家级重点学科带头人；获得国家级教学成果奖1项，四川省教学成果奖4项。
王平教授重点研究高速重载轨道结构及轨道动力学、铁路轨道不平顺及动力学、跨区间无缝线路设计理论与方法以及城市轨道交通减振降噪等方向。主持建立了我国高速铁路道岔设计理论体系，领导了我国时速250公里、350公里系列高速铁路道岔的研制；探明了无缝道岔与桥梁等基础间的约束机制与作用规律，解决了高速道岔应用于不同基础结构上的适应性难题；形成了高速铁路轨道平顺性保持技术体系，解决了高铁建设与运营过程中轨道平顺状态诊断与高平顺性长期保持的技术难题。承担国家863计划、国家高速铁路基础研究联合基金重点支持项目、国家自然科学基金及铁道部科技开发项目20余项。2016年，作为第一完成人以高速铁路轨道平顺性保持技术项目获国家技术发明奖二等奖；曾主持获得四川省、教育部及中国铁道学会科技进步奖一等奖3项。出版专著5本，独著的《高速铁路道岔设计理论与实践》获得了中国图书三个一百原创出版工程奖；获国家发明和实用新型专利44项，软件著作权8项；近5年，SCI收录论文共46篇，EI收录论文共167篇。
肖杰灵，博士，副教授。西南交通大学土木工程学院道路与铁道工程系任教。长期从事高速、重载及城市轨道交通轨道动力学、轨道结构领域的研究与工程应用，主要研究方向包括铁路无缝线路技术、新型轨道结构研究与应用、工务检测与监测技术等。作为主研人员参与了我国高速道岔理论创新与应用、无砟轨道理论研究与结构再创新等工作。先后主持国家自然科学基金青年基金１项，中国铁路总公司科技开发计划重点项目３项，四川省科技支撑计划项目１项，中铁二院、成都局和太原局等单位科技攻关项目多项；参与包括国家科技重大专项、国家自然科学基金高铁联合基金、中国铁路总公司、中国铁路工程总公司等单位的科学研究与技术攻关项目数10项，为高速、重载、快速及城市轨道交通轨道工程的研究及技术创新提供了大量的咨询与技术支持。合著《高速铁路桥上无缝线路技术》等专著1部，参编《轨道工程》《铁道工程施工及检测技术》等系列教材。发表高水平论文20余篇，获得发明专利５项。曾获教育部科技进步一等奖１项、铁道学会特等奖１项，中国铁路工程总公司奖项若干项。

第1章 绪论1
1.1中国高速铁路轨道维护检修体系2
1.2现代轨道几何状态检测与监测技术4
1.2.1轨道几何状态检测技术的主要分类4
1.2.2轨道动态不平顺检测技术的发展现状4
1.2.3轨道静态不平顺检测技术的发展现状7
1.2.4其他相关检测技术的发展与应用9
1.2.5轨道状态监测技术的发展与应用12
1.3高速铁路轨道平顺性检测面临的主要挑战14
参考文献16
第2章 高速铁路轨道静态平顺性检测19
2.1高速铁路轨道平顺性的精密工程测量与控制19
2.1.1高速铁路轨道精密工程测量19
2.1.2轨道空间几何线形控制方法20
2.2基于中点弦测法反演的轨道不平顺检测21
2.2.1基于中点弦测法的逆滤波法21
2.2.2基于中点弦测法反演的轨道不平顺检测理论27
2.2.3基于高频采样的中点弦测法39
2.3基于一弦多点弦测法反演的轨道不平顺检测47
2.3.1一弦N点弦测法的数学模型47
2.3.2一弦N点弦测系统误差分析53
2.4基于最优多点弦测法反演的轨道不平顺检测66
2.4.1最优化问题描述67
2.4.2优化方案69
2.4.3一弦N点的单测点弦测法70
2.4.4最优两点弦测法72
2.4.5其他多点弦测法75
2.4.6最优多测点弦测法的优化率80
2.5惯性导航系统检测82
2.5.1惯性导航技术简介82
2.5.2惯性导航系统检测理论82
2.5.3惯性导航偏移分析86
2.6相对与绝对结合的高效检测87
2.6.1轨道不平顺相对测量技术87
2.6.2轨道不平顺绝对测量技术87
2.6.3相对与绝对结合的检测技术88
2.6.4轨检仪的优化研究90
参考文献93
第3章 高速铁路轨道不平顺动力学控制与评估95
3.1国内外轨道不平顺的评价方法96
3.1.1轨道局部不平顺评价方法96
3.1.2轨道整体不平顺评价方法101
3.1.3功率谱密度评定轨道平顺状态108
3.2轨道不平顺与轮轨系统的频率响应规律114
3.2.1车辆轨道空间耦合系统频响分析模型114
3.2.2车辆轨道空间耦合系统典型频响规律分析129
3.3轨道不平顺的敏感波长分析142
3.3.1高低不平顺的敏感波长分布142
3.3.2水平不平顺的敏感波长分布144
3.3.3轨向不平顺的敏感波长分布146
3.3.4轨距不平顺的敏感波长分布148
3.4基于动力学的轨道不平顺评价方法149
3.4.1轨道不平顺波长权重函数150
3.4.2轨道不平顺的重构164
3.4.3考虑波长权重的轨道不平顺管理值193
3.5应用案例分析199
3.5.1轨道不平顺数据样本199
3.5.2动力学响应分析201
3.5.3峰值管理203
3.5.4均值管理206
参考文献209
第4章 轨道宽频动刚度检测211
4.1轨道宽频动刚度检测概述211
4.1.1结构的静刚度与动刚度211
4.1.2结构刚度的计算方法212
4.1.3轨道垂向刚度212
4.2国内外轨道刚度检测技术现状214
4.2.1轨道结构部件刚度的测量214
4.2.2轨道整体刚度的测量222
4.2.3轨道刚度测量方法分析与比较235
4.3轨道结构动力特征238
4.3.1轨道结构的动力特性238
4.3.2轨道结构动力特性的控制与应用241
4.3.3轨道结构系统动力特性仿真243
4.3.4轨道结构系统动力特性的参数244
4.4轨道结构宽频动刚度计算理论245
4.4.1两自由度的轨道动刚度计算模型245
4.4.2多自由度的轨道动刚度计算模型246
4.4.3有砟轨道结构的宽频动刚度计算247
4.5轨道结构宽频动刚度测试方法250
4.5.1力锤激励法250
4.5.2小车检测法257
参考文献263
第5章 高速铁路无砟轨道伤损检测265
5.1无砟轨道伤损及检测技术概述265
5.1.1无砟轨道主要伤损类型265
5.1.2无砟轨道伤损检测现状268
5.2模态法检测无砟轨道伤损269
5.2.1基于固有频率的结构伤损检测269
5.2.2基于曲率模态的无砟轨道伤损检测270
5.2.3基于高斯曲率的无砟轨道伤损检测277
5.2.4模态法检测伤损试验280
5.3基于冲击回波法识别无砟轨道伤损282
5.3.1冲击回波法的检测原理282
5.3.2冲击回波法的数值仿真285
5.3.3冲击回波法检测伤损试验291
5.4无砟轨道伤损检测系统设计294
5.4.1系统方案295
5.4.2检测系统硬件设备296
5.4.3检测系统装置298
5.4.4信号处理299
5.4.5检测系统识别伤损301
参考文献302
第6章 无缝线路温度力及断轨监测303
6.1无缝线路监测及检测技术304
6.1.1传统监测方法304
6.1.2新型监测方法305
6.2无缝线路中钢轨温度力测试306
6.2.1双向应变法测试原理及组桥方案307
6.2.2钢轨截面温度变化对测量误差的影响311
6.2.3基本温度力与附加纵向力的分离研究315
6.2.4异包层光纤光栅传感器的室内试验验证319
6.2.5现场试验验证321
6.3高架站桥上无缝道岔监测系统322
6.3.1桥上无砟道岔的状态控制指标322
6.3.2桥上无砟道岔敏感区域323
6.3.3高速铁路高架站轨道系统状态监测的主要内容330
6.3.4主要监测技术332
6.3.5高架站无缝道岔监测系统的主要组成333
6.3.6监测系统的状态预测、报警和预警335
参考文献336
第7章 高速道岔钢轨裂纹监测338
7.1道岔钢轨伤损检测及监测技术338
7.1.1钢轨伤损分类338
7.1.2国内外道岔监测系统339
7.1.3钢轨伤损检测及监测技术341
7.2基于声发射技术的道岔钢轨裂纹伤损识别算法347
7.2.1经典声发射信号处理算法347
7.2.2能量谱比值法348
7.2.3基于小波包分析的声发射信号处理354
7.2.4基于大数据的声发射信号处理361
7.2.5海量数据测试及结果372
7.3高速道岔钢轨裂纹监测系统373
7.3.1道岔监测系统的主要设计原则374
7.3.2道岔监测系统的设计理念374
7.3.3系统架构375
7.3.4系统组成375
7.3.5功能设计378
7.3.6室内试验验证380
7.3.7信号在钢轨中衰减试验381
参考文献382