智能軌道檢測(cè)儀的應(yīng)用研究

鄭 健 上海鐵路局科研所

SGJ-T-SRI1型智能軌道檢測(cè)儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)軌檢儀）由上海鐵路局自主研制成功，測(cè)量機(jī)理和結(jié)構(gòu)均有別于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品，它基于軌道三維精密控制網(wǎng)，采用靜態(tài)交會(huì)、動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量模式，自動(dòng)、連續(xù)、精確地采集軌道幾何參數(shù)，以提高線路坐標(biāo)的測(cè)量精度和檢測(cè)效率，是一種適應(yīng)高速鐵路精密檢測(cè)的新型技術(shù)設(shè)備。

1 適用檢測(cè)功能

1.1 功能模式特征

本軌檢儀利用架設(shè)在軌檢小車(chē)上全站儀的自動(dòng)照準(zhǔn)功能，照準(zhǔn)沿線路兩側(cè)設(shè)置的三維精密控制網(wǎng)控制樁點(diǎn)（CPⅢ），靜態(tài)交會(huì)測(cè)量出測(cè)站三維坐標(biāo)和精確測(cè)量軌道衛(wèi)星車(chē)起、終點(diǎn)坐標(biāo)；兩靜態(tài)交會(huì)測(cè)點(diǎn)間采用動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量模式，高密度自動(dòng)檢測(cè)線路左右軌及中線坐標(biāo)、軌頂高程以及軌距、水平、高低和方向等軌道靜態(tài)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄整理并形成相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表，以滿(mǎn)足工務(wù)部門(mén)對(duì)高速鐵路軌道"養(yǎng)檢修"的需要。

1.2 功能適用性

本軌檢儀主要適用于檢測(cè)軌道的平順性。

1.2.1 垂向軌道不平順

⑴高低不平順：指軌道沿鋼軌長(zhǎng)度方向在垂向的凸凹不平。一般情況下，左、右軌高低的變化趨勢(shì)基本一致，但在短距離內(nèi)各自的變化往往不同，所以還必須區(qū)分左、右軌高低。

⑵水平不平順：指軌道同一橫截面上左、右兩軌頂面的高差；在曲線上是指扣除正常超高值的偏差部分，在直線上也是指扣除將一側(cè)鋼軌故意抬高形成的水平平均值后的差值。

⑶扭曲不平順（三角坑）：指左、右兩軌項(xiàng)面相對(duì)于軌道平面的扭曲，用相隔一定距離的兩個(gè)橫截面水平幅值的代數(shù)差度量。

⑷軌面短波不平順：指鋼軌頂面小范圍內(nèi)的不平順。

1.2.2 橫向軌道不平順

⑴軌道方向不平順：常簡(jiǎn)稱(chēng)軌向不平順或方向不平順，是指軌頭內(nèi)側(cè)面沿長(zhǎng)度方向的橫向凸凹不平順；左、右軌方向變化往往不同，需區(qū)分左軌方向和右軌方向，并將左、右軌方向的平均值作為軌道的中心線方向偏差。

⑵軌距偏差：指在軌頂面以下16mm處量得的左、右兩軌內(nèi)側(cè)距離相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)軌距（1435mm）的偏差。

1.3 功能數(shù)據(jù)流程

本軌檢儀功能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖1。

圖1軌檢儀系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

1.4 功能實(shí)現(xiàn)的核心測(cè)量部件

支撐本軌檢儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、連續(xù)、精確地測(cè)量，與之匹配的測(cè)量部件的精度、范圍等性能指標(biāo)十分關(guān)鍵，其核心測(cè)量部件主要有全站儀、自動(dòng)安平、傳感器和編碼器。

1.4.1 全站儀

全站儀選用徠卡、天寶等國(guó)外品牌智能型全站儀；以徠卡（Leica）為例，主要功能包括"項(xiàng)目管理"、"系統(tǒng)設(shè)置"、"數(shù)據(jù)采集"三大部分，"系統(tǒng)設(shè)置"含通訊設(shè)置、傳感器校準(zhǔn)、限差、棱鏡、標(biāo)定等參數(shù)設(shè)置，"數(shù)據(jù)采集"含起測(cè)點(diǎn)靜態(tài)測(cè)量、軌檢小車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)量、衛(wèi)星小車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)量、自動(dòng)交會(huì)靜態(tài)測(cè)量等部分；測(cè)角精度不低于1°，測(cè)距精度不低于1 mm+1 ppm，且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤。

1.4.2 自動(dòng)安平

自動(dòng)安平選用德國(guó)進(jìn)口的AD-12型，安平范圍為±90，精度為±0.0090，最大載重10 kg，供電電源12VDC，工作電流0.11 A。

1.4.3 位移傳感器

位移傳感器選用德國(guó)NOVOTECHNIK電位器式TS系列直線位移傳感器，模擬量輸出信號(hào)，穿透伸縮軸，插頭式連接，重復(fù)精度為0.002 mm，線性精度為±0.075%，兩個(gè)位移傳感器的行程分別為25和100 mm，最高操作速度為10 m/s。

1.4.4 傾角傳感器

雙軸傾角傳感器選用加拿大進(jìn)口的SANG1000-SD015系列動(dòng)態(tài)雙軸傾角傳感器，傾角數(shù)據(jù)采樣頻率為40Hz，多種補(bǔ)償技術(shù)，測(cè)量范圍為±150，精度±0.0020，換算水平（超高）的最大精度為0.06mm；工作溫度：-40℃～70℃。

1.4.5編碼器

編碼器選用GAM60系列EasyPro智能型絕對(duì)值編碼器，軸每周輸出8192（13位）個(gè)碼或者65536（16位）個(gè)碼，可設(shè)定連續(xù)圈數(shù)為1-4096圈，數(shù)字通訊輸出最快可設(shè)200kHz bps；智能設(shè)定軟件界面，其輸出信號(hào)可選擇直接對(duì)應(yīng)測(cè)量的角度、長(zhǎng)度、速度量值，或直接輸出多組凸輪開(kāi)關(guān)信號(hào)；以RS485信號(hào)轉(zhuǎn)RS232或者USB信號(hào)連接計(jì)算機(jī)，可以EasyPro設(shè)定地址和速率等參數(shù)；具有停電記憶功能，工作電壓8～30VDC。

2 系統(tǒng)標(biāo)定

系統(tǒng)標(biāo)定是軌檢儀應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是確保檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提條件；軌檢小車(chē)上安裝有全站儀、自動(dòng)安平和傳感器，是核心組件，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定臺(tái)上實(shí)施進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。

2.1 軌檢小車(chē)標(biāo)定內(nèi)容

圖2 軌檢小車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

軌檢小車(chē)結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意如圖2所示，并作如下定義，其中：

A—表示全站儀觀測(cè)中心；B—表示自動(dòng)安平平臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸中心；

C—表示用作軌距測(cè)量參考點(diǎn)的軌檢小車(chē)雙輪部分內(nèi)軌道頂點(diǎn)。

根據(jù)以上定義，軌檢小車(chē)使用前需要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定：

AB—表示全站儀的觀測(cè)中心到自動(dòng)安平平臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的距離 (用d表示)；

BE—表示自動(dòng)安平平臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸中心到鋼軌面的距離(h)；

CE—表示自動(dòng)安平平臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸中心到軌距測(cè)量參考點(diǎn)的距離（s）；

CD—位于標(biāo)準(zhǔn)軌距上（1435mm），位移傳感器的標(biāo)定值（a）；

FG—位于標(biāo)準(zhǔn)軌距上（1435 mm），位移傳感器的標(biāo)定值（b）；

EF—位于標(biāo)準(zhǔn)軌距上（1435 mm），測(cè)定位移固定的長(zhǎng)度（t），按公式t=1435-(a+b)計(jì)算。

2.2 軌檢小車(chē)標(biāo)定方法

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室應(yīng)由法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定合格，測(cè)量器具量程、精度應(yīng)滿(mǎn)足要求，做到測(cè)量方法科學(xué)、讀數(shù)準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定臺(tái)示意見(jiàn)圖3所示。

圖3 軌檢儀標(biāo)定臺(tái)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，取得095號(hào)、125號(hào)軌檢小車(chē)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。x、y分別為傾角傳感器x軸、y軸的標(biāo)定值；r為小車(chē)測(cè)量輪的直徑。

表1 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定值

2.3 軌檢小車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)定義

2.3.1 小車(chē)方向定義

圖4 軌檢小車(chē)方向定義示意圖

軌檢小車(chē)的方向定義如上圖所示，小車(chē)的雙輪在線路里程增加方向的右軌上，定義為正向；小車(chē)的雙輪在線路里程增加方向的左軌上，定義為反向。

2.3.2 小車(chē)超高定義

軌檢小車(chē)的超高定義如上圖所示，小車(chē)正向時(shí)，沿里程增加方向，測(cè)量點(diǎn)處左軌低于右軌為正；小車(chē)正向時(shí)，沿里程增加方向，測(cè)量點(diǎn)處左軌高于右軌為負(fù)。

圖5 軌檢小車(chē)超高定義示意圖

2.3.3 傳感器方向定義

（1）傾角傳感器：傾角傳感器的X軸平行于線路走向方向；傾角傳感器的Y軸垂直于線路走向方向（平行于超高方向）；小車(chē)為正向時(shí)，左軌高于右軌時(shí)，隨著超高絕對(duì)值的增大，傾角傳感器Y軸的示值變小；小車(chē)為正向時(shí)，前高于后時(shí)，傾角傳感器X軸的示值變??；(前里程小于后里程)。

（2）位移傳感器：位移傳感器A的量程為25 mm；位移傳感器B量程為100 mm；位移傳感器的示值向外側(cè)為增大。

（3）編碼傳感器：正向時(shí)，隨里程增加方向示值增加。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵

(1)檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)密度：無(wú)砟軌道不大于100 m靜態(tài)交會(huì)檢測(cè)一處，有砟軌道不大于180 m表態(tài)交會(huì)檢測(cè)一處；交會(huì)測(cè)點(diǎn)間采用跟蹤測(cè)量采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)棄異常數(shù)據(jù)后擬合，提供0.65 m點(diǎn)距數(shù)據(jù)成果。

(2)用軌道檢測(cè)小車(chē)檢測(cè)正線軌道和道岔的絕對(duì)坐標(biāo)、軌面絕對(duì)高程、軌距、軌向、高低、水平等。

(3)依據(jù)軌檢小車(chē)量測(cè)的軌道絕對(duì)坐標(biāo)，計(jì)算曲線各要素。

(4)利用軌道檢測(cè)小車(chē)量測(cè)的軌道絕對(duì)坐標(biāo)和軌面高程反算兩點(diǎn)之間的空間距離，進(jìn)行全線精確的里程貫通。

(5)根據(jù)軌檢小車(chē)量測(cè)的軌道和道岔的靜態(tài)幾何數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)出差值，對(duì)線路平面位置與設(shè)計(jì)位置的一致性、平順性作出分析評(píng)價(jià)。

3.2 應(yīng)用操作程序

(1)室內(nèi)準(zhǔn)備。前往現(xiàn)場(chǎng)前，一方面，對(duì)本軌檢儀整機(jī)設(shè)備進(jìn)行清潔保養(yǎng)，在基準(zhǔn)平臺(tái)上對(duì)超高傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)以及調(diào)頭測(cè)量，調(diào)整、消除誤差，確保一致性；另一方面，對(duì)所檢測(cè)線路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（平曲線、豎曲線、超高等）在計(jì)算機(jī)中復(fù)核無(wú)誤后輸入到本軌檢儀軟件系統(tǒng)中。

(2)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備。到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)每回實(shí)施測(cè)量時(shí)，先對(duì)控制測(cè)點(diǎn)（CPⅢ）進(jìn)行檢查，確認(rèn)完好并插裝妥棱鏡，以確?？刂泣c(diǎn)數(shù)據(jù)（平面坐標(biāo)及高程）正確無(wú)誤；剔除異?？刂茰y(cè)點(diǎn)（CPⅢ）。

(3)保證測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)量區(qū)間全站儀自由交會(huì)時(shí)需要保證4個(gè)（有碴）或8個(gè)（無(wú)碴）CPⅢ控制點(diǎn)，以保證軌道線形的檢測(cè)精度。

(4)設(shè)置基準(zhǔn)。進(jìn)行正確的測(cè)量設(shè)置，高程和平面位置以路肩側(cè)鋼軌為基準(zhǔn)。

(5)規(guī)范使用。全站儀起始測(cè)站靜態(tài)測(cè)量，系統(tǒng)自動(dòng)采集軌距和超高值，確認(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)誤后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集的測(cè)站設(shè)置；設(shè)站的主要內(nèi)容是選擇所需要觀測(cè)的目標(biāo)點(diǎn)，設(shè)置觀測(cè)的測(cè)回?cái)?shù)，獲得各待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)與測(cè)站點(diǎn)之間的水平方向與天頂距觀測(cè)值，從而在數(shù)據(jù)自動(dòng)采集過(guò)程中自動(dòng)瞄準(zhǔn)并鎖定棱鏡；系統(tǒng)自動(dòng)化采集，并實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的狀態(tài)信息；系統(tǒng)在半測(cè)回、一測(cè)回以及各測(cè)回觀測(cè)完畢后，按設(shè)定的限差對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，對(duì)超限情況實(shí)時(shí)檢核，并提示用戶(hù)進(jìn)行干預(yù)；用戶(hù)干預(yù)可選擇重新測(cè)量或忽略超限觀測(cè)值；待本測(cè)站測(cè)量結(jié)束且各項(xiàng)誤差符合系統(tǒng)設(shè)定限差，表示本測(cè)站觀測(cè)已完成；對(duì)本測(cè)站觀測(cè)的各目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量值進(jìn)行平差計(jì)算，查看與已知坐標(biāo)的偏差值，以便檢查已知的CPⅢ控測(cè)點(diǎn)是否存有問(wèn)題。做完測(cè)量靜態(tài)交會(huì)后，則進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量衛(wèi)星小車(chē)的X、Y、H坐標(biāo)，采集衛(wèi)星小車(chē)所處里程以及軌檢小車(chē)與衛(wèi)星小車(chē)的距離。軌檢小車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)量是指衛(wèi)星小車(chē)靜止不動(dòng)，推動(dòng)軌檢小車(chē)，采集軌檢小車(chē)所在位置的軌距、超高、里程。

(6)成果輸出。測(cè)量完成后生成成果文件，對(duì)軌道幾何形位數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出做進(jìn)一步處理，輸出報(bào)表，可選擇性的輸出軌道位置、軌距、水平、軌向（長(zhǎng)波和短波）、高低（長(zhǎng)波和短波）、軌面高程等幾何參數(shù)。所有參數(shù)都以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和偏差值的形式輸出。

3.3 實(shí)際應(yīng)用案例

本軌檢儀研制成功后，先后在甬臺(tái)溫、溫?？蛯?zhuān)（有碴）和滬杭客專(zhuān)（無(wú)碴）上現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以650mm為間距，動(dòng)態(tài)測(cè)量衛(wèi)星小車(chē)的X、Y、H坐標(biāo)成，形成處理報(bào)表。其測(cè)量過(guò)程為：起始測(cè)站靜態(tài)測(cè)量（圖6）→動(dòng)態(tài)測(cè)量衛(wèi)星小車(chē)的X、Y、H坐標(biāo)（圖7）→軌檢小車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)量（圖8），有碴軌道測(cè)量實(shí)景圖9所示。

圖6 起始測(cè)站靜態(tài)測(cè)量示意圖

圖7 動(dòng)態(tài)測(cè)量衛(wèi)星小車(chē)坐標(biāo)示意圖

圖8 軌檢小車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)量

圖9有碴軌道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)景

現(xiàn)僅選2010年8月12日，本軌檢儀在滬杭客專(zhuān)精調(diào)期間參與檢測(cè)的結(jié)果選20個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為例證，見(jiàn)表2所示。

表2滬杭客專(zhuān)下行K12+748.16--K12+760.51軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)表

本軌檢儀在滬杭客專(zhuān)檢測(cè)結(jié)果已與德國(guó)進(jìn)口的安博格軌檢儀靜態(tài)測(cè)量結(jié)果相對(duì)比，數(shù)據(jù)對(duì)等性?xún)?yōu)良，趨勢(shì)性一致，得到了應(yīng)用檢驗(yàn)，能滿(mǎn)足線路精調(diào)作業(yè)和維護(hù)養(yǎng)修的需求。

4 結(jié)論與建議

SGJ-T-SRI1智能軌道檢測(cè)儀在有砟、無(wú)碴客運(yùn)專(zhuān)線軌道上的應(yīng)用研究表明，本軌檢儀相比同類(lèi)型其它產(chǎn)品，一是檢測(cè)技術(shù)先進(jìn)，檢測(cè)精度高，動(dòng)靜結(jié)合，測(cè)量效率高達(dá)1000～1300m/h；二是操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示清晰，易于識(shí)別，電池容量較高，適合長(zhǎng)時(shí)間10～15h連續(xù)作業(yè)；三是適用性廣，完全適宜夜間天窗點(diǎn)檢測(cè)使用，可廣泛應(yīng)用在新建或開(kāi)通的客運(yùn)專(zhuān)線軌道檢測(cè)領(lǐng)域。建議應(yīng)進(jìn)一步提升全站儀、自動(dòng)安平與軌檢小車(chē)的安裝匹配精度，完善軌檢小車(chē)的可拆裝結(jié)構(gòu)與防振功能，優(yōu)化系統(tǒng)自檢功能，以確保強(qiáng)穩(wěn)定性與高可靠性。