GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)

魏世斌，劉伶萍，趙延峰，李 穎，王 昊

(中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081)

我國的軌道檢測技術(shù)經(jīng)歷過5次重大飛躍[1]。目前較廣泛使用的軌道檢測設(shè)備是第4代和第5代產(chǎn)品，即 GJ-4 型[2-4]和 GJ-5 型軌道檢測系統(tǒng)[5]。為滿足提速線路和高速線路軌道檢測的需要，研發(fā)了GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)。

GJ-4型和GJ-5型軌道檢測系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。GJ-4型軌道檢測系統(tǒng)采用了捷聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，檢測信號利用率高，傳感器安裝方便;基于實時操作系統(tǒng)的檢測軟件較好地解決了空間采樣控制和各項目的同步問題。最高檢測速度為160 km/h。但GJ-4型軌檢車軸箱式的軌檢梁在速度較高時受到劇烈的振動和沖擊，容易出現(xiàn)疲勞損傷，造成安全隱患，且傳感器較易損壞，降低了系統(tǒng)的可靠性[6]。

GJ-5型軌道檢測系統(tǒng)是我國在引進國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上集成開發(fā)的檢測設(shè)備，最高檢測速度200 km/h，采用激光攝像測量技術(shù)，通過對鋼軌斷面輪廓圖像的處理獲得鋼軌橫向和縱向位移，再結(jié)合慣性器件的輸出信號計算軌道幾何參數(shù)。GJ-5型軌道檢測系統(tǒng)存在精度不夠高、標(biāo)定困難、易受陽光干擾等缺點，不適應(yīng)高速鐵路軌道檢測的需要。

新研制的GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)摒棄了不安全的懸掛方式，去掉了伺服機構(gòu)等移動部件，采用激光攝像式的軌道檢測技術(shù)，克服了陽光干擾，采用數(shù)字圖像技術(shù)，提高檢測精度，同時探索出新的標(biāo)定方法，采用實時控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)里程精確定位。

1 GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的組成

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)主要由激光攝像組件、慣性測量組件、信號處理組件、數(shù)據(jù)處理組件、里程定位組件和機械懸掛裝置等六部分組成，如圖1所示。軌道檢測系統(tǒng)使用計算機集中處理全部檢測項目數(shù)據(jù)，檢測項目齊全，包括軌距、軌向、高低、水平、曲率、三角坑等軌道幾何不平順，以及車體水平和垂直振動加速度，還包括道岔、道口及橋梁等地面具有顯著特征的標(biāo)志物，方便工務(wù)人員查找病害。

圖1 軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)構(gòu)成示意

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)將攝像組件、自動位置探測器和慣性組件安裝在同一個檢測梁內(nèi)，這個檢測梁安裝在車輛的轉(zhuǎn)向架上，如圖2所示。檢測梁屬剛性結(jié)構(gòu)，上述傳感器都在同一剛體上，慣性傳感器跟蹤梁的空間運動，然后參照激光光學(xué)傳感器所探測的鋼軌位置數(shù)據(jù)，解算軌道集合參數(shù)。檢測梁材質(zhì)堅硬，確保所有傳感器相互之間牢固固定，且每個傳感器自身具備抗沖擊能力。檢測梁的設(shè)計充分考慮了在線路惡劣環(huán)境下如何保護所有的傳感器和線纜，為了維修方便，檢測梁設(shè)計了可以方便打開的蓋子，從梁到車體的布線通過柔性套管外加不銹鋼護管保護。在安裝及連接環(huán)節(jié)考慮安全余量，設(shè)計多級安全保護。

圖2 GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)軌檢梁及懸掛裝置

2 激光攝像組件

激光攝像組件是GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的重要組成部分，主要包含激光器、攝像機、溫控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。通過對視覺圖像的處理，得到鋼軌輪廓，進而可以得到鋼軌相對于測量坐標(biāo)系的橫向、垂向位置，如圖3所示。由兩根鋼軌的橫向位移合成軌距。橫向位移和垂向位移分別是測量軌向和高低的重要分量。

圖3 激光攝像組件和軌道的空間關(guān)系

以軌檢梁的中心點為原點建立坐標(biāo)系xoyoz，則激光平面的方程可表示為

根據(jù)攝影檢測理論的共線方程，可以推導(dǎo)出鋼軌斷面上任一點(物點)坐標(biāo)(x，y)與對應(yīng)的像點坐標(biāo)(X，Y)之間的關(guān)系

參數(shù) a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2稱為攝像機的隱參數(shù)。最少只需要4個物點的坐標(biāo)及其對應(yīng)的4個像點的坐標(biāo)就可以直接解出式(2)中的8個隱參數(shù)。但通常為了提高檢測精度，需要更多的物點像點對。如果物點像點對的數(shù)目＞4，則可用最小二乘法解出8個隱參數(shù)。圖像處理過程如圖4所示。

圖4 鋼軌斷面圖像處理過程

激光攝像組件的標(biāo)定是整個系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，用激光攝像標(biāo)定儀獲取檢測參數(shù)，首先軌距檢測標(biāo)定使用電控位移臺精確控制鋼軌移動，進行實驗室驗證。使用電控位移臺精確控制鋼軌移動，每次以固定間距移動，記錄對應(yīng)的軌檢系統(tǒng)單邊軌距測量值。進行誤差分析，使用電控位移臺精確控制鋼軌的移動，同時使用激光攝像組件測量單邊軌距的變化。當(dāng)電控位移臺控制鋼軌位移量分別是1 mm，2 mm，3 mm時，檢測系統(tǒng)測得的單邊軌距的變化量也應(yīng)是1 mm，2 mm，3 mm，據(jù)此可分析檢測系統(tǒng)的軌距測量精度，確保軌距的測量精度在±0.5 mm以內(nèi)。如達(dá)不到精度要求則需重新標(biāo)定激光攝像檢測參數(shù)，直到滿足要求為止。在調(diào)試現(xiàn)場，采用便攜針式標(biāo)定板的方式標(biāo)定激光攝像檢測參數(shù)，這樣可以在保證標(biāo)定參數(shù)準(zhǔn)確的情況下，對軌距系統(tǒng)進行快速標(biāo)定，如圖5所示。

3 慣性測量和信號處理組件

圖5 激光攝像檢測參數(shù)現(xiàn)場標(biāo)定裝置

慣性測量組件主要由陀螺平臺(稱為CAS)、左高低加速度計(稱為 LACC)、右高低加速度計(稱為RACC)、軌向加速度計(稱為 ALGN)、慣性組件(稱為INU)等慣性器件組合而成，傳感器安裝位置如圖6所示。慣性測量組件主要功能是采集檢測梁、車體的滾動和搖頭角速度、傾角、垂向和橫向加速度，用于建立軌道檢測的慣性基準(zhǔn)。信號處理組件包括模擬信號處理組件和數(shù)字信號處理組件兩部分，對慣性測量部件輸出的信號進行濾波、補償、修正、合成計算，輸出軌道幾何參數(shù)滿足軌向、高低、水平(超高)、三角坑、曲率等參數(shù)的測量要求。

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)采用光電式位移傳感器取代原有拉弦式位移計作為高低、水平、三角坑等參數(shù)的合成計算，它克服了拉弦式位移計弦線易斷、維護量大的缺點，得到了良好的應(yīng)用效果。

圖6 傳感器安裝位置示意(車體底板俯視示意)

4 軟件設(shè)計和數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理組件是由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、實時處理計算機、數(shù)據(jù)應(yīng)用計算機、網(wǎng)絡(luò)打印機、交換機等設(shè)備組成車載局域網(wǎng)系統(tǒng)。實時處理計算機實現(xiàn)了傳感器原始信號的實時采集和處理，自動完成數(shù)據(jù)的修正、濾波和軌道幾何參數(shù)的合成，在計算機屏幕上實時顯示幾何參數(shù)波形圖和里程、速度等信息，其軟件處理流程如圖7所示。

圖7 軟件功能模塊及數(shù)據(jù)流程

實時檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)將軌檢數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是數(shù)據(jù)存貯和分析的核心，在軌道檢測車上利用安裝Windows2003 Server網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)平臺建立數(shù)據(jù)庫。軌道檢測車上的軌檢數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，存放在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)有軌道幾何超限數(shù)據(jù)、軌道幾何波形數(shù)據(jù)等。

存儲的所有軌檢數(shù)據(jù)供工作站應(yīng)用程序調(diào)用，并可摘取超過標(biāo)準(zhǔn)的檢測項目的峰值、長度和位置，還能對超限處所進行編輯整理，并輸出超限報告表。

5 射頻識別定位技術(shù)

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的里程定位采用RFID，即射頻識別技術(shù)，輔以高精度光電編碼器進行修正，實現(xiàn)線路特征點的精確定位。具體實現(xiàn)方法如下:在需要識別的地面線路特征點預(yù)設(shè)工業(yè)級高速射頻卡，每一個射頻卡都有一個全球唯一的卡號;在軌檢車上安裝高速閱讀器，當(dāng)列車以一定速度通過射頻卡時，識別出射頻卡的卡號，將這個卡號與數(shù)據(jù)庫中的信息進行比對，識別出卡號對應(yīng)的里程信息和線路特征點信息，并將此信息發(fā)送到軌道幾何檢測系統(tǒng)中進行存儲、顯示。同時為了達(dá)到精確定位的目的，采用高精度的軸頭光電編碼器，精確計算列車行駛速度，結(jié)合系統(tǒng)延時，對RFID定位系統(tǒng)進行修正。系統(tǒng)示意如圖8。

圖8 RFID精確定位流程

6 GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)試驗驗證

為了驗證檢測系統(tǒng)的性能，利用安裝在CHR380A-001上的GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)，在高速試驗線上行線K729+000至K757+561預(yù)設(shè)軌道不平順8類37處，主要包括連續(xù)三波高低不平順2處、連續(xù)三波軌向不平順2處、復(fù)合不平順6處、高低4處、軌向4處、軌距10處、水平5處、三角坑4處。

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)共采集了100～400 km/h速度等級的數(shù)據(jù)。檢測參數(shù)包括高低、軌向、軌距、水平、三角坑、高低120 m、軌向120 m、軌距變化率、車體橫向加速度、車體垂向加速度等項目。通過65次往返檢測結(jié)果，取2倍標(biāo)準(zhǔn)差即置信概率95%的統(tǒng)計結(jié)果得出:

1)高低檢測項目2倍標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.6 mm×2=1.2 mm，滿足高低準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.5 mm的要求。

2)軌向檢測項目2倍標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.4 mm×2=0.8 mm，滿足軌向準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.5 mm的要求。

3)軌距檢測項目2倍標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.50 mm×2=1.0 mm，滿足軌距準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.0 mm的要求。

4)水平檢測項目2倍標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.6 mm×2=1.2 mm，滿足水平準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.5 mm的要求。

5)三角坑檢測項目2倍標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.5 mm×2=1.0 mm，滿足三角坑準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.5 mm的要求。

因此可以得出結(jié)論，檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

試驗還驗證了高低、軌向、軌距、三角坑、水平等各檢測項目第95百分位數(shù)和最大偏差值均滿足重復(fù)性技術(shù)指標(biāo)的要求，即GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)自身具有良好重復(fù)性。

7 GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)創(chuàng)新點

1)采用激光攝像檢測技術(shù)。使用數(shù)字?jǐn)z像機、數(shù)字信號傳輸、數(shù)字圖像處理等數(shù)字技術(shù)手段，避免了模擬圖像傳輸和采集過程引起的干擾;圖像采集和處理速度超過450幀/s，滿足400 km/h的檢測需要，超過現(xiàn)有任何軌道檢測系統(tǒng)的處理速度;通過改進算法、提高元器件性能等方法，抗陽光干擾能力大大提高。

2)軌道檢測算法。成功開發(fā)了軌檢梁安裝在車體上的軌道檢測數(shù)學(xué)模型;成功開發(fā)了軌檢梁安裝在構(gòu)架上、部分傳感器安裝在車體上、部分傳感器安裝在軌檢梁上的軌道檢測數(shù)學(xué)模型。

3)機械懸掛方式。根據(jù)不同類型的車輛的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新設(shè)計了多種組件懸掛方式，使得軌檢系統(tǒng)可廣泛安裝于各種車輛，包括 CRH380A-001、CRH380B-002、CRH2-150C、CRH2-061C 等綜 合 檢測車，以及其它普通車輛。

4)長波不平順檢測。軌道檢測輸出有兩種形式:空間曲線輸出和弦測輸出。空間曲線有三種截止波長:高低不平順的截止波長分別是25 m，70 m，150 m;軌向不平順的截止波長分別是25 m，70 m，200 m。弦測輸出可以選擇10 m弦、20 m弦等。

5)傳感器技術(shù)。使用光纖陀螺代替機械陀螺，使用光電位移計代替拉弦位移計，在高速綜合檢測車CRH380A-001，CRH380B-002，CRH2-150C，CRH2-061C上試驗成功，徹底解決綜合檢測列車上位移計易損壞的問題。使用慣性組件代替分布式傳感器，通過CAN總線方式采集數(shù)據(jù)，進一步提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。

8 結(jié)論

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)融合了圖像處理、模數(shù)混合濾波、實時控制、FRID里程定位等多方面的的技術(shù)，在CRH380A-001、CRH380B-002、CRH2-150C、CRH2-061C等綜合檢測列車上得到應(yīng)用和檢驗，CRH380B-002最高檢測速度已達(dá)400 km/h。經(jīng)過試驗驗證，GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、重復(fù)性、一致性、軌檢梁安全性等方面都滿足有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)和參考標(biāo)準(zhǔn)，必將在高速綜合檢測列車和其他普通軌檢車上得到廣泛應(yīng)用。

[1]陳東生，田新宇，劉維楨，等.鐵路軌道檢測的現(xiàn)狀及發(fā)展[C]∥軌道交通建設(shè)與運營安全研討會.2008:191-198.

[2]柴東明，劉伶萍，杜鶴亭，等.GJ-4型軌檢車的檢測原理[J].鐵道建筑，1999(12):32-34.

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[5]中華人民共和國鐵道部.工機[1997]27號 關(guān)于加強軌檢車軌距吊梁檢修管理工作的通知[S].北京:中華人民共和國鐵道部，1997.

[6]張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，1997.