高速軌道檢測系統(tǒng)

■ 魏世斌 劉伶萍 趙延峰 李穎 王昊

軌道檢測系統(tǒng)主要檢測軌道幾何尺寸偏差，包括軌距、軌向、高低、水平、三角坑的幾何不平順。通過對軌道的周期性、全項目的等速動態(tài)檢測，全面掌握線路質量狀態(tài)，指導養(yǎng)護與維修，保障行車安全。

我國的軌道檢測技術在發(fā)展中不斷進步，檢測設備為第四代和第五代軌道檢測車。自主研發(fā)的第四代軌道檢測車——GJ-4型軌道檢測車，最高檢測速度160 km/h；以引進技術為主的第五代軌道檢測車——GJ-5型軌道檢測車，最高檢測速度200 km/h。隨著高速鐵路的發(fā)展，特別是京滬高速鐵路的建設，迫切需要深入開展高速度、高技術的軌道檢測系統(tǒng)研究，研發(fā)的目標和內容包括：在試驗檢測速度400 km/h下的軌道狀態(tài)實時采集和精確測量技術；適用于試驗檢測速度400 km/h的高速鐵路軌道檢測系統(tǒng)，并可實時同步檢測；通過研發(fā)檢測設備和軟件開發(fā)，以及在動車組上安裝與集成，實現(xiàn)在高速條件下對軌道多個參數(shù)的實時采集、精確測量和分級評判。

1 高速軌道檢測關鍵技術

1.1 高速激光攝像式測量技術

我國的GJ-4型軌道檢測車采用激光伺服式測量設備，GJ-5型軌道檢測車采用激光攝像式測量設備。激光攝像式測量設備因無移動部件、結構安全可靠成為軌道檢測技術的發(fā)展方向。我國對激光攝像式軌道檢測技術開展了研究和探索，國外檢測技術比較成熟，最高檢測速度達到300 km/h。

激光攝像式軌道檢測技術研究取得以下成果：激光攝像式軌道檢測設備具有自主知識產(chǎn)權；實現(xiàn)圖像采集、傳輸、處理的全數(shù)字化；綜合使用多種圖像并行處理技術，提高圖像處理速度，圖像采集、處理速度達450幀/s，滿足400 km/h實時檢測需要。

1.2 抗陽光干擾技術

陽光干擾即在一定照射角度下，陽光直射或反射光對檢測系統(tǒng)傳感器造成影響，是軌道幾何檢測系統(tǒng)非接觸測量領域的難題。

自京滬高速鐵路開通以來，通過研究算法，提高元器件性能，為提高抗陽光干擾能力，采用動態(tài)閾值法等方法研制的激光攝像檢測設備用于軌道日常檢測，未出現(xiàn)陽光干擾問題。

1.3 軌道檢測數(shù)學模型

軌道檢測數(shù)學模型是軌道檢測技術的核心內容之一。GJ-4型軌道檢測車采用“捷聯(lián)式”結構，數(shù)學模型從美國引進，適用于中低速軌道檢測；GJ-5型軌道檢測車的檢測設備從美國引進，其信號處理方法及數(shù)學模型完全對用戶保密，可借鑒的方法和技術不多。在吸取GJ-4型和GJ-5型軌道檢測車檢測系統(tǒng)優(yōu)點的基礎上，研發(fā)了試驗速度400 km/h的高速檢測系統(tǒng)數(shù)學模型，并在軟件系統(tǒng)中加以實現(xiàn)。主要對3種安裝方式建立數(shù)學模型：一是檢測梁安裝在車體上的軌道檢測數(shù)學模型；二是檢測梁安裝在構架上、部分傳感器安裝在車體上、部分傳感器安裝在檢測梁上的軌道檢測數(shù)學模型；三是檢測梁安裝在構架上、所有傳感器安裝在檢測梁上的軌道檢測數(shù)學模型。CRH380A-002高速綜合檢測列車以第二種安裝方式為主、第三種方式為輔。軌道幾何檢測數(shù)學計算方法見圖1。

1.4 標定校準裝置

系列軌道檢測系統(tǒng)標定和校準裝置主要有軌距校準裝置、激光攝像參數(shù)標定裝置、高低軌向標定裝置和水平標定裝置等。主要介紹激光攝像參數(shù)標定裝置（見圖2）。

激光攝像參數(shù)標定裝置是根據(jù)已知的標定針坐標值，推算激光攝像測量系統(tǒng)的參數(shù)實現(xiàn)檢測。激光攝像標定裝置小巧，可移動；設有磁性底座開關，磁性底座水平吸附于鋼軌上；設有垂直和水平定位螺栓，使標定針與激光面垂直并使標定針板保持水平；克服了GJ-5型軌道檢測車必須翻轉檢測梁才能標定的缺點，提高了安全性。

1.5 軌道長波不平順檢測技術

軌道不平順是車輛振動的主要激擾源。隨著列車速度的提高，影響列車平穩(wěn)運行的長波不平順（70～120 m）逐步加大。400 km/h的高速鐵路對軌道不平順檢測長波要求達到120 m以上。GJ-4型軌道檢測車不具備長波不平順檢測能力，GJ-5型軌道檢測車能夠輸出軌道長波不平順的波形，但其應用受到局限：一是數(shù)據(jù)接口不能自主設置，相關應用研究受到限制；二是缺少軌道長波不平順超限評判標準，不便于管理。

軌道長波不平順檢測技術研究取得以下成果：設計了以三角窗為基窗、以三角窗和矩形窗為修正窗的并聯(lián)濾波器，可獲得較高的檢測精度；實現(xiàn)波長為120 m的軌道長波不平順檢測；可按高速鐵路長波軌道不平順管理標準建議值檢測線路。

1.6 大半徑曲線檢測技術

曲線是軌道的薄弱環(huán)節(jié)之一，其質量對列車運行平穩(wěn)性有重大影響。曲線要素測量是軌道檢測的重要內容，是曲線養(yǎng)護維修不可缺少的基本信息。GJ-4型軌道檢測車適用于速度較低線路，檢測曲線半徑是150～8 000 m，提速線路和高速鐵路的曲線半徑一般超過8 000 m，其對大半徑曲線已不能正確識別和準確測量，GJ-5型軌道檢測車也不能正確識別和準確測量。

通過采用多平臺慣性測量技術、相位差分GPS測量技術，研制出大半徑曲線檢測設備。采用研制的檢測設備與原檢測設備對實際線路曲線進行檢測，檢測結果見圖3，可以看出研制的檢測設備具有較高的準確度。

1.7 慣性測量裝置

慣性測量器件是軌道檢測系統(tǒng)的重要組成部分，GJ-4型和GJ-5型軌道檢測車均使用慣性測量器件。GJ-4型軌道檢測車使用的慣性器件包括陀螺組件和加速度計；GJ-5型軌檢車使用的慣性器件為安裝在檢測梁上的慣性組件，其成本高，供貨周期長，無保障，常常影響軌道檢測車的正常使用。

根據(jù)軌道檢測系統(tǒng)的需要，研制了雙軸慣性和三軸慣性組件（見圖4），采用國產(chǎn)化的長壽命、高可靠的閉環(huán)光纖陀螺和石英撓性加速度計，完全可以替代同類進口產(chǎn)品。

1.8 高速軌道檢測系統(tǒng)檢測梁

圖1 軌道幾何檢測數(shù)學計算方法示意圖

圖2 激光攝像檢測參數(shù)標定設備

圖3 檢測結果

圖4 慣性組件

檢測梁是安裝檢測系統(tǒng)傳感器的重要結構，主要起承載激光攝像組件、慣性組件、軌向加速度計、自動位置探測器的傳感器作用。因車輛結構和檢測需求不同，檢測梁結構的設計不同。以往各種類型的檢測梁均不適合在動車組上安裝，因此需要研制能夠在動車組上安裝、滿足傳感器安裝需要，以及在速度400 km/h條件下結構強度、疲勞強度、疲勞可靠性和對車輛動力學性能的影響均能符合相關標準的檢測梁及懸掛裝置。

研制的高速軌道檢測系統(tǒng)檢測梁（見圖5）質量不大于130 kg；能夠按照檢測系統(tǒng)的測量要求設計傳感器的空間位置；對結構靜強度和疲勞強度進行有限元分析，模擬運營載荷工況進行驗證，能夠滿足疲勞強度要求；動力學計算中建立帶檢測梁的高速檢測列車拖車非線性數(shù)學模型，計算結果表明：帶檢測梁的高速檢測列車TC3拖車的臨界速度大于600 km/h，滿足速度400 km/h運營要求；進行動應力測試，確認高速運行的安全性。

2 高速軌道檢測系統(tǒng)設計制造

2.1 系統(tǒng)構架

高速軌道檢測系統(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組成（見圖6）。

高速軌道檢測系統(tǒng)采用計算機集中處理檢測項目數(shù)據(jù)。檢測項目包括軌距、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，道岔、道口及橋梁等地面具有顯著特征的標志物。

2.2 激光攝像組件

激光攝像組件是高速軌道檢測系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括激光器、攝像機、溫控系統(tǒng)、光學系統(tǒng)等，通過對視覺圖像的處理，得到鋼軌輪廓和鋼軌相對的測量坐標系。

2.3 慣性測量和信號處理組件

慣性測量組件主要由陀螺平臺（CAS）、左高低加速度計（LACC）、右高低加速度計（RACC）、軌向加速度計（ALGN）、慣性組件（IMU）等組成，傳感器安裝位置見圖7。慣性測量組件主要功能是采集檢測梁、車體滾動和搖頭角速度，以及傾角、垂向和橫向加速度，以建立軌道檢測的慣性基準。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，對慣性測量部件輸出的信號進行濾波、補償、修正、合成計算，輸出的軌道幾何參數(shù)滿足軌向、高低、水平（超高）、三角坑、曲率的測量要求。

2.4 軟件設計和數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理組件由數(shù)據(jù)庫服務器、實時處理計算機、數(shù)據(jù)應用計算機、網(wǎng)絡打印機、交換機等設備組成，并構成車載局域網(wǎng)系統(tǒng)。實時處理計算機實現(xiàn)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，在屏幕上實時顯示幾何參數(shù)波形圖和里程、速度等信息。數(shù)據(jù)處理組件的軟件處理數(shù)據(jù)流程見圖8。

圖5 高速軌道檢測系統(tǒng)的檢測梁

圖6 軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)構成示意圖

圖7 傳感器安裝位置（車體底板俯視示意圖）

3 高速軌道檢測系統(tǒng)試驗驗證

為了驗證高速軌道檢測系統(tǒng)的性能，將檢測系統(tǒng)安裝在CRH380A-001車上。在京滬先導段上行線K729+000—K757+561預設8類37處軌道不平順，其中連續(xù)三波高低不平順2處和軌向不平順2處、復合不平順6處、高低4處、軌向4處、軌距10處、水平5處、三角坑4處。

高速軌道檢測系統(tǒng)采集速度為100～400 km/h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。根據(jù)65次往返檢測結果，取2倍標準差，即將置信概率95%的統(tǒng)計結果作為極限誤差，描述檢測項目的準確度，檢測結果如下：

（1）高低極限誤差0.6 mm×2=1.2 mm，滿足高低準確度技術指標≤1.5 mm的要求；

（2）軌向極限誤差0.4 mm×2=0.8 mm，滿足軌向準確度技術指標≤1.5 mm的要求；

（3）軌距極限誤差0.50 mm×2=1.0 mm，滿足軌距準確度技術指標≤1.0 mm的要求；

（4）水平極限誤差0.6 mm×2=1.2 mm，滿足水平準確度技術指標≤1.5 mm的要求；

（5）三角坑極限誤差0.5 mm×2=1.0 mm，滿足三角坑準確度技術指標≤1.5 mm的要求。

檢測結論：高速軌道檢測系統(tǒng)準確度技術指標滿足設計要求；檢測還驗證了高低、軌向、軌距、三角坑、水平等檢測項目的第95百分位數(shù)和最大偏差值，均滿足重復性技術指標要求。

圖8 軟件處理數(shù)據(jù)流程

4 結束語

高速軌道檢測技術創(chuàng)新點如下：

（1）最高檢測速度突破。實現(xiàn)速度400 km/h的實時檢測，為當前世界最高檢測速度。

（2）激光攝像式檢測技術。成功研制具有完全自主知識產(chǎn)權的激光攝像式軌道檢測設備，填補了國內空白。

（3）抗陽光干擾技術。通過研究特殊算法，采用動態(tài)閾值法等方法，提高抗陽光干擾能力，解決了外國長期未解決的陽光干擾問題。

（4）長波不平順檢測技術。實現(xiàn)了截止波長為120 m的軌道長波不平順檢測。

（5）高速軌道檢測系統(tǒng)的檢測梁。研制成功在速度400 km/h條件下能夠滿足檢測設備懸掛條件和保證行車安全的檢測梁。

（6）慣性測量裝置。成功研制雙軸慣性組件和三軸慣性組件，可替代同類進口產(chǎn)品。

（7）大半徑曲線檢測技術。采用多維慣性基準技術進行多基準校核，解決了大半徑曲線檢測技術問題。

高速軌道檢測系統(tǒng)融合了圖像處理、模數(shù)混合濾波、實時控制等多方面技術，在CRH380A-001、CRH380B-002、CRH2-150C、CRH2-061C等綜合檢測列車上進行應用和檢驗，CRH380B-002最高檢測速度達400 km/h。經(jīng)檢測驗證，高速軌道檢測系統(tǒng)在準確性、重復性、一致性、檢測梁安全性等方面滿足相關技術指標和參考標準，將在高速綜合檢測車和普通軌道檢測車上廣泛應用。