高精度線路測(cè)量車測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用

吳海濤

(上海大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段，上海 200439)

目前，既有的有砟線路維修整修工作均由大型養(yǎng)路機(jī)械完成。由于傳統(tǒng)的搗固車采用20m鋼弦指導(dǎo)線路維修作業(yè)，對(duì)于線路長(zhǎng)波不平順的整治效果不很明顯。采用激光準(zhǔn)直技術(shù)原理的全線路激光測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)提高作業(yè)質(zhì)量以及線路的長(zhǎng)波平順性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由奧地利普拉塞—陶依爾公司生產(chǎn)的 EMSAT120高精度測(cè)量車是目前世界上測(cè)量精度最高、綜合性能最好的測(cè)量車。該車可選擇固定點(diǎn)對(duì)軌道抄平撥道值進(jìn)行高精度電子測(cè)量，同時(shí)該車還可以對(duì)線路撥道值、抄平值(水平值)、軌距、完成里程等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算。該車的測(cè)量結(jié)果可以直接輸入裝有ALC(自動(dòng)電平控制)的搗固車，并能滿足其作業(yè)需要。高精度線路測(cè)量車可以在雨天和夜間作業(yè)，并能在風(fēng)沙和灰塵嚴(yán)重的條件下正常工作，連續(xù)作業(yè)時(shí)間超過10 h以上。目前，已由昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司著手進(jìn)行高精度線路測(cè)量車的技術(shù)引進(jìn)工作。

全路首臺(tái)高精度線路測(cè)量車去年中旬已在上?？蛯＞S修基地投入使用，并落戶上?？蛯＞S修基地。

1 測(cè)量系統(tǒng)

EM-SAT120高精度測(cè)量車，如圖1所示，用于測(cè)量和計(jì)算鐵路線路相對(duì)于固定點(diǎn)的起道量、撥道量、以及軌距、超高、里程等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠滿足線路新建、大修和維修時(shí)搗固作業(yè)需要。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)能夠直接輸入配備有ALC的搗固車(09-3X Dynamic或D09-32)，作為搗固車的部分控制參數(shù)完成搗固車起道和撥道作業(yè)。由于線路起道量、撥道量測(cè)量的參考點(diǎn)是固定點(diǎn)——認(rèn)為大地坐標(biāo)系不變的點(diǎn)，所以其測(cè)量值是參考大地坐標(biāo)系的絕對(duì)值。搗固車按照這些值進(jìn)行起撥道、搗固作業(yè)后，線路不僅能夠達(dá)到平順并保持幾何形狀，同時(shí)還能保證相對(duì)于固定點(diǎn)的位置精度，使線路恢復(fù)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。

圖1 EM-SAT120高精度線路測(cè)量車

1.1 衛(wèi)星小車

衛(wèi)星小車也稱為前導(dǎo)測(cè)量小車，如圖2所示，它由1個(gè)小型司機(jī)室、4個(gè)小車輪、以及電驅(qū)動(dòng)走行系統(tǒng)組成。在司機(jī)室內(nèi)布置有蓄電池、走行操控裝置、激光發(fā)射裝置、激光對(duì)準(zhǔn)裝置以及可供一個(gè)人使用的小座椅等。其中激光發(fā)射裝置為核心部件。

非作業(yè)時(shí)，衛(wèi)星小車置于主車架前端上部，隨主車運(yùn)行，并由主車電源向蓄電池沖電。作業(yè)時(shí)，由收放裝置放下置于鋼軌上，操作人員進(jìn)入司機(jī)室，操作相關(guān)裝置進(jìn)行蓄電池供電走行。總體來說，衛(wèi)星小車提供了一個(gè)搬運(yùn)、操作激光發(fā)射裝置的相對(duì)良好的工作環(huán)境。

圖2 衛(wèi)星小車

每個(gè)測(cè)量段測(cè)量步驟基本是:停止發(fā)射小車，主車向發(fā)射車開進(jìn)的過程中，由主車實(shí)時(shí)測(cè)量線路的相關(guān)參數(shù)值，其測(cè)量速度約為5～7 km/h。主車與發(fā)射車間距離由主車上的非接觸距離測(cè)量單元測(cè)得。

1.2 測(cè)量小車

測(cè)量小車安裝于主車架前部下方，如圖3所示，由兩大兩小共4個(gè)車輪實(shí)現(xiàn)在軌上行走，通過左右兩鉸接桿與車架相連接。高速走行時(shí)，由提升氣缸提起并鎖定懸掛于主車架上;作業(yè)時(shí)，解鎖并下放于鋼軌上，并由提升氣缸施加一定下壓力。此外，按作業(yè)需要，由左右加載氣缸施加加載力，使其緊貼于一側(cè)鋼軌。

圖3 測(cè)量小車

在測(cè)量小車上安裝有各種線路測(cè)量傳感器，如里程測(cè)量輪、可左右上下兩維移動(dòng)的激光接收器、軌距測(cè)量傳感器、超高測(cè)量傳感器(電子擺)、對(duì)準(zhǔn)固定點(diǎn)的視頻相機(jī)、測(cè)量固定點(diǎn)的測(cè)量機(jī)器人等。

1.3 測(cè)量原理

EM-SAT120是作業(yè)前導(dǎo)測(cè)量車，其數(shù)據(jù)后續(xù)處理完成。在其絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量原理上，由GPS系統(tǒng)獲取主車起始點(diǎn)位置的絕對(duì)坐標(biāo)，然后將激光弦線測(cè)得的相對(duì)偏差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的絕對(duì)位置及其偏差。EMSAT120測(cè)量車的核心功能是將已知的線路幾何理論數(shù)據(jù)與本車實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按公里標(biāo)位置進(jìn)行逐點(diǎn)比較，計(jì)算出差值，作為搗固車前端撥道偏移量和前端起道修正量，控制搗固車作業(yè)。由于線路幾何理論數(shù)據(jù)是以絕對(duì)坐標(biāo)系內(nèi)的固定點(diǎn)(布置在接觸網(wǎng)桿、擋墻上)為參考，因此所測(cè)得的修正量是絕對(duì)坐標(biāo)系內(nèi)的修正量。搗固車按此修正量作業(yè)后，會(huì)使線路恢復(fù)到線路幾何理論形狀和位置。要實(shí)現(xiàn)絕對(duì)坐標(biāo)系內(nèi)測(cè)量，EMSAT120測(cè)量車必須結(jié)合固定點(diǎn)才能完成測(cè)量工作。所謂固定點(diǎn)，是布設(shè)在相對(duì)穩(wěn)固基礎(chǔ)上的(如觸網(wǎng)桿、擋墻等)、人為認(rèn)為較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)坐標(biāo)不會(huì)變化的點(diǎn)，這些點(diǎn)用來做EM-SAT120測(cè)量車的測(cè)量基準(zhǔn)。

EM-SAT120測(cè)量車的工作原理如圖4所示。測(cè)量工作開始前，線路的理論幾何曲線要素和固定點(diǎn)處鋼軌上相應(yīng)點(diǎn)到固定點(diǎn)的理論水平距離和高程距離必須已知(這些數(shù)據(jù)由中央數(shù)據(jù)庫管理)，并已輸入主車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這是EM-SAT120測(cè)量車工作的前提條件。測(cè)量工作時(shí)，將主車和衛(wèi)星小車分別開行到兩相鄰固定點(diǎn)處，對(duì)準(zhǔn)固定點(diǎn)，測(cè)出主車和衛(wèi)星小車相對(duì)于固定點(diǎn)的實(shí)際距離，即以固定點(diǎn)為基準(zhǔn)定位;在衛(wèi)星前導(dǎo)小車激光發(fā)射器和測(cè)量主車激光接收器之間建立一束激光(激光弦);測(cè)量主車按測(cè)量速度向前開行，里程測(cè)量傳感器測(cè)出主車位置，激光接收器跟蹤激光弦并測(cè)出撥道方向和起道高低的位置，實(shí)時(shí)輸入測(cè)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)內(nèi)已經(jīng)存在的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最終得到線路各點(diǎn)實(shí)際線路與理論線路的偏差數(shù)據(jù)。當(dāng)主車測(cè)量走行到衛(wèi)星小車所在位置時(shí)停止，完成本段兩固定點(diǎn)間測(cè)量，衛(wèi)星小車向下一固定點(diǎn)開行、對(duì)位，如此周而復(fù)始地進(jìn)行大區(qū)段作業(yè)。由于整個(gè)測(cè)量工作是以固定點(diǎn)為基準(zhǔn)，所以測(cè)得的偏差數(shù)據(jù)是線路相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系的偏差。這些數(shù)據(jù)可供后序作業(yè)使用，如判定線路是否需要維修、計(jì)算線路最大允許通過速度等，最普遍的用途是輸入搗固車操作系統(tǒng)，引導(dǎo)搗固車作業(yè)。搗固車按此數(shù)據(jù)作業(yè)后，會(huì)使線路恢復(fù)到絕對(duì)坐標(biāo)系下的形狀和位置。

圖4 測(cè)量原理示意

2 主要技術(shù)參數(shù)

EM-SAT120高精度線路測(cè)量車的主要技術(shù)參數(shù)如下。

2.1 運(yùn)行與作業(yè)條件

符合中國鐵路機(jī)車車輛限界設(shè)計(jì)要求和鐵路線路使用要求。

2.2 作業(yè)性能

1)能在直線段、曲線段及道岔區(qū)進(jìn)行作業(yè)。

2)一次作業(yè)，同時(shí)完成方向(正矢)、高低(縱平)、超高(橫平、水平)、軌距、里程位置的測(cè)量;作業(yè)速度不小于2.5 km/h。

3)測(cè)量作業(yè)范圍:方向最大測(cè)量范圍1 000mm;高低最大測(cè)量范圍400mm;超高最大測(cè)量范圍180mm;測(cè)量作業(yè)時(shí)運(yùn)行速度2.5～7.0 km/h。

4)作業(yè)時(shí)激光束最少有效距離250m。

5)作業(yè)精度:軌道方向和高低測(cè)量精度±1 mm;橫向水平(超高)±1 mm;軌距測(cè)量精度±1 mm;距離誤差0.1 m/100m。

2.3 整機(jī)主要性能與參數(shù)

外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為16 052 mm×3 020mm×3 970mm;整機(jī)質(zhì)量50 t;發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率370 kW;雙向最高自行速度120 km/h;作業(yè)速度為5～7 km/h。

3 施工作業(yè)及使用

在EM-SAT120高精度線路測(cè)量車到達(dá)上?？蛯＞S修基地后，基地各部門首先進(jìn)行了試車工作，在作業(yè)性能試驗(yàn)滿足要求后投入現(xiàn)場(chǎng)使用，取得了較好的效果。

3.1 作業(yè)性能試驗(yàn)

1)大機(jī)編組:滬端GC01+DG+WD京端

EM-SAT120高精度線路測(cè)量車1臺(tái)+帶ALC功能的搗固車1臺(tái)+穩(wěn)定車1臺(tái)。

2)試驗(yàn)工作內(nèi)容

第一階段在黃渡基地開展，由機(jī)組人員完成黃渡基地1道500m距離的固定點(diǎn)的建立及測(cè)量工作，將數(shù)據(jù)輸入GC01計(jì)算機(jī)。

第二階段在黃渡基地開展，由外方技術(shù)專家和機(jī)組人員完成測(cè)量車的故障處理，恢復(fù)作業(yè)狀態(tài)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，期間同時(shí)對(duì)測(cè)量車的機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試。

第三階段在京滬線K820—K840區(qū)試驗(yàn)段開展，完成試驗(yàn)線路固定點(diǎn)系統(tǒng)的安裝，使用搗固車進(jìn)行配合。完成測(cè)量并將固定點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入EM-SAT120，確認(rèn)固定點(diǎn)精確度和優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合線路幾何參數(shù)，產(chǎn)生外部轉(zhuǎn)換和抄平數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并將其導(dǎo)入搗固車的ALC系統(tǒng)。通過搗固車的儀表觀察測(cè)量數(shù)值的真?zhèn)?，確認(rèn)需要起撥道數(shù)值的正確性。測(cè)量固定點(diǎn)和優(yōu)化測(cè)量的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)提供給搗固車進(jìn)行起撥道搗固作業(yè)。

在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)段進(jìn)行測(cè)試作業(yè)，全面考核EMSAT120高精度測(cè)量車的作業(yè)參數(shù)和作業(yè)效率，測(cè)量項(xiàng)目包括:參考長(zhǎng)距離激光弦的線路正矢值;參考長(zhǎng)距離激光弦的線路相對(duì)橫向水平、縱向水平、完成的里程和軌距。

3)試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過3個(gè)階段的性能試驗(yàn)，EM-SAT120高精度線路測(cè)量車各項(xiàng)性能指標(biāo)符合出廠標(biāo)準(zhǔn)，滿足線路測(cè)量要求，具備軌道使用條件。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

EM-SAT120高精度線路測(cè)量車在建立了固定樁系統(tǒng)的線路上經(jīng)過半年多的使用表明，其測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠真實(shí)反映線路真實(shí)狀況，指導(dǎo)搗固車進(jìn)行作業(yè)，使線路恢復(fù)到初始設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可消除長(zhǎng)波不平順。同時(shí)，使用中也存在固定樁系統(tǒng)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式不匹配、信息數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)不相同等問題。這就需要技術(shù)研發(fā)部門和使用單位進(jìn)行協(xié)作解決，以利于今后推廣使用。

4 結(jié)束語

1)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)使用表明，EM-SAT120高精度測(cè)量車能夠測(cè)量和計(jì)算鐵路線路相對(duì)于固定點(diǎn)的起道量、撥道量、軌距、超高、里程等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠滿足線路新建、大修和維修時(shí)搗固作業(yè)需要。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)能夠直接輸入配備有ALC的搗固車，指導(dǎo)搗固車進(jìn)行作業(yè)，使線路恢復(fù)到初始設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，消除長(zhǎng)波不平順。

2)既有線固定樁系統(tǒng)的不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式不匹配、信息數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)不相同等問題對(duì)將來高精度測(cè)量車的大規(guī)模應(yīng)用有較大影響，需要解決。

3)工務(wù)部門應(yīng)該深入研究施工組織，進(jìn)一步提高使用效率。

［1］高春雷，王發(fā)燈.利用激光準(zhǔn)直技術(shù)檢測(cè)線路的長(zhǎng)波不平順［J］.鐵道建筑，2009(1):81-83.

［2］韓志青，唐定全.抄平起撥道搗固車［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.