運(yùn)營動(dòng)車組加裝軌道檢測(cè)系統(tǒng)方案研究

彭昭云，李穎，魏世斌

（1. 廣州鐵路（集團(tuán)）公司 工務(wù)檢測(cè)所，廣東 廣州 510088；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研 究所，北京 100081）

運(yùn)營動(dòng)車組加裝軌道檢測(cè)系統(tǒng)方案研究

彭昭云1，李穎2，魏世斌2

（1. 廣州鐵路（集團(tuán)）公司 工務(wù)檢測(cè)所，廣東 廣州 510088；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研 究所，北京 100081）

由于高速綜合檢測(cè)列車經(jīng)輪渡過瓊州海峽困難及海南環(huán)島鐵路基礎(chǔ)設(shè)施得不到等速檢測(cè)等原因，提出在海南運(yùn)營動(dòng)車組上加裝一套軌道檢測(cè)系統(tǒng)的方案。對(duì)運(yùn)營動(dòng)車組加裝軌道檢測(cè)系統(tǒng)的方案、實(shí)施過程、應(yīng)用管理等進(jìn)行闡述，對(duì)系統(tǒng)推廣前景進(jìn)行展望。

海南東環(huán)；運(yùn)營動(dòng)車組；軌道檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言

海南東環(huán)鐵路自2010年12月開通運(yùn)營以來，由于高速綜合檢測(cè)列車經(jīng)輪渡過瓊州海峽時(shí)的解編與恢復(fù)工作相當(dāng)繁瑣，且用時(shí)較長(zhǎng)，容易影響運(yùn)輸正點(diǎn)率，另外還需安排專業(yè)人士配合，部分區(qū)段無電氣化條件，因此利用高速綜合檢測(cè)列車來檢測(cè)海南東環(huán)鐵路非常困難。至今，高速綜合檢測(cè)列車檢測(cè)東環(huán)鐵路僅1次。目前，廣州鐵路（集團(tuán)）公司（簡(jiǎn)稱廣鐵集團(tuán)）采用單機(jī)加隔離車加掛軌檢車的編組形式，以最高速度160 km/h的方式完成海南東環(huán)鐵路軌道檢測(cè)工作。這種方式存在檢測(cè)速度偏低（非等速）、監(jiān)測(cè)不到動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行情況（非實(shí)車）等問題，使海南東環(huán)鐵路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量得不到有效檢測(cè)。

為確保運(yùn)營安全，需要采取更有效的檢測(cè)手段，解決海南東環(huán)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施定期、等速、實(shí)車動(dòng)態(tài)檢測(cè)的問題。廣鐵集團(tuán)提出在海南東環(huán)鐵路運(yùn)營的動(dòng)車組（經(jīng)原鐵道部批準(zhǔn)選擇CRH1099動(dòng)車組）上加裝一套綜合檢測(cè)系統(tǒng)，以代替高速綜合檢測(cè)列車完成海南環(huán)島鐵路軌道幾何參數(shù)不平順日常檢測(cè)任務(wù)。在運(yùn)營動(dòng)車組上安裝的軌道檢測(cè)系統(tǒng)，必須具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、集成度高、易于維護(hù)、安全可靠的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軌道幾何狀態(tài)和車輛響應(yīng)的精確測(cè)量，以指導(dǎo)軌道養(yǎng)護(hù)維修，保障鐵路運(yùn)營安全。國內(nèi)外還沒有在運(yùn)營動(dòng)車組上安裝軌道檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用案例，系統(tǒng)研制成功后，將成為我國首套安裝在運(yùn)營動(dòng)車組上的軌道檢測(cè)系統(tǒng)。

1 技術(shù)方案與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)方案

軌道檢測(cè)系統(tǒng)安裝在CRH1099動(dòng)車組5號(hào)車上，各檢測(cè)系統(tǒng)布置示意見圖1。

圖1 CRH1099動(dòng)車組各檢測(cè)系統(tǒng)布置示意圖

目前我國最先進(jìn)的軌道檢測(cè)設(shè)備為自主研發(fā)的GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)[1-2]，信號(hào)處理采用硬件、軟件相結(jié)合的方式，這種方式分立元件多，硬件組成較為復(fù)雜，不宜安裝在運(yùn)營動(dòng)車組上。在運(yùn)營動(dòng)車組上安裝軌道檢測(cè)設(shè)備，首先設(shè)備尺寸不能太大，以盡量減小對(duì)旅客座席的影響為目標(biāo)；其次還需考慮動(dòng)車組本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)必須便于安裝；再次考慮檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用模式，不同于普通軌檢車和綜合檢測(cè)車，檢測(cè)的實(shí)施要結(jié)合旅客列車的運(yùn)營安排。

因此，提出在GJ-6型軌檢系統(tǒng)基礎(chǔ)上，保留激光攝像組件安裝位置與圖像處理方法，將高度集成的慣性組件安裝在檢測(cè)梁中間位置[3]，測(cè)量檢測(cè)梁的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，采用激光攝像組件測(cè)量鋼軌與檢測(cè)梁的相對(duì)幾何關(guān)系，通過數(shù)字信號(hào)傳輸方式，建立以檢測(cè)梁為慣性基準(zhǔn)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算各項(xiàng)軌道幾何參數(shù)，該軌道檢測(cè)系統(tǒng)傳感器安裝示意見圖2。其中，G為左右軌面中點(diǎn)之間的標(biāo)準(zhǔn)軌距，為1 435 mm；GL為左軌軌距點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)向架的橫向位移；GR為右軌軌距點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)向架的橫向位移；PL為左軌軌面頂點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)向架的垂向位移；PR為右軌軌面頂點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)向架的垂向位移；AL為軌道檢測(cè)梁中心點(diǎn)軌向加速度傳感器的輸出；hL為軌道檢測(cè)梁相對(duì)軌距測(cè)量平面的垂直高度；ωx為轉(zhuǎn)向架滾動(dòng)角速率；ωy為轉(zhuǎn)向架的俯仰角速率；ωz為轉(zhuǎn)向架搖頭角速率。

對(duì)于將慣性器件安裝在轉(zhuǎn)向架上的情況進(jìn)行分析可知，此轉(zhuǎn)向架相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)可用剛體繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程得到，以φ為剛體偏航角（即搖頭角），θ為剛體滾動(dòng)角，ψ為剛體俯仰角，則剛體坐標(biāo)系內(nèi)3個(gè)坐標(biāo)軸方向的角速度與剛體在3個(gè)方向上轉(zhuǎn)過角度的關(guān)系為[4-7]：

圖2 CRH1099動(dòng)車組軌道檢測(cè)系統(tǒng)傳感器安裝示意圖

由此可知，使用慣性器件的輸出可解算出檢測(cè)梁的姿態(tài)參數(shù)，結(jié)合激光攝像系統(tǒng)的輸出值，進(jìn)而準(zhǔn)確求解出軌道幾何參數(shù)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備組成及特點(diǎn)

按照上述測(cè)量要求，同時(shí)考慮安裝和使用需要，在運(yùn)營動(dòng)車組上配置的軌道檢測(cè)設(shè)備如下：

（1）檢測(cè)梁（包括安裝連接件、遮陽罩），1 套；

（2）激光攝像組件，2套，安裝在檢測(cè)梁兩端；

（3）慣性測(cè)量組件，1套，安裝在檢測(cè)梁中部；

（4）光電編碼器，2個(gè)，安裝于軸端；

（5）機(jī)柜，1個(gè)；

（6）UPS，1組；

（7）圖像處理機(jī)，2套，處理左、右軌斷面圖像；

（8）實(shí)時(shí)處理機(jī)，1套，實(shí)時(shí)采集合成軌道幾何參數(shù)；

（9）KVM切換器，1套；（10）顯示器，1臺(tái)；

（11）加速度計(jì)，2套；

（12）加速度采集處理機(jī)，1套；

（13）射頻卡，150套；

（14）GPS定位天線，1個(gè)；

（15）里程處理機(jī)，1套。

系統(tǒng)主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)了適用于運(yùn)營動(dòng)車組的軌道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、采用高度集成的新型傳感器、全部使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、建立了以檢測(cè)梁為慣性基準(zhǔn)的軌道檢測(cè)數(shù)學(xué)模型等。

這些新技術(shù)除了在類似運(yùn)營動(dòng)車組上推廣使用外，還可在下列領(lǐng)域推廣應(yīng)用：用于高速綜合檢測(cè)列車，如對(duì)中國鐵路總公司綜合檢測(cè)列車進(jìn)行軌檢系統(tǒng)升級(jí)；用于普通軌檢車，如對(duì)廣鐵集團(tuán)現(xiàn)有軌檢車進(jìn)行升級(jí)改造；還可用于地方鐵路、地鐵輕軌的軌檢車等。

2 實(shí)施過程

2012年5月，經(jīng)原鐵道部批準(zhǔn)，海南東環(huán)鐵路CRH1099動(dòng)車組加裝綜合檢測(cè)系統(tǒng)，由廣鐵集團(tuán)負(fù)責(zé)組織實(shí)施。廣鐵集團(tuán)工務(wù)處負(fù)責(zé)總體策劃，工務(wù)檢測(cè)所負(fù)責(zé)需求和方案分析等具體事宜；中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所和北京鐵科英邁技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)軌道檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案和具體實(shí)施；青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司（BST）負(fù)責(zé)動(dòng)車組改造；粵海鐵路有限責(zé)任公司和海南高速鐵路有限公司作為配合和應(yīng)用單位，負(fù)責(zé)研究成果現(xiàn)場(chǎng)使用，從現(xiàn)場(chǎng)使用單位角度提供完善意見。

2012年5月—2013年5月，完成了軌道檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案的確定、設(shè)備招標(biāo)、設(shè)備制造、動(dòng)車組改造、設(shè)備安裝、動(dòng)靜態(tài)調(diào)試（含檢測(cè)梁探傷、應(yīng)力測(cè)試）、模擬運(yùn)行及交驗(yàn)用戶等工作。2013年11月，項(xiàng)目組組織專家組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核和測(cè)試驗(yàn)收，專家組一致認(rèn)為該系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目齊全、運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確可靠，同意驗(yàn)收，可用于海南東環(huán)等高速鐵路的軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量檢測(cè)。2016年該項(xiàng)目又獲得中國鐵路總公司的課題立項(xiàng)。

3 應(yīng)用管理

為加強(qiáng)海南東環(huán)鐵路CRH1099動(dòng)車組加裝綜合檢測(cè)系統(tǒng)的使用、維護(hù)及管理工作，充分發(fā)揮其等速檢測(cè)、指導(dǎo)基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修的作用，廣鐵集團(tuán)根據(jù)原鐵道部相關(guān)文件要求，制定下發(fā)了《海南東環(huán)動(dòng)檢車運(yùn)用維護(hù)管理辦法（試行）》（廣鐵工發(fā)［2013］134號(hào)）。文件對(duì)組織和管理、檢測(cè)項(xiàng)目和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)范圍和檢測(cè)周期、人員配備及要求、數(shù)據(jù)分析與報(bào)告管理、動(dòng)車組日常維護(hù)管理及后勤保障、檢測(cè)設(shè)備日常維護(hù)管理、動(dòng)車組檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用安全等方面進(jìn)行了明確規(guī)定。隨后粵海鐵路有限公司下發(fā)了《海南東環(huán)動(dòng)檢車運(yùn)用維護(hù)管理實(shí)施細(xì)則（試行）》（粵海工管發(fā)［2013］161號(hào)）文件，對(duì)該動(dòng)車組的用管修進(jìn)行了細(xì)化。該系統(tǒng)的使用、維護(hù)及管理情況每月納入廣鐵集團(tuán)軌控分析報(bào)告，并在工務(wù)軌控分析電視電話會(huì)上進(jìn)行通報(bào)。

4 結(jié)束語

自2013年5月在CRH1099動(dòng)車組上安裝軌道檢測(cè)系統(tǒng)，承擔(dān)海南東環(huán)鐵路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量檢測(cè)任務(wù)以來，在世界范圍內(nèi)開創(chuàng)了運(yùn)營動(dòng)車組上安裝軌道檢測(cè)系統(tǒng)的先河。

運(yùn)行3年多來，軌檢設(shè)備狀態(tài)良好，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為指導(dǎo)工務(wù)安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，并成功解決了海南東環(huán)鐵路的等速檢測(cè)等問題。同時(shí)，為每年我國博鰲論壇的召開和東環(huán)鐵路各級(jí)專運(yùn)任務(wù)的順利完成提供了強(qiáng)有力的檢測(cè)手段支撐，也為海南新西環(huán)鐵路的開通奠定了基礎(chǔ)。

隨著我國鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，鐵路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量檢測(cè)越來越重要，創(chuàng)新實(shí)用的軌道檢測(cè)系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應(yīng)用，并將產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 魏世斌，李穎，趙延峰，等．GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制[J]．鐵道建筑，2012(2)：97-100．

[2] 魏世斌，劉伶萍，趙延峰，等．GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)[J]．鐵道建筑，2011(11)：98-101．

[3] 劉軍，陳翠梅，盧峰華．高速綜合檢測(cè)列車軌道檢測(cè)梁制造技術(shù)研究[J]．中國鐵路，2013(S1)：50-53.

[4] 占棟，于龍，肖建，等．軌道檢測(cè)中激光攝像式傳感器標(biāo)定方法研究[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(16)：39-47．

[5] 程志全．軌道檢測(cè)車的運(yùn)用[J]．中國鐵路，2015(5)：82-85．

[6] 陳文．高速鐵路軌道靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015．

[7] 伊興亞．軌道檢測(cè)粗大誤差分析和處理[J]．中國鐵路，2011(12)：27-29．

責(zé)任編輯 高紅義

Installation of Track Inspection System on In-service EMU

PENG Zhaoyun1，LI Ying2，WEI Shibin2
(1. Track Inspection Institute，Guangzhou Railway Group，Guangzhou Guangdong 510088，China；2. Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Since the high speed comprehensive inspection train cannot run across the Qiongzhou strait by ferry, the round-island high speed railway in Hainan are short of inspection by high speed inspection train. A track inspection system is proposed to be installed on the in-service EMU, with specif c installation, application and management scheme introduced and future potential of such system prospected.

East-ring HSR in Hainan；in-service EMU；track inspection system

U216.3

A

1001-683X（2017）03-0055-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.055

2016-11-30

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016G006-A）

彭昭云（1970—），男，高級(jí)工程師。E-mail：13570091618@139.com

李穎（1979—），女，副研究員。E-mail：liyinghit@rails.cn

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