王勇剛,周俊萍,李永江,陳貴金,郭恩志,李 亮,彭志強(qiáng)
(中國(guó)航天三江集團(tuán)紅峰控制有限公司,湖北孝感 432000)
高速鐵路作為新一代的軌道交通設(shè)施,對(duì)軌道線路的安全檢測(cè)與維護(hù)要求也進(jìn)一步提高。目前工程上對(duì)線路檢查的主要手段是動(dòng)、靜結(jié)合,二者互相補(bǔ)充,綜合應(yīng)用。靜態(tài)檢查方法主要有兩種,分別是利用軌檢儀[1]檢查和使用道尺、弦繩等工具手工檢查[2]。
軌檢儀檢查項(xiàng)目全面,且輕便、精確,相對(duì)于道尺、弦繩等工具明顯提高了效率[3],但仍有較大空間提高效率和數(shù)據(jù)的全面性?,F(xiàn)有軌檢儀主要是光學(xué)式軌檢儀[4]、陀螺軌檢儀[4-5],如圖1所示。光學(xué)式軌檢儀依托高鐵測(cè)控網(wǎng),借助全站儀,實(shí)現(xiàn)高鐵線路的三維測(cè)量,優(yōu)點(diǎn)是它屬于絕對(duì)測(cè)量,且測(cè)量精度高;缺點(diǎn)是測(cè)量數(shù)據(jù)是離散的點(diǎn),一般是在每個(gè)軌枕位置上測(cè)量一組數(shù)據(jù),效率較低[6],在目前的高鐵時(shí)間天窗內(nèi),每5h只能測(cè)量60m左右。若在2個(gè)軌枕之間的線路出現(xiàn)異常情況[7](如圖2所示),如軌面凹坑、裂紋、凸點(diǎn)、異物貼附、起楞、正弦扭曲等,這種軌檢儀是無(wú)法檢出的。因?yàn)樗臏y(cè)量結(jié)果是在假定相鄰測(cè)量點(diǎn)之間線路平滑的基礎(chǔ)上擬合的。陀螺軌檢儀是一種相對(duì)平順性檢查儀器,原理是在軌檢小車上安裝1或2只陀螺感知姿態(tài),配合里程計(jì)信息檢查軌道內(nèi)參數(shù),如弦長(zhǎng)、三角坑等[8]。優(yōu)點(diǎn)是效率有所提高,操作方便;缺點(diǎn)是精度低,屬于相對(duì)測(cè)量,測(cè)量的弦長(zhǎng)等參數(shù)是對(duì)真實(shí)線路的預(yù)估,為弦測(cè)法而非軌跡法。為進(jìn)一步提高效率,也有不少單位嘗試將上述兩種軌檢儀結(jié)合,達(dá)到既保證精度又提高效率的目的,但具體使用情況有待進(jìn)一步觀察和驗(yàn)證。
作為提高測(cè)量精度、測(cè)量可靠性和作業(yè)效率的方法之一,本文闡述了一種基于慣性定位定向技術(shù)[9]的0級(jí)軌檢儀。該軌檢儀的特點(diǎn)如下。
1)吸收現(xiàn)有光學(xué)式軌檢儀的優(yōu)點(diǎn),測(cè)量基準(zhǔn)仍然依附于現(xiàn)有高鐵測(cè)控網(wǎng);軌檢儀的小車依然沿用現(xiàn)有軌檢小車的形制,以軌檢小車上的光學(xué)棱鏡作為測(cè)量中心點(diǎn),借助全站儀將高鐵測(cè)控網(wǎng)上的參數(shù)引入;不同點(diǎn)在于它只是引入待測(cè)軌道線路上的個(gè)別點(diǎn)作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn),如起點(diǎn)、終點(diǎn)、個(gè)別中間點(diǎn)等。
2)采用高精度定位定向慣導(dǎo)作為核心測(cè)量組件,并融合基準(zhǔn)點(diǎn)信息、多路里程計(jì)信息,以慣性組合導(dǎo)航中定位定向的方式作業(yè);測(cè)量性質(zhì)在理論上屬于對(duì)軌道的絕對(duì)測(cè)量,測(cè)量結(jié)果理論上是連續(xù)的數(shù)據(jù)線而非離散點(diǎn),更不是對(duì)真實(shí)線路的預(yù)估,同時(shí)也避免了圖2中的測(cè)量缺陷。
本高鐵軌檢儀主要由軌檢小車、全站儀、筆記本電腦以及相關(guān)附屬軟件、配件等組成。軌檢小車借鑒現(xiàn)有光學(xué)式軌檢小車形制,不同點(diǎn)在于加裝了一臺(tái)高精度定位定向光纖慣導(dǎo),3個(gè)車輪上均安裝了高精度光電編碼器作為里程計(jì)。產(chǎn)品的原理構(gòu)成如圖3所示。
由于里程計(jì)不能敏感自身軸向的位移變化、各車輪半徑不一致、彎道行駛車輪轉(zhuǎn)過(guò)距離存在差異等因素,高鐵軌檢儀采用3路精密里程計(jì)檢測(cè)位移變化,并在算法處理上采用閉環(huán)修正處理里程計(jì)的測(cè)量誤差。
采用慣性定位定向技術(shù)的高鐵軌檢儀的工作原理與目前常規(guī)的定位定向裝置也不大相同,基本工作原理流程如圖4所示。
高鐵軌檢儀進(jìn)行測(cè)量時(shí),首先要在起點(diǎn)嚴(yán)格固定位置并進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn),自對(duì)準(zhǔn)完成并轉(zhuǎn)導(dǎo)航后才能開(kāi)始推行。推行過(guò)程中產(chǎn)品工作在慣性組合導(dǎo)航的定位定向解算狀態(tài);若推行距離過(guò)長(zhǎng),為保證測(cè)量精度,會(huì)在推行路線的中間增設(shè)若干測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn),軌檢小車推行到這些測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí),要嚴(yán)格對(duì)正或利用全站儀測(cè)量出軌檢小車的基準(zhǔn)點(diǎn)參數(shù),并靜止10s以上;到達(dá)終點(diǎn)后,令產(chǎn)品嚴(yán)格對(duì)正終點(diǎn)位置,軌檢小車車輪鎖死,或者再利用全站儀測(cè)量出終點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)參數(shù),而后進(jìn)行二次自對(duì)準(zhǔn);第二次自對(duì)準(zhǔn)完成后,本次測(cè)量結(jié)束。作業(yè)完成后利用保存的測(cè)量數(shù)據(jù),進(jìn)行離線多層閉環(huán)修正計(jì)算,并將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到高鐵測(cè)控網(wǎng)下的CPIII數(shù)據(jù)形式。
轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出形式既是高鐵測(cè)量的判讀要求,也有其內(nèi)在的測(cè)量理論因素。
高鐵線路的絕對(duì)測(cè)量是建立在高鐵測(cè)控網(wǎng)基礎(chǔ)上的測(cè)量[4]。高鐵測(cè)控網(wǎng)是由CP0、CPI、CPII、CPIII構(gòu)成,其中CP0、CPI、CPII是在CGCS2000坐標(biāo)體系下采用廣域差分GPS定位確定位置基準(zhǔn)點(diǎn)的,海拔上結(jié)合了國(guó)家85高程標(biāo)準(zhǔn)。只有CPIII是在前3層基礎(chǔ)上通過(guò)平差擬合確定的,基準(zhǔn)精度達(dá)到了平差條件下的1mm水平,光學(xué)式軌檢儀就是依托CPIII點(diǎn)在網(wǎng)格平面坐標(biāo)系下達(dá)到的所謂1mm測(cè)量精度。
如果把一條絕對(duì)筆直的高鐵線路放到地球模型下觀察,會(huì)發(fā)現(xiàn)高鐵線路是在地球表面上的一條弧線,因此網(wǎng)格平面坐標(biāo)系的適用距離肯定有限。如果高程上以1mm精度計(jì)算,利用全站儀測(cè)量軌檢小車?yán)忡R參數(shù)的距離將不超過(guò)112.88m,即以全站儀為中心的半徑在50m以內(nèi)才可以。假定要擬合300m弦長(zhǎng)下的參數(shù),就必須多段拼接與擬合。
整體觀察一條長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里的高鐵線路,與此類似的有飛機(jī)航跡和輪船航線,二者均使用慣性組合導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行航跡測(cè)量。慣性技術(shù)中,載體運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量精度最高的是慣性定位定向技術(shù)。高鐵軌道是地面線路,高鐵測(cè)控網(wǎng)是由高精度GPS廣域差分技術(shù)建立起來(lái)的[4],經(jīng)分析論證后,本高鐵軌檢儀確定采用了結(jié)合里程計(jì)、高鐵測(cè)控網(wǎng)的組合導(dǎo)航定位定向技術(shù)。
慣性組合導(dǎo)航定位定向輸出的參數(shù)是在CGCS 2000坐標(biāo)體系和85高程條件下的絕對(duì)輸出參數(shù),對(duì)高鐵線路的測(cè)量屬于絕對(duì)測(cè)量的軌跡法。因此,只要對(duì)本高鐵軌檢儀的輸出參數(shù)像平差CPIII坐標(biāo)參數(shù)那樣處理,就會(huì)得到絕對(duì)測(cè)量軌跡。
硬件中首先關(guān)注的是T型結(jié)構(gòu)軌檢小車,選用該結(jié)構(gòu)的原因是它采用了3個(gè)車輪,這是在行走中最穩(wěn)定且不會(huì)出現(xiàn)懸空的三角型結(jié)構(gòu),有利于里程計(jì)對(duì)行走距離的準(zhǔn)確測(cè)量。盡管T型結(jié)構(gòu)軌檢小車存在著原理性假軌距、假水平問(wèn)題[3,10],但只要測(cè)量數(shù)據(jù)有效,是可以進(jìn)行軟件補(bǔ)償?shù)摹?/p>
高精度光纖慣導(dǎo)是高鐵軌檢儀的核心組件,采用了空間正交的3只高精度光纖陀螺、3只高精度石英加速度計(jì)作為傳感器件。工具誤差補(bǔ)償后,角速度敏感精度可以達(dá)到0.02(°)/h,加速度敏感精度可以達(dá)到50μg。在自對(duì)準(zhǔn)階段,若利用加速度計(jì)進(jìn)行調(diào)平,輸出的初始俯仰角、傾斜角(滾動(dòng)角)精度在10.3"左右,已經(jīng)優(yōu)于CGCS2000坐標(biāo)體系下地球模型中20"水平精度的要求。電子水平儀靜態(tài)測(cè)量可以達(dá)到0.001"的精度[11],但在推行中動(dòng)態(tài)輸出數(shù)據(jù)已無(wú)意義,故沒(méi)有使用電子水平儀作為必備的傳感器。
對(duì)于使用慣性技術(shù)的軌檢儀在測(cè)量中會(huì)因?yàn)榻撬俣鹊恼鎸?shí)分辨率帶來(lái)假軌距、假水平問(wèn)題,傳統(tǒng)的陀螺軌檢儀雖然也使用慣性器件作為測(cè)量核心器件,但原理上是在一定條件下的簡(jiǎn)化[12],是以敏感車體相對(duì)軌道的角速度為基礎(chǔ)的,除此之外的角速度均被視為誤差,因此其真實(shí)分辨率并不高。而在慣性定位定向技術(shù)中,理論上認(rèn)為3只正交陀螺敏感到的角速度包括地球自轉(zhuǎn)的角速度分量,剔除后才是車體相對(duì)軌道的角速度。即使考慮陀螺的輸出噪聲誤差,角速度的真實(shí)分辨率仍可達(dá)小于1"的水平,由此帶來(lái)的假軌距、假水平值均不超過(guò)0.007mm,完全可以忽略。
精密里程計(jì)在距離測(cè)量上具有相對(duì)測(cè)量精確的優(yōu)勢(shì),可以彌補(bǔ)慣性導(dǎo)航位移隨時(shí)間積累誤差增大的問(wèn)題,但里程計(jì)不能敏感自身軸向上的位移變化。小車在彎道上推行時(shí)屬于側(cè)滑轉(zhuǎn)彎,雖然加速度計(jì)的信號(hào)能夠?qū)囕喌妮S向滑動(dòng)、車體側(cè)滑進(jìn)行位移修正,但基于現(xiàn)代濾波與容錯(cuò)的算法對(duì)側(cè)滑的修正精度依然有限,為此配置3路里程計(jì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的冗余補(bǔ)充。
基于慣性定位定向技術(shù)的高鐵軌檢儀一般推行距離較遠(yuǎn),在利用全站儀引入測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)信息時(shí)花費(fèi)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)[13],為避免多次重復(fù)性測(cè)量帶來(lái)的架設(shè)困難,有必要在測(cè)量路段的起點(diǎn)、終點(diǎn)各架設(shè)一臺(tái)全站儀。此外,T型結(jié)構(gòu)軌檢小車還要安放電池、筆記本電腦、車輪剎車鎖死機(jī)構(gòu)、軌距傳感器、照明裝置、棱鏡、軌枕位置感知傳感器等。
根據(jù)理論分析,利用某綜合精度為0.02(°)/h的高精度光纖陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行了高鐵應(yīng)用軌道檢測(cè)仿真,仿真時(shí)按照TB/T3147標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的車輪跳動(dòng)量加入誤差,仿真推行1000m,推行時(shí)間1000s。仿真計(jì)算的誤差曲線如圖5所示。
從圖5的仿真結(jié)果可以看出,在推行1000m的情況下,最大側(cè)向測(cè)量誤差僅為-1.2535mm,最大垂直測(cè)量誤差僅為1.2125mm。若推行距離縮短,或推行速度加快,減小慣導(dǎo)隨時(shí)間積累而增大的誤差,是完全可以達(dá)到1mm精度水平的,即與全站儀平差測(cè)量的精度同級(jí)。
工程應(yīng)用必須考慮到同級(jí)精度光纖陀螺批產(chǎn)條件下的差異。為此,又選取9只不同批次、綜合精度仍為0.02(°)/h的光纖陀螺進(jìn)行仿真,仿真時(shí)車輪跳動(dòng)誤差、推行距離、推行時(shí)間不變。發(fā)現(xiàn)其重復(fù)性誤差僅在±0.02mm之間。
若按照TB/T3147標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定,該仿真的精度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0級(jí)軌檢儀的精度要求??紤]到測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)參數(shù)是通過(guò)全站儀將CPIII測(cè)控網(wǎng)參數(shù)引入的,基準(zhǔn)精度在1mm水平,本高鐵軌檢儀暫時(shí)只能作為0級(jí)軌檢儀使用。理論仿真結(jié)果也證實(shí)采用定位定向技術(shù)研制軌檢儀的思路在工程上是可行的。
為驗(yàn)證仿真的可行性,搭建了一套工程樣機(jī)進(jìn)行高鐵軌道測(cè)量試驗(yàn)。由于彎道最能考核產(chǎn)品的適應(yīng)能力,故選取了一段彎道鐵軌作為試驗(yàn)路段。現(xiàn)場(chǎng)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取回后,再通過(guò)離線計(jì)算進(jìn)行精度分析。從離線計(jì)算結(jié)果可以看出,樣機(jī)測(cè)量精度的重復(fù)性可以到達(dá)1mm/500m(1σ)的水平,重復(fù)測(cè)量10次的效率優(yōu)于500m/2h。
由此證實(shí),采用定位定向技術(shù)的高鐵軌檢儀具備在高鐵軌道檢測(cè)應(yīng)用方面的條件,實(shí)際檢測(cè)中也能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0級(jí)軌檢儀3mm/300m的精度要求。
通過(guò)理論分析、數(shù)學(xué)仿真和初步試驗(yàn)驗(yàn)證可以確認(rèn),采用慣性組合導(dǎo)航和定位定向技術(shù)的軌檢儀應(yīng)用于高鐵軌道的靜態(tài)測(cè)量是非常有前景的。在半實(shí)物仿真性質(zhì)的推行試驗(yàn)中已經(jīng)顯示出這種新式產(chǎn)品極高的測(cè)量效率和精度。在工程的實(shí)現(xiàn)方面,目前高鐵上的軌道檢測(cè)小車是標(biāo)準(zhǔn)化的成熟產(chǎn)品[14],只需按設(shè)定方案改制就能滿足要求。國(guó)內(nèi)貨架產(chǎn)品中,精度優(yōu)于0.02(°)/h的光纖陀螺種類已經(jīng)很多,價(jià)格也在逐年下降,也為這種新產(chǎn)品的研制和大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
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