高速鐵路的軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)分析

柴屹東 郭曉風(fēng)

摘 要：在高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)中，需要做好軌道檢測(cè)工作，以保證列車運(yùn)行安全。高速鐵路軌道檢測(cè)工作主要借助軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Ω咚勹F路軌道的幾何狀態(tài)做有載條件下的檢測(cè)，檢測(cè)的結(jié)果可以指導(dǎo)高速鐵路的軌道養(yǎng)護(hù)及維修，繼而保證高速鐵路運(yùn)行的平穩(wěn)性，使得高速列車可以安全及平穩(wěn)的運(yùn)作。本次研究對(duì)高速鐵路的軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，并探討了軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)的具體應(yīng)用，希望給相關(guān)人員提供一些有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)；應(yīng)用

引言

高速鐵路是我國(guó)重要的名片，在多年的發(fā)展上，高速鐵路也實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)的發(fā)展，這為我國(guó)道路交通事業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。高速鐵路的平穩(wěn)運(yùn)行，需要考慮三個(gè)方面的指標(biāo)，第一個(gè)指標(biāo)是縱向平穩(wěn)性，第二個(gè)指標(biāo)是橫向平穩(wěn)性，第三個(gè)指標(biāo)是垂向平穩(wěn)性。對(duì)列車縱向平穩(wěn)性，起決定作用的是列車的操縱，然而對(duì)于列車橫向與垂向平穩(wěn)性，起決定作用的是高鐵線路平順性。因而，為了保證高鐵運(yùn)行平穩(wěn)，必須要對(duì)高鐵線路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)及維修，保證列車運(yùn)行高平順性。

1.軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要是指借助安裝在普通客車、動(dòng)車等特定檢測(cè)車上的車載檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備主要是對(duì)軌道的狀態(tài)進(jìn)行有載檢測(cè)。軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)的內(nèi)容具體包括軌道間距、軌道走向、軌道水平度、軌距變化率、車體重向加速度、地面標(biāo)識(shí)、速度、里程等。其中垂向平穩(wěn)性主要受軌道高低、水平及三角坑，橫向平穩(wěn)性主要受軌向影響。

軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要是由激光攝像組件、慣性測(cè)量組件、信號(hào)處理組件、數(shù)據(jù)處理組件等組成。系統(tǒng)的主要工作原理主要是利用非直接接觸的激光攝像，利用位移量技術(shù)、慣性基準(zhǔn)原理進(jìn)行測(cè)量，利用激光攝像組件來測(cè)量鐵路軌道相較于檢測(cè)梁橫向及垂向位移情況，借助慣性測(cè)量組件如加速度計(jì)、陀螺儀等常用的傳感器對(duì)車體及檢測(cè)梁的姿態(tài)變化情況。傳感器需將檢測(cè)到的位移、速度及加速度等物理量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大及濾波處理，主要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)可對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、修正及補(bǔ)償處理，以合成所需的軌道幾何參數(shù)，按一定檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)獲得超限的數(shù)據(jù)，然后將統(tǒng)計(jì)報(bào)表輸出，以實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)軌道的幾何波形。

2.軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)

高速鐵路軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的主要特點(diǎn)是速度高、精度高、可靠性高。其中速度高主要指的是軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采樣與實(shí)時(shí)處理的速度需滿足時(shí)速達(dá)到400千米/小時(shí)的列車運(yùn)行需求，實(shí)時(shí)處理速度也要達(dá)到各條鋼軌每秒450幀圖像的能力；精度高需要檢測(cè)系統(tǒng)要具備高的檢測(cè)精度，這主要因?yàn)楦咚勹F路本身鋪設(shè)精度可以達(dá)到毫米級(jí)；可靠性高則強(qiáng)調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)需要滿足長(zhǎng)時(shí)間不間斷檢測(cè)及在復(fù)雜條件下正常檢測(cè)的需求。為了滿足實(shí)際檢測(cè)需求，需借助以下幾種關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 激光攝影與圖像處理技術(shù)

激光射線的關(guān)鍵部位包括激光器、攝像機(jī)、溫控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)等，借助激光器及攝像及構(gòu)建激光攝像技術(shù)可以獲得鋼軌的基本輪廓，對(duì)基本輪廓進(jìn)行視覺圖像處理，可獲得鋼軌測(cè)量坐標(biāo)系橫縱向的位移情況，完整的課程軌距，同時(shí)還參與超高、水平以及高低計(jì)算。具體圖像的處理上，首先需要借助圖像處理卡來采集圖像，采用二值化及圖像細(xì)化處理方法來獲取鋼軌的基本骨架獲得鋼軌輪廓線，之后借助坐標(biāo)變換以及提取特征點(diǎn)獲得左右單邊軌道的軌局分量與高低分量。

2.2 慣性技術(shù)

慣性技術(shù)屬于慣性敏感器、慣性穩(wěn)定、慣性導(dǎo)航、慣性測(cè)量多種技術(shù)的總稱。慣性技術(shù)核心是慣性傳感器，軌道檢測(cè)技術(shù)借助陀螺及加速度記錄儀構(gòu)建出穩(wěn)定導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)，獲得載體陀螺與加速度信號(hào)具體數(shù)值，之后采取積分計(jì)算方法獲得載體的相對(duì)慣性參考坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)狀況。

2.3 數(shù)據(jù)合成處理技術(shù)

借助軌道幾何參數(shù)來合成計(jì)算模型，借助實(shí)時(shí)的圖像采集及圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信軟件、編輯匯總與報(bào)表輸出軟件，對(duì)軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、計(jì)算，最終將數(shù)據(jù)信息匯總?cè)跒橐惑w。為軌道檢測(cè)提供重要的參考。

2.4 適合高速環(huán)境的檢測(cè)梁設(shè)計(jì)制造技術(shù)

不同的軌道列車的結(jié)構(gòu)不同，車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)也存在巨大的差異。為此需要設(shè)計(jì)制造出多種用于懸掛激光攝像組件的檢測(cè)梁。對(duì)檢測(cè)梁進(jìn)行檢測(cè)主要是對(duì)梁的動(dòng)應(yīng)力情況進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)還需要對(duì)檢測(cè)梁的結(jié)構(gòu)安全強(qiáng)度進(jìn)行分析，確保檢測(cè)梁可在高速及強(qiáng)震動(dòng)的環(huán)境下平穩(wěn)安全運(yùn)行。

3.軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用

3.1 獲取軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)波形圖

軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)波形圖主要指的是軌道的幾何實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以里程作為自變量進(jìn)行軌道動(dòng)態(tài)展示，展示通道通常包括軌道高低、軌道走向、軌道間距、三角坑、車體橫向加速度及垂向加速度情況等。軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)可以反應(yīng)軌道的基本情況，這同人體心電如一樣，能夠反應(yīng)軌道的基本情況，同時(shí)技術(shù)人員可根據(jù)軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)波形圖來評(píng)判軌道的幾何狀態(tài)，進(jìn)而了解軌道的實(shí)際偏差。

3.2 軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計(jì)

根據(jù)線路的名稱、所屬管轄單位、列車速度、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型等條件間的靈活組合，查詢并統(tǒng)計(jì)各種軌道的和檢測(cè)具體數(shù)據(jù)，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)以統(tǒng)計(jì)報(bào)表的形式導(dǎo)出，以滿足檢測(cè)數(shù)據(jù)的日常管理及及查詢統(tǒng)計(jì)需求。比如可以按照軌道線路、站段、車間、速度大小、偏差等條件來統(tǒng)計(jì)匯總軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)情況。

3.3 檢測(cè)指標(biāo)的趨勢(shì)分析

依照線路的名稱、檢測(cè)設(shè)備、速度登記、時(shí)間范圍對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；將月、周作為基本的檢測(cè)周期，分線路、速度等級(jí)與管轄單位間的任意組合對(duì)軌道檢測(cè)指標(biāo)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析；借助檢測(cè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)來分析檢測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)并監(jiān)控設(shè)備的質(zhì)量情況，常用檢測(cè)指標(biāo)主要包括軌道檢測(cè)數(shù)量、軌道質(zhì)量指數(shù)、平均扣分。

3.4 檢測(cè)偏差重復(fù)性分析

結(jié)合軌道線路的名稱、檢測(cè)設(shè)備、線路的速度等級(jí)、日期范圍、里程范圍，確定統(tǒng)計(jì)檢測(cè)偏差的重復(fù)次數(shù)，如果出現(xiàn)偏差多次重復(fù)的情況，可以判定為該區(qū)域?qū)儆谫|(zhì)量薄弱的區(qū)段，需要及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。

3.5 新線聯(lián)調(diào)聯(lián)試

新建高速鐵路項(xiàng)目，聯(lián)調(diào)聯(lián)試是項(xiàng)目開通前不可缺少的環(huán)節(jié)。新線的聯(lián)調(diào)聯(lián)試主要是對(duì)軌道、供電、通信等系統(tǒng)的基本情況進(jìn)行綜合的檢測(cè)與驗(yàn)證，在具體的檢測(cè)工作中，應(yīng)用到很多的新技術(shù)及新設(shè)備，比如京津城際高速鐵路在開始通行前，高速綜合檢測(cè)列車就被作為重要的技術(shù)裝備，參與鐵路全線開通前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試與動(dòng)態(tài)驗(yàn)收工作，這樣為鐵路線路的后續(xù)運(yùn)營(yíng)提供重要的幫助。因此可以說，每一條新建的鐵路只有經(jīng)過高速綜合檢測(cè)列車的檢測(cè)及驗(yàn)證后，才能夠保證后續(xù)安全運(yùn)行。

3.6 科研性綜合試驗(yàn)

科研性綜合試驗(yàn)主要根據(jù)科研項(xiàng)目的實(shí)際需求，借助高速綜合檢測(cè)列車對(duì)高速鐵路軌道狀況、供電狀況、通信狀況等情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，滿足試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。高速綜合檢測(cè)列車參與了眾多重要的鐵路線路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)，比如京滬高鐵綜合試驗(yàn)、蘭新第二雙線大風(fēng)綜合實(shí)驗(yàn)、鄭徐高鐵綜合實(shí)驗(yàn)等軌道項(xiàng)目，借助科研性綜合實(shí)驗(yàn)，為我國(guó)鐵路科技的發(fā)展及進(jìn)步奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

結(jié)語

高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全是鐵路人員首要考慮的目標(biāo)。在實(shí)際的鐵路運(yùn)營(yíng)中，高速綜合檢測(cè)是保障高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全不可或缺的步驟，實(shí)際的檢測(cè)工作中，借助高速鐵路軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)可帶動(dòng)我國(guó)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)、軌道安全及養(yǎng)護(hù)維修的長(zhǎng)足發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]金明.高速鐵路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量管理方法[J].中國(guó)鐵路，2018（03）：54-58.

[2]苗蘭弟，任慶國(guó).既有鐵路軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究[J].長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，34（02）：17-20.

[3]王巍，姚京川，劉鵬輝，尹京，董振升，孟鑫，楊宜謙.我國(guó)高速鐵路橋梁動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的新進(jìn)展[J].中國(guó)鐵路，2013（02）：48-51.

（作者單位：中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京高鐵工務(wù)段）